一种产生氧原子束流脉冲的方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种产生氧原子束流脉冲的方法及其应用，装置包括：所述装置包括一个输出O

【技术实现步骤摘要】
一种产生氧原子束流脉冲的方法及其应用


[0001]本专利技术涉及氧原子束流脉冲
，特别涉及一种产生氧原子束流脉冲的方法及其应用。

技术介绍

[0002]氧原子从氧分子裂解而成，它化学活性强，广泛用于材料氧化与腐蚀机制研究与化工产业的氧化工序，近年电子与光电器件、新能源器件、新催化剂的生产和封装对氧化金属介质/保护膜生长与薄膜器件刻蚀的厚度调控精准度已到亚纳米的原子尺度，而对氧化工序的氧原子剂量精准度与其他技术参数有极严格要求，现有产生氧原子的技术与装备已不能满足这些高端产业需求。
[0003]宇航飞船和人造卫星在低地球轨道运行时飞行设施表面与轨道低压气氛中氧气吸收太阳紫外光而产生的氧原子产生化学反应，因设施的飞行速度远超音速，氧原子以接近音速弹子碰撞设施表面(氧原子动能约5eV)而导致表面氧化损蚀和设施失效，已知的失效包括飞行机舱表面保护层的破损，飞行设施机械润滑剂的损蚀，甚至电子器件的失灵等，各国几十年的研究成果，例如专利US4649273报导失效机理源于氧原子除本身化学活性外，氧原子动能达到一般材料的分子化学键强(3eV～5eV)时，流通量10
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氧原子/cm2s便足以每秒氧化或侵蚀单分子层当量的飞行设施表面材料，令飞行设施失效风险提升，这特殊领域的研究孕育了研究与生产动能可控(0.1eV～5eV)高通量(10
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/cm2s)的氧原子束装备，而这些装备又支撑通过调控氧原子动能来研究新的氧化机理与应用。但已有动能可控高通量氧原子束装备的专利技术，例如美国专利US4649273和US5681535的氧原子束仍在技术上有众多缺点。例如，虽然专利US5681535和市场上已有采用热裂解氧分子工作原理的氧原子束产品(例如Oxford Applied Research公司)采用真空电离产生等离子体工作原理的氧原子装备，但都有氧原子动能不可控的缺点，采用真空电离产生等离子体工作原理的氧原子装备又缺乏滤去电子和离子功能。此外，虽然文献报导在分子动力学的基础研究有用高压喷气加速法制备超音速氧分子束用于研究氧化过程机理，并有文献(Grossman，et al.，“Modification of a 5eV atomic
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oxygen laser detonation source”，J.Spacecraft Rockets40(2003)110)报导形成氧分子束后再用激光将氧分子束变成氧原子束；该方法的优点是动能精准可控，但缺点是高压喷气加速法的动能上限不到10eV和氧原子束的截面直径只有1mm量级，只合适原理性的基础研究而不合适工程技术研发和实际产业应用。
[0004]为应付宇航发展需求的工程技术研发，文献(Sun，et al.，“Research and fabrication of a compact ECR plasma atomic oxygen beam source”，Chin.J.Space Sci.22(2002)160；Duo，et al.，“A simulator for producing of high flux atomic oxygen beam by using ECR plasma source”，J.Mater.Sci.Technol.20(2004)756)报导采取ECR(电子回旋共振)氧等离子体方法产生高密度离化的氧原子，用电场调控动能后撞击金属钼靶中和电荷制备动能可调控的氧原子束，其原子束的半径可以放大到10cm级别。但是氧离子撞击钼靶会导致钼靶被刻蚀，并且可能导致钼污染氧原子束；此外，如果使用氧
原子束处理的工件离ECR氧等离子体太近又会导致氧等离子体的电子、离子、强光、激发态原子/分子影响氧原子束的功能，如使用氧原子束处理的工件离ECR氧等离子体太远又会导致氧原子束的氧原子束流密度因散射等原因而大幅下降，从而使其远低于实际应用的高束流通量要求(10
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/cm2s)。总言之，以ECR氧离子束撞击金属钼靶产生高密度的氧原子束弊处甚多，这方法未见实际产业化应用。
[0005]新兴电子与光学、卫星通讯、宇航等产业发展，除对大口径、动能可控、高通量的氧原子束装备有目前技术难于应付的参数要求外，跨产业的共性精准薄膜生长和刻蚀还要求毫秒瞬间的氧原子束通量在“0与10
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/cm2s”间脉冲数控。最后，电子与光电器件表面被电子、离子、强光轰击容易产生原子尺寸的结构性缺陷而失效，氧原子束脉冲装备还要滤去任何电子、离子、强光，现有氧原子束技术与装备未能满足这些新兴需求，本专利技术的目的就是克服这跨学科技术空白。

技术实现思路

[0006]本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种产生氧原子束流脉冲的方法和装置，本专利技术的技术创新突破是基于新计算方法配合超快计算机和以材料基因式高通量模拟化学反应，探明当离化的氧原子被电场加速到一定动能下(统称为弹子)气相碰撞氧分子(靶)致令氧分子分解成两粒氧原子的机理和相关的参数要求，计算方法原理是先设定弹子动能和“弹子
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靶”碰撞三维运动方向场景，根据弹子
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靶的空间位置用第一原理计算弹子与靶的量子力学反应及运动矢量变化，从而算出10
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秒后的“弹子
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靶”碰撞三维运动方向场景的更新，不断反复这种运算几百次来完成一次碰撞过程的精确轨跡，并判断目标氧分子是否会分解成两粒氧原子，再反复运算去覆盖所有可能发生的众多不同的弹子动能和不同的“弹子
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靶”碰撞三维运动方向场景下的碰撞过程和结果，统计“弹子
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靶”碰撞使氧分子分解成两粒氧原子的具体参数条件，最终据此设计并完成了一种极高流量和动能可控的氧原子束流脉冲的方法和装置，解决了现有技术所存在的不足。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：一种产生氧原子束流脉冲的方法，其包括产生该氧原子束流脉冲的装置，所述装置包括一个输出O
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束流的氧离子束源和一条与此相连的金属管，金属管两端分别配有网孔电极，金属管上配有质流控制器，包括以下步骤：
[0008]A、在通氧气流的情况下，维持金属管内氧气压为0.1Pa～0.4Pa，使平均气相碰撞自由程约为5cm～20cm，维持ECR氧离子束源的氧等离子体稳态运作；
[0009]B、调控金属管输入端的网孔电极的偏压，从氧离子束源抽出离子动能为250eV～350eV及弛豫少于10毫秒的束流脉冲，束流不小于10
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O
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离子/cm2s；
[0010]C、调控金属管内的气相碰撞，使每粒从金属管输入端进入的300eV的O
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以超过200倍音速轰击氧分子，并引起连锁弹子碰撞和氧分子裂解，产生不低于15粒以上的氧原子，氧原子束覆盖直径大于60cm，束流达10
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氧原子/cm2s；
[0011]D、调控金属管输出端的网孔电极的偏压，阻挡离子和电子溢出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种产生氧原子束流脉冲的方法，其包括产生该氧原子束流脉冲的装置，所述装置包括一个输出O
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束流的氧离子束源和一条与此相连的金属管，金属管两端分别配有网孔电极，金属管上配有质流控制器，其特征在于，包括以下步骤：A、在通氧气流的情况下，维持金属管内氧气压为0.1Pa～0.4Pa，使平均气相碰撞自由程约为5cm～20cm，维持ECR氧离子束源的氧等离子体稳态运作；B、调控金属管输入端的网孔电极的偏压，从氧离子束源抽出离子动能为250eV～350eV及弛豫少于10毫秒的束流脉冲，束流不小于10
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O
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离子/cm2s；C、调控金属管内的气相碰撞，使每粒从金属管输入端进入的300eV的O
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以超过200倍音速轰击氧分子，并引起连锁弹子碰撞和氧分子裂解，产生不低于15粒以上的氧原子，氧原子束覆盖直径大于60cm，束流达10
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氧原子/cm2s；D、调控金属管输出端的网孔电极的偏压，阻挡离子和电子溢出金属管输出端；E、调校金属管的网孔电极的相对网孔位置，阻挡氧等离子体发射的强光溢出金属管输出端。2.如权利要求1所述的产生氧原子束流脉冲的方法，其特征在于，所述氧离子束源由功率不少于800W的电子回旋共振等离子体配置组成，氧离子束源的输出口径不小于20cm。3.如权利要求1所述的产生氧原子束流脉冲的方法，其特征在于，所述金属管的长度为15cm～50cm，其管径比离子束源的口径大1.5倍～2倍。4.如权利要求1所述的产生氧原子束流脉冲的方法，其特征在于，金属管输出的氧原子的平均动能为5eV～10eV。5.如权利要求1所述的产生氧原子束流脉冲的方法，其特征在于，金属管输出的氧原子的平均动能为0.1eV～5eV。6.如权利要求1所述的产生氧原子束流脉冲的方法，其特征在于，所述金属管的长度为20cm，管径为40cm，氧离子束源的输出口径为20cm，从氧离子束源抽出的离子动能为300eV，金属管内的氧气压为0.2Pa。7.如权利要求1
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6任一所述的产生氧原子束流脉冲的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩智强，刘焕明，
申请(专利权)人：佛山巧鸾科技有限公司，
类型：发明
国别省市：