一種能提高原子束密度的原子發生器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于原子發生器領域。
【背景技術】
[0002] 原子發生器主要應用在表面科學和薄膜技術領域，可用于薄膜制備、材料表面清 洗和表面氮化氧化等處理，也可用于原子分子物理研究。
[0003] 中國專利公開號為CN104202902A的專利公開了一種基于電感輻射加熱多鎢毛細 管的氫原子發生裝置，用于將氫氣裂解成氫原子。該裝置包括多根相鄰的金屬鎢毛細管，在 金屬鎢毛細管外纏繞金屬加熱線圈，并接通外界高頻交流電，產生高速變化的交變磁場，使 位于磁場內的金屬鎢毛細管在電磁感應作用下產生無數渦流，該渦流使鎢毛細管快速發熱 而溫度升高，高溫使氫氣裂解成氫原子。該裝置使用了多根鎢毛細管來增加出口的氫原子 的濃度，其出口并未采取其他措施來改善氫原子的角度分布，使得氫原子在出口的角度分 布中，小極角范圍內的濃度得到增強，但同時大極角處的濃度也隨之增加。
[0004] 中國專利公開號為CN1758827A的專利公開了一種原子束產生裝置及其方法，該 裝置包括離子化腔室、離子束引導器、電性中和腔室和電壓調節裝置，通過離子化腔室將原 子電離，并通過電場加速離子和調整離子束的形狀，最后通過電子中和粒子生成具有一定 能量和方向性的原子束。該發明主要針對的是惰性氣體，即單原子分子氣體，比較單一。
[0005] 美國專利號為5693173的專利公開了一種將氣體加熱裂解成原子束的裝置。該裝 置工作在高真空環境下，通過加熱鎢絲產生高溫，氣體經過高溫鎢絲后被裂解成原子，其中 鎢加熱子在管道的內部，管道直徑大，氣體通過管道的外壁和電極及鎢加熱子組成的內芯 之間的空隙流入與流出。由于其未采用鎢毛細管，管道截面較大，其出口原子的角度分布為 余弦分布，沒有方向性，不利于原子束的利用。
[0006] 美國專利號為6191416的專利公開了一種基于鎢毛細管的原子發生器。該裝置使 用圓柱形鎢毛細管來對氣體進行引導，使出口的氣體分布的方向性更強；同時該裝置使用 螺旋圓柱彈簧形狀的鎢加熱子對鎢毛細管進行輻射加熱，加熱后的鎢毛細管將通過其內部 的氣體進裂解成原子，并通過出口排出。該裝置的出口為一般的出口，并未采取相應的措施 增大小極角的原子密度分布，也未采取措施減小大極角的原子密度分布，使得出口絕大多 數原子仍然以大極角方向流出，出射方向為小極角的原子數較少，難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"介紹了一 種氫原子發生器，可以將氫氣裂解成氫原子。該氫原子發生器采用了圓柱形鎢毛細管裂解 氫氣，加熱鎢毛細管的方式為電子束轟擊加熱。通過加熱鎢加熱子產生電子，然后在鎢毛細 管和鎢加熱子之間施加高電壓加速電子，電子高速撞擊鎢毛細管，進而加熱鎢毛細管。這里 通過調節鎢加熱子的電流和加速電壓調節加熱的溫度。同時其出口使用了磁場以約束產生 的離子，使出口僅為中性氫原子。其出口未增加相應的結構改善角度分布，使其出口氫原子 角度分布在大極角（極角為原子運動的方向與毛細管中心線的夾角）的方向的數量仍然占 多數，難以使用原子束集中加工工件。

【發明內容】

[0008] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種能提高原子束流量密度 的原子發生器，其通過鎢毛細管的錐狀內孔，以及出口擋環對原子束的阻擋作用，可以使出 口處的原子束的分布集中在較小的角度范圍內，有利于提高此角度范圍內的原子的流量密 度，同時抑制大極角方向上的原子的流量密度。
[0009] 為實現上述目的，按照本發明，提供了一種能提高原子束流量密度的原子發生器， 其特征在于，包括真空法蘭、氣路組件、加熱裝置和隔熱冷卻裝置，其中，
[0010] 所述氣路組件包括按從上至下的順序依次設置的供氣源、真空微調閥、氣體引入 法蘭、供氣管、陶瓷套和鎢毛細管，所述供氣源通過所述真空微調閥和氣體引入法蘭與所述 供氣管連接，以用于向所述供氣管供氣，所述供氣管穿過所述真空法蘭并固定安裝在所述 真空法蘭上，所述供氣管與所述鎢毛細管均豎直設置并且二者同軸設置，所述供氣管的下 端通過陶瓷套與所述鎢毛細管的上端連接，并且供氣管的內腔與鎢毛細管的內腔連通；所 述鎢毛細管的下端設置有錐狀內孔，以使原子束從所述鎢毛細管中射出，所述錐狀內孔的 底端圓的直徑大于其頂端圓的直徑；
[0011] 所述加熱裝置包括直流穩壓電源、電引入法蘭和鎢加熱子，所述電引入法蘭固定 安裝在所述真空法蘭上，所述直流穩壓電源通過所述電引入法蘭給所述鎢加熱子供電，所 述鎢毛細管穿過所述鎢加熱子；
[0012] 所述隔熱冷卻裝置包括冷卻水引入法蘭、鉬隔熱層和冷卻塊，所述冷卻水引入法 蘭和銅套均固定安裝在所述真空法蘭上，所述鉬隔熱層和冷卻塊均為中空結構，二者均整 體呈筒狀，所述供氣管伸入所述鉬隔熱層內，所述鎢毛細管位于所述鉬隔熱層的內腔，所述 冷卻塊固定套接在所述鉬隔熱層的外側，其上設置有冷卻水道。所述鉬隔熱層的下端設置 有作為原子束的第一出口的第一圓孔，所述冷卻塊上設置有作為原子束的第二出口的第二 圓孔，所述第一圓孔位于所述第二圓孔的上方，并且所述鎢毛細管、第一圓孔、第二圓孔的 軸線重合。
[0013] 優選地，還包括溫度測量裝置，所述溫度測量裝置包括熱電偶、熱電偶引入法蘭和 溫度計，所要熱電偶固定設置在所述鎢毛細管的外壁上，以用于檢測所述鎢毛細管的溫度， 所述溫度計通過所述熱電偶引入法蘭與所述熱電偶連接，以用于顯示所述鎢毛細管的溫 度。
[0014] 優選地，還包括出口擋環，所述出口擋環包括圓筒體和圓環體，其中，所述圓筒體 的內壁向其內部延伸所述圓環體，所述圓環體的軸線與所述鎢毛細管的軸線同線并且所述 圓環體的內孔作為原子束的第三出口。
[0015] 優選地，所述出口擋環的底端面與所述鎢毛細管的底端面的距離h〇>
并且D為所述錐狀內孔的底端圓的直徑，D。為圓環體的內徑，（P raax.為允許 從圓環體的內孔出去的原子的極角的最大值。
[0016] 優選地，所述第一圓孔的直徑大于21ι?ιπφ?η?η + 0，:其中hi為鉬隔熱層的底端 面到所述鎢毛細管的底端面的距離，為從圓環體的內孔出去原子最多的方向的原子 的極角，D為所述錐狀內孔的底端圓的直徑；
[0017] 所述第二圓孔的直徑大T2h2tan(pmin + D，其中h2為冷卻塊的底端面到所述 鎢毛細管的底端所在平面的距離，ipmin為從圓環體的內孔出去原子最多的方向的原子的 極角，D為所述錐狀內孔的底端圓的直徑。
[0018] 優選地，所述錐狀內孔包括從上至下依次設置的第一錐孔和第二錐孔，并且所述 第一錐孔和第二錐孔的中心線同線，所述第一錐孔的半錐角大于所述第二錐孔的半錐角。 [0019] 優選地，所述錐狀內孔包括從上至下依次設置的第一錐孔和第二錐孔，并且所述 第一錐孔和第二錐孔的中心線同線，所述第一錐孔的半錐角小于所述第二錐孔的半錐角。
[0020] 優選地，將所述真空微調閥替換為質量流量控制器。
[0021] 總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得