超冷离子源研究进展

纳米离子束是制备束斑直径在微纳米尺度荷能离子束的先进技术,主要应用于高分辨和高精度的离子束分析、离子束加工和离子束材料改性研究,在材料分析、微纳加工、微电子器件制造和量子计算等方面发挥着重要的作用.高品质离子源作为纳米离子束装置的关键部件,其性能指标直接决定着该装置的技术水平.然而,目前常用的传统离子源存在离子种类单一、能散高和结构复杂等问题,已经难以满足新应用场景下的多离子种类和高分辨的要求,突显出研发新型离子源的重要性和迫切性.随着激光冷却技术的日臻成熟,基于光电离冷原子和激光冷却离子技术可以获得温度在mK甚至μK量级的超冷离子,其低温和易于操控等典型特征极大地促进了超冷离子源的发展.超冷离子具有极小的横向速度发散,可以显著提升离子源的亮度和发射度等品质参数,为纳米离子束技术的革新带来了巨大的发展机遇.因此,超冷离子源的研究对于实现更高亮度、更小尺寸、更低能散、更多样化离子种类以及结构更简化的高品质离子源具有重要的意义.本文综述了近年来超冷离子源的研究进展,从制备原理、产生方式以及典型应用等方面介绍了磁光阱离子源、冷原子束离子源和超冷单离子源在基础研究和应用技术研发方面取得的重要成果,并对超冷离子源的未来发展和应用前景进行了展望.

一种空间微型质谱仪的芯片级离子源研究

设计了一种空间微型质谱仪用三电极场芯片级离子源结构,该离子源由5层电极板构成气体电离区和离子引出区。采用MEMS技术制备了芯片级离子源原理样机,测试了其电子流、离子流和稳定性。结果表明:该芯片级离子源能够产生0.357 mA以上的电子流,接收到的离子流可以达到527 pA,满足空间探测任务中微小型质谱仪离子源的功能要求。

双驱动射频负氢离子源匹配网络设计与实验研究

随着磁约束聚变实验装置对中性束注入器的输出束流强度与脉冲时间的要求越来越高,开展高功率大面积射频离子源的研究迫在眉睫。为了实现大面积、高密度均匀等离子体放电,基于多驱动射频离子源的设计是当前的发展趋势,而阻抗匹配网络是射频功率源将最大功率输送至线圈并耦合至等离子体的关键,故对其结构设计和调谐特性的研究是不可或缺的。基于前期在单驱动射频离子源的研究基础上,结合双驱动射频离子源的放电需求,开展了双驱动阻抗匹配网络优化结构的设计与分析,通过实验中对匹配网络的调谐,成功实现了140 kW高功率和25 kW/1 000 s长脉冲的稳定运行。随后在等离子体稳定放电的基础上研究了两个驱动器之间的功率分配均匀性问题,实验结果表明了该匹配网络的优化设计合理可行,上下驱动器的射频功率分配基本均匀。

正交电磁场离子源及其在PVD法制备硬质涂层中的应用

离子源是离子束产生的关键部件,正交电磁场离子源是以霍尔电流为理论基础的一类低能离子源。本文综述了考夫曼离子源、霍尔离子源以及阳极层线性离子源的发展历程及其在结构与功能方面的区别,分析了各种离子源在PVD法制备不同体系超硬涂层中的应用及对涂层结构、性能的影响,概述了国内外离子源的现状,并指出了国内离子源存在的问题。

基质溶剂校正结合高温离子源GC-MS/MS同时分析烟气中16种多环芳烃

本研究建立了高温离子源气相色谱-三重四极杆串联质谱(GC-MS/MS)法结合基质溶剂校正,使用样品萃取溶液直接进样,同时测定卷烟主流烟气中16种多环芳烃(PAHs)。考察了常温和高温离子源对目标物响应情况的影响,探究基质溶剂制备方法及基质效应对目标物定量结果的影响,分析市售不同圆周卷烟烟气的释放分布情况。结果表明,16种PAHs的定量工作曲线在各自线性范围内的相关系数R2为0.996 4~0.999 8,检出限为0.29~1.48 ng/支,定量限为0.95~4.94 ng/支,在低、中、高3个不同添加水平下的平均回收率为87.71%~123.26%,精密度为1.58%~9.45%。通过分析参比卷烟3R4F,该方法的检测结果与文献报道结果无明显差异。采用该方法检测市售58个品牌卷烟样品中的PAHs,总释放量为742.76~1 505.99 ng/支,并随卷烟焦油量减少而下降。该方法具有前处理简便,准确及重复性好的优点,适用于卷烟主流烟气中痕量PAHs的定量分析。

工质流量对ECR离子源束流影响研究

栅格进气道电子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)离子源推进剂供给压强低、无阴极,有应用于吸气式电推进系统的潜力。流量对离子源的束流影响显著,当流量超过临界流量时,离子束流的增长受到抑制。为明晰限制离子束流增长的根本原因,开展不同流量下氮工质栅格进气道ECR离子源的Langmuir探针诊断实验,并基于诊断结果计算了寻常(ordinary,O)波截止区和电子获能指标的分布。研究结果表明,当流量低于临界流量时,随着流量增加,离子密度快速增加,限制离子束流增长的主要因素是中性气体密度。当流量超出临界流量时,O波截止区几乎覆盖整个等离子体产生区域,这导致电子能量获取效率下降了一个数量级。此时,限制离子束流增长的主要因素转变为电子温度。

基于数据驱动的离子源数据智能分析平台

食品安全是事关人们身体健康和生命安全的大事,食品药物残留检测技术是确保食品安全的重要手段。离子源数据封装与处理技术是影响食品药物残留检测质量的瓶颈。受国外软件功能限制,目前离子源数据只能在特定软件平台打开且操作受限。本文针对离子源离线模式数据获取以及处理方法等存在的问题,提出并开发基于数据驱动的离子源智能分析平台,构建简便、高效、准确的智能数据处理分析平台,实现离子源数据的快速获取与分析处理,打破国外软件技术壁垒,为国产离子源仪器设备更新改造提供了新的解决方案。

基于全永磁微波离子源钛自成靶的D-D中子源设计研究

介绍了一种基于全永磁微波离子源钛自成靶技术的紧凑型氘氘(D-D)中子源,其设计中子产额为1×10^(9)s^(-1)。该D-D中子源已经进行了800 h以上的测试,系统可重复稳定运行。早期测试结果显示,系统打火频率高、中子产额低,长时间放电后反向电子会烧蚀Al2O3陶瓷窗,导致微波耦合困难,氘等离子体无法点亮。通过在等离子体腔室中添加氮化硼(BN)保护片以及在钛靶与高压电极之间增加电子抑制电阻,有效抑制了Al2O3陶瓷窗的损伤。通过对等离子体电极孔径的优化和降低腔室压力,降低了打火频率,提高了中子的产额。系统优化后,氘离子能量为70 keV、束流强度为5 mA时,中子产额达到了2.0×10^(8)s^(-1)。在氘离子能量为97 keV、束流强度为6.6 mA时,系统中子产额达到5.2×10^(8)s^(-1)。

面向MEMS质谱仪离子源的场发射针尖阵列研制及性能

针对微电子机械系统(MEMS)质谱仪应用中对高工作气压和高电子电流的需求,同时保持MEMS技术在体积和质量上的优势,研制了一种用于MEMS质谱仪离子源的基于场发射原理的针尖阵列。通过MEMS加工技术实现了最大44个/mm^(2)的针尖密度,并在4和6英寸(1英寸=2.54 cm)的硅基晶圆上完成平行批量制造。实验结果显示,1600个针尖组成的阵列在3.4×10^(-3)Pa气压下最大发射电流达到1.28 mA,在23.71 Pa的气压下达到92.93μA,同时单片集成结构使其具备与永磁体结合的放电增强能力,磁场下针尖阵列的最大放电电流提升175.79%。初步的测试结果证实了场发射针尖阵列作为离子源在MEMS质谱仪中的应用潜力。

感应耦合等离子体离子源放电特性仿真研究

针对于一款放电腔直径为60 mm的射频感应耦合等离子体离子源,采用数值模拟的方法研究了射频天线和放电腔结构对氩离子密度分布的影响。结果表明,相比于均匀绕制线圈,非等匝间距的射频天线可有效提高所产生等离子体中氩离子平均密度与其径向均匀性均;氩离子密度随着放电腔高度的增大先增大后减小,在高度为38 mm时达到最大值;使用阶梯式介质窗虽然可以提高氩离子的密度,但也增加了其被溅射的风险。将模拟计算结果应用于离子源实验装置的研制,实现了0.24 mA氩离子束稳定引出。

大面积单激励器射频离子源等离子体均匀性分析

为了提高等离子体分布均匀度,基于有限元分析法与实验相结合的方法,从射频离子源驱动器尺寸和引出区尺寸2个方面对单驱动射频离子源放电室进行设计。模拟研究结果表明,电子均匀度的增长幅度随驱动器尺寸的大小变化比较缓慢。根据不同驱动器尺寸电子密度分布研究结果,在引出区尺寸为320 mm时,电子均匀度能够满足90%的要求。根据实验研究结果表明,在引出区尺寸为320 mm时电子分布均匀且均匀度>90%,并与模拟结果相吻合。因此,为使得等离子体分布均匀度能够达到要求,离子源放电室底部引出面附近引出区尺寸应该设计为320 mm。

大束流阳极层离子源的阴极刻蚀现象及消除措施

阳极层离子源可输出高密度离子束流,广泛用于等离子体清洗和辅助沉积,但大束流下内部易发生放电击穿,且大量离子轰击内外阴极导致明显刻蚀,易造成样品污染.本文提出阳极环绕磁屏蔽罩和内外阴极溅射屏蔽板的设计方案,并仿真研究了其对离子源电磁场和等离子体放电输运的影响.发现阳极环绕磁屏蔽罩可切断离子源内部阴阳极间的磁场回路,消除打火条件.内外阴极溅射屏蔽板选择溅射产额低且绝缘性能好的氧化铝,既可阻挡离子溅射,又能屏蔽阴极外表面电场,使等离子体放电向阳极压缩,在抑制阴极刻蚀行为的同时提升离子输出效率.当距离阴极外表面9 mm时,溅射屏蔽板的作用效果最优,不仅能获得稳定放电和高效输出,还可大幅削弱阴极刻蚀行为并减少污染.实验结果显示:改进离子源无内部打火,输出高效且清洁,相同电流下离子输出效率较原离子源实际提高36%;玻璃基片在经过1 h清洗后,表面成分几乎不变,来自阴极溅射的Fe元素含量仅为0.03%,比原离子源低2个数量级,含量约为原离子源的0.6%,实验结果验证了理论分析.

条形离子源栅网设计及优化

为克服传统圆形离子源刻蚀基片数量较少、产能较低的劣势,提高离子源栅网的精度、稳定性及使用寿命,设计出一种用于离子束刻蚀的条形离子源栅网。采用ANSYS18.2对栅网进行热应力仿真模拟分析,为进一步增强离子源栅网性能,通过加工前后的真空退火处理,达到改善栅网使用性能、提高稳定性和延长使用寿命的效果。将两种栅网装载至M431-9/UM型离子束刻蚀设备进行实验验证,结果表明相比条形腰孔曲面型栅网,条形圆孔平面型栅网在热应力下形变量更小,更符合离子源对精度、稳定性及使用寿命的要求。

灯丝型辅助离子源的设计及其对薄膜参数的改善研究

为了以较低成本的技术提高磁控溅射沉积薄膜的纯度、致密性和均匀性,设计出一种可以活化氧气的双腔室直流加热灯丝型辅助离子源。通过实验改变辅助离子源的工作参数,探究其对磁控溅射镀膜机所沉积薄膜的光学参数的影响。通过对比不同工艺条件下所沉积薄膜的透过率、折射率、基板上膜层不同位置的相对厚度,最终证明设计提出的辅助离子源可以一定程度改善Ta_(2)O_(5)和SiO_(2)单层镀膜的透过率、折射率以及均匀性,提升了原磁控溅射镀膜机的镀膜质量和有效镀膜面积,对提高镀膜生产效率具有一定指导意义。

超高效液相色谱-串联质谱-电喷雾离子源测定柑橘中灭螨醌和羟基灭螨醌残留

目的建立超高效液相色谱-串联质谱-电喷雾离子源(ultra performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry-electrospray ionization,UPLC-MS/MS-ESI)检测柑橘中灭螨醌及其代谢物羟基灭螨醌残留的方法。方法样品经0.5%甲酸乙腈提取,氟罗里硅土吸附剂和无水硫酸镁净化,以0.1%甲酸溶液和甲醇为流动相进行梯度洗脱,经ACQUITYUPLC BEH C_(18)(100 mm×2.1 mm,1.7µm)色谱柱分离。采用电喷雾正离子模式,多重反应监测(multiple reaction monitoring,MRM)模式进行检测,基质匹配外标法定量。结果灭螨醌及羟基灭螨醌在0.0025~0.0500 mg/L质量浓度范围内线性关系良好,相关系数大于等于0.9984。在0.005~0.500 mg/kg加标水平下,灭螨醌及羟基灭螨醌在柑橘全果和果肉中的平均回收率为70%~93%,最大相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)为12.0%,方法定量限(limit of quantitation,LOQ)为0.005 mg/kg。结论基于改良QuEChERS法,采用UPLC-MS/MS-ESI检测,该方法更方便高效且准确度、精密度和灵敏度均较好,能够满足柑橘中灭螨醌和羟基灭螨醌的残留分析要求。

基于BP神经网络PID的中子发生器离子源阳极电流控制研究

本文将BP神经网络算法与PID控制结合,优化了中子发生器控制离子源阳极电流PID调节过程,实现了控制器自适应整定,提升了控制效果。基于离子源阳极电流控制模型改进了PID算法,通过MATLAB/Simulink软件对两种算法进行仿真并对比分析。通过LabVIEW控制并采集离子源阳极电流值,使用改进后的BP神经网络PID算法控制程序进行实验。经实验表明,BP神经网络PID对离子源阳极电流控制能够实现参数的自适应整定,相比传统PID控制器超调量更小、响应速度更快,提高了中子发生器的控制稳定性。

一种内离子源惯性静电约束聚变技术

[目的]惯性静电约束聚变是一种小型聚变装置。文章目的是要解决惯性静电约束聚变装置目前存在阴极熔化和Q值低等问题。[方法]首先分析了产生这些问题的原因,然后提出一种内离子源惯性静电约束聚变技术,以便降低离子在约束过程中的损失,解决阴极熔化问题,同时提高装置内的真空度,以及提高装置的Q值。[结果]最后通过估算的方法定性分析了中子产额的提高,并通过数值仿真模拟计算,模拟了内离子源惯性静电约束聚变装置内的非常复杂的离子运动情况,得到了各向异性的离子运动轨迹。[结论]根据估算和数值模拟计算结果,确证了内离子源惯性静电约束聚变技术的可行性,可以解决阴极熔化和Q值低的问题。

两种离子源技术气相色谱-质谱法检测茶叶中酰胺类除草剂的残留量

采用电子轰击(EI)和负化学(NCI)离子源两种离子源技术气相色谱-质谱联用法(GC-MS)测定了茶叶中12种酰胺类除草剂的残留量,并对两种方法进行了比较。样品经乙酸乙酯提取后,用串联的活性炭和弗罗里硅土柱选择性地富集茶叶中的待测组分,由气相色谱-质谱联用EI或NCI技术分时段选择离子监测方式进行测定。两种检测方法均简单快速,准确度和精密度高,在10,20和40μg/kg3个添加水平下的回收率为50%～110%,相对标准偏差(RSD)不大于10.9%。通过对两种离子源技术的对比研究发现,EI方法能够提供更多的碎片和结构信息,NCI方法能提供分子离子(相对分子质量)信息,两种信息互补,可提高定性的可靠度。NCI技术的选择性要明显好于EI技术;两种检测技术的灵敏度都较高,方法的定量限均不大于2.0μg/kg,在对含多个卤原子的酰胺类除草剂进行分析时,NCI技术的灵敏度比EI技术高1个数量级以上。

大气压固体分析探头离子源(ASAP)的应用研究

大气压固体分析探头离子源(ASAP)是利用加热的氮气脱溶剂气体来蒸发样品以及利用电晕针放电来进行样品电离。ASAP显著优势为非破坏、分析流程简化、高灵敏度、环境友好的优点。通过与各种质谱仪器相结合,更好的发挥了ASAP的优势,提供了高分辨率、高灵敏度和更精确的质量测量,还可与其他技术进行相互佐证。文章将从ASAP技术工作原理、流程进行介绍,从农药兽药、工业产品、资源环境、生物医药等多领域出发,阐述在各分析领域中面临的挑战与前景,旨在为ASAP技术应用提供参考和新的视角。

气相色谱-负化学离子源质谱法测定中链氯化石蜡3种定量方法比较研究

为阐明中链氯化石蜡现行3种定量方法的测定结果差异,配制不同浓度、不同氯含量的标准样品及含有短链氯化石蜡的模拟样品和基质干扰样品,比较研究3种定量方法对不同试样的测定数据。结果表明:校准曲线法和多元线性回归法适用于待测试样氯含量与曲线氯含量相近的样品测定,总体响应因子校正法适用于浓度与曲线浓度相近的待测试样测定。实际检测时,总体响应因子校正法的偏差相对可控,应尽量建立与待测试样氯含量接近的标准曲线使定量结果更加可靠。