一种能提高原子束密度的原子发生器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于原子发生器领域。
【背景技术】
[0002] 原子发生器主要应用在表面科学和薄膜技术领域，可用于薄膜制备、材料表面清 洗和表面氮化氧化等处理，也可用于原子分子物理研究。
[0003] 中国专利公开号为CN104202902A的专利公开了一种基于电感辐射加热多钨毛细 管的氢原子发生装置，用于将氢气裂解成氢原子。该装置包括多根相邻的金属钨毛细管，在 金属钨毛细管外缠绕金属加热线圈，并接通外界高频交流电，产生高速变化的交变磁场，使 位于磁场内的金属钨毛细管在电磁感应作用下产生无数涡流，该涡流使钨毛细管快速发热 而温度升高，高温使氢气裂解成氢原子。该装置使用了多根钨毛细管来增加出口的氢原子 的浓度，其出口并未采取其他措施来改善氢原子的角度分布，使得氢原子在出口的角度分 布中，小极角范围内的浓度得到增强，但同时大极角处的浓度也随之增加。
[0004] 中国专利公开号为CN1758827A的专利公开了一种原子束产生装置及其方法，该 装置包括离子化腔室、离子束引导器、电性中和腔室和电压调节装置，通过离子化腔室将原 子电离，并通过电场加速离子和调整离子束的形状，最后通过电子中和粒子生成具有一定 能量和方向性的原子束。该发明主要针对的是惰性气体，即单原子分子气体，比较单一。
[0005] 美国专利号为5693173的专利公开了一种将气体加热裂解成原子束的装置。该装 置工作在高真空环境下，通过加热钨丝产生高温，气体经过高温钨丝后被裂解成原子，其中 钨加热子在管道的内部，管道直径大，气体通过管道的外壁和电极及钨加热子组成的内芯 之间的空隙流入与流出。由于其未采用钨毛细管，管道截面较大，其出口原子的角度分布为 余弦分布，没有方向性，不利于原子束的利用。
[0006] 美国专利号为6191416的专利公开了一种基于钨毛细管的原子发生器。该装置使 用圆柱形钨毛细管来对气体进行引导，使出口的气体分布的方向性更强；同时该装置使用 螺旋圆柱弹簧形状的钨加热子对钨毛细管进行辐射加热，加热后的钨毛细管将通过其内部 的气体进裂解成原子，并通过出口排出。该装置的出口为一般的出口，并未采取相应的措施 增大小极角的原子密度分布，也未采取措施减小大极角的原子密度分布，使得出口绝大多 数原子仍然以大极角方向流出，出射方向为小极角的原子数较少，难以使用原子束集中加 工工件。
[0007] 文章 "Formation of an atomic hydrogen beam by a hot capillary"介绍了一 种氢原子发生器，可以将氢气裂解成氢原子。该氢原子发生器采用了圆柱形钨毛细管裂解 氢气，加热钨毛细管的方式为电子束轰击加热。通过加热钨加热子产生电子，然后在钨毛细 管和钨加热子之间施加高电压加速电子，电子高速撞击钨毛细管，进而加热钨毛细管。这里 通过调节钨加热子的电流和加速电压调节加热的温度。同时其出口使用了磁场以约束产生 的离子，使出口仅为中性氢原子。其出口未增加相应的结构改善角度分布，使其出口氢原子 角度分布在大极角（极角为原子运动的方向与毛细管中心线的夹角）的方向的数量仍然占 多数，难以使用原子束集中加工工件。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种能提高原子束流量密度 的原子发生器，其通过钨毛细管的锥状内孔，以及出口挡环对原子束的阻挡作用，可以使出 口处的原子束的分布集中在较小的角度范围内，有利于提高此角度范围内的原子的流量密 度，同时抑制大极角方向上的原子的流量密度。
[0009] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种能提高原子束流量密度的原子发生器， 其特征在于，包括真空法兰、气路组件、加热装置和隔热冷却装置，其中，
[0010] 所述气路组件包括按从上至下的顺序依次设置的供气源、真空微调阀、气体引入 法兰、供气管、陶瓷套和钨毛细管，所述供气源通过所述真空微调阀和气体引入法兰与所述 供气管连接，以用于向所述供气管供气，所述供气管穿过所述真空法兰并固定安装在所述 真空法兰上，所述供气管与所述钨毛细管均竖直设置并且二者同轴设置，所述供气管的下 端通过陶瓷套与所述钨毛细管的上端连接，并且供气管的内腔与钨毛细管的内腔连通；所 述钨毛细管的下端设置有锥状内孔，以使原子束从所述钨毛细管中射出，所述锥状内孔的 底端圆的直径大于其顶端圆的直径；
[0011] 所述加热装置包括直流稳压电源、电引入法兰和钨加热子，所述电引入法兰固定 安装在所述真空法兰上，所述直流稳压电源通过所述电引入法兰给所述钨加热子供电，所 述钨毛细管穿过所述钨加热子；
[0012] 所述隔热冷却装置包括冷却水引入法兰、钼隔热层和冷却块，所述冷却水引入法 兰和铜套均固定安装在所述真空法兰上，所述钼隔热层和冷却块均为中空结构，二者均整 体呈筒状，所述供气管伸入所述钼隔热层内，所述钨毛细管位于所述钼隔热层的内腔，所述 冷却块固定套接在所述钼隔热层的外侧，其上设置有冷却水道。所述钼隔热层的下端设置 有作为原子束的第一出口的第一圆孔，所述冷却块上设置有作为原子束的第二出口的第二 圆孔，所述第一圆孔位于所述第二圆孔的上方，并且所述钨毛细管、第一圆孔、第二圆孔的 轴线重合。
[0013] 优选地，还包括温度测量装置，所述温度测量装置包括热电偶、热电偶引入法兰和 温度计，所要热电偶固定设置在所述钨毛细管的外壁上，以用于检测所述钨毛细管的温度， 所述温度计通过所述热电偶引入法兰与所述热电偶连接，以用于显示所述钨毛细管的温 度。
[0014] 优选地，还包括出口挡环，所述出口挡环包括圆筒体和圆环体，其中，所述圆筒体 的内壁向其内部延伸所述圆环体，所述圆环体的轴线与所述钨毛细管的轴线同线并且所述 圆环体的内孔作为原子束的第三出口。
[0015] 优选地，所述出口挡环的底端面与所述钨毛细管的底端面的距离h〇>
并且D为所述锥状内孔的底端圆的直径，D。为圆环体的内径，（P raax.为允许 从圆环体的内孔出去的原子的极角的最大值。
[0016] 优选地，所述第一圆孔的直径大于21ι?ιπφ?η?η + 0，:其中hi为钼隔热层的底端 面到所述钨毛细管的底端面的距离，为从圆环体的内孔出去原子最多的方向的原子 的极角，D为所述锥状内孔的底端圆的直径；
[0017] 所述第二圆孔的直径大T2h2tan(pmin + D，其中h2为冷却块的底端面到所述 钨毛细管的底端所在平面的距离，ipmin为从圆环体的内孔出去原子最多的方向的原子的 极角，D为所述锥状内孔的底端圆的直径。
[0018] 优选地，所述锥状内孔包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述 第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的半锥角大于所述第二锥孔的半锥角。 [0019] 优选地，所述锥状内孔包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述 第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的半锥角小于所述第二锥孔的半锥角。
[0020] 优选地，将所述真空微调阀替换为质量流量控制器。
[0021] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得