一种能提高原子束密度的原子发生器

摘要

本发明公开了一种能提高原子束流量密度的原子发生器，包括真空法兰、气路组件、加热装置和隔热冷却装置，气路组件包括供气源、真空微调阀、气体引入法兰、供气管、陶瓷套和钨毛细管；加热装置包括直流稳压电源、电引入法兰和钨加热子；隔热冷却装置包括冷却水引入法兰、铜套、钼隔热层和冷却块，铜套上设置有冷却水道，钼隔热层的下端设置有作为原子束出口的第一圆孔，铜套上设置有作为原子束出口的第二圆孔，并且所述钨毛细管、第一圆孔、第二圆孔的轴线重合。本发明出口处原子角度分布上，小极角范围内的原子流量密度得到增加，使原子发生器的工作效率得到提升，同时抑制了大极角的原子流量密度，减小了对周围元器件的影响。

权利要求

1.一种能提高原子束流量密度的原子发生器，其特征在于，包括真空法兰、气路组件、加热装置和隔热冷却装置，其中，所述气路组件包括按从上至下的顺序依次设置的供气源、真空微调阀、气体引入法兰、供气管、陶瓷套和钨毛细管，所述供气源通过所述真空微调阀和气体引入法兰与所述供气管连接，以用于向所述供气管供气，所述供气管穿过所述真空法兰并固定安装在所述真空法兰上，所述供气管与所述钨毛细管均竖直设置并且二者同轴设置，所述供气管的下端通过陶瓷套与所述钨毛细管的上端连接，并且供气管的内腔与钨毛细管的内腔连通；所述钨毛细管的下端设置有锥状内孔，以使原子束从所述钨毛细管中射出，所述锥状内孔的底端圆的直径大于其顶端圆的直径；

所述加热装置包括直流稳压电源、电引入法兰和钨加热子，所述电引入法兰固定安装在所述真空法兰上，所述直流稳压电源通过所述电引入法兰给所述钨加热子供电，所述钨毛细管穿过所述钨加热子；

所述隔热冷却装置包括冷却水引入法兰、钼隔热层和冷却块，所述冷却块包括铜套和散热块，散热块与铜套直接接触，所述冷却水引入法兰和铜套均固定安装在所述真空法兰上，所述钼隔热层和冷却块均为中空结构，二者均整体呈筒状，所述供气管伸入所述钼隔热层内，所述钨毛细管位于所述钼隔热层的内腔，所述冷却块固定套接在所述钼隔热层的外侧，其上设置有冷却水道，所述钼隔热层的下端设置有作为原子束的第一出口的第一圆孔，所述冷却块上设置有作为原子束的第二出口的第二圆孔，所述第一圆孔位于所述第二圆孔的上方，并且所述钨毛细管、第一圆孔、第二圆孔的轴线重合；

所述原子发生器还包括出口挡环，所述出口挡环包括圆筒体和圆环体，其中，所述圆筒体的内壁向其内部延伸所述圆环体，所述圆环体的轴线与所述钨毛细管的轴线同线并且所述圆环体的内孔作为原子束的第三出口；

所述出口挡环的底端面与所述钨毛细管的底端面的距离 并且D为

所述锥状内孔的底端圆的直径，D0为圆环体的内径， 为允许从圆环体的内孔出去的原子的极角的最大值。

2.根据权利要求1所述的一种能提高原子束流量密度的原子发生器，其特征在于，还包括温度测量装置，所述温度测量装置包括热电偶、热电偶引入法兰和温度计，所要热电偶固定设置在所述钨毛细管的外壁上，以用于检测所述钨毛细管的温度，所述温度计通过所述热电偶引入法兰与所述热电偶连接，以用于显示所述钨毛细管的温度。

3.根据权利要求1所述的一种能提高原子束流量密度的原子发生器，其特征在于，所述第一圆孔的直径大于 其中h1为钼隔热层的底端面到所述钨毛细管的底端面的距离， 为从圆环体的内孔出去原子最多的方向的原子的极角，D为所述锥状内孔的底端圆的直径；

所述第二圆孔的直径大于 其中h2为冷却块的底端面到所述钨毛细

管的底端所在平面的距离， 为从圆环体的内孔出去原子最多的方向的原子的极角，D为所述锥状内孔的底端圆的直径。

4.根据权利要求1所述的一种能提高原子束流量密度的原子发生器，其特征在于，所述锥状内孔包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的半锥角大于所述第二锥孔的半锥角。

5.根据权利要求1所述的一种能提高原子束流量密度的原子发生器，其特征在于，所述锥状内孔包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的半锥角小于所述第二锥孔的半锥角。

6.根据权利要求1所述的一种能提高原子束流量密度的原子发生器，其特征在于，将所述真空微调阀替换为质量流量控制器。

说明书

一种能提高原子束密度的原子发生器

技术领域

[0001] 本发明属于原子发生器领域。

背景技术

[0002] 原子发生器主要应用在表面科学和薄膜技术领域，可用于薄膜制备、材料表面清洗和表面氮化氧化等处理，也可用于原子分子物理研究。

[0003] 中国专利公开号为CN104202902A的专利公开了一种基于电感辐射加热多钨毛细管的氢原子发生装置，用于将氢气裂解成氢原子。该装置包括多根相邻的金属钨毛细管，在金属钨毛细管外缠绕金属加热线圈，并接通外界高频交流电，产生高速变化的交变磁场，使位于磁场内的金属钨毛细管在电磁感应作用下产生无数涡流，该涡流使钨毛细管快速发热而温度升高，高温使氢气裂解成氢原子。该装置使用了多根钨毛细管来增加出口的氢原子的浓度，其出口并未采取其他措施来改善氢原子的角度分布，使得氢原子在出口的角度分布中，小极角范围内的浓度得到增强，但同时大极角处的浓度也随之增加。

[0004] 中国专利公开号为CN1758827A的专利公开了一种原子束产生装置及其方法，该装置包括离子化腔室、离子束引导器、电性中和腔室和电压调节装置，通过离子化腔室将原子电离，并通过电场加速离子和调整离子束的形状，最后通过电子中和粒子生成具有一定能量和方向性的原子束。该发明主要针对的是惰性气体，即单原子分子气体，比较单一。

[0005] 美国专利号为5693173的专利公开了一种将气体加热裂解成原子束的装置。该装置工作在高真空环境下，通过加热钨丝产生高温，气体经过高温钨丝后被裂解成原子，其中钨加热子在管道的内部，管道直径大，气体通过管道的外壁和电极及钨加热子组成的内芯之间的空隙流入与流出。由于其未采用钨毛细管，管道截面较大，其出口原子的角度分布为余弦分布，没有方向性，不利于原子束的利用。

[0006] 美国专利号为6191416的专利公开了一种基于钨毛细管的原子发生器。该装置使用圆柱形钨毛细管来对气体进行引导，使出口的气体分布的方向性更强；同时该装置使用螺旋圆柱弹簧形状的钨加热子对钨毛细管进行辐射加热，加热后的钨毛细管将通过其内部的气体进裂解成原子，并通过出口排出。该装置的出口为一般的出口，并未采取相应的措施增大小极角的原子密度分布，也未采取措施减小大极角的原子密度分布，使得出口绝大多数原子仍然以大极角方向流出，出射方向为小极角的原子数较少，难以使用原子束集中加工工件。

[0007] 文章“Formation of an atomic hydrogen beam by a hot capillary”介绍了一种氢原子发生器，可以将氢气裂解成氢原子。该氢原子发生器采用了圆柱形钨毛细管裂解氢气，加热钨毛细管的方式为电子束轰击加热。通过加热钨加热子产生电子，然后在钨毛细管和钨加热子之间施加高电压加速电子，电子高速撞击钨毛细管，进而加热钨毛细管。这里通过调节钨加热子的电流和加速电压调节加热的温度。同时其出口使用了磁场以约束产生的离子，使出口仅为中性氢原子。其出口未增加相应的结构改善角度分布，使其出口氢原子角度分布在大极角(极角为原子运动的方向与毛细管中心线的夹角)的方向的数量仍然占多数，难以使用原子束集中加工工件。

发明内容

[0008] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种能提高原子束流量密度的原子发生器，其通过钨毛细管的锥状内孔，以及出口挡环对原子束的阻挡作用，可以使出口处的原子束的分布集中在较小的角度范围内，有利于提高此角度范围内的原子的流量密度，同时抑制大极角方向上的原子的流量密度。

[0009] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种能提高原子束流量密度的原子发生器，其特征在于，包括真空法兰、气路组件、加热装置和隔热冷却装置，其中，[0010] 所述气路组件包括按从上至下的顺序依次设置的供气源、真空微调阀、气体引入法兰、供气管、陶瓷套和钨毛细管，所述供气源通过所述真空微调阀和气体引入法兰与所述供气管连接，以用于向所述供气管供气，所述供气管穿过所述真空法兰并固定安装在所述真空法兰上，所述供气管与所述钨毛细管均竖直设置并且二者同轴设置，所述供气管的下端通过陶瓷套与所述钨毛细管的上端连接，并且供气管的内腔与钨毛细管的内腔连通；所述钨毛细管的下端设置有锥状内孔，以使原子束从所述钨毛细管中射出，所述锥状内孔的底端圆的直径大于其顶端圆的直径；

[0011] 所述加热装置包括直流稳压电源、电引入法兰和钨加热子，所述电引入法兰固定安装在所述真空法兰上，所述直流稳压电源通过所述电引入法兰给所述钨加热子供电，所述钨毛细管穿过所述钨加热子；

[0012] 所述隔热冷却装置包括冷却水引入法兰、钼隔热层和冷却块，所述冷却块包括铜套和散热块，散热块与铜套直接接触，所述冷却水引入法兰和铜套均固定安装在所述真空法兰上，所述钼隔热层和冷却块均为中空结构，二者均整体呈筒状，所述供气管伸入所述钼隔热层内，所述钨毛细管位于所述钼隔热层的内腔，所述冷却块固定套接在所述钼隔热层的外侧，其上设置有冷却水道，所述钼隔热层的下端设置有作为原子束的第一出口的第一圆孔，所述冷却块上设置有作为原子束的第二出口的第二圆孔，所述第一圆孔位于所述第二圆孔的上方，并且所述钨毛细管、第一圆孔、第二圆孔的轴线重合；

[0013] 所述原子发生器还包括出口挡环，所述出口挡环包括圆筒体和圆环体，其中，所述圆筒体的内壁向其内部延伸所述圆环体，所述圆环体的轴线与所述钨毛细管的轴线同线并且所述圆环体的内孔作为原子束的第三出口；

[0014] 所述出口挡环的底端面与所述钨毛细管的底端面的距离h0＞ 并且D为所述锥状内孔的底端圆的直径，D0为圆环体的内径， 为允许从圆环体的内孔出去的原子的极角的最大值。

[0015] 优选地，还包括温度测量装置，所述温度测量装置包括热电偶、热电偶引入法兰和温度计，所要热电偶固定设置在所述钨毛细管的外壁上，以用于检测所述钨毛细管的温度，所述温度计通过所述热电偶引入法兰与所述热电偶连接，以用于显示所述钨毛细管的温度。

[0016] 优选地，所述第一圆孔的直径大于 其中h1为钼隔热层的底端面到所述钨毛细管的底端面的距离， 为从圆环体的内孔出去原子最多的方向的原子的极角，D为所述锥状内孔的底端圆的直径；

[0017] 所述第二圆孔的直径大于 其中h2为冷却块的底端面到所述钨毛细管的底端所在平面的距离， 为从圆环体的内孔出去原子最多的方向的原子的极角，D为所述锥状内孔的底端圆的直径。

[0018] 优选地，所述锥状内孔包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的半锥角大于所述第二锥孔的半锥角。

[0019] 优选地，所述锥状内孔包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的半锥角小于所述第二锥孔的半锥角。

[0020] 优选地，将所述真空微调阀替换为质量流量控制器。

[0021] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

[0022] 1)本发明相对于电子束加热和电感加热，由于未使用高压元件，同时不需要考虑电感加热对周围其他金属的加热效应，而仅采用电阻辐射加热，在实现的结构上更加的简单可靠。

[0023] 2)本发明通过设置锥状内孔、原子束的第一出口、第二出口和第三出品，使原子束出来后，在原子角度分布上，小极角范围内的原子数量的到增加，使得原子束的能量能够更加集中，有利于加工工件，使原子发生器的工作效率得到提升。

[0024] 3)本发明由于出口挡环的作用，第三出口处大极角的原子都与挡环相碰撞，并且挡环可以选择使用促进原子结合的材料制成，使得该部分原子最终以分子的形式通过出口，减少了大极角原子对周围零部件的损害。

附图说明

[0025] 图1是本发明的结构示意图；

[0026] 图2(a)～(d)是本发明中各种不同形状的钨毛细管示意图；

[0027] 图3本发明中原子束出口处的尺寸示意图；

[0028] 图4本发明采用不同形状的钨毛细管后原子分布情况示意图。

具体实施方式

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0030] 参照图1～图4，一种能提高原子束密度的原子发生器，包括真空法兰6、气路组件，加热装置，隔热冷却装置，其中，

[0031] 所述气路组件包括供气源1、真空微调阀2、气体引入法兰3、供气管15、陶瓷套14和钨毛细管7，所述供气源1通过所述真空微调阀2与所述供气管15连接，以用于向所述供气管15供气，所述供气管15固定安装在所述气体引入法兰3上，所述供气管15与所述钨毛细管7均竖直设置并且二者同轴设置，所述供气管15的下端与所述钨毛细管7的上端连接并且二者的内腔连通，优选地，所述供气管15与钨毛细管7之间通过陶瓷套14进行连接。所述钨毛细管7的下端设置有作为原子束出口的锥状内孔，所述锥状内孔的底端圆的直径大于其顶端圆的直径。作为一种优选，可以将所述真空微调阀2替换为质量流量控制器。

[0032] 所述加热装置包括直流稳压电源4、电引入法兰5和钨加热子8，所述电引入法兰5固定安装在所述真空法兰6上，所述直流稳压电源4通过电引入法兰5给钨加热子8供电，以用于加热所述钨毛细管7。

[0033] 所述隔热冷却装置包括冷却水引入法兰16、钼隔热层9和冷却块11，所述钼隔热层9和冷却块11固定安装在所述真空法兰6上，所述钼隔热层9和冷却块11均为中空结构，二者均整体呈筒状，钼隔热层9安装在冷却块11的内腔中，所述供气管15伸入所述钼隔热层9内，所述钨毛细管7位于所述钼隔热层9的内腔，所述冷却块11固定套接在所述钼隔热层9的外侧，其上设置有冷却水道。所述钼隔热层9的下端设置有作为原子束出口的第一圆孔，所述冷却块11上设置有作为原子束出口的第二圆孔，并且所述钨毛细管7、第一圆孔、第二圆孔的轴线重合。

[0034] 进一步，还包括温度测量装置，所述温度测量装置包括热电偶13、热电偶引入法兰18和温度计19，所要热电偶13固定设置在所述钨毛细管7的外壁上，以用于检测所述钨毛细管7的温度，所述温度计19通过热电偶引入法兰18与所述热电偶13连接，以用于显示所述钨毛细管7的温度。

[0035] 进一步，还包括出口挡环10，所述出口挡环10包括圆筒体和圆环体，所述圆筒体的内壁向其内部延伸所述圆环体，所述圆环体轴线与所述钨毛细管7的轴线重合。

[0036] 优选地，所述出口挡环10的底端面距离所述钨毛细管的底端面的距离h0大于并且D为所述锥状内孔的底端圆的直径，D0为圆环体出口的内径， 允许从圆环体的内孔出去的原子的极角的最大值。

[0037] 进一步，所述第一圆孔的直径大于 其中h1为钼隔热层9的底端面到所述钨毛细管7的底端面的距离， 为从圆环体的内孔出去原子最多的方向的原子的极角，D为所述锥状内孔的底端圆的直径；所述第二圆孔的直径大于
其中h2为冷却块11的底端面到所述钨毛细管7的底端所在平面的距离， 为从圆环体的内孔出去原子最多的方向的原子的极角，D为所述锥状内孔的底端圆的直径。

[0038] 作为一种优选，所述锥状内孔包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的半锥角大于所述第二锥孔的半锥角。

[0039] 作为另一种优选，所述锥状内孔包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的半锥角小于所述第二锥孔的半锥角。

[0040] 本原子发生器可将导入的气体分子(如氢气，氮气，氧气等双原子分子)裂解成原子，其整体可以通过真空CF安装法兰6安装在真空系统之上，其结构如图1所示。

[0041] 气路组件中，气体分子由供气源1进行提供，供气源1提供符合真空微调阀2(或者质量流量控制器)入口压强的气体，真空微调阀2(或者质量流量控制器)通过气体引入法兰3与真空法兰6进行连接，其主要作用是将气体从非真空侧引入到真空侧，并调节进入真空侧的气体分子的流量。气体通过真空微调阀2(质量流量控制器)以后进入供气管15，并被引导入钨毛细管7，供气管15与钨毛细管7之间通过陶瓷套14进行连接。由于钨毛细管7使用的是陶瓷套14与供气管15进行连接，同时不与其它部件接触，所以与其它部件之间是绝缘的。
当原子通过钨毛细管的出口时，速度方向与钨毛细管7轴线夹角(极角)大的部分原子与出口挡环10相撞，吸附在挡环的表面并合并成分子。

[0042] 加热装置中，直流稳压电源4可以手动调节输出的电流和电压，电流通过电引入法兰5导入到真空侧的螺旋状钨加热子8，由于钨加热子8的电阻相对于输入线路的电阻大很多，所以钨加热子8迅速变热升温。钨毛细管7位于螺旋状钨加热子8的轴心线上，通过辐射传热，钨毛细管7也被加热。当气体分子通过被加热的钨毛细管7时，其与钨毛细管7内壁碰撞裂解成原子态，并通过钨毛细管出口离开。如果钨加热子8与钨毛细管7有单点接触，由于钨毛细管7为绝缘，此时不会影响其加热效果；如果钨加热子与钨毛细管7有两点以上的接触，则钨加热子8会有部分被短路，此时需要调节加热电源的电流和电压以保持钨加热子的加热效果不变。

[0043] 隔热冷却装置中，钨加热子8的热量不仅会通过热辐射加热中间的钨毛细管7，还会加热环绕于其外的零部件。为了减少热辐射的影响，这里使用钼隔热层9将钨加热子8包围，同时使用冷却块11将钼隔热层9包围，其中，冷却块11包括外层铜套12和散热块共同构成的筒状结构，冷却水道设置在所述散热块中；所述钼隔热层9和冷却块11分别在钨毛细管出口方向开一第一圆孔和第二圆孔，以便原子束可以通过。散热块与铜套12直接接触，将传导到铜套12的热量通过冷却水储罐17流出提供的冷却水带到非真空侧，另外，冷却水储罐17中的冷却水由冷却水引入法兰16导入到散热块中。

[0044] 温度测量装置中，热电偶13绝缘贴合在钨毛细管外壁上测量钨毛细管的温度，并通过温度计19显示钨毛细管的温度。

[0045] 原子发生器的钨毛细管7的形状如图2所示，其下端设置有上小下大的发散型的锥状内孔。钨毛细管的圆柱部分的内径d在0.4mm～2mm之间,圆锥部分为发散型圆锥，其顶端圆的直径与圆柱部分的内径相等。图4是不同钨毛细管出口角度分布(方位角方向积分后)的示意图，图中横坐标为极角，其中双点划线为圆柱形钨毛细管出口的角度分布，虚线为带发散锥形结构的钨毛细管半锥角较大时(参照图2(a))的原子分布曲线，点画线为带发散锥形结构的钨毛细管半锥角较小时(参照图2(a))的原子分布曲线，两者都可以使出口分布曲线的最大值向左(小极角方向)移动，并增大小极角范围内的密度分布。

[0046] 原子发生器的出口如图3所示，钼隔热层9、铜套12和出口挡环10会阻挡住一部分的原子，由于大多数的原子在0°～35°之间，故以钨毛细管7的锥状内孔的底端圆的直径为小径，在 的半锥角范围内不能有阻挡。

[0047] 为了保证被挡住的原子不会以原子的形态离开挡环出口，挡环的材料选择容易吸附原子的材料，或原子在该材料的表面容易重新结合成分子态的材料(或者在铜等材料表面镀上该材料)。

[0048] 钨毛细管的形状如图2(a)所示，锥状内孔只有一段圆锥孔，圆锥孔的顶端圆的直径与钨毛细管圆柱形内腔部分的直径相等。

[0049] 钨毛细管的形状如图2(b)所示，锥状内孔只有一段圆锥孔，圆锥孔的顶端圆的直径大于钨毛细管圆柱形内腔部分的直径。

[0050] 钨毛细管的形状如图2(c)所示，其尾端有两段发散型圆圆锥孔，两段圆锥孔上下布置，在上的圆锥孔的锥角较小，在下的圆锥孔的锥角较大，其效果综合了大锥角圆锥孔和小锥角圆锥孔的优点，其出口分布如图4中的实线所示。

[0051] 钨毛细管的形状如图2(d)所示，其尾端有两个发散型圆锥孔，两段圆锥孔上下布置，在上的圆锥孔的锥角较大，在下的圆锥孔的锥角较小，其效果综合了大锥角圆锥孔和小锥角圆锥孔的优点。

[0052] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。