一种激光诱发脉冲原子束发生系统

摘要

本发明的目的是提供一种激光诱发脉冲原子束发生系统，它能够产生的原子束种类多，并且原子束的纯度高、束流强度大、发散度和脉冲频率可调等特点。它包括聚焦透镜、镜面靶、激光靶、直流高压电源、角向镜架，Z向线性位移台、激光靶支撑架，抽气接口和真空室。本发明的有益效果在于：用激光轰击材料表面等离子体，等离子体中的正离子在加速电场作用下加速向同种材料构成的凹镜运动，这些正离子轰击材料表面发生自溅射，从而产生原子束。脉冲原子束的频率与激光脉冲的频率相同。这种原子束发生系统能够产生多种脉冲原子束，并且原子束具有纯度高，原子束流强度和发散度可调节，脉冲频率可调等特点。

说明书

技术领域

本发明属于原子束生成技术领域，具体涉及一种激光诱发脉冲原子束发生系统。

背景技术

在原子束中，原子作准直性很好的定向运动，它们之间的相互作用可以忽略，因此可以认为束流是运动着的孤立原子的集合，可以用来研究原子本身的性质和原子与其他粒子的相互作用。原子束与材料表面相互作用，可以在材料表面形成一层具有特殊功能的膜，或者改变材料表面原子或分子的晶体结构，从而改变材料表面的物理、化学等性质。用原子束轰击材料还可以研究材料的物理和化学溅射过程。在受控核聚变研究中，向等离子体中注入微量杂质原子可以诱发各种各样的等离子体现象，根据这些现象可以开展多方面的等离子体行为研究。可见，原子束在原子和分子的性质、原子同其他物质或粒子的相互作用、材料表面改性和镀膜、受控核聚变等研究和生产领域中有广泛的应用。

为了产生原子束，实验室中一般使用真空罐加热某局部原子材料，或在改装的高温真空炉中加热原子材料。这些产生原子束的设备由于未作专门设计，因此一种装置只能产生一种原子束，对于熔点高难以气化的材料产生原子束较为困难，并且存在着原子束所含物质原子纯度不高，工作不稳定等缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光诱发脉冲原子束发生系统，它能够产生的原子束种类多，并且原子束的纯度高、束流强度大、发散度和脉冲频率可调等特点。

本发明的技术方案如下：一种激光诱发脉冲原子束发生系统，它包括聚焦透镜、镜面靶、激光靶、直流高压电源、角向镜架，Z向线性位移台、激光靶支撑架，抽气接口和真空室。

所述的真空室包括真空室底板，真空室侧壁和腔体盖板，真空室底板的四周连接真空室侧壁，真空室侧壁顶端盖有腔体盖板。

所述的腔体盖板上开有观察窗口，腔体盖板上安装有盖板提手。

所述的真空室侧壁的两个相对的侧面一个设有激光窗口，另一个侧面设有装置接口法兰。

所述的真空室底板上开有抽气接口。

所述的真空室底板上设有XY向线性位移台，XY向线性位移台上设有Z向线性位移台，Z向线性位移台上安装有角向镜架，角向镜架上安装镜面靶，真空室底板上设有激光靶支撑架，激光靶支撑架设有激光靶，镜面靶和激光靶分别连接直流高压电源的负极和正极。

所述的在真空室外还设置有聚焦透镜，聚焦透镜、镜面靶和激光靶处于同一条直线上。

所述的镜面靶和激光靶使用相同材料。

所述的镜面靶的表面呈凹面状。

本发明的有益效果在于：用激光轰击材料表面等离子体，等离子体中的正离子在加速电场作用下加速向同种材料构成的凹镜运动，这些正离子轰击材料表面发生自溅射，从而产生原子束。脉冲原子束的频率与激光脉冲的频率相同。这种原子束发生系统能够产生多种脉冲原子束，并且原子束具有纯度高，原子束流强度和发散度可调节，脉冲频率可调等特点。

附图说明

图1为本发明所提供的一种激光诱发脉冲原子束发生系统原理图；

图2为本发明所提供的一种激光诱发脉冲原子束发生系统结构图。

图中，1聚焦透镜，2镜面靶，3激光靶，4直流高压电源，5激光束，6正离子束，7原子束，8角向镜架，9Z向线性位移台，10激光窗口，11观察窗口，12腔体盖板，13盖板提手，14装置接口法兰，15激光靶支撑架，16抽气接口，17XY向线性位移台，18真空室侧壁，19真空室底板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的一种激光诱发脉冲原子束发生系统，它用激光轰击材料表面产生等离子体，等离子体中的离子在加速电场作用下加速向同种材料构成的凹镜运动，这些离子轰击材料表面发生自溅射，从而产生原子束。

如图1所示，一种激光诱发脉冲原子束发生系统包括聚焦透镜1，镜面靶2，激光靶3，直流高压电源4，角向镜架8，Z向线性位移台9，激光窗口10，观察窗口11，腔体盖板12，盖板提手13，装置接口法兰14，激光靶支撑架15，抽气接口16和XY向线性位移台17，真空室侧壁18，真空室底板19。

其中，真空室底板19，真空室侧壁18和腔体盖板12构成真空室，腔体盖板12上开有观察窗口11，腔体盖板12上安装有盖板提手13，真空室侧壁18的两个相对的侧面一个安装有激光窗口10，另一个安装有装置接口法兰14，真空室底板19上开有抽气接口16。

XY向线性位移台17上安装在真空室底板19上，XY向线性位移台17上安装有Z向线性位移台9，Z向线性位移台9上安装有角向镜架8，角向镜架8上安装镜面靶2，真空室底板19上还安装有激光靶支撑架15，激光靶支撑架15上激光靶3，镜面靶2和激光靶3分别连接直流高压电源4的负极和正极，在真空室外还设置有聚焦透镜1，其中，聚焦透镜1、镜面靶2和激光靶3处于同一条直线上。

本发明中的核心部件为激光靶3、镜面靶2和直流高压电源4，其中，镜面靶2和激光靶3使用相同材料。

真空室主要用于安装镜面靶2和激光靶3，提供并维持高真空环境，以及提供连接主装置真空室、抽气机组的法兰，提供入射光和原子束7的通道。角向镜架8用于镜面靶的水平旋转和俯仰调节。XY向线性位移台17和Z向线性位移台9用于调节镜面靶的位置。

聚焦透镜1安装在真空室外，用于会聚激光束，调节该透镜的位置可使激光束的焦点落到激光靶3的端面上。镜面靶2的表面呈凹面状，其材料类型与激光靶3相同，其作用有两种：1、与入射离子相互作用，发生自溅射过程，从而产生原子束；2、会聚原子束的作用，原子束的发散度取决与镜面靶2和激光靶3的相对距离。

下面结合图2说明激光诱发脉冲原子束发生系统的调节。1、根据所需要的原子束的发散度和镜面靶2的焦距确定激光靶3的位置。2、调节会聚透镜1的位置和镜面靶2的方位使入射激光束的焦点位于激光靶3的端面。3、根据所需要的束流强度调节激光的脉冲能量和直流高压电源的电压。4、根据所需要的脉冲原子束的频率调节脉冲激光束的频率。

一束高能脉冲激光束5经过会聚透镜1会聚后照射激光靶3，激光靶3吸收激光能量在其表面产生等离子体，等离子体中正离子6在电场中加速后，高速轰击镜面靶2。入射正离子6与镜面靶2表面相互作用发生自溅射过程，从而产生大量的中性原子，这些原子沿几乎平行于镜面靶光轴的方向射出，形成原子束。

每发出一束高能脉冲激光束，就会重复上述过程产生一束脉冲原子束，原子束的脉冲频率等于高能激光的脉冲频率。调节激光器的脉冲频率即可调节原子束的脉冲频率。另外，由于高能激光脉冲具有极高的能量通量密度，能够消融所有不透明固体材料，所以本发明的系统能够用所有不透明固体材料产生原子束，具有产生原子束种类多的显著特点。

自溅射会产生原子、正离子和电子。由于这些正离子受到的电场力会使其返回镜面靶，再次与镜面靶碰撞发生自溅射，所以正离子不会从本发明所述的系统中射出。自溅射产生的电子在电场力作用下回到电源负极，即激光靶3，也不会从本发明所述的系统中射出。而原子不带电，不会受到电场的作用力，能够从本发明所述的系统中射出。所以系统产生的原子束中没有正离子和游离状态的电子，全部由中性原子组成。

激光与材料相互作用产生的等离子体的密度与入射激光的能量有关。理论和实验表明激光的脉冲能量越大，等离子体密度越大。所以改变入射激光脉冲的能量，可以改变正离子的数量，从而改变原子束的束流强度。

材料的自溅射产额与材料的种类和入射离子的能量有关。当材料相同，入射离子能量不太高时，其自溅射产额随入射离子能量的增大而增大。原子束的束流强度等于材料的自溅射产额乘以入射离子的束流强度，材料的自溅射产额就是系统的原子束放大率。所以通过改变加速电压来改变入射正离子的能量，就可以改变材料的自溅射产额和原子束的束流强度。

溅射原子的数量按方向分布的规律是：在由几何光学反射定律确定的反射线方向附近，设溅射原子的速度方向与反射线夹角为θ，该方向射出的原子数与cosθ成正比。所以多数溅射原子的出射方向符合几何光学中的反射定律。这样具有凹面结构的镜面靶2就像几何光学中的凹镜一样，对原子束有会聚作用。根据镜面靶2与激光靶3的相对距离不同，可以得到发散、平行或会聚的原子束。也就是说调节镜面靶2与激光靶3的相对距离可以改变原子束的发散度。

上述技术方案的是本发明的理论基础。下面基于上面的论述综合描述本发明产生原子束的过程。

如图1所示，当高能脉冲激光束5沿光轴方向经过聚焦透镜1会聚并穿过镜面靶2的通光孔后，其焦点正好落在激光靶3的端面上。高压直流电源4的正负极分别连接到激光靶3和镜面靶2上，在激光靶3和镜面靶2之间产生电场。激光轰击激光靶3产生等离子体，等离子体中的正离子6在电场的作用下加速并向镜面靶2运动。这些正离子6到达镜面靶2表面时具有较高的能量，其能量的大小与电源电压和离子所带的电荷数有关。这些正离子6轰击镜面靶2表面，发生自溅射过程产生大量原子7。这些原子7不受电场影响，大致沿符合反射定律的方向射出，产生原子束。当下一个高能激光脉冲入射后，将重复上述过程，产生与激光脉冲频率相同的脉冲原子束。上述是激光诱发脉冲原子束发生系统产生原子束的过程。

下面结合图1说明激光诱发脉冲原子束发生系统的工作过程。

激光诱发脉冲原子束发生系统的核心包括聚焦透镜1、镜面靶2、激光靶3、直流高压电源4。镜面靶2的中央有通光孔，该孔是入射光的通道。聚焦透镜1和镜面靶2的光轴与激光靶3在同一条直线上。镜面靶与激光靶3的相对距离取决于需要的原子束的发散度。

如图1所示：激光束经过聚焦透镜1会聚后成为会聚光束5，会聚光束5穿过镜面靶2的通光孔后，其焦点落在激光靶3的端面位置。激光与激光靶3相互作用产生等离子体。等离子体中的正离子6在直流高压电源4形成的电场中加速，高速轰击镜面靶2，通过离子与材料的自溅射过程产生原子束。