半圆形容器等离子体源离子注入过程中离子动力学的两维PIC计算机模拟

利用两维particle-in-cell方法研究了半圆形容器表面等离子体源离子注入过程中鞘层的时空演化规律. 详尽考察了鞘层内随时间变化的电势分布和离子密度分布规律,离子在鞘层中的运动轨迹和运动状态,得到了半圆容器内、外表面和边缘平面上各点离子注入剂量分布规律,获得了工件表面各点注入离子的入射角分布规律. 研究结果揭示了半圆容器边缘附近鞘层中离子聚焦现象,以及离子聚焦现象导致工件表面注入剂量分布和注入角度分布存在很大不均匀的基本物理规律. 关键词： 等离子体源离子注入 鞘层 两维particle-in-cell方法 离子运动轨迹     

等离子体源离子注入过程中半圆形碗状样品的两维温度分布

等离子体源离子注入过程(PSII)中样品温度是一个非常重要的参量。由于注入到样品上的能量很大，导致样品温度很高，所以在实验中获知样品的温度分布有着很重要的意义。本文利用热传导方程建立了半圆形碗状样品内部温度升高模型，研究样品内温度演化过程。以注入离子束流作为能量输入项，热辐射为能量损失项，并考虑了热辐射过程中样品的形状因子的影响。考察了离子注入过程中样品上所施加负偏压的脉冲宽度和频率对样品温度分布的影响。研究结果显示，脉冲频率达到一定值后，样品温度不再随频率增加而升高。     

Influence of ion species ratio on grid-enhanced plasma source ion implantation

Grid-enhanced plasma source ion implantation (GEPSII) is a newly proposed technique to modify the inner-surface properties of a cylindrical bore. In this paper, a two-ion fluid model describing nitrogen molecular ions N_2^+ and atomic ions N^+ is used to investigate the ion sheath dynamics between the grid electrode and the inner surface of a cylindrical bore during the GEPSII process, which is an extension of our previous calculations in which only N_2^+ was considered. Calculations are concentrated on the results of ion dose and impact energy on the target for different ion species ratios in the core plasma. The calculated results show that more atomic ions N^+ in the core plasma can raise the ion impact energy and reduce the ion dose on the target.     

有限尺寸方靶等离子体离子注入动力学的三维粒子模拟研究

采用三维粒子模拟模型研究了有限尺寸方靶等离子体浸没离子注入过程中的鞘层动力学行为,得到了鞘层尺寸和方靶表面的注入剂量、注入能量以及注入角度等信息,并与二维无限长方靶注入结果进行了对比.模拟结果表明,与无限长方靶不同,有限尺寸方靶周围鞘层很快扩展为球形,但鞘层厚度明显减小.在模拟的50ω^-1_pi时间尺度内靶表面注入剂量很不均匀,中心区域注入剂量最小,四个边角附近位置注入剂量最大.这种剂量不均匀性是由于鞘层扩展为球形,使得鞘层内离子被聚焦并注入到边角附 关键词： 等离子体浸没离子注入 数值模拟 三维粒子模拟 有限尺寸方靶     

脉冲偏压上升沿特性对等离子体浸没离子注入鞘层扩展动力学的影响

等离子体浸没离子注入(PIII)是用于材料表面改性的一种廉价高效、非视线的技术.采用等离子体粒子模型，通过假设电子密度服从Boltzmann分布，求解Poisson方程和Newton方程，跟踪离子在等离子体鞘层中的运动形态及特性并进行统计分析，研究了不同上升速率和形状的6种波形上升沿对鞘层时空演化、离子注入能量和剂量的影响.结果表明，在PIII过程中，脉冲上升沿影响了等离子体鞘层的扩展，且不同波形诱导的鞘层厚度间存在最大差值.电场强度在鞘层的外边缘区域存在陡降区，离子的运动为非匀加速过程.可以通过调整脉冲 关键词： 等离子体浸没离子注入 鞘层 粒子模型 上升沿     

空心圆管端点附近等离子体源离子注入过程中鞘层的时空演化

等离子体源离子注入过程中，鞘层的演化规律直接影响到离子注入到材料中的深度进而影响材料表面的性质和结构，对材料的不同部位这种影响是不同的.利用无碰撞两维流体动力学模型，研究了有限上升时间的电压脉冲作用下，共轴放置附加零电极的半无限空心圆管端点附近等离子体源离子注入过程中，鞘层的时空演化规律.通过计算得到了鞘层内随时间变化的电势分布和离子密度分布，计算了端点附近材料表面处的离子流密度分布和注入剂量分布随时间的变化规律.计算机模拟结果显示了空心圆管内部、外部及端点表面处的离子流密度分布和注入剂量分布存在很大差异.     

铪离子等离子体源离子注入铜基体的数值模拟

通过SRIM软件对铪离子等离子体源离子注入铜进行了模拟。模拟了铪离子注入铜的核阻止本领、电子阻止本领、入射深度随能量的变化,以及在不同注入条件下铪离子的摩尔浓度分布,并对模拟结果进行了分析。结果显示:能量低于6 MeV时核阻止本领占主导地位,高于6 MeV时电子阻止本领成为主要的能量损失,并且离子注入过程中会出现能量沉积的Bragg峰和质量沉积区域较集中的现象,入射深度随能量的增加而增加。     

铪离子等离子体源离子注入铜基体的数值模拟

通过SRIM软件对铪离子等离子体源离子注入铜进行了模拟。模拟了铪离子注入铜的核阻止本领、电子阻止本领、入射深度随能量的变化,以及在不同注入条件下铪离子的摩尔浓度分布,并对模拟结果进行了分析。结果显示：能量低于6 MeV时核阻止本领占主导地位,高于6 MeV时电子阻止本领成为主要的能量损失,并且离子注入过程中会出现能量沉积的Bragg峰和质量沉积区域较集中的现象,入射深度随能量的增加而增加。     

Feasibility study on high current ion beam extraction from anode spot plasma for large area ion implantation

In this paper, we have investigated the feasibility of the high current beam extraction from anode spot plasma as an ion source for large area ion implantation. Experiments have been carried out with the ambient plasma produced by inductive coupling with radio-frequency (RF) power of 200 W at the frequency of 13.56 MHz. Anode spot plasmas are generated near the extraction hole of 2 mm in diameter at the center of a bias electrode whose area exposed to the ambient plasma can be changed. It is found that the maximum ion beam current is extracted at the optimum operating pressure at which the area of bias electrode exposed to ambient plasma is fully covered with the anode spot plasma whose size is dominantly determined by the operating pressure for given gas species. It is also observed that the extracted ion beam current increases nonlinearly with the bias power due to the changes in size and shape of the anode spot plasma. With the well-established anode spot plasma operating at the optimum gas pressure, we have successfully extracted high current ion beam of 6.4 mA (204 mA/cm²) at the bias power of 22 W (∼10% of RF power), which is 43 times larger than that extracted from the plasma without anode spot. Based on the experimental results, criteria for electrode design and operating pressure for ion beam extraction from larger extraction aperture are suggested. In addition, the stability of anode spot plasma in the presence of ion beam extraction through an extraction hole is discussed in terms of the particle balance model.     

基于负氢离子源的全三维PIC/MCC模拟算法研究

在分析负氢离子源中等离子体物理机理基础下, 研究并优化粒子模拟算法, 设计高效的粒子存储方法. 研究并运用粒子碰撞蒙特卡罗方法, 考虑等离子体势以及带电粒子间库仑碰撞, 研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗算法(PIC/MCC). 采用磁荷模型, 运用时域有限差分方法计算多峰磁场, 并结合国外负氢离子源JT-60U, 考虑负氢离子源中主要反应, 对全三维PIC/MCC模拟算法模拟验证.     

轴承滚珠等离子体浸没离子注入过程的数值模拟

 利用轴对称PIC模型对轴承滚珠等离子体浸没离子注入（PIII）过程进行了数值模拟，对归一化电势的扩展情况进行了研究。在滚珠批量处理过程中，为了避免相邻滚珠周围鞘层的相互重叠对注入均匀性造成不良影响，对滚珠在靶台上摆放的最小距离进行了数值计算，计算结果表明：在电压为－40kV, 氮等离子体密度为4.8×10⁹ cm^-3，脉冲宽度为10μs时，滚珠摆放的最小距离应大于34.18cm。分析了滚珠圆周方向注入剂量的分布情况，针对静止滚珠改性处理后剂量分布很不均匀的问题，通过旋转靶台使滚珠注入均匀性明显得到改善。利用朗谬尔探针测量了滚珠周围鞘层扩展的情况测量，模拟结果和实验测量结果相吻合，最大相对误差小于8.4 %。     

增强辉光放电等离子体离子注入的三维PIC／MC模拟

采用三维粒子模拟／蒙特卡洛模型自洽地模拟了增强辉光放电等离子体离子注入过程中离子产生和注入,获得了放电空间的离子总数、电势分布、等离子体密度分布和离子入射剂量等信息．模拟结果表明,5μs时鞘层达到稳定扩展,15μs时离子的产生与注入达到平衡,证实了增强辉光放电等离子体离子注入能在一定条件下实现白持的辉光放电．注入过程中,在点状阳极正下方存在一个高密度的等离子体区域,证实了电子聚焦效应．除靶台边缘外,离子的注入速率稳定且入射剂量均匀．脉冲负偏压提高时注入速率增加但入射剂量的均匀性变差．     

微波ECR全方位离子注入制备类金刚石碳膜的结构及摩擦学性能研究

利用微波ECR全方位离子注入技术，在单晶硅（100）衬底上制备类金刚石薄膜.分析结果表明，所制备的类金刚石碳膜具有典型的类金刚石结构特征，薄膜均匀、致密，表面粗糙度小，摩擦系数小.其中，薄膜的结构和性能与氢流量比关系密切，随氢流量比的增加，薄膜的沉积速率减小，表面粗糙度降低，且生成sp³键更加趋向于金刚石结构，表面能 更低，从而使摩擦系数大幅降低. 关键词： 全方位离子注入 类金刚石碳膜 拉曼光谱 摩擦磨损     

介质靶表面的充电效应对等离子体浸没离子注入过程中鞘层特性的影响

针对等离子体浸没离子注入技术在绝缘体表面制备硅薄膜工艺，采用一维脉冲鞘层模型描述介质靶表面的充电效应对鞘层厚度、注入剂量及靶表面电位等物理量的影响.数值模拟结果表明：随着等离子体密度的增高，表面的充电效应将导致鞘层厚度变薄、表面电位下降以及注入剂量增加，而介质的厚度对鞘层特性的影响则相对较小. 关键词： 等离子体浸没离子注入 脉冲鞘层 绝缘介质 充电效应     

高频离子源等离子体的光谱诊断

采用发射光谱法研究了高频离子源的等离子体性质。该离子源应用于ZF-200keV中子发生器中,是一种电感耦合型无极环形放电高频离子源。实验采用绝对定标后的光学多道分析系统测定了离子源等离子体在不同阶段氢原子巴耳末谱线系中前三条谱线的强度,并采用部分局部热力学平衡状态的理论,计算出了相应阶段高频离子源等离子体的电子温度、氢原子浓度、氢离子浓度等参数,并进行了简要分析。     

ECR ion source based low energy ion beam facility

Mass analyzed highly charged ion beams of energy ranging from a few keV to a few MeV plays an important role in various aspects of research in modern physics. In this paper a unique low energy ion beam facility (LEIBF) set up at Nuclear Science Centre (NSC) for providing low and medium energy multiply charged ion beams ranging from a few keV to a few MeV for research in materials sciences, atomic and molecular physics is described. One of the important features of this facility is the availability of relatively large currents of multiply charged positive ions from an electron cyclotron resonance (ECR) source placed entirely on a high voltage platform. All the electronic and vacuum systems related to the ECR source including 10 GHz ultra high frequency (UHF) transmitter, high voltage power supplies for extractor and Einzel lens are placed on a high voltage platform. All the equipments are controlled using a personal computer at ground potential through optical fibers for high voltage isolation. Some of the experimental facilities available are also described.     

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为了更好地提高引出离子束的均匀性,对离子束刻蚀用矩形射频电感耦合等离子体(ICP)离子束源提出了三种线圈的设计方法,并对这三种线圈激发的电场进行了数值计算和比较。结果表明,直线段式不等距天线和并联多螺旋不等距天线线圈能够产生均匀性良好的电场,且其耦合效率高。     

强流磁约束金属离子注入源

设计和制造了适合工业应用的强流金属离子源。离子源的电弧阴、阳电极之间和放电室壁采用永磁体阵列形成导流、屏蔽磁场,改进了电弧的放电特性和提高等离子体密度。离子注入源在加速电压为30kV、50 Hz 条件时,平均束流流强约为30mA,调试结果表明附加磁场提高了离子源性能。     

等离子体离子源发射面的理论计算与数值模拟

等离子体离子源发射面的位置和形状决定了离子束的传输特性,而发射面的位置与形状又取决于等离子体参数、引出电压、电极结构等,并自动地调节到某个平衡状态。介绍了一种2维情况下等离子体离子源发射面的位置与形状的理论计算方法,即非磁化等离子体不能扩散进入外加电场中大于一定临界值的区域,等离子体离子源发射面的位置及形状可以通过直接求解引出系统的Laplace方程而得到。利用基于PIC的OOPIC程序对不同引出结构的发射面位置及形状和引出束流进行了数值模拟,结果与理论计算的结果十分接近。     

Interaction between plasma and electromagnetic field in ion source of 10 cm ECR ion thruster

Through diagnosing the plasma density and calculating the intensity of microwave electric field, four 10 cm electron cyclotron resonance (ECR) ion sources with different magnetic field structures are studied to reveal the inside interaction between the plasma, magnetic field and microwave electric field. From the diagnosing result it can be found that the plasma density distribution is controlled by the plasma generation and electron loss volumes associated with the magnetic field and microwave power level. Based on the cold plasma hypothesis and diagnosing result, the microwave electric field intensity distribution in the plasma is calculated. The result shows that the plasma will significantly change the distribution of the microwave electric field intensity to form a bow shape. From the boundary region of the shape to the center, the electric field intensity varies from higher to lower and the diagnosed density inversely changes. If the bow and its inside lower electric field intensity region are close to the screen grid, the performance of ion beam extracting will be better. The study can provide useful information for the creating of 10 cm ECR ion source and understanding its mechanism.