ECR等离子体系统中粒子沿微管传输的研究
高电荷态ecr离子源的设计与实验研究
高电荷态ecr离子源的设计与实验研究
ECR离子源是目前研究离子束聚变的主要设备。
因为电离的原子
在电场中受到的束缚越强，对应的离子能量就越高，所以高电荷态的
离子聚集在中心区域变得更容易。
因此，高电荷态ecr离子源的设计
与实验研究被广泛关注。
在高电荷态ECR离子源的设计中，首要任务是选择合适的磁场和
射频场。
磁场主要是使电子在空间中发生加速和振荡，形成一个固定点，称为ECR峰。
射频场是用来加速等离子体并把电子从离子中去除，产生高电荷态的离子。
为了更好地控制这个过程，还需要在ECR离子
源中设计一些辅助设备，例如磁极、线圈和电源等。
基于上述考虑，我们设计了一种新型高电荷态ECR离子源，并实
施了实验研究。
我们首先设计了一个辣莎系统，利用辣莎的优越性能
将离子的电荷数减轻，从而能够更容易地探测和定位离子的峰值。
然后，我们引入强制超声波来产生微小的扰动，以此增强电流和电子寿命，进一步提高离子产生率和质量。
实验结果表明，我们设计的高电荷态ECR离子源具有高稳定性、
高产率和高效率等优点。
通过对离子源的磁场、射频场和辅助设备进
行多次调整和改进，我们成功地提高了离子的聚集效率和束流的质量。
这为后续的离子实验提供了坚实的基础和支持。
综上所述，在高电荷态ECR离子源的设计和实验研究中，重要的
是选择合适的磁场和射频场，并利用辅助设备来提高离子产生率和质量，从而实现高效率和高产量。
我们所实施的实验研究表明，高电荷
态ECR离子源具有广阔的应用前景和科研价值，对于推进离子聚变技
术的发展是具有重要的意义的。
ECR_PECVD制备Si_3N_4薄膜沉积工艺的研究
ECR 2PECV D 制备Si 3N 4薄膜沉积工艺的研究Ξ陈俊芳 吴先球 王德秋(华南师范大学物理系,广州 510631)丁振峰 任兆杏(中国科学院等离子体物理研究所,合肥 230031)(1998年8月25日收到)Ξ国家自然科学基金(批准号:69493501)及广东省自然科学基金(批准号:970317)资助的课题. 由偏心静电单探针诊断了电子回旋共振等离子体增强化学汽相沉积(ECR 2PECVD )反应室内等离子体密度的空间分布规律.结果表明在轴向位置Z =50cm 处,直径<12cm 范围内等离子体密度分布非常均匀.分析了等离子体密度径向均匀性对沉积速率均匀性和薄膜厚度均匀性的影响.讨论了沉积制备一定薄膜厚度的Si 3N 4薄膜的工艺重复性.研究了各种沉积工艺参数与Si 3N 4薄膜沉积速率的相互关系.得到了ECR 2PECVD 技术在沉积薄膜时的工艺参数条件.PACC :6855;8115H ;52701 引言目前,低温等离子体技术在材料科学、半导体微电子学和光电子学等领域的研究和加工中起重要作用[1—4].微波电子回旋共振等离子体增强化学汽相沉积(ECR 2PECVD )技术是低温等离子体加工方法中重要技术之一,它是在化学汽相沉积(CVD )的基础上发展起来的新技术.由于等离子体是不等温系统,其中“电子气”具有比中性粒子和正离子大得多的平均能量,电子温度为1—10eV ,约为气体分子的10—100倍,即反应气体接近环境温度,而电子的能量足以使气体分子的化学键断裂,并导致化学活性高的粒子(离子、活化分子等基团)的产生,亦即反应气体的化学键在低温下即可被分解,从而实现高温材料的低温合成[5,6].Si 3N 4薄膜材料是一种人工合成的精细陶瓷功能材料,它具有优良的抗冲击能力、耐高温、抗腐蚀、强度高等特点,在汽车工业、加工工业、微电子工业和光电子工业等方面已得到了广泛的应用[7—9].传统制备Si 3N 4薄膜方法的沉积温度高,对设备的耐温性能和加热方法有特殊的要求,限制了它的应用,ECR 2PECVD 能在较低沉积温度下制备优质均匀的Si 3N 4薄膜.Si 3N 4薄膜的性能取决于薄膜的形成过程,而薄膜的形成受到诸多因素的第48卷第7期1999年7月100023290/1999/48(07)/1309206物 理 学 报ACTA PHYSICA SIN ICA Vol.48,No.7,J uly ,1999ν1999Chin.Phys.S oc.影响[10].如基片沉积温度、基片在反应室内的位置、基片表面性质、反应室内等离子体密度、气体流量等.因此,要提高沉积薄膜的质量和性能,必须了解工艺过程和反应室参量对薄膜性质的影响,确定最佳工艺过程.本文主要研究了反应室内等离子体空间分布的均匀性对ECR 2PECVD 制备Si 3N 4薄膜厚度均匀性的影响,分析了沉积工艺(工作压力、气体配比、基片沉积温度、微波功率)与Si 3N 4薄膜沉积速率的关系,并讨论了制备Si3N 4薄膜的工艺重复性.2 实验装置与等离子体参数空间分布图1为制备Si 3N 4薄膜的ECR 2PECVD 装置图.主要由真空系统、配气系统、微波系统、励磁系统、反应室和基片加热系统以及静电单探针系统组成.真空系统由涡轮分子泵图1 ECR 2PECVD 装置原理图 1为微波源,2为真空系统,3为励磁系统,4为配气系统,5为反应室,6为基片加热系统,7为静电单探针图2 等离子体密度的空间分布和机械泵组成;配气系统由SiH 4,N 2气源和双路流量计组成;微波系统由600W 功率可调的微波源和微波输入匹配耦合器组成;励磁系统由励磁线圈和113×75—115×75A 直流电源组成;反应室由<12cm ×10cm的共振区和<1415cm ×70cm 反应区的不锈钢圆筒两部分组成;基片放置在轴向可移动、温度可调节的基片架上.图2给出当运行气压为8×10-3Pa ,微波功率为240W 时,由偏心静电单探针诊断获得的等离子体反应室内等离子体密度的空间分布.从图2可见,在反应室轴向位置Z =70cm 的共振区附近,径向R =0cm 的中心位置等离子体密度为812×1010cm -3.从微波窗口向抽气口方向过渡时,等离子体密度减小;在轴向位置Z =50cm 处,径向0131物 理 学 报48卷R =0—6cm 范围内等离子体密度很均匀,平均约为1179×1010cm -3.这说明在轴向位置Z =50cm 处的等离子体密度在直径<12cm 范围内分布均匀,有利于制备厚度均匀的薄膜.3 Si 3N 4薄膜样品的制备基片采用(111)单晶硅片、溴化钾(K Br )片和载波片.将基片作常规清洗后烘干装入沉积室进行薄膜沉积.在本底真空好于2×10-3Pa 时,将SiH 4和N 2作为反应气体,经双路流量计送入等离子体反应室内.在ECR 等离子体的激活下,进行化学反应,反应方式为3SiH 4+2N 2+e 等离子体Si 3N 4↓+6H 2↑+e.(1)在基片上沉积出Si 3N 4薄膜.4 实验结果与讨论411 Si 3N 4薄膜的沉积速率与工作气压的关系实验使用80%N 2稀释的SiH 4气体为反应气体(即SiH 4∶N 2配比为1∶4),反应气体经流量计送入反应室,调节气体流量可在不同工作气压下沉积Si 3N 4薄膜.图3给出沉积图3 Si 3N 4薄膜的沉积速率与工作气压的关系速率与工作气压的关系曲线.从图3可见,当工作气压上升时,沉积速率逐渐增高,当工作气压从6×10-2Pa 升至9×10-2Pa 时,沉积速率从15nm/min 增至28nm/min ,增高较快,当工作气压为8×10-2Pa 时,沉积速率为26nm/min 左右,当工作气压从9×10-2Pa 增至3×10-1Pa 时,沉积速率从28nm/min 增至32nm/min ,增高较慢.这是因为工作气压从低气压处开始上升时,反应室内参与反应的气体增加,使到达基片表面的反应产物增多,同时气压适当提高,反应室内的等离子体密度增大,反应气体中活性粒子增多,从而得到高的沉积速率.但当工作气压进一步上升到较高值时,等离子体密度增加不大,在一定的工作气压下反而会减小[11,12],使反应气体活性变弱,导致在高气压范围沉积速率增高较少.412 Si 3N 4薄膜的沉积速率与进气配比的关系利用双路流量计将80%N 2稀释的SiH 4同N 2以不同配比的SiH 4∶N 2气体送入反应室内.分别调节SiH 4和N 2的流量,得到SiH 4∶N 2的进气配比为1/4,1/6,1/8,1/10,1/12.在沉积过程中保持工作气压为8×10-2Pa ,在不同进气配比条件下沉积Si 3N 4薄膜.图4给出沉积速率与进气配比的关系.从图4可见,随进气配比的变小,沉积速率逐渐11317期陈俊芳等:ECR 2PECVD 制备Si 3N 4薄膜沉积工艺的研究降低.在高进气配比1/4处沉积速率为26nm/min 左右,在1/6处沉积速率为24nm/min 左右,在1/8处沉积速率为22nm/min 左右.进气配比从1/4降到1/8范围内,沉积速率图4 Si 3N 4薄膜的沉积速率与进气配比的关系降低较慢.在1/8到1/12低进气配比范围内,沉积速率降低加快.在进气配比为1/10处沉积速率为18nm/min 左右,在进气配比为1/12处沉积速率为125nm/min 左右.这是因为在一定的工作气压下,SiH 4∶N 2进气配比降低时,反应室内SiH 4含量减少,使Si 3N 4的生成产物降低所造成。
单电荷态电子回旋共振离子源 丁俊章 赵玉彬 刘占稳 赵红卫 袁 平 曹
第一作者:丁俊章,男,1975年出生,2000年7月从中国科学院近代物理研究所核技术及应用专业硕士生毕业收稿日期:1999-08-16,修回日期:2000-04-302.45GH z 单电荷态电子回旋共振离子源丁俊章 赵玉彬 刘占稳 赵红卫 袁 平 曹 云 雷海亮张子民 张雪珍 张 汶 郭晓虹 王 辉 冯玉成李锦玉 马保华 高级元 宋 沛 李锡霞(中国科学院近代物理研究所 兰州 730000)摘要 描述了一台2.45GHz 单电荷态电子回旋共振(ECR )离子源的原理、结构与应用。
介绍了其微波系统与磁场结构。
在微波输入功率约600W ,引出高压22kV ,引出孔径为<6mm 时,该离子源的总束流I (H 1++H 2++H 3+)可达90mA 。
关键词 ECR 离子源,微波,等离子体频率,永磁体中图分类号 TL503.3电子回旋共振(ECR )离子源是一种无阴极源。
它具有电离度高,形成的等离子体密度高,束流强度大,性能稳定可靠等优点。
对2.45GHz 全永磁单电荷态ECR 源,所用微波频率在工业通用频率段,无需强的共振磁场,采用永磁体减小了源体的体积。
这些特点不仅降低了离子源造价,而且能长期提供稳定的高品质离子束。
在离子注入、离子刻蚀、薄膜技术、辐照育种、材料表面改性、离子束沉积等工农业、医学与科研领域得到广泛的应用。
1 离子源的结构及原理离子源的结构如图1所示。
等离子体弧腔采用双层结构,用去离子水循环冷却,内径为7cm ,长7cm 。
引出采用加速-减速电极系统,加速和减速间隙分别为6mm 和3mm 。
产生的单电荷态离子先经过<6mm 单孔等离子体电极,再通过吸极引出。
吸极加负电位,它与地极之间的电场可阻止束流路径中的电子被反向加速至离子源内。
工作气体通过微波窗旁两个进气孔进入腔体。
在离子源腔体内,轴向磁场由永磁铁与三个辅助线包产生,当馈入微波频率与电子在磁场中的拉摩回旋频率相等时会产生共振,电子获得能量,从而使腔体内的工作气体电离形成等离子体。
电磁波在等离子体中的传播
电磁波在等离子体中的传播饶玉柱;周宇云【摘要】由于等离子体的广泛存在,研究电磁波在其中的传播特性就尤为重要.本文对相关的等离子体的特性进行了定性的描述和并列举了相关定量计算公式.分类讨论了无界/有界情况下比较了电磁波传播的特点并做了总结.【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》【年(卷),期】2016(011)006【总页数】4页(P614-617)【关键词】等离子体;电磁波;传播;有界/无界【作者】饶玉柱;周宇云【作者单位】中国电子科学研究院,北京100041;中国电子科学研究院,北京100041【正文语种】中文【中图分类】V237等离子体是由处于在非束缚态的带电粒子组成的多粒子体系。
它和气体、液体、固体一起构成了自然界物质在同一层次上的四大基本形态。
等离子体是由离子、电子以及中性粒子组成，其中离子和电子所带的正、负电荷数是近似相等的，因此整体接近呈电中性。
等离子体中的处于非束缚态的带电粒子极易受到各种内部自洽电磁场和外部所加电磁场的影响，这使得等离子体的介质电磁性质与其他三态显著不同，不能够通过简单的电极化和磁化强度来描述，而需要将其状态演化方程组和麦克斯韦方程组相耦合来描述。
等离子体在自然界中广泛存在，例如恒星内部、恒星附近、气态的星云和大量的星际氢太阳风都是等离子体，它们约占整个宇宙的99%，地球周围大气层中距地面约50至500千米处的电离层是与人类关系最密切的巨大等离子体。
在天体物理，无线电空间通讯等技术中，研究等离子体的性质特别是研究现代通信中的主要载体电磁波在等离子体中的传播特性具有均有非常重要的意义。
在很多场合下，常遇到电磁波在等离子体中的传播问题。
最重要的情形有:A.无线电波在地球电离层中传播B.各种低频波在电离层，外逸层的传播C.宇宙中的射电波在太阳大气，星云，星际空间和行星星际空间中的传播D.等离子体波在宇宙条件下(如在日冕内)和地球电离层中的传播。
E.自发产生的闪电、极光等现象F.人工等离子体，如电弧放电、气体激光器、电离气体等等离子体的特性与其他三态显著不同，与电磁波传播有关的主要几条性质有：(1)它的参数(如温度、粒子密度等)有很大的变化范围(密度可以从103 m3～1033 m3，温度可以从102 K～109 K)，往往分布不均匀；(2)较容易成为介电常数等于或几乎等于零的弱吸收介质；(3)有相当大的频率色散(介电常数依赖于频率)，(4)在恒定磁场中其性质发生显著变化(即使磁场很微弱)(5)即使在简单均匀的电场中，等离子体的电磁性质也出现非线性……这些特性给我们定量的分析等离子体中电磁场带来了困难，但我们可以从统计物理上的平均角度来对其进行定量分析。
磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响
磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响沈武林;马志斌;谭必松【摘要】测量了两种磁场位形中微波ECR等离子体的电子参数,研究了磁场位形对电子参数空间分布的影响,结果表明:发散场中电子温度在轴心和腔体边缘较大,在过渡的中间区域较小,而磁镜场中电子温度随径向半径R的增大单调减小;电子密度在两种磁场位形中随径向和轴向距离的增大均呈单调下降的趋势,磁镜场中的下降幅度大于发散场;在共振面附近,发散场中气压对电子温度的影响比在磁镜场中大,而气压对电子密度的影响在两种磁场位形中基本相似.【期刊名称】《武汉工程大学学报》【年(卷),期】2010(032)009【总页数】5页(P53-57)【关键词】ECR等离子体;发散场;磁镜场【作者】沈武林;马志斌;谭必松【作者单位】武汉工程大学材料科学与工程学院,武汉工程大学湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北,武汉,430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,武汉工程大学湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北,武汉,430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,武汉工程大学湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】O5390 引言微波电子回旋共振(ECR)等离子体以其高密度、低温、能量转换率高、无电极等优点已成功地应用于材料表面处理、刻蚀、薄膜制备等微电子工业中[1-3].ECR等离子体中电子参数对上述应用有直接的影响,因此研究ECR等离子体中的电子参数对其应用研究具有十分重要的意义.等离子体参数的测量方法有很多种,Langmuir探针是一种既简单方便,准确性又较高的方法[4].根据探针的测量,可以实时地反馈调节等离子体参数,以达到所要求的等离子体.磁场是微波ECR等离子体产生的基本物理因素之一,不同的磁场位形将直接影响ECR等离子体的参数和性能,因此研究磁场位形对微波ECR等离子体参数的影响对其可控利用有重要作用.目前微波ECR等离子体的研究中,磁场位形较多都利用发散场[5-6],结合磁镜场来研究等离子体参数的工作还比较少.本文分别在发散场和磁镜场条件下,测量了微波ECR等离子体电子参数,研究了两种磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响,并分析了其影响机制.1 实验装置1-微波源,2-环形器,3-三销钉匹配器,4-耦合天线,5-挡板,6-石英窗口,7-磁场线圈,8-测量窗口,9-基片台,10-真空系统,11-通气孔图1 ECR装置示意图Fig.1 Schematic diagram of an ECR plasma reactor图1为自行研制的微波ECR等离子体装置示意图.微波源产生2.45 GHz微波,由矩形波导传输,经天线耦合到圆波导,并通过石英窗口馈入真空室内.磁场系统由四组沿轴向可调的线圈和三台直流电源组成,为ECR等离子体提供所需的磁场,磁场强度由高斯计测量,本实验所使用的两种磁场位形如图2所示.实验所使用的工作气体为氧气,经过质量流量控制器和通气孔导入真空室.真空系统由机械泵和涡轮分子泵组成,实验本底真空为3×10-3Pa.图2 发散场和磁镜场的中心轴向位形图Fig.2 The axial profiles of divergence and mirror magnetic field at the center实验采用Langmuir双探针测量等离子体电子参数,双探针所用的钨丝直径为0.5 mm,裸露的探头长度为5.3 mm,探针沿腔体径向的深度可以调节,最大调节范围为4 cm.测量时将双探针悬浮于等离子体中,工作电压加在两探针之间,测量工作电流Ip随两探针之间电压Vp的变化,就得到双探针的伏安特性曲线,其测量原理如图3所示.通过伏安特性曲线得到dU/dI和Ii0的值,当两探针完全相同时,Ii01=Ii02=Ii0,代入(1)式可求得电子温度Te,然后将电子温度值与饱和电流值代入(2)式可求得电子密度ne[7].(1)(2)式中:Ii0为离子饱和电流,mi为离子质量,Si为探针表面积.图3 双探针测量原理图Fig.3 Schematic of double Langmuir probe diagnostics system本实验采用型号为PAM-M2/100G的静电探针自动测量系统与双探针相结合来测量ECR等离子体的电子参数,它能在10 s内完成一次扫描,并且提高了测量的准确性.2 结果分析与讨论2.1 电子参数的空间分布实验利用双探针分别在径向R=0,1,2,3,4 cm和轴向Z=15.3,17,18,19.8,21 cm(轴向将石英窗口处设为Z=0,微波沿Z轴正向传播)处测量了两种磁场位形中ECR微波等离子体的电子温度和密度,测量时微波功率为800 W,工作气压0.05 Pa,氧气流量标准状态下5.0 cm3/min,将测量的结果拟合为三维曲线,如图4、5所示.图4 ECR微波等离子体的电子温度空间分布图:(a)发散场;(b)磁镜场Fig.4 The spatial distribution diagram of microwave ECR plasma electron temperature图4(a)、(b)分别为发散场和磁镜场位形下等离子体的电子温度空间分布图,两者共振面均位于Z=15.3 cm处.从电子温度的空间变化趋势看,发散场和磁镜场中的电子温度在共振面过后沿微波传输方向均缓慢降低,如轴线上(R=0 cm),沿轴向15.3 cm到21 cm发散场中电子温度从9.23 eV降到7.94 eV,磁镜场中电子温度从7.56 eV降到5.19 eV.在两种磁场位形中,电子温度沿微波传输方向不断减小有两方面的原因:一方面是ECR等离子体中,微波能量主要在共振面处被等离子体吸收,在共振面处带电粒子有最高的能量;另一方面是由于等离子体沿着轴向扩散时,电子与中性粒子的碰撞使电子能量逐渐损失所导致.两种磁场位形中,电子温度沿径向的变化规律明显不同.磁镜场中电子温度随径向半径R的增大单调减小,而发散场中电子温度在轴心和腔体边缘较大,在过渡的中间区域较小,电子温度在靠近腔壁处反常升高.发散场中电子温度在腔壁附近增加,主要是由于发散磁场位形下,磁场对等离子体的约束较弱,边缘处等离子体中的电子撞击腔壁而损失,使得腔壁附近形成较强的等离子体鞘层,该鞘层作用于等离子体内部的电子,导致腔壁附近电子温度较高.在磁镜场中,电子受到磁场的约束作用较强,磁镜效应使大部分电子被束缚在R较小区域内[8],这样就使碰撞腔壁而损失的电子少,等离子体鞘层作用影响较小,因此腔壁附近电子温度较低.从电子温度值的分布上看,在共振面的轴心处,两种磁场位形下的电子温度相近,是由于该处的电子温度主要决定于微波功率和工作气压.而在R较大的区域,发散场中的电子温度明显大于磁镜场,这是因为磁镜场中电子受磁镜的束缚,集中在R较小的区域,大部分高能电子由于非弹性碰撞损失能量而变成低能电子,因此电子温度相对较低.图5 微波ECR等离子体的电子密度空间分布图:(a)发散场;(b)磁镜场 Fig.5 The spatial distribution diagram of microwave ECR plasma electron density图5(a)、(b)分别为发散场和磁镜场位形下等离子体的电子密度空间分布图.从图中可以看到,电子密度在两种磁场位形中随径向和轴向距离的增大均呈单调下降的趋势,如在共振面(Z=15.3 cm),发散场中电子密度从R=0 cm的4.45×1010 cm-3下降到R=4 cm的1.02×1010 cm-3,磁镜场中电子密度由R=0 cm处的9.77×1010 cm-3下降到R=4 cm处的2.96×1010 cm-3.不同的是,发散场中电子密度随径向半径R的变化较小,特别是当Z=21 cm时,电子密度几乎不随R的变化而改变,其值都在0.9×1010 cm-3左右,而磁镜场中电子密度在共振面中心明显较大,沿径向和轴向距离的增加均有快速下降.发散场中电子密度的分布,在共振面附近是由粒子碰撞和梯度磁场共同作用所导致的,随着轴向的延伸,梯度磁场的作用逐渐减弱,主要由粒子碰撞影响其分布,电子与中性气体分子或离子的碰撞在传递能量的同时,使电子密度随径向变化很小[9].在磁镜场中磁镜作用使大量的电子被约束在共振区,导致电子密度随径向和轴向距离的变化较大.另外,从图中各轴向位置还可以看到,在R较小的区域电子密度在磁镜场大于其在发散场,而在腔体边缘则小于其在发散场,这也是磁镜效应所导致的结果.2.2 气压对电子参数的影响实验在同一位置(Z=15.3 cm,R=0 cm)相同磁场强度(B=0.087 5 T)下,利用双探针测量了两种磁场位形中不同气压下(分别为0.05,0.1,0.2,0.5,0.8 Pa)的电子参数,结果如图6所示.图6 在两种磁场位形中气压对电子参数的影响:(a)电子温度;(b)电子密度 Fig.6 Dependence of ECR plasma parameters on work pressure in the two magnetic fields测量时微波功率为800 W,氧气流量标准状态下5.0 cm3/min.图中电子参数随气压的变化规律在两种磁场位形中基本相同,电子温度均随气压的增加而减小(发散场中电子温度从0.05 Pa的9.23 eV降低到0.8 Pa的5.13 eV,磁镜场中电子温度从0.05 Pa的7.56 eV降低到0.8 Pa的5.53 eV),电子密度随气压的增加先增大后减小(两种磁场位形中,电子密度均在0.2 Pa左右达到最大),这是因为气压增加,中性气体密度增大,电子与中性粒子的电离碰撞频率增加,电子密度增大,同时由于碰撞频率增加导致电子温度下降;而随着气压的继续增加,电子平均自由程逐渐变短,电子在两次碰撞之间吸收的微波能量减少,电子温度降低,导致气体电离率下降,造成等离子体密度随之下降[10].另外,发散场中气压对电子温度的影响比磁镜场大.这是因为发散场中电子的扩散与碰撞主要受气压影响,而磁镜场中电子的扩散与碰撞不仅受气压影响,而且受磁镜场的影响,因此当气压变化时,磁镜场中的电子温度受气压的影响也相对较小.3 结语实验测量分析了两种磁场位形中微波ECR等离子体的电子参数,结果表明:a. 发散场中电子温度在轴心和腔体边缘较大,在过渡的中间区域较小,而磁镜场中电子温度随径向半径R的增大单调减小;在共振面的轴心处,两种磁场位形下的电子温度相近,而在R较大的区域,发散场中的电子温度明显大于其在磁镜场.b. 电子密度在两种磁场位形中随径向和轴向距离的增大均呈单调下降的趋势,磁镜场中的下降幅度大于发散场;在R较小的区域电子密度在磁镜场大于其在发散场,而在腔体边缘则小于其在发散场.c. 在共振面附近,发散场中气压对电子温度的影响比在磁镜场中大,而气压对电子密度的影响在两种磁场位形中基本相似.本文主要讨论了两种磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响,对于其他磁场位形以及在这些位形中离子参数的分布情况还需要进一步研究.参考文献:[1]孙剑,吴嘉达,钟晓霞,等.ECR等离子体对单晶硅的低温大面积表面处理[J].半导体学报,2000(10):1019-1023.[2]宁兆元,程珊华.微波ECR等离子体技术及其在材料加工中的应用[J].微细加工技术,1995,1:38-44.[3]张继成,唐永建,吴卫东.电子回旋共振微波等离子体技术及应用[J].强激光与粒子束,2002(4):566-570.[4]陶孟仙.等离子体特性的静电探针测量技术[J].佛山科学技术学院学报,2000,18(3):11-15.[5]Si-Lie Fu, Jun-Fang Chen, She-Jun Hu, et 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ECR新型低温等离子体技术及应用
射捌恼显
ｌ
●
●
（） ４ 低温下激发 的高密度活性基有利于高温材料的低温 合成 。
图 ２是 两 种 常 用 的 紧 凑 型 和 延 长 型 Ｅ Ｒ等 离 子 体 放 电装 Ｃ 置 。 由于 电子 回 旋 共 振 只 发 生 于局 部 空 间 区 域 ， 共 振 区 的 等 其
社．０６ ２０
２Ｅ Ｒ等 离子体应 用 Ｃ
Ｅ Ｒ等离子体 的诸多优 点使得其在 等离子体微 细干法刻 Ｃ 蚀、 等离子体辅 助化学气相 沉积 、 材料表 面处理等方 面具有广 泛的应用前景 。
．
【 李 效 白． 离 子 体 微 细加 工 技 术 的新 进 展 ｆ． 空 科 学 与 技 １ 】 等 Ｊ真 １
历 ｅ
对 应 磁 场 强度 在 ８ ５ ａ ｓ ７ Ｇ ｕｓ附近 。 电子 在 此 处 将 回旋 共 振 吸 收 微 波 能量 ， 能 量 运 动 电子 与 中性 气 体 粒 子 发 生 碰 撞 将 产 生 碰 高
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（） 凑 型 ａ紧
撞 电离、 子离解和粒 子激活 ， 分 从而实现等 离子体放 电和 获得
虑艄 ■
因
本 文 主 要 介 绍 目前 得 到 广 泛 研 究 与 应 用 的 电 子 回旋 共 振 等 离 子 体 的放 电原 理 以及 其 工 业 应 用 价 值 。
１Ｅ Ｒ等离子体放 电原 理 Ｃ
图 １ Ｅ Ｒ 等 离 子 体 产 生 示 意 图 。 当 磁 场 中 电 子 的 回 旋 是 Ｃ 运动频率 ｆ ． Ｏ ＝．＿ 等 于 的 Ｔ 模 式 微 波 的 ２ ５ ＭＨ 频 率 时 ， 二 Ｅ ４０ ｚ
ecr 等离子体 解离二氧化碳
ecr 等离子体解离二氧化碳ECR (电子循环共振) 是一种高频电磁波加热技术，可用于解离二氧化碳 (CO2) 等离子体。
本文将介绍ECR技术的原理、应用和优势。
一、ECR技术原理ECR技术利用高频电磁波与等离子体中的电子发生共振，进而加热等离子体，提高其能量，从而实现解离。
在ECR装置中，等离子体通常由电子、离子和中性粒子组成，其中电子是主要的能量携带者。
ECR技术主要包括以下几个步骤：1. 提供高频电磁波：通过微波源产生高频电磁波，并通过波导传输到ECR装置中。
2. 电磁波与等离子体共振：高频电磁波在ECR装置中形成一个磁场，与等离子体中的电子发生共振，加速电子的运动。
3. 电子加热等离子体：共振加速的电子与等离子体发生碰撞，将能量传递给等离子体，使其温度升高，从而实现解离二氧化碳等反应。
二、ECR技术应用1. 化学合成：ECR技术可用于化学合成过程中的二氧化碳解离，提供反应所需的离子能量，加速反应速率，提高产物纯度。
2. 环境保护：二氧化碳是温室气体的主要成分之一，ECR技术可用于二氧化碳的解离和转化，从而减少温室气体排放，并探索二氧化碳的再利用途径。
3. 能源开发：ECR技术可用于氢能源的生产，通过解离二氧化碳获得氢气，作为清洁能源的替代品，减少对传统化石燃料的依赖。
三、ECR技术的优势1. 高效能量传递：ECR技术通过共振加速电子，实现了高效能量传递给等离子体，提高了解离效率。
2. 温和反应条件：ECR技术在解离过程中对反应体系施加的热量较小，可以避免一些传统热解反应中的副反应和能量损失。
3. 环境友好：ECR技术可利用二氧化碳等废弃气体进行解离，减少了对环境的污染，并有助于实现废物资源化利用。
ECR技术是一种利用高频电磁波加热等离子体的技术，可用于解离二氧化碳等反应。
它具有高效能量传递、温和反应条件和环境友好等优势，适用于化学合成、环境保护和能源开发等领域。
随着对清洁能源和环境保护的需求不断增加，ECR技术有望在未来得到更广泛的应用和发展。
ECR离子源学习总结
读《离子的喷泉——电子回旋共振离子源》张翔2011年8月29日1.离子源的相关基本知识：1.1 离子源概说：原子是由原子核和核外电子构成，当原子核外层电子被剥掉一个或几个，即形成了离子。
被剥离的电子数目称为离子的电荷态。
一台离子源的性能根本上是由电离室（放电室）内等离子体的性质决定的。
而等离子体的性质与下列因素密切相关：周围的磁场和电场分布；放电室表面状况及伴随所发生的相关效应；放电室内工作气压；为加工离子源所涉及到的工艺。
从离子源中引出的离子束必须在真空管道中传输，管道内真空度必须足够好，一般要求它的密度比大气密度的十亿分之一还要小。
否则管道内剩余气体的原子会与离子束的离子“碰撞”，使离子从剩余气体的原子中俘获电子而损失掉。
从离子源中喷射出来的离子并不都是沿着平行于管道中心轴线运动，而是与中心轴线成一定的夹角，也就是说，从离子源中出来的离子有一定的发散度，如果没有外界力的作用使其改变方向，则随着传输距离的增加，许多离子就会打到管壁上损失掉。
在这一点上，离子束与光束很类似，为了防止发散，都需要利用透镜聚焦束流。
聚焦透镜一般都是利用电场或磁场使带电粒子在横向受一定的作用力，从而迫使带电粒子靠近中心轴线。
离子源系统一般是由：放电室，引出部分，聚焦透镜，分析选择器，和测量部分组成。
其中分析选择器是用于筛选不同同位素和电荷态离子的，与以前学的速度选择器不同。
1.2 离子的产生：我们知道，当原子中的电子从外界获得能量时，可以从低能级跃迁到高能级，这种原子称为受激原子。
当这种能量大到一定数值时，原子中的外层电子就可逃脱原子核的束缚，变成自由电子。
我们称这种情况的原子被电离成自由电子和正离子。
原子被电离的方法有很多，可以通过电子与原子的碰撞（将电子的动能部分地转移给原子，使其激发，物理机制是量子力学的内容）；原子和原子的碰撞；光子对原子的作用；电子或离子作用在固体表面；固体电极表面电场非常强时，也会由表面释放出电子，产生电离。
ecr工艺技术
ecr工艺技术ECR（Electron Cyclotron Resonance）工艺技术是一种用于薄膜的等离子体反应装置，可以用于制备各种材料的薄膜。
ECR 工艺技术的主要特点是在较低的压力和较高的离子能量下工作，可以制备高质量的薄膜，并且具有较好的化学均匀性和析出速率控制能力。
ECR工艺技术的核心是磁场加热，通过在强磁场中加热，使气体分子的速度变得更快，进而增加碰撞频率，激发更多的电子与离子发生碰撞。
当电子的运动与磁场频率的一半相匹配时，会发生电子回旋共振现象，产生高能量的电子和离子。
这些高能量的粒子可以提供足够的活化能量，使得反应发生在较低的压力下，并且薄膜生长速率较快。
在ECR工艺技术中，通常使用微波功率来激励等离子体反应，通过调节微波功率的大小和频率，可以控制反应的浓度和速率。
此外，还可以通过改变工作气体的种类和流量来控制反应的化学成分。
ECR工艺技术可以广泛应用于各种材料的薄膜制备，如金属薄膜、半导体薄膜、氧化物薄膜等。
以金属薄膜为例，ECR工艺技术可以制备出具有高致密性、较低的残余应力和较好的粘附性的金属薄膜。
这是因为在ECR工艺技术中，高能量的离子可以提供足够的动能，使金属原子到达衬底表面时具有较高的动能，从而能够更好地扩散和冷却，形成致密性更好的薄膜。
此外，ECR工艺技术还具有一些其他优点。
首先，ECR工艺技术能够在较低的温度下进行制备，减少了材料的热影响区域，有利于保持材料的原有性能。
其次，ECR工艺技术可以在各种基片上进行薄膜制备，如陶瓷、玻璃、聚合物等，具有较好的适应性。
此外，ECR工艺技术的设备相对较小，不需要复杂的设备和环境，操作相对简单。
综上所述，ECR工艺技术是一种用于薄膜制备的重要工艺技术，具有很高的应用价值。
它通过磁场加热和微波功率激励等方式，可以在较低的压力和较高的离子能量下制备高质量的薄膜。
它的广泛应用可以满足各种材料的薄膜制备需求，并且具有较好的化学均匀性和极高的析出速率控制能力。
气体放电等离子体及应用的研究进展
气体放电等离子体及应用的研究进展石峰;王昊【摘要】由于气体放电在材料处理、热核聚变、环境净化以及等离子体推力器等各个前沿科学领域中具有广泛的应用.为了推动气体放电及等离子体理论与应用技术的研究和发展,综述了近年来各种典型气体放电机理的发展.分析了直流辉光放电、介质阻挡放电、大气压辉光放电、电子回旋共振放电、容性耦合射频放电的国内外研究现状,最后介绍了气体放电等离子体的应用领域.%Gas discharge is the main way to produce low temperature plasma,and exists widely in people's daily life. Its development has a great impact on the development of high-tech economy and the transformation of traditional indus-tries.In this paper,the classification and principle of gas discharge,the conditions of dischargeand Characteristics of gas discharge plasma are described.Finally,the application fields of gas discharge plasma are introduced.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2018(024)002【总页数】6页(P80-85)【关键词】气体放电;直流放电;射频放电;介质阻挡放电;容性耦合射频放电;等离子体应用【作者】石峰;王昊【作者单位】河南理工大学物理与电子信息学院,河南焦作454000;河南理工大学物理与电子信息学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】O530 引言在自然状态下，气体通常处于绝缘状态，但是在外加电场时，气体分子就被电离成电子和离子，因此，气体放电是产生低温等离子体的主要方式[1]。
磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响
示 意 图 ． 波 源 产 生 ２ ４ 微 ． ５ＧＨｚ微 波 ， 矩 形 波 导 由
传输， 经天线 耦合 到 圆波导 ， 通 过 石 英 窗 口馈人 并 真 空室 内． 场 系 统 由 四组 沿 轴 向 可 调 的线 圈 和 磁 三 台直 流 电源组 成 ， Ｅ Ｒ等 离 子体 提 供 所 需 的 为 Ｃ
数对其 应 用 研 究 具 有 十 分 重 要 的 意义 ． 离 子 体 等
参 数 的测量 方 法 有 很 多 种 ， ａ ｇ ｉ 探 针 是 一 种 Ｌ ｎ ｍｕｒ
既简单 方便 ， 准确 性 又 较 高 的方 法 ［ ． 据 探 针 的 ４ 根 ］
测 量 ， 以实时地 反 馈 调节 等 离 子 体参 数 ， 可 以达 到 所 要求 的等 离子体 ． 磁 场是微 波 Ｅ Ｒ 等 离 子 体 产 生 的基 本 物 理 Ｃ
密 度 的 影 响 在 两 种 磁 场 位 形 中基 本 相 似 ．
关键词 ：Ｃ Ｅ Ｒ等 离 子体 ； 散 场 ； 发 磁镜 场
中 图 分 类 号 ： ３ Ｏ５ ９ 文 献标 识 码 ： Ａ ｄ ｉ １ ． ９ ９ ｊｉ ｎ １ ７ —８ ９ ２ １ ． ９ ０ ５ ｏ ： ０ ３ ６ ／． ｓ ． ６ ４ ２ ６ ． ０ ０ ０ ． １ ｓ
６石英 窗 口 ，－ 一 ７磁场 线 圈 ， 量窗 口，－ 片 台 ，Ｏ真 空 系统 ，１通气 孔 ８测 ９基 １一 １一
图 １ Ｅ Ｒ装 置 示 意 图 Ｃ
Ｆｉ Ｓｃ ｅ ａ ｉ ａ ａ ｎ ＥＣＲ ａ ｍ ａ ｒ ａ ｔ ｒ ｇ．１ ｈ ｍ ｔｃ ｄｉｇｒ ｍ ｏｆａ ｐｌｓ ｅ ｃ ｏ
底 真空 为 ３ １～Ｐ ． × ０ ａ
１ 实验 装 置
图 １为 自行 研 制 的 微 波 Ｅ Ｒ 等 离 子 体 装 置 Ｃ
新型低温等离子体技术及应用
广东技术师范学院学报（自然科学）2010年第1期Journal of Guangdong Polytechnic Normal University No ．1，2010新型低温等离子体技术及应用王春安闫俊虎（广东技术师范学院，广东广州510665）摘要：等离子体尤其是低温等离子体由于其一系列特殊的性质，广泛应用于薄膜沉积、微电路干法刻蚀、材料表面改性等方面。
本文介绍了目前经常采用的几种新型低温等离子体技术，电子回旋共振（ECR ）等离子体、射频感应耦合（ICP ）等离子体、以及螺旋波（HWP ）等离子体。
这几种等离子体由于无内电极放电无污染、等离子体密度高、能量转换率高、电离度高等优点必将在传统工艺的基础上得到更广泛的应用。
关键词：低温等离子体；ECR 等离子体；ICP 等离子体；HWP 等离子体中图分类号：O 434.14文献标识码：A文章编号：1672-402X （2010）01-0022-04收稿日期：2010-01-16作者简介：王春安（1982-），女，内蒙古牙克石人，广东技术师范学院电子与信息学院助教，研究方向：凝聚态物理学。
0引言大量的粒子在热激发、光激发、电激发下会产生电离，形成由离子、电子、自由基、及中性粒子组成的空间体系，当带电粒子密度达到其建立的空间电荷足以限制其自身的运动时，这种电离气体就成了等离子体.等离子态体的基本性质在于它的准电中性，即等离子体中的正电粒子数和负电粒子数相当.在等离子体内，电子和离子质量的巨大差导致存在两种不同的温度（能量），如果电子温度远大于离子温度，既电子温度在104K 以上，而重粒子的温度却可低至几百K ，这种等离子体称为低温非平衡等离子体.低气压低温等离子体由于其一系列特殊的性质，在材料表面改性、等离子体溅射和化学气相沉积薄膜、等离子体清洗、微电路干法刻蚀等方面有更广泛的应用［1-4］.本文主要介绍目前得到广泛研究与应用的几种新型低温低气压辉光放电等离子体，即电子回旋共振ECR 等离子体等离子体(ECR:Electron Cyclotron Resonance)、射频感应耦合等离子体（ICP ：InductivelyCoupled Plasma ）、螺旋波等离子体(HWP:Helicon Wave Plasma).1电子回旋共振等离子体电子回旋共振（ECR ）是指在磁场中受洛伦兹力作用作回旋运动的电子，在磁场强度为875Gauss 处它的回旋频率和沿磁场方向传播的右旋极化微波频率2450MHz 相等，电子在微波电场中将被不断同步加速而获得的能量大于离子获得的能量，使得即使在接近常温下，如果在两次碰撞之间电子共振吸收微波的能量大于气体粒子的电离能、分子离解能或某一状态的激发能，那么将产生碰撞电离、分子离解和粒子激活，从而实现等离子体放电和获得活性反应粒子，形成高密度的ECR 低温等离子体.ECR 等离子体有如下的优点：1.等离子体密度高，约有1010～1012cm -3；2.离子能量低，避免了离子轰击造成的材料表面损伤和缺陷的产生；3.无内电极放电无污染；4.磁场约束，减少了等离子体与器壁的作用；5.放电气压低，约有10-2-10-1Pa ；6.能量转换率高，电离度高（>10%），对微波的吸收率高达95%以上；7.低温下激发的高密度活性基有利于高温材料的低温合成.上述优点使得ECR 等离子体在等离子体微细干法刻蚀、等离子体辅助化学气相沉积、材料表面处理等方面具有广泛的应用前景［5,6］.ECR 等离子体化学气相沉积（ECR-PECVD ）采用ECR 等离子体辅助，充分利用磁场对等离子体的定向输运和约束，以及离子轰击能低、等离子体密度大的优点来在样品台附近获得大量的等离子体活性自由基，实现需要高温生长条件薄膜的低温沉积，克服了薄膜在生长过程中因高温造成晶格热失配而产生的晶格缺陷和裂痕，保证了高质量薄膜的生长.这一工艺有效弥补了目前常用的基于直接加热分解技术的有机金属化学气相沉积(MOCVD)方法生长薄膜温度高、工艺复杂、成本高的不足［7］.如图1是两种常用的紧凑型和延长型ECR等离子体放电装置，延长型ECR产生装置主要由BJ22波导管、两组环形对称励磁线圈、共振腔、反应室、样品台、真空系统、配气系统等组成.TE10微波通过石英耦合窗馈入共振腔中，在共振层处电子回旋共振吸收微波能量产生高密度ECR等离子体，在磁场梯度的作用下等离子体向下级扩散至整个反应室空间.样品台放置在反应室下游区位置，在这一区域没有磁场影响且等离子体均匀分布，薄膜生长，材料表面改性等均可以在这一区域完成.如Fu S L等人采用ECR-PECVD工艺，在T=4500C低温下制备出了GaN薄膜［8］.2射频感应耦合等离子体射频感应耦合(ICP)等离子体源的早期研究始于20世纪初Thomson和Townsend，以及Wood等开创性的工作，但当时的工作气压还在几百帕，且等离子体产生尺度范围还很窄而得不到广泛的应用.直到最近的10年，低压、高密度大直径的ICP等离子体源才在生产中得到使用［9,10］.图2是目前流行的两种不同RF射频感应耦合等离子体装置.一种是圆筒型，即射频耦合天线螺旋缠绕在柱形放电管（通常是绝缘石英管）周围，一种是平面型，即射频耦合天线同心螺旋放置在放电管的顶部，射频能量通过天线耦合到放电管中，产生高密度均匀的ICP等离子体［7］.ICP等离子体产生原理是通过匹配网络将13.56MHz射频功率加到螺旋线圈天线上产生射频磁通，射频磁通在真空圆筒形容器内部轴向感生射频电场，真空容器中的电子被感生电场加速，被电场加速的电子与气体分子剧烈频繁碰撞，使气体分子被激发、电离及离解而形成ICP 等离子体.ICP等离子体除了具有ECR等离子体的无内电极放电无污染，等离子体密度高（~1010c m-3）等特点外，成本低的优势使得其应用范围更广泛.ICP等离子体增强气相沉积（ICPECVD）是化学气相沉积技术的一种，其基本原理是将射频放电的物理过程和化学气相沉积相结合，利用ICP等离子体裂解反应前驱物.如制备高硬度、耐高温耐腐蚀的Si3N4薄膜［11］.ICP等离子体的另一个主要工业应用就是等离子体干法刻蚀，特别是反应离子刻蚀（RIE）.ICP等离子体干法刻蚀能够克服湿法刻蚀严重的钻蚀效应及各向同性的缺点，具有选择性、各向异性等特点，广泛应用于高集成度的微电子学集成电路的设计当中.如采用Cl2等离子体对p-GaN薄膜进行干法刻蚀［12］.另外，ICP等离子体还广泛应用于辅助磁控溅射、电子束蒸发工艺中，作为离子源来增强反应条件以及降低反应温度.3螺旋波等离子体螺旋波(helicon)是一种在与磁场平行的等离子体柱中传播的哨声波模式，利用一种环绕于玻璃或石英管外壁的天线与磁化等离子体中的右旋极化波的共振，可以非常有效地通过朗道吸收加热电子，产生高密度螺旋波（HWP）等离子体［13］.它最早在1960年由Aigrain提出来.20世纪70年代初，Boswell等人第一个在0.2Pa、0.045T约束磁场条件下，获得了等离子体高达1012cm-3、中性原子完全电离的HWP 等离子体.1985年，F.F.Chen［14］对HWP等离子体的产生机制提出了理论解释，认为螺旋波是通过朗道阻尼的方式加热电子的，这一提法得到了Shoji［15］和Boswell［16］等人实验的验证并得到人们的普遍接受.螺旋波是通过朗道阻尼的方式将能量传输给电子的，因此要求射频天线能很好地将射频能量耦合传递给螺旋波，所以天线的尺寸并不是任意的.螺旋波的传输模式决定于天线的结构.图3是一种螺旋波激发等离子体源装置，图4是常用的天线结构.与ICP等离子体相比，HWP等离子体虽然同样采用射频源激励，但增加了个外磁场，这个外磁场与ECR等离子体的磁场相比强度要小的多.与其他的等离子体相比，HWP等离子体的优点有：1、具有非常高的等离子体密度以及电离效率，在10-1Pa量级放电气压下等离子体密度达到1013cm-3，比ECR等离子体高一个数量级；2、HWP等离子体装置相对简单但等离子体的稳定性、易操作性优良.作为一种新的低气压、高密度等离子体源,螺旋波等离子体在超大规模集成电路工艺，微机械加工，薄膜材料制备，材料表面改性以及气体激光器等方面有广泛的应用前景.日本、美国、澳大利亚等国都在对它进行了长期的、大量的研究，而国内最近10年才开展了这方面的研究［17,18］.4结束语微加工工艺、超大规模集成电路以及半导体薄膜器件日新月异的发展，对低温等离子体技术提出了更高的要求.本文介绍的ECR等离子体、RF-ICP等离子体、HWP等离子体等离子体，是目前受到广泛研究并具有巨大工业应用潜力的低温等离子体放电技术.ECR、RF-ICP、HWP新型等离子体具有的共同特点是：电磁波激发、低气压放电、无内电极、等离子体密度高、能量转化率高.不同之处主要在于放电原理的不同：ICP是射频感应电场作用、ECR是电子回旋共振、HWP是朗道阻尼.另外，ECR采用微波激励和强磁场约束，放电面积大、等离子体密度均匀，但设备较复杂和昂贵.ICP和HWP虽然都是射频放电，但HWP加了一个弱磁场，HWP等离子体装置相对简单但等离子体的稳定性、易操作性优良.这三种低温等离子体技术在工业应用方面的优势和魅力在于等离子体自加热条件下就能获得反应所需要的活性粒子.这是传统的直接加热方式的高温化学工艺手段所无法实现的，这种根本上的优势将会微电子加工工业带来革命性的变化以及无限的商机.参考文献：［1］孟月东,钟少锋,熊新阳.低温等离子体技术应用研究进展［J］.物理,2006,35（2）:140-146.［2］李定，陈银华等.等离子体物理学［M］.北京：高等教育出版社,2006.［3］菅井秀郎等.离子体电子工程学［M］.北京：科学出版社, 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applied to depositing thin films,dry etching,and modifying material surface.This paper introduces several new types of plasma,including electron cyclotron resonance plasma,inductively coupled plasma and helicon wave plasma.These types of plasmas have great potential application in industry.Key words:low-temperature plasmas;ECR;ICP;HWP。
质子束ECR源研制
质子束ECR源研制近年来，强流ECR(Electron Cyclotron Resonance)离子源因其体积小、寿命长、束流强度高、光学特性好、性能稳定等优点，逐渐受到人们的青睐。
本文计划研制一台强流质子束ECR源，该质子源将作为氘离子源的原型，为正在研制的6.0×1012n/s强流中子发生器提供强流氘离子束，以期能够达到设计要求产生足够强度的中子束流，进一步拓宽中子发生器的实验研究范围。
本文首先对ECR离子源的基本原理、主要结构和相关性能参数进行了较为详细地介绍。
在此基础之上，重点研究了微波传输系统和引出系统的相关性质。
在微波传输系统的研究过程中，根据阻抗匹配理论，并借助CST模拟软件，得到了三段双脊波导的优化设计模型，同时根据相关文献给出了微波窗的设计模型。
在引出系统的研究过程中，借助SIMION模拟软件，得到了引出系统各电极参数对引出束流特性的影响规律，在此基础之上，给出了三电极引出系统的初步设计方案。
关键词：电子回旋共振；阻抗匹配；引出系统；束流发射度第一章绪论离子源是用来产生离子束的装置，它被广泛地应用于原子物理、核物理、粒子物理、等离子体物理以及固体表面物理等领域。
然而，传统的离子源（双等离子体离子源、潘宁离子源等）工作寿命短、不耐腐蚀、束流强度不高等缺点，给现代科学研究带来了一系列问题。
人们迫切需要一种性能更加优良的离子源。
ECR离子源因其无极、耐腐蚀、寿命长、束流强度大、气耗量小、性能稳定等优点，越来越受到人们的关注。
1.1 ECR离子源的发展与现状早在上世纪60年代末，法国的Geller 等人就已开始了一对磁镜ECR离子源的实验研究[1]。
自ECR离子源诞生以来，它的发展主要经历了3个阶段：单磁镜的单电荷态阶段；min-B磁场结构的高电荷态阶段；短脉冲高电荷态阶段[2]。
然而早期的ECR离子源电功率消耗极大，这限制了它的应用及发展。
为了解决这一问题，同时出现了两种方法，一种是比利时Louvain-la-Neuve、美国MSU 以及西德Julich和Karlsruhe等研究中心使用的超导技术；另一种是法国Grenoble、美国Berkeley和Oak Ridge等研究中心使用的永磁技术[3]。
ECR中和器改进试验研究
ECR中和器改进试验研究罗立涛;杨涓;金逸舟;孙俊;韩飞【期刊名称】《中国空间科学技术》【年(卷),期】2016(036)001【摘要】目前国内电子回旋共振(ECR)中和器的研究存在电子束流不能连续引出的问题,为此通过改进中和器天线结构及优化电子引出孔径来改善中和器的性能.试验结果表明:中和器结构改进及优化后其电子束流可以随着接触电压的升高而连续变化,同时提高了中和器的推进剂利用效率、降低了电子产生损耗.推进剂利用效率和电子产生损耗在中和器结构改进前后分别为1.2789和194.573 W/A,1.6598和126.3 W/A.试验还通过静电探针诊断出中和器耦合天线附近等离子体密度分布在1.72暳1017~12.1暳1017 m-3范围内.【总页数】8页(P35-42)【作者】罗立涛;杨涓;金逸舟;孙俊;韩飞【作者单位】西北工业大学航天学院,西安 710072;西北工业大学航天学院,西安710072;西北工业大学航天学院,西安 710072;上海空间智能控制技术重点实验室,上海 201109;上海空间智能控制技术重点实验室,上海 201109【正文语种】中文【中图分类】V43【相关文献】1.微推力ECR离子推力器中和器实验研究 [J], 孟海波;杨涓;朱康武;孙俊;黄益智;金逸舟;刘宪闯2.ECR中和器束流引出实验研究 [J], 罗立涛;杨涓;金逸舟;冯冰冰;汤明杰3.ECR中和器鞘层特性数值计算 [J], 曹赫扬;杨涓;郭宁4.10cm ECR中和器性能优化实验研究 [J], 孟海波; 杨涓; 黄文斌; 夏旭; 付瑜亮; 胡展5.栅控热阴极中和器数值仿真改进与试验研究 [J], 贺亚强;郭宁;谷增杰;李兴达;祁康成因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
ECR强流离子源
136Ⅱ. 加速器物理和技术CNIC-01638/12CNNC-0003用于质子直线加速器的强流ECR离子源*崔保群李立强包轶文蒋渭生王荣文中国原子能科学研究院北京，102413摘要：介绍了正在研制的一台强流ECR离子源。
它的目标是用于加速器驱动的次临界系统 (ADS)。
两种结构的离子源均获得了较好的结果。
在30 keV能量下，氢离子最大束流达到100 mA，质子比好于85%，引出束流密度最高可达340 mA/cm2。
初步测定的发射度约为0.11 πmm·mrad。
已通过了100 h的连续运行考验。
关键词：ECR ADS 质子比发射度引言中国原子能科学研究院正在进行加速器驱动的次临界系统 (Accelerator Driven Sub-critical System) 的研究。
其质子直线加速器的第一个重要部件就是强流离子源。
为了与RFQ加速段匹配，质子能量需75 keV，连续束流强大于50 mA，质子比高于85%，归一化均方根发射度ε≤0.2 πmm·mrad，n·rms能上千小时地连续稳定运行。
这些要求对离子源研究工作是一个重大挑战。
微波激励的电子回旋共振型 (ECR型) 离子源由于没有灯丝阴极，寿命可以大大延长。
另外，它的效率高，束流品质好，故国际上许多实验室都选用这种离子源[1～4]。
我们从1999年开始了ECR离子源的研制，经过多次改进，已经达到了第一阶段目标，即在30 keV能量下，引出束流大于50 mA，并通过了100 h连续运行的考验。
1 实验装置ECR离子源是将微波功率以适当的方式馈入一个放电腔，腔内有一个* 本项目得到国家自然科学重点基金及国家重点基础研究(973)计划的资助。
Ⅱ. 加速器物理和技术137与微波电场相垂直的恒定磁场，当磁场强度达到电子回旋共振的条件时，腔中的电子将从微波获得能量并与周围的气体碰撞产生电离，形成等离子体。
用高压电场从放电腔的一个引出孔将离子引出而形成离子束。
etc技术原理
etc技术原理1. 什么是etc技术等离子体场致电离（Electron Cyclotron Resonance Ion Sources，简称ECRIS）技术是一种常用于离子源的技术。
ECRIS技术是利用高频电磁场与等离子体进行相互作用，以实现对气体原子进行场致电离的过程。
ECRIS技术具有高离子产额、高离化度和高束流质量的优点，被广泛应用于离子束注入、核物理研究、电子材料沉积等领域。
2. ECRIS技术原理ECRIS技术原理主要包括电磁共振、自旋角动量耦合和电离过程。
2.1 电磁共振ECRIS利用高频电磁场与等离子体中的电子进行共振相互作用。
高频电场通过外部线圈产生，当频率与等离子体中的电子的回旋频率相匹配时，电磁场与电子发生共振。
共振条件是根据回旋频率的表达式f=1.75×B×z×10⁷ Hz确定，其中B为磁场强度（Tesla），z为离子电荷数。
2.2 自旋角动量耦合在ECRIS中，等离子体中的电子与高频电磁场共振时，自旋角动量发生耦合。
电子自旋角动量的耦合导致了等离子体中的电子与离子之间的动能传递，从而将高频电磁场的能量转化为等离子体的内能。
2.3 电离过程ECRIS技术采用等离子体场致电离的原理，将中性气体原子通过电离过程转化为带电离子。
在等离子体中，高能电子与中性原子碰撞，使原子中的电子被激发到高能级或被电离。
这些高能电子和自由电子共同形成的等离子体将通过磁场限制离子运动的方式，将被电离的原子离子束束聚并加速，形成高能离子束。
3. ECRIS技术应用ECRIS技术由于其高离子产额、高离化度和高束流质量的特点，被广泛应用于以下领域：3.1 离子束注入（Ion Beam Implantation）离子束注入是一种将离子束注入到半导体材料中改变其性质的方法。
ECRIS技术可提供高能量和高质量的离子束，可用于半导体器件的制造和改性。
3.2 核物理研究（Nuclear Physics Research）ECRIS技术的高束流质量和高离子产额使其成为核物理研究中的重要工具。
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位． 许多研究者建立了基 于粒子两体碰撞模型的经 典输运理论 ， 考虑磁场位形影响的新经典理论 ， 但与 实验的结果相差甚大． 由于等离子体本身非线形现 象丰富 ， 要理解诸如反常输运、 等离子体湍流等复杂 现象 ， 必须要考虑非线形效应 ， 已经成为近十年来等 离 子体理 论研究 的重 点 方 向之 一 ． 目前 对宏 观非 平 衡等离子体的研究较多＿ ］现代动力学理论 主要 ｌ ． 是以玻耳兹曼方程为基础 ， 以各种近似分析方法 辅 来研究亚稳态的传输现象 ， 运用统计的手段取得 了 客观 的成绩 Ｊ近年来 ， ． 不断有人用统计方法描述
某些环境参数的变化来使得沿微管表面传输的粒子 产生 净流 动．
１ 粒 子 的传 输 模 型
本 文 仅 考虑 一 个 只包 含 基 本元 素 的 简 单 系统 ． 假 设在 一个 Ｅ Ｒ等离子 体 系统 中 ， 一个 活 跃 的布 Ｃ 有
朗粒子沿着一支微管表面运动 ， 这个粒子受到系统 中其余粒子对它的综合性零平均力 的作用． 为简化 研究对象 ， 假设系统 中存在一个可 以不断变化 的磁 场， 选择 用 Ｌｎｅｉ ａｇｖ ｎ方程 来描 述该 布 朗粒子 的运 动 ．
华南师范大学学报 （自然科 学版 ）
２１ ０２年 ８月
Ａｕ ．２ １ ｇ ０２
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｓ ＯＵＴ ＣＨＩ Ｈ ＮＡ ＮＯＲＭＡＬ ＵＮＩ ＶＥＲＳ ｎＹ
第４ ４卷第 ３期
Ｖｏ ． Ｎｏ ３ １４４ ．
（ Ａ Ｕ ＡＬＳ ＩＮ ＥＥ ＩＩＮ） Ｎ ０２ ０ １０ ４ ３ ２ １ ）３—０６ ０ ０ ８— ３
Ｅ Ｒ等 离 子体 系统 中粒 子 沿微 管传 输 的研 究 Ｃ
杜金 菊 ，李 炜
（． １华南师范大学研究生处 ， 广东广州 ５０ ３ ； ． １６ １２ 华南师范大学物理与电信工程学 院 广东广州 ５０ ０ ） １０ ６
非线形系统的输运和扩散现象 ， 计算和模拟等离子 体系统 中的传输和分布． 在各种等离子体系统中， 电子 回旋共振 （ Ｃ ） Ｅ Ｒ 其 中 ， 表 轴 向坐标 ， 系统 阻尼 系数 ， 代 为 曰是粒 子 等离子体具有独特的优点 ： 等离子体密度高 ， 无 受到的由磁场 引起 的沿 方 向的正向作 用力 ， 是 ｋ 内电极放 电， 没有污染 ； 磁场约束 ， 减少 了等离子体 玻耳兹曼 常数 ， 是 温度 ， ｔ是 一个 指 数 关联 形 的 （） 与器壁的作用 ； 的放电气压 ； 低 能量转换率高 ， 电离 高斯白噪声 ， 其满足相关函数 ： （） ｔ ＞ ２ （ — ＜ ￡ ’ ＝ ８ｔ （ ） 度高 ； 等离子体发生区与样品台分开 ， 使轰击样品表 ｔ）６ 是 Ｄｒｃ函数 ， ，（） ｉ ａ 它来 自环 境对 粒 子 的无 规 碰 面的荷电粒子能量和流量可以独立控制 ； 低温下激发 撞． ｔ是 一 个 沿 着 方 向 的不 对 称 周 期 外 场 力 ， Ｆ（） 的高密度活性基有利于高温材料的低温合成． Ｃ Ｅ Ｒ等 它满 足 ： １ 一 ＾ 离子体化学气相沉积（ Ｃ Ｐ Ｃ Ｄ 采用 Ｅ Ｒ等离 Ｅ Ｒ— Ｅ Ｖ ） Ｃ 子体辅助 ， 充分利用磁场对等离子体的定向输运和约 束， 以及 Ｅ Ｒ等离子体的等离子体密度大的优点在 Ｃ ｎ ＋ ． （ 占 ≤ ≤（ ０ ５ １＋ ） ｎ＋１ ｆ ）， 样 品台附近获得大量 的等离子体活性 自由基 ， 使得 在 其 中 ，是不 对称 力 的周期 ， 是 ， ｔ的最 大 幅度 ， ｆ （） 相对低温下在样品表面发生物理化学反应生成高质 是一个在［ １ １ 区间可变的对称系数 ， 一 ，］ 微管的形 量的薄膜 ， 了 目前有机金 属化学气 相沉积 方法生 状 由半 径 函数 ∞（ 克服 ）＝ ａ来 描述 ， 常数． ａ取 沿微 管表 面 的粒子 运动 状态 还可 以 由 Ｆｋ ｅ — ｏｋｒ 长薄膜温度高、 工艺复杂和成本高的缺点 ． ｎ ｋ方程 来 描述 ｊ ： 本文研究了在一个 Ｅ Ｒ等离子体系统中 ， Ｃ 通过 Ｈａ ｃ
摘要 ： 建立了一个 等离子体 系统 内粒子传输模型 ， 究在 一个 Ｅ Ｒ等离子体 系统 中， 研 Ｃ 如何通 过某 些环境参 数 的变化 来使得 沿微管表面传输 的粒子产生净流动． 此模型 中， 非平衡 热涨 落、 在 在 磁场作 用和 外场力 等因素 的综合作用 和 共 同驱 动下 ， 到一个净 几率流 Ｊ 当这些 因素彼此竞争彼此作用 时 ， 随着某个 参数 的改变而发生方 向改变． 得 ， ． ， 此外 ，
通过理论模型 的计算 ， 到了 ＿关于不 同参数的相关函数． 得 ， 关键词 ： 等离子体 ； 输；驱动 因素 传
中图分 类号 ：５ ０３
文献标 志码 ： Ａ
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输 运 过 程 在 等 离 子 体 系 统 中 占有 很 重 要 的 地
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收 稿 日期 ： ０ ２一Ｏ ２１ １—１ ６
基金项 目：广东省 自然科学基金项 目（０ ５０ ３ ０ ００ ４ ） １ １１６ １ １０ ０ ８
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第 ３期
杜金 菊等 ： Ｃ Ｅ Ｒ等 离子体 系统 中粒子沿微管传输的研 究
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