离子源

物理设备

离子源（英文名称：Ion source）是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件。

设备介绍

气体放电、电子束对气体原子(或分子)的碰撞，带电粒子束使工作物质溅射以及表面电离过程都能产生离子，并被引出成束。根据不同的使用条件和用途，已研制出多种类型的离子源。使用较广泛的有弧放电离子源、PIG离子源、双等离子体离子源和双彭源这些源都是以气体放电过程为基础的,常被笼统地称为弧源。高频离子源则是由气体中的高频放电来产生离子的，也有广泛的用途。新型重离子源的出现，使重离子的电荷态显著提高,其中较成熟的有电子回旋共振离子源(ECR)和电子束离子源(EBIS)。负离子源性能较好的有转荷型和溅射型两种。在一定条件下，基于气体放电过程的各种离子源，都能提供一定的负离子束流。

离子源是一门具有广泛应用领域的学科，在许多基础研究领域如原子物理、等离子化学、核物理等研究中，离子源都是十分重要不可缺少的设备。

类型

高频离子源

利用稀薄气体中的高频放电现象使气体电离，一般用来产生低电荷态正离子，有时也从中引出负离子，作为负离子源使用。

在高频电场中，自由电子与气体中的原子(或分子)碰撞，并使之电离。带电粒子倍增的结果，形成无极放电，产生大量等离子体。高频离子源的放电管一般用派勒克斯玻璃或石英管制作。高频场可由管外螺线管线圈产生，也可由套在管外的环形电极产生。前者称为电感耦合,后者称为电容耦合高频振荡器频率为10 ～10 Hz，输出功率在数百瓦以上。

从高频离子源中引出离子可有两种方式。一种是在放电管顶端插入一根钨丝作为正极，在放电管尾端装一带孔负电极，并把该孔做成管形，从中引出离子流。另一种方式是把正极做成帽形，装在引出电极附近，而放电区则在它的另一侧。不管采用哪种引出方式，金属电极都要用石英或玻璃包起来，以减少离子在金属表面的复合。

在高频放电区域中加有恒定磁场时，由于共振现象可提高放电区域中的离子浓度。有时，还在引出区域加非均匀磁场来改善引出。

弧放电离子源

在均匀磁场中，由阴极热发射电子维持气体放电的离子源。为了减少气耗，放电区域往往是封闭的。阳极做成筒形，轴线和磁场方向平行。磁场能很好地约束阴极所发射的电子流，在阳极腔中使气体的原子（或分子）电离，形成等离子体密度很高的弧柱。离子束可以垂直于轴线方向的侧向引出，也可以顺着轴线方向引出。

PIG离子源

在外磁场约束下产生反射放电的离子源，是弧放电离子源的改进。在弧放电离子源中，阳极另一端和阴极对称的位置上，装一与阴极等电位的对阴极，使阴极发射的电子流在中空的阳极内反射振荡，提高了电离效率，改变了放电机制。阴极一般用钨块制成，由电子轰击加热，称间热阴极离子源。反射放电电压较高时，可在冷阴极状态下工作。这时离子源结构更加简单，称为冷阴极离子源。对于功率较大的离子源，阴极被放电所加热，达到电子热发射温度，被称为自热阴极离子源。

为产生非气态元素的离子，将该元素馈入离子源的方法有多种。简单的方法是使用气体化合物，也可导入该元素的蒸气。某些固体物质还可镀在阴极表面或阳极腔壁上，靠放电中的溅射作用将该物质导入放电区。

双等离子体离子源

在非均匀磁场中工作的一种弧放电离子源它的电极系统和磁系统都经过精心安排,使得放电产生的等离子体发生两次收缩（几何箍缩和磁箍缩）。由于引出的离子流强度大、亮度高、而主体结构又比较紧凑，使用十分普遍。

大功率的双等离子体离子源能产生安培级以上的正离子束，是一种有效的强流离子源。正离子被中和以后，就转化为中性束。从双等离子体离子源中可以直接引出负离子束，也可以先引出正离子束，再用间接方法得到负离子。

双彭源

双等离子体离子源和 PIG离子源的综合。大功率的双彭源是一种单电荷态的强流离子源，可以引出安培级以上的离子流。

小型装置也有用来作为多电荷重离子源的。

从外形结构看，双彭源只是在双等离子体离子源的阳极外侧增设一个对阴极。但从放电原理看，它两种离子源有很大差别。前三个电极组成类似于双等离子体离子源的系统，看作是一个电子源。由于对阴极上加有和中间电极相同或更负些的电压，电子就在中间电极和对阴极之间反射振荡,改善了电离。

转荷型负离子源

利用正离子束转荷产生负离子的装置。正离子束与固体物质表面相互作用，或通过气体靶俘获电子就能转化成负离子束。正离子束可以由小型双等离子体离子源提供。如果采用高频离子源，只要把引出电极的孔道加长，就能得到负离子束。

溅射型负离子源

用正离子束去轰击工作物质，就能得到该种物质的负离子。若用铯离子束去溅射周期表第Ⅳ族以后电子亲合力较大的元素，可以得到该元素微安级的负离子束流。若使氢或氩离子束通过一个充有气态工作物质的孔道，就能得到数微安的该物质负离子束流。

离子源技术还在不断地发展着。环形双等离子体离子源大型双彭源已可提供百安级的氢正离子流磁控管型负离子源已得到安培级的氢负离子束。一些小型离子源，则具有低能散、低功耗、低气耗、长寿命等特色。在产生多电荷重离子束的实验装置（如电子回旋共振离子源、电子束离子源）中，都已得到电荷态很高的重离子。这些新型装置已逐渐被回旋加速器所采用。而能产生高温等离子体的利用惯性约束的激光离子源，也产生了高电荷态离子。

采用组合加速方法的重离子加速系统中，前级加速器将电荷态较低的重离子加速到兆电子伏每核子的能量，穿过固体剥离膜或气体剥离器，将一部分轨道电子剥去，提高电荷态后在主加速器中继续加速，以得到较高的能量增益。在这种组合加速系统中，前级加速器和剥离器，可以被看成是一种特殊的重离子源系统。

质谱离子源

1.电轰击电离（EI）

一定能量的电子直接作用于样品分子，使其电离，且效率高，有助于质谱仪获得高灵敏度和高分辨率。有机化合物电离能为10eV左右，50-100eV时，大多数分子电离界面最大。70eV能量时，得到丰富的指纹图谱，灵敏度接近最大。适当降低电离能，可得到较强的分子离子信号，某些情况有助于定性。

2.化学电离（CI）

电子轰击的缺陷是分子离子信号变得很弱，甚至检测不到。化学电离引入大量试剂气，使样品分子与电离离子不直接作用，利用活性反应离子实现电离，其反应热效应可能较低，使分子离子的碎裂少于电子轰击电离。商用质谱仪一般采用组合EI/CI离子源。试剂气一般采用甲烷气，也有N2,CO,Ar或混合气等。试剂气的分压不同会使反应离子的强度发生变化，所以一般源压为0.5-1.0Torr。

3.大气压化学电离（APCI）

在大气压下，化学电离反应速率更大，效率更高，能够产生丰富的离子。通过一定手段将大气压力下产生的离子转移至高真空处（质量分析器中）。早期为Ni63辐射电离离子源，另一种设计是电晕放电电离，允许载气流速达9L/S。需要采取减少源壁吸附和溶剂分子干扰。

4.二次离子质谱（FAB/LSIMS）

在材料分析上，人们利用高能量初级粒子轰击表面（涂有样品的金属钯），再对由此产生的二次离子进行质谱分析。主要有快原子轰击（FAB）和液体二次离子质谱（LSIMS）两种电离技术,分别采用原子束和离子束作为高能量初级粒子。一般采用液体基质负载样品（如甘油、硫甘油、间硝基苄醇、二乙醇胺、三乙醇胺或一定比例混合基质等）。主要原理是分子质子化形成MH+离子，其中有些反应会形成干扰。

5.等离子解析质谱（PDMS）

采用放射性同位素（如Cf252）的核裂变碎片作为初级粒子轰击样品，将金属箔（铝或镍）涂上样品从背面轰击，传递能量使样品解析电离。电离能大大高于FAB/LSIMS，可分析多肽和蛋白质。

6.激光解吸/电离（MALDI）

波长为1250-775的真空紫外光辐射产生光致电离和解吸作用，获得分子离子和有结构信息的碎片，适于结构复杂、不易气化的大分子，并引入辅助基质减少过分碎裂。一般采用固体基质，基质样品比为10000/1。根据分析目的不同使用不同的基质和波长。

7.电喷雾电离（ESI）

电喷雾电离采用强静电场（3-5KV），形成高度荷电雾状小液滴，经过反复的溶剂挥发-液滴裂分后，产生单个多电荷离子，电离过程中，产生多重质子化离子。

应用介绍

ion beam

以近似一致的速度沿几乎同一方向运动的一群离子。

离子源是用以获得离子束的装置。我们知道，在各类离子源中，用得最多的是等离子体离子源，即用电场将离子从一团等离子体中引出来。这类离子源的主要参数由等离子体的密度、温度和引出系统的质量决定。属于这类离子源的有:潘宁放电型离子源射频离子源、微波离子源、双等离子体源、富立曼离子源等。另一类使用较多的离子源是电子碰撞型离子源，主要用于各种质谱仪器中。此外，离子源还有表面电离源、光致电离离子源、液态金属离子源等类型。

主要参数

①离子束流强

即能够获得的有用离子束的等效电流强度，用电流单位A或mA表示。

②有用离子百分比

即有用离子束占总离子束的百分比。一般来说，离子源给出的总离子束包括单电荷离子、多电荷离子、各种分子离子和杂质元素离子等的离子束。

③能散度

由于离子的热运动和引出地点的不同，使得离子源给出的离子束的能量对要求的单一能量有一定离散，一般希望能散度尽量小，在高精度的离子束应用中尤其是这样。

④束的聚焦性能

以离子束的截面和张角表示。聚焦不好的离子束在传输过程中会使离子大量丢失。获得良好聚焦特性的离子束的最终障碍是束中离子之间的静电排斥力，为了克服这一障碍，应尽早使离子获得较高能量。

⑤离子源的效率

以离子束形式引出的工作物质占总消耗的工作物质的比例。

⑥工作寿命

离子源一次安装以后使用的时间。

加速装置

从离子源获得的离子束的能量一般从几百电子伏到几万电子伏。因为用高引出电压方式获得较高能量的离子束受到击穿的限制，所以必须使离子在电场和磁场中加速,这类装置叫做加速器(见粒子加速器) 使用各种加速器可以使离子获得很高的能量（如几百吉电子伏），也可以使离子减速，以获得能量较低的（如几十电子伏）但流强很高的离子束。

离子源应用

① 离子掺杂与离子束改性

从20世纪60年代开始，人们将一定量的硼、磷或其他元素的离子注入到半导体材料中，形成掺杂。掺杂的深度可用改变离子的能量来控制；掺杂的浓度可通过积分离子流强度来控制。离子注入方法的重复性、可靠性比扩散法好。离子注入掺杂在半导体大规模集成电路的生产中已成为重要环节，用离子注入法取代旧的扩散等工艺在有些器件中已成为必然趋势。

离子注入在金属材料的改性中获得的结果十分引人注目。在常用金属的离子注入改性中，可以提高金属的硬度、抗腐蚀性能和抗疲劳强度，降低金属的磨损率。某些绝缘材料如陶器、玻璃、有机材料经离子束照射以后，性质发生重要的变化，获得新的用途。

离子束照射和掺杂的过程是非热平衡过程，因此用这种方法可以获得用一般冶金和化工方法无法得到的新材料。能量较低(50～400keV)的专门用于离子注入的小型加速器“离子注入机”，已成为一种专门设备，体积相当于一台电子显微镜或高压示波器，使用维护都很方便。在类金刚石材料、高温超导材料、磁性材料、感光材料等的研究中，已广泛应用离子束，一门新兴的冶金学──“离子注入冶金学”正在形成。② 离子束分析

具有一定能量的离子与物质相互作用会使其发射电子、光子、X 射线等，还可能发生弹性散射、非弹性散射以及核反应，产生反弹离子、反冲核、γ 射线、氢核、氚核、粒子等核反应产物，可以提供有关该物质的组分、结构和状态等信息。利用这些信息来分析样品统称离子束分析。在离子束分析方法中，比较成熟的有背散射分析X射线荧光分析、核反应分析和沟道效应（见沟道效应和阻塞效应）与其他分析相结合的分析方法等。此外，利用低能离子束还可作表面成分分析,如离子散射谱(ZSS)、次级离子质谱(SZMS)等。超灵敏质谱（加速器质谱）、带电粒子活化分析、离子激发光谱、离子激发俄歇电子谱等正在发展中。用于离子束分析的MV级加速器已有专门的商业化设备。

③ 离子束加工

较低能量的离子束广泛用于工业加工，如离子减薄、离子抛光、离子束打孔、离子束刻蚀、离子束溅射金属膜等。

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