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离子束

离子束是指以近似一致的速度沿几乎同一方向运动的一群离子。离子源用以获得离子束的装置。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。

离子源的主要参数有: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。

加速器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。

离子掺杂与离子束改性

①离子掺杂与离子束改性。从20世纪60年代开始,人们将一定能量的硼、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(见彩图[通用的200keV离子注入机])。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。

相互作用

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。

用途

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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