等离子体／离子工程学领域中，用于产生大面积强流脉冲离子束的外磁绝缘离子二极管，包括镶嵌聚乙烯薄膜［４］的阳极［１］、设有均布通透栅格［１５］的阴极［１２］，特征：阳极和阴极均设计为椭圆扇环形柱状结构，阳极内柱面［２２］与阴极内薄板外柱面［２６］间间隙［３］的窄端［５］为４．１～４．８ｍｍ，宽端［２］为５．１～６ｍｍ，聚乙烯薄膜的面积为２３０×１００～２６０×２００ｍｍ↑［２］，均布通透栅格的数量为１０８～２２０个，使阴极内薄板［７］有效通透度保持６５％，脉冲磁场强度为０．８９～１．０４Ｔ；优点：与已有圆扇环形柱状结构二极管相比，在二极管脉冲电压及其宽度分别保持为３００ｋＶ和５０～７０ｎｓ时，获得束流密度和功率密度分别为３００Ａ／ｃｍ↑［２］和１００ＭＷ／ｃｍ↑［２］，而离子束不均匀性为６％～１０％，降低４０％以上，束斑面积为１００～３００ｃｍ↑［２］，增大３～１１倍。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及到用于产生大面积强流脉冲离子束(High-Intensity Pulsed IonBeam-HIPIB)的外磁绝缘离子二极管(Externally Magnetically Insulated ionDiode-EMID)，属于等离子体/离子工程学领域。
技术介绍
强流脉冲离子束通常指离子能量E＝105～107eV，脉冲宽度τ≤1μs，离子束流密度Ji＞＞1A/cm2，功率密度p＝107～1014W/cm2，能量密度q＞1J/cm2的离子束；亦称之为强脉冲离子束(Intense Pulsed Ion Beam-IPIB)或高功率离子束(High Power Ion Beam-HPIB)，HIPIB技术起源于20世纪70年代末期的惯性约束核聚变和高能密度物理研究，在过去的二十多年里，具有短脉冲、中等功率的(106～109W/cm2)强流脉冲离子束，因具有对材料表面瞬间辐照效应，在材料表面工程领域引起了广泛关注，特别是在金属/非金属材料表面改性、离子束混合、薄膜沉积和纳米粉末制备等方面应用的巨大潜力已逐步显露。20世纪80年代初期美国Cornell大学最早开展了HIPIB半导体的退火和注入研究，并建造了适用于材料表面工程的中等功率外磁绝缘LONGSHOT型HIPIB装置，此后，美国、俄罗斯、日本、中国等国科学家们研制了各自的HIPIB装置，HIPIB装置主要包括高功率脉冲电源和离子二极管，目前高功率脉冲电源技术的发展相对成熟，HIPIB装置研发水平主要取决于离子二极管的性能，成为当前HIPIB装置研究的核心问题。目前，HIPIB离子二极管装置主要分为无磁绝缘离子二极管、自磁绝缘离子二极管和外磁绝缘离子二极管三种类型；其中，外磁绝缘离子二极管由脉冲磁场电源产生外加脉冲磁场来抑制电子流、改善空间电荷分布，从而提高离子束束流密度，因其磁场可控，形成的离子束波动性很小，离子束流密度较高，是目前应用最广泛的HIPIB离子源。常见外磁绝缘离子二极管主要有凹球型、环状型、平面型和圆扇环柱状形结构。凹球型外磁绝缘离子二极管，如ETIGO型，因其几何聚焦好，但其二极管脉冲电压高及其产生大功率密度离子束的工作特性决定其阳极膜工作寿命短，通常仅能使用一次。环状型外磁绝缘离子二极管，如Anaconda型，具有聚焦结构，但因其采用的外加磁场为非闭环式，所以磁场分布不均匀，导致产生的离子束空间分布不均匀。平面型外磁绝缘离子二极管，如MUK型，其非聚焦的几何结构使其离子束流密度很低，通常比聚焦结构低1～2个量级。圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管是近年来发展起来的一种二极管结构，如2003年，大连理工大学X.P.Zhu等在Review of ScientificInstruments 74卷1期，发表了关于TEMP型外磁绝缘离子二极管的工作特性的论文《Characterization of a high-intensity unipolar-mode pulsed ion source withimproved magnetically insulated diode》，成为现有TEMP型离子二极管技术的典型，其二极管脉冲电压为300kV，脉冲电压宽度为70ns，阳极内柱面的凹槽内镶嵌均布多孔的220×100mm2聚乙烯薄膜，用以产生C+和H+轻离子，可重复使用多次；其阴极包围阳极形成单匝闭环磁场线圈结构，产生闭合脉冲磁场最大值约为0.5T，脉冲持续时间约为20μs，该结构改善了磁场分布的均匀性；阳极和阴极均由无磁钢制作，均采用圆扇环形柱状结构，阳极的柱面和阴极的柱面高度均为110mm，镶嵌聚乙烯薄膜的阳极内柱面竖直投影为圆弧，该圆半径rca为150mm，设有均布通透栅格的阴极内薄板外柱面竖直投影为圆弧，其圆半径rcc为140mm，阳极圆心和阴极圆心距离为2mm，阳极内柱面与阴极内薄板外柱面间间隙逐渐增大，其窄端为6mm，宽端为8mm，阴极内薄板设有80个4×40mm2均布通透栅格，用以引出离子束，形成较好的几何聚焦，产生的离子束束流密度较高，可产生束斑面积达25cm2，束流密度达300A/cm2的强流脉冲离子束；但这种结构存在下列不足①形成的离子束空间分布不均匀，不均匀性超过50％以上；②形成的离子束束斑面积小，最大仅为25cm2；产生上述不足的原因是由于①阳极和阴极采用圆扇环形柱状结构，几何聚焦导致其形成的离子束束斑面积小且离子束空间分布不均匀；②脉冲磁场强度小，导致其形成的离子束空间分布不均匀；③聚乙烯薄膜面积小，导致其形成的离子束束斑面积小。
技术实现思路
本专利技术的目的和任务是要克服现有强流脉冲离子束圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管存在的①圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，形成的离子束空间分布不均匀；②圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，形成的离子束束斑面积小的不足，并提供能产生大面积离子束束斑，和空间分布较均匀，且离子束束流密度可达300A/cm2、功率密度达100MW/cm2的强流脉冲离子束的椭圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，特提出本专利技术的技术解决方案。本专利技术的基本构思是将圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管，改为椭圆扇环形柱状结构的外磁绝缘离子二极管；利用减小阳极内柱面与阴极内薄板外柱面间间隙距离的方法；增大聚乙烯薄膜面积的方法；增加阴极内薄板均布通透栅格数量使阴极内薄板有效通透度保持不变的方法；采用提高脉冲磁场强度的方法；获得具有大面积束斑，空间分布较均匀和束流密度达300A/cm2、功率密度达100MW/cm2的强流脉冲离子束。本专利技术所提出的用于产生大面积强流脉冲离子束的外磁绝缘离子二极管，包括以阳极内柱面和外柱面为特征的扇环形柱状阳极，由阴极内薄板和外薄板围成的扇环形柱状阴极，阴极包围阳极形成闭环结构，阴极内薄板外柱面和外薄板内柱面分别与阳极内柱面和外柱面保持固定间隙，阳极和阴极均由无磁钢制作，阳极内柱面镶嵌均布多孔的聚乙烯薄膜，阴极内薄板设有均布通透栅格，阳极内柱面与阴极内薄板外柱面间具有单调变化的间隙，阳极与高功率脉冲电源相连，阴极接地且与脉冲磁场电源相连，其特征在于阳极和阴极均采用椭圆扇环形柱状结构，阳极的柱面和阴极的柱面高度均为110～210mm，镶嵌聚乙烯薄膜的阳极内柱面竖直投影为椭圆弧，该椭圆长半轴为110～157mm，短半轴为92～120mm，离心率为0.42～0.64，阳极扇环宽度为40mm，阴极薄板厚度为4mm，设有均布通透栅格的阴极内薄板外柱面竖直投影也为椭圆弧，该椭圆长半轴为104.6～151.8mm，短半轴为87.2～116mm，离心率与阳极相同，阴极扇环宽度为59～62mm，阳极和阴极椭圆扇环短轴扭转角为1～3°；阳极内柱面与阴极内薄板外柱面间间隙的窄端距离为4.1～4.8mm，宽端的距离为5.1～6mm；阳极内柱面的凹槽内镶嵌的聚乙烯薄膜的面积为230×100～260×200mm2；阴极内薄板设有均布通透栅格的数量为108～220个，每个栅格面积保持为4×40mm2，使阴极内薄板有效通透度保持65％。本专利技术的进一步特征在于高功率脉冲电源产生的二极管脉冲电压保持为300kV，脉冲电压宽度保持为50～70ns，脉冲磁场电源形成的脉冲磁场强度为0.89本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于产生大面积强流脉冲离子束的外磁绝缘离子二极管，包括以阳极内柱面［２２］和外柱面［２７］为特征的扇环形柱状阳极［１］，由阴极内薄板［７］和外薄板［１０］围成的扇环形柱状阴极［１２］，阴极［１２］包围阳极［１］形成闭环结构，阴极内薄板外柱面［２６］和外薄板内柱面［２４］分别与阳极内柱面［２２］和外柱面［２７］保持固定间隙，阳极［１］和阴极［１２］均由无磁钢制作，阳极内柱面［２２］镶嵌均布多孔的聚乙烯薄膜［４］，阴极内薄板［７］设有均布通透栅格［１５］，阳极内柱面［２２］与阴极内薄板外柱面［２６］间具有单调变化的间隙［３］，阳极［１］与高功率脉冲电源［１１］相连，阴极［１２］接地且与脉冲磁场电源［８］相连，其特征在于：（ａ）阳极［１］和阴极［１２］均采用椭圆扇环形柱状结构，阳极［１］的柱面和阴极［１２］的柱面高度均为１１０～２１０ｍｍ，镶嵌聚乙烯薄膜［４］的阳极内柱面［２２］竖直投影为椭圆弧，该椭圆长半轴为１１０～１５７ｍｍ，短半轴为９２～１２０ｍｍ，离心率为０．４２～０．６４，阳极扇环宽度［１３］为４０ｍｍ，阴极［１２］薄板厚度为４ｍｍ，设有均布通透栅格［１５］的阴极内薄板外柱面［２６］竖直投影也为椭圆弧，该椭圆长半轴为１０４．６～１５１．８ｍｍ，短半轴为８７．２～１１６ｍｍ，离心率与阳极相同，阴极扇环宽度［１４］为５９～６２ｍｍ，阳极和阴极椭圆扇环短轴扭转角［９］为１～３°；（ｂ）阳极内柱面［２２］与阴极内薄板外柱面［２６］间间隙［３］的窄端［５］距离为４．１～４．８ｍｍ，宽端［２］的距离为５．１～６ｍｍ；（ｃ）阳极内柱面［２２］的凹槽［６］内镶嵌的聚乙烯薄膜［４］的面积为２３０×１００～２６０×２００ｍｍ↑［２］；（ｄ）阴极内薄板［７］设有均布通透栅格［１５］的数量为１０８～２２０个，每个栅格面积保持为４×４０ｍｍ↑［２］，使阴极内薄板［７］有效通透度保持６５％。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：雷明凯，徐忠成，董志宏，苗收谋，韩晓光，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。