一种激光负离子源及负离子束流获取方法与流程

本发明属于离子源，具体涉及一种激光负离子源及负离子束流获取方法。

背景技术：

1、负离子源是广泛应用的一种离子源,以前的负离子主要采用铯溅射负离子源。随着应用的不断拓展采用铯溅射负离子的传统方式已不能满足一些应用需求。采用传统铯溅射负离子源的缺点是它需要样品的化学制备而无法实现样品的直接和快速测定，从而无法实现样品的空间分布测定，更无法实现超纯材料的杂质分析。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于激光与电荷交换相结合的新型负离子源。利用激光的空间分辨、无需制样、快速电离的特点建立一种新型高效的负离子源，为样品的快速在线电离提供高质量的负离子源装置，满足应用需求。

2、为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种激光负离子源，其中，包括用于放置样品的样品架和用于对所述样品进行轰击进而产生等离子体的激光器，还包括电荷交换管，所述电荷交换管用于将所述等离子体中引出的正离子进行电荷交换获得负离子。

3、进一步，还包括设置在所述样品架和所述电荷交换管之间的第一电极，所述第一电极为栅网电极，靠近所述样品架，用于引出所述等离子体中的所述正离子。

4、进一步，还包括设置在所述第一电极和所述电荷交换管之间的第二电极和第三电极；所述第三电极靠近所述电荷交换管；所述第二电极和所述第三电极用于对所述正离子进行加速并将加速后的所述正离子聚焦传输到所述电荷交换管中。

5、进一步，所述电荷交换管中通过加温方法使得铯或者镁变成蒸汽并弥散在所述电荷交换管中，加速后的所述正离子从所述电荷交换管的顶端进入，在所述电荷交换管中穿越所述蒸汽时俘获自由电子变成所述负离子，随后所述负离子从所述电荷交换管的尾端被引出；所述电荷交换管与所述第三电极电位相同。

6、进一步，还包括用于对所述电荷交换管提供加热的加热装置。

7、进一步，在所述电荷交换管的尾端之外设有第四电极，所述第四电极为引出电极，用于将所述负离子从所述电荷交换管的尾端引出。

8、进一步，所述激光器发射的所述激光的光束能够聚焦到微米量级，通过调节所述光束的位置能够实现对所述样品的不同位置的轰击。

9、进一步，还包括真空罩，所述样品架、所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、所述电荷交换管、所述加热装置和所述第四电极均设置在所述真空罩内；所述激光器设置在所述真空罩之外；所述真空罩内部通过真空泵实现抽真空；在所述真空罩上还设有入射口和出射口，所述入射口用于所述激光的入射，所述出射口用于被引出的所述负离子的出射；所述加热装置通过绝缘体设置在所述真空罩内侧。

10、为达到以上目的，本发明还公开了一种用于以上所述的一种激光负离子源的负离子束流获取方法，包括以下步骤：

11、步骤s1，通过所述真空泵对所述真空罩内部进行抽真空；

12、步骤s2，通过所述激光对所述样品的轰击实现所述样品的电离并形成所述等离子体；

13、步骤s3，通过所述加热装置利用加温方法将铯或者镁变成蒸汽并弥散在所述电荷交换管中；将所述样品置于地电位，在所述第一电极上施加负电压，将所述等离子体中的所述正离子引出；

14、步骤s4，调节所述第二电极和所述第三电极的电压，将所述正离子的能量加速到5kev-15kev后聚焦传输到与所述第三电极的电位相同的所述电荷交换管里；

15、步骤s5，加速后的所述正离子穿过所述蒸汽时俘获所述蒸汽中的自由电子变成所述负离子；

16、步骤s6，在所述第四电极上施加正电压，将所述负离子从所述电荷交换管中引出，形成负离子束流。

17、进一步，在所述步骤s2中，在进行轰击前，需要对所述激光的能量以及对所述样品的剥蚀尺寸进行选取。

18、本发明的有益效果在于：

19、1.本发明利用激光的强电离特性和电荷交换的物理原理，提高负离子源的电离效率。

20、2.激光15的光束可聚焦到微米量级，通过调节光束的位置可实现样品4不同位置不同核素含量的测定，满足特殊样品的分析需要。

21、3.不需制样，直接将激光15作用于样品4表面产生等离子体16并实现正离子17的引出，满足了样品的快速测定；同时，避免了传统铯溅射源引入的杂质干扰，满足超纯材料的分析。

技术特征：

1.一种激光负离子源，其特征是：包括用于放置样品(4)的样品架(3)和用于对所述样品(4)进行轰击进而产生等离子体(16)的激光器(1)，还包括电荷交换管(8)，所述电荷交换管(8)用于将所述等离子体(16)中引出的正离子(17)进行电荷交换获得负离子(18)。

2.如权利要求1所述的一种激光负离子源，其特征是：还包括设置在所述样品架(3)和所述电荷交换管(8)之间的第一电极(5)，所述第一电极(5)为栅网电极，靠近所述样品架(3)，用于引出所述等离子体(16)中的所述正离子(17)。

3.如权利要求2所述的一种激光负离子源，其特征是：还包括设置在所述第一电极(5)和所述电荷交换管(8)之间的第二电极(6)和第三电极(7)；所述第三电极(7)靠近所述电荷交换管(8)；所述第二电极(6)和所述第三电极(7)用于对所述正离子(17)进行加速并将加速后的所述正离子(17)聚焦传输到所述电荷交换管(8)中。

4.如权利要求3所述的一种激光负离子源，其特征是：所述电荷交换管(8)中通过加温方法使得铯或者镁变成蒸汽并弥散在所述电荷交换管(8)中，加速后的所述正离子(17)从所述电荷交换管(8)的顶端进入，在所述电荷交换管(8)中穿越所述蒸汽时俘获自由电子变成所述负离子(18)，随后所述负离子(18)从所述电荷交换管(8)的尾端被引出；所述电荷交换管(8)与所述第三电极(7)电位相同。

5.如权利要求4所述的一种激光负离子源，其特征是：还包括用于对所述电荷交换管(8)提供加热的加热装置(9)。

6.如权利要求5所述的一种激光负离子源，其特征是：在所述电荷交换管(8)的尾端之外设有第四电极(12)，所述第四电极(12)为引出电极，用于将所述负离子(18)从所述电荷交换管(8)的尾端引出。

7.如权利要求6所述的一种激光负离子源，其特征是：所述激光器(1)发射的所述激光(15)的光束能够聚焦到微米量级，通过调节所述光束的位置能够实现对所述样品(4)的不同位置的轰击。

8.如权利要求7所述的一种激光负离子源，其特征是：还包括真空罩(2)，所述样品架(3)、所述第一电极(5)、所述第二电极(6)、所述第三电极(7)、所述电荷交换管(8)、所述加热装置(9)和所述第四电极(12)均设置在所述真空罩(2)内；所述激光器(1)设置在所述真空罩(2)之外；所述真空罩(2)内部通过真空泵(11)实现抽真空；在所述真空罩(2)上还设有入射口(13)和出射口(14)，所述入射口(13)用于所述激光(15)的入射，所述出射口(14)用于被引出的所述负离子(18)的出射；所述加热装置(9)通过绝缘体(10)设置在所述真空罩(2)内侧。

9.用于如权利要求8所述的一种激光负离子源的负离子束流获取方法，包括如下步骤：

10.如权利要求9所述的方法，其特征是：在所述步骤s2中，在进行轰击前，需要对所述激光(15)的能量以及对所述样品(4)的剥蚀尺寸进行选取。

技术总结
本发明属于离子源技术领域，具体涉及一种激光负离子源及负离子束流获取方法，其中的激光负离子源包括用于放置样品(4)的样品架(3)和用于对样品(4)进行轰击进而产生等离子体(16)的激光器(1)，还包括电荷交换管(8)，电荷交换管(8)用于将等离子体(16)中引出的正离子(17)进行电荷交换获得负离子(18)。本发明利用激光的强电离特性和电荷交换的物理原理，提高负离子源的电离效率。激光(15)的光束可聚焦到微米量级，通过调节光束的位置可实现样品(4)不同位置不同核素含量的测定，满足特殊样品的分析需要。不需制样，满足了样品的快速测定；同时，避免了传统铯溅射源引入的杂质干扰，满足超纯材料的分析。

技术研发人员：何明,李康宁,包轶文,游曲波,赵庆章,张文慧
受保护的技术使用者：中国原子能科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15