專利名稱：射頻離子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與射頻(rf)離子源有關(guān)，具體地說與能在包括大氣壓的壓強(qiáng)范圍內(nèi)在空氣中低功率工作的輝光放電源有關(guān)。
開發(fā)一種能在與市售電子碰撞離子源相同的條件下工作但更為通用、更為耐用的離子源是相當(dāng)引入注目的。電子碰撞離子源廣泛用于它與質(zhì)譜儀連接而構(gòu)成的蒸汽分析系統(tǒng)。在這種離子源中，呈電子形式的電離粒子從受到加熱的鎢絲發(fā)射到一個(gè)抽到10-4至10-3Torr壓強(qiáng)的低壓腔內(nèi)。電子在這個(gè)腔內(nèi)由電場和磁場加速到具有能使受到它碰撞的樣品分子電離的能量。電子碰撞離子源的缺點(diǎn)是不能在高壓下工作，而且在富氧環(huán)境下會燒毀，這使這種離子源不適合在空氣中在大氣壓或接近大氣壓的氣壓下工作的那些分析系統(tǒng)中使用。
此外，這種離子源的另一個(gè)缺點(diǎn)是，缺乏通用性，因?yàn)樗鼘?shí)際上局限于在較高能量的電離(所謂“硬”電離)過程中產(chǎn)生正離子，通常需要對樣品進(jìn)行分子碎化。
開發(fā)一種可與市售質(zhì)譜儀對接、能在大氣壓下以空氣作為維持等離子區(qū)的放電氣體高效率工作的離子源也是相當(dāng)引人注目的。這就允許直接對空氣進(jìn)行取樣，以監(jiān)測是否存在例如從諸如TNT、RDX、PETN之類的藥物或炸藥游離出來的雜質(zhì)氣體。
一種能在大氣壓的空氣中進(jìn)行工作的已知裝置可參見Zhao和Lubman在分析化學(xué)雜志上所發(fā)表的文章(Analytical Chemistry Vol65，No13，Pages 1427-1428 and Vol 65，No7，Pages 866-876)。這種裝置包括一根直徑為0.04″的對地絕緣的鎢棒驅(qū)動電極，做成尖端的端部是發(fā)生等離子放電的工作端。這個(gè)電極與一個(gè)rf源連接，伸入一個(gè)接地的1″×08″(直徑)的黃銅室內(nèi)，這個(gè)黃銅室形成了一個(gè)有效“板”極。在使用時(shí)，在鎢棒的工作端和室壁之間發(fā)生等離子放電。需要從中產(chǎn)生離子加以檢測的樣品作為液體引入承載樣品的放電氣體，由這氣體承載，送入黃銅室進(jìn)行電離。然而，這種裝置需要一個(gè)能提供16瓦左右的比較高的正向功率的電源以在大氣壓下的空氣中形成和維持等離子區(qū)。這就有著電源較費(fèi)、較笨的缺點(diǎn)。
此外，即使是在這樣的較高正向功率的情況下，這種離子源進(jìn)行的也只是軟(低能)電離，因此不能代替電子碰撞離子源。如果需要硬(高能)電離，就要求有一個(gè)更高功率的rf源。這會造成前面所提到的缺點(diǎn)，因?yàn)闉榱颂峁┮粋€(gè)硬電離的離子源，就必需有一個(gè)能提供甚至比以上所討論的更高的正向功率的電源。而且，由于由Lubman離子源產(chǎn)生的等離子區(qū)只是在125-375KHz的有限r(nóng)f范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，因此另一個(gè)缺點(diǎn)就是可能會造成比較大的離子能量分布，這實(shí)際上要降低任何采用質(zhì)譜儀的分析系統(tǒng)的分辨率。這是因?yàn)殡婋x粒子從rf電場獲得的能量部分取決于這個(gè)rf場的頻率，正如熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員所能理解的那樣。如果電離粒子在場中的駐留時(shí)間長到足以經(jīng)受rf場幾次振蕩的作用，那么它們的最終能量將接近于零。相反，如果這些電離粒子從形成到射出等離子區(qū)的時(shí)間不超過rf周期，那么它們的能量將取決于從它們形成到射出之間的場勢變化。因此，對于給定的在射頻放電中所產(chǎn)生的離子的駐留時(shí)間，射出的電離粒子的能量分布隨著rf場頻率的減小而增大。
通常，在rf離子源中，正離子和電子都是在等離子區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的。這些帶電粒子在運(yùn)動性上的差別使得在與rf電源電容性連接的電極上形成自偏壓。這個(gè)自偏壓的大小取決于離子源的幾何配置，特別是取決于各放電電極的可以形成等離子區(qū)的相對表面面積。在現(xiàn)有技術(shù)的裝置中，離子源的幾何配置設(shè)計(jì)成驅(qū)動電極工作端的表面面積比通常包括電離室接觸壁的接地(或浮動)電極的工作端的表面面積小。結(jié)果就產(chǎn)生了一個(gè)負(fù)的自偏壓。因此，驅(qū)動電極習(xí)慣上稱為“陰極”，而接地(或浮動)電極稱為“陽極”。在本文件中，陰極和陽極分別用來指驅(qū)動電極和接地(或浮動)電極。
本發(fā)明的目的是提供一種正、負(fù)離子產(chǎn)生源，這種源能在很寬的rf工作頻率、rf峰峰振幅和源氣壓范圍內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子區(qū)。
本發(fā)明所提供的rf離子源包括一個(gè)或多個(gè)陰極、一個(gè)陽極和與各自所配合的陰極連接的用來使所配合的陰極與一個(gè)rf信號源耦合的耦合裝置，其中陽極和陰極的能發(fā)生放電的相應(yīng)區(qū)域的主要部分之間的間隔基本上不大于5mm，陽極的能發(fā)生放電的所述區(qū)域基本不大于各陰極的能發(fā)生放電的相應(yīng)區(qū)域的和，各陰極設(shè)計(jì)成具有使得在rf離子源工作時(shí)在陽極與各陰極之間的空間內(nèi)的電場充分扭曲的形狀，以促使在陽極與各陰極之間形成更多的離子和電子。
通過將各陰極設(shè)計(jì)成一種形狀，具體地說設(shè)計(jì)成端部具有高度彎曲的表面，增強(qiáng)了電暈效應(yīng)(或電極之間的電子流)，導(dǎo)致有比在非扭曲場情況下更大的電子流在電極之間流動。正如熟悉本技術(shù)的人員很容易看出的那樣，這種效應(yīng)例如可以通過使用非常細(xì)的電極，典型的是絲狀電極，作為陰極來獲得。因?yàn)閷?dǎo)體表面的電荷密度與導(dǎo)體表面的曲率半徑成反比，所以在帶負(fù)電的針形電極上電子將集中在電極的尖端，從而將有比在同樣給定的電壓下工作的比較鈍的電極所發(fā)射的更大的電子流從針端發(fā)射。也就是說，將增強(qiáng)電暈效應(yīng)。這能使產(chǎn)生電離需加的rf功率比陰極為其他幾何形狀的要低。
通過將陰極設(shè)計(jì)成使得在暴露的陰極邊緣周圍和極間間隙中的電場顯著扭曲的形狀，促進(jìn)了離子-電子對的產(chǎn)生。這是因?yàn)橐耘紭O矩在這種高度扭曲的電場中運(yùn)動的中性粒子迅速獲得位能，這位能可能轉(zhuǎn)變?yōu)槲荒芎?或內(nèi)能，從而增大了電離(場致電離)的概率。本發(fā)明的發(fā)明者還注意到另一種效應(yīng)，如果陰極比較細(xì)長，那么沿暴露的陰極的長度周圍的氣體將發(fā)生有益的電離，從而提供了額外的電子離子源，這種效應(yīng)也用來降低形成和維持等離子放電所需加的功率。
而且，電荷集中在主要為了通過增大電暈效應(yīng)而增大電極之間的電子流設(shè)計(jì)的針狀電極的尖端本身也還使在極間間隙中電場扭曲，因此進(jìn)一步促進(jìn)了離子電子對的產(chǎn)生。
這樣引起的可用電流的總增長大大地減小了形成和維持等離子區(qū)所需的電壓(因此也就降低了功率)。通過使極間間隙不大于5mm還可以進(jìn)一步降低低功率要求。然而，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員很容易看到，如果放電電極之間過于接近，形成的等離子區(qū)就會太小，不足以產(chǎn)生有用的電離。因此最好將各陰極配置在離陽極的距離基本相同的位置，與陽極形成的間隙通常不小于0.5mm。
也已發(fā)現(xiàn)，如果陽極的能發(fā)生等離子放電的表面面積比等離子區(qū)面積大，等離子區(qū)就可能在這等離子放電表面上游移，從而導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)的離子源中所產(chǎn)生的等離子區(qū)的不穩(wěn)定?？梢韵嘈?，這部分是由于隨著等離子區(qū)的形成改變了陽極在鄰近等離子區(qū)處的表面條件，使得這表面其他部分的條件成為更有利于形成等離子區(qū)。通過將陽極設(shè)計(jì)成使得陽極的能發(fā)生等離子放電的表面面積基本上不大于各陰極的能發(fā)生放電的相應(yīng)總面積，就可以減小等離子放電的游移性。最好，陽極的能發(fā)生等離子放電的表面面積比各陰極的能發(fā)生放電的相應(yīng)總面積要小一些。具體地說，希望陽極的能發(fā)生放電的表面面積應(yīng)基本上不大于離子源工作時(shí)所建立的放電截面的面積。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員可以理解，能發(fā)生等離子放電的區(qū)域基本上限制在陽極與各陰極最接近的那些相應(yīng)區(qū)域。然而，在現(xiàn)有技術(shù)的上述類型的離子源中，由于基本上整個(gè)離子室的壁都起著陽極的作用，因此陽極的接近陰極的區(qū)域延伸范圍很廣。按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的各電極可以增大等離子區(qū)的穩(wěn)定性，從而使本發(fā)明所提供的離子源大大優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的離子源。
以上說明了陽極的能發(fā)生放電的表面面積基本上應(yīng)不大于各陰極的能發(fā)生放電的相應(yīng)總面積，最好基本上不大于它本身放電的截面積。然而，陽極可有效具有的最小面積取決于制造陽極的金屬的導(dǎo)熱率，也就是說陽極的最小面積取決于陽極將熱從等離子放電表面導(dǎo)離的能力。這樣的面積通常不小于可發(fā)生放電的總陰極面積的二分之一。
在使用中，rf離子源工作在所謂正常輝光放電狀態(tài)，工作功率稍低于開始時(shí)所謂異常輝光放電狀態(tài)所需的功率，以保證在任何給定的工作條件下離子源都能產(chǎn)生最大的等離子放電區(qū)。由于要達(dá)到這種狀態(tài)所需的功率隨著各陰極的總表面面積的增大而增大，因此為了減小離子源工作時(shí)所需的功率最好是在保證能提供有效的等離子放電的前提下盡量減小陰極面積(從而也就需要盡量減小陽極面積)。由于這個(gè)原因，再加上需要使在極間間隙中的電場劇烈扭曲，因此本發(fā)明的離子源的所有電極可以很方便地用市售金屬絲或細(xì)桿加工而成。采用這樣的材料無論是原始成本或加工成適當(dāng)電極的費(fèi)用都是不高的。
雖然本發(fā)明的離子源可以在很寬的rf頻率范圍內(nèi)工作，特別是可高達(dá)兆赫段，但使用高的rf頻率特別有利，因?yàn)閺那懊鎸︻l率的作用的討論中清楚地看到，隨著rf頻率的增加，電離粒子的能量分布更為集中，從而提高了采用與本發(fā)明的離子源配合工作的質(zhì)譜儀的分析系統(tǒng)的分辨率。
最有益的是為每個(gè)陰極配置一個(gè)耦合裝置，通過一個(gè)rf功率放大器使所配合的陰極與rf源電容耦合，從而可以進(jìn)一步降低產(chǎn)生電離需加的功率。由于在這種配置中流過系統(tǒng)的任何凈電流大大降低，所以可允許增大各陰極與陽極之間的電壓降。
由于降低了形成和維持等離子區(qū)所需的rf功率，因此使離子源在以空氣作為載樣放電氣體的情況下在1Torr氣壓下工作時(shí)，通常只需低到0.1W左右的rf功率，而在大氣壓下工作時(shí)只需1W左右的rf功率。這樣低的功率要求的優(yōu)點(diǎn)是即使是一個(gè)多陰極離子源、在大氣壓下工作，也可以用安裝在一塊電路板上的一些小型化器件來提供rf功率，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。此外，由于這種離子源能在這樣低的功率下工作，因此如果需要硬電離，例如在用這種離子源代替電子碰撞離子源時(shí)，仍可以用小型化器件來滿足額外的功率要求。最好，每個(gè)耦合裝置各有一個(gè)與各自的可變功率rf放大器連接的可變電容匹配電路。在這樣的配置中，對于每種等離子放電氣體可分別使每個(gè)陰極的正向功率加到最大和分別調(diào)整rf電壓放大量。
此外，在采用多陰極結(jié)構(gòu)時(shí)，可能在陽極與在供能特性上最為有利的陰極(例如，在陽極與陰極之間的間隔對于各陰極是不相同的情況下最接近陽極的那個(gè)陰極)之間優(yōu)先形成等離子區(qū)。這就產(chǎn)生了一個(gè)問題，需要顯著增大rf功率放大量才能在其他陰極處形成等離子放電。這個(gè)問題可以通過為每個(gè)陰極分別配置各自的可變功率rf放大器和匹配電路來解決。
將陽極與一個(gè)或多個(gè)陰極之間的間隙設(shè)計(jì)成可變的有利于等離子放電的最佳化。如果使用多個(gè)陰極，rf信號源可以包括多個(gè)rf信號產(chǎn)生器，每個(gè)陰極配一個(gè)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以分別改變加到每個(gè)陰極的相應(yīng)rf信號的相位。在一個(gè)特別值得推薦的實(shí)施例中，本發(fā)明的離子源具有一種單個(gè)陰極和陽極結(jié)構(gòu)。這種離子源的優(yōu)點(diǎn)是制造和操作都比多陰極離子源容易。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的離子源可在很寬的載樣放電氣體的壓強(qiáng)和流量范圍內(nèi)工作。相反，一個(gè)直流輝光放電離子源只有在1Torr左右的很窄的氣壓范圍內(nèi)工作才是穩(wěn)定的。
為了防止放電電極受到物理損傷和為了便于將要電離的樣品引入非空氣的氣體或氣體氣壓需要高于或低于大氣壓處以使電離條件最佳，本發(fā)明的離子源還包括一個(gè)為通過的載樣氣體流提供的電離室，其中裝有各放電電極。放電室可以設(shè)計(jì)成具有為通過的載樣氣體流提供的一個(gè)入口和一個(gè)出口以及一個(gè)能使電離粒子的樣品通過的對接口。在這種配置中，各放電電極可安置在電離室內(nèi)，以便提供靠近入口和出口并與入口和出口交叉的等離子放電。
軸向(即在放電電極之一的方向上)離開rf等離子區(qū)的那些帶電粒子在與陰極或陽極相關(guān)聯(lián)的加速勢場中獲得不同的能量。這導(dǎo)致這些粒子能量分布不集中。因此，在盡量使電離粒子樣品能量分布集中是至關(guān)緊要的情況下，例如在樣品需要由質(zhì)譜儀分析的情況下，最好將對接口和放電電極安排成使得只有與連接放電電極的等離子區(qū)的軸成一個(gè)角度，最好是基本垂直，離開等離子區(qū)的電離粒子才能通過對接口。這樣安排以后，這些電離粒子就不通過電極附近的高勢場區(qū)域。
可以在入口和/或出口加一個(gè)裝置，例如泵或風(fēng)扇，增大載樣氣體的流量，從而有效地增加用于電離的樣品。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員可以理解，實(shí)際流量在某種程度上取決于離子源的用途。例如，如果要求能量分布集中，則離子逗留在等離子區(qū)的時(shí)間應(yīng)長一些，因此流量就要小于沒有這個(gè)要求的情況。但是，在對空氣中的物質(zhì)進(jìn)行取樣的情況下，可以使用通常為6cm3/s的流量。
下面將結(jié)合附圖舉例說明本發(fā)明的rf離子源的各具體實(shí)施例。在這附圖中

圖1為本發(fā)明的離子源的3陰極配置的示意圖；圖2為適用于本發(fā)明的離子源的耦合裝置的原理圖；圖3為示出單陰極配置安裝在電離室內(nèi)的示意圖；圖4為圖3實(shí)施例與市售離子阱質(zhì)譜儀對接的示意圖；圖5示出了對于水族用圖4所示配置工作在960mTorr的空氣中所得到的有代表性的譜，其中，(a)為在2.1MHz情況下得到的，(b)為在1.6MHz情況下得到的；圖6示出了對于FC-43用圖4所示配置工作在960mTorr的空氣中以rf頻率為2MHz所得到的有代表性的譜，其中，(a)為所加的rf功率為0.1W的情況，(b)為所加的rf功率為0.4W的情況；以及圖7示出了通過以rf頻率為2MHz左右在800mTorr的空氣中產(chǎn)生射頻放電而從中選擇負(fù)離子產(chǎn)生的具有代表性的負(fù)離子質(zhì)譜，其中，(a)示出了直至m/z＝450的譜，(b)詳細(xì)示出較低質(zhì)量的離子的情況，(c)詳細(xì)示出較高質(zhì)量的離子的情況。
圖1和2中所示的rf離子源具有三個(gè)陰極(1)，配列在離單個(gè)陽極(2)為2mm的相等距離上。這些電極(1，2)都是用市售的直徑為0.9mm的Fecrallop13合金絲(Goodfellow Cambridge Limited公司(Cambridge Science Park，Cambridge UK)出品，產(chǎn)品代碼為FE085240)制成，陰極(1)的頂端拉制成針尖。當(dāng)然，也可以用任何加工成適當(dāng)尺寸的導(dǎo)體來代替。
這些陰極(1)相互絕緣，安裝在一個(gè)根據(jù)陰極(1)定位的絕緣件(3)內(nèi)，使這些陰極不易被等離子放電所產(chǎn)生的熱損壞。每個(gè)陰極(1)配有一個(gè)獨(dú)立的耦合裝置(4)。耦合裝置(4)包括一個(gè)通過功率計(jì)(6)和相應(yīng)的可變電容匹配電路(7)與各自所配合的陰極(1)耦合的線性向應(yīng)rf放大器(5)?？勺冸娙萜ヅ潆娐?7)配置成使陰極(1)可在(c)與電路連接而rf信號源(8)可在點(diǎn)(s)與放大器(5)前的電路。因此，除了rf放大器(5)適合工作在亞W放大區(qū)外，耦合裝置(4)基本上與在現(xiàn)有技術(shù)的離子源中所用的類似。每個(gè)低功率線性響應(yīng)rf放大器(5)接到rf信號源(8)上。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員能夠理解，rf信號源(8)可以包括一個(gè)公共的rf信號產(chǎn)生器，也可以包括三個(gè)這樣的信號產(chǎn)生器，分別接到三個(gè)陰極，這取決于離子源的應(yīng)用情況。
現(xiàn)在參見圖3，所示離子源包括也是用0.9mm直徑的Fecralloy合金絲或其他尺寸合適的導(dǎo)體制成的一個(gè)端部扁平的單個(gè)陰極(31)和一個(gè)陽極(32)。這兩個(gè)放電電極(31，32)定位在適當(dāng)位置，使得在離一個(gè)直徑為200μm的讓載樣氣體通過電離室(9)的壁的入口(10)大約0.5cm處會發(fā)生橫越這個(gè)入口的等離子放電。陰極(31)和陽極(32)由一個(gè)絕緣的陶瓷橋支架(33)保持在各自的位置上，陰極(31)與電離室(9)絕緣，穿過電離室(9)，以便與rf信號源(8)連接。rf信號源(8)包括一個(gè)信號產(chǎn)生器，通過耦合裝置(4)接至陰極，而陽極(32)通過電離室(9)的壁接地。電離室(9)還開有一個(gè)出口(12)，氣體就由泵(13)通過這個(gè)出口(12)抽出。在離子室(9)的一個(gè)壁上還開有一個(gè)對接口(14)，與入口(10)相對，使得樣品離子中只有垂直于連接放電電極(31，32)的等離子區(qū)的軸(A)發(fā)射出來的才能通過這個(gè)對接口(14)。
特別適合應(yīng)用圖3的離子源的例子可參見圖4所示的示意圖。這里，電離室(9)安排成使對接口(14)接至靜電透鏡系統(tǒng)(15)，從而接至常用的質(zhì)譜儀(16)，例如Tinnigan MAT公司(Paradise，Hemel Hempstead，Herts，UK)出品的市售離子阱質(zhì)譜儀。這種安排特別適合對大氣連續(xù)進(jìn)行取樣和分析，以識別其中所含的微量雜質(zhì)，因?yàn)楸景l(fā)明的離子源能在氣壓范圍包括大氣壓的空氣中低功率工作。
一些用與圖4所示類似的結(jié)構(gòu)得到的表示離子密度與質(zhì)荷比(m/z)之間關(guān)系的質(zhì)譜圖的例子示于圖5至7。這些質(zhì)譜是利用在低于大氣壓的空氣中以0.1至0.5W級rf功率產(chǎn)生的等離子放電得到的，其中含有一些表征空氣和雜質(zhì)的尖峰(見圖5和6)。有意引入空氣的雜質(zhì)是水族或少量的FC-43(全氟三丁胺，C12F27N)蒸氣，是通過使空氣氣流在進(jìn)入入口(10)前先經(jīng)過通常含有0.1ml的水或FC-43蒸氣的玻璃樣杓上方來引入的。對于圖7所示質(zhì)譜的情況，沒有引入雜質(zhì)。
圖5(a)和(b)分別示出了在氣壓為960Torr、用0.1W功率的2.1MHz的rf場(a)和1.6MHz的rf場(b)所得到的水族雜質(zhì)的質(zhì)譜。水族H3O+(H2O)n需要很少的能量就可加以分離，因此是等離子放電的碎化或電離能力的有用指示劑。在圖5(a)和(b)中示出了與不同的n值對應(yīng)的尖峰。在以2.1MHz所得出的質(zhì)譜中，可看到n＝1-9的這些族，而在rf頻率降低到1.6MHz時(shí)，n＞3的那些族就喪失了。在較低的頻率碎化較大，說明隨著rf頻率的降低，離子源的電離粒子越來越硬。
圖6(a)和(b)示出了從FC-43產(chǎn)生的離子的具有代表性的質(zhì)譜和離子密度隨所加rf功率而改變的情況。圖6(a)和(b)示出了利用0.1W(a)和0.4W(b)得到的質(zhì)譜，可見存在標(biāo)識為CF3(m/z＝69)、C3F5(m/z＝131)和C5F10N(m/z＝264)的正離子。這些質(zhì)譜說明即使是低功率也能發(fā)生有效的電離，而且與現(xiàn)有技術(shù)的高功率離子源類似，隨著功率的增加，電離越來越硬。
圖7示出了rf離子源工作在負(fù)離子集取模式的情況。這些質(zhì)譜是在離子源壓強(qiáng)為800mTorr下集取的。通過在空氣中形成rf放電得出這些質(zhì)譜，在空氣氣流中沒有有意引入任何雜質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種包括一個(gè)或多個(gè)陰極、一個(gè)陽極和與各自所配合的陰極連接的用來使可配合的陰極與一個(gè)rf信號源耦合的耦合裝置的rf離子源，其中陽極與陰極的能發(fā)生放電的相應(yīng)區(qū)域的主要部分之間的間隙基本上不大于5mm，陽極的能發(fā)生放電的所述區(qū)域基本上不大于各陰極的能發(fā)生放電的相應(yīng)區(qū)域的總和，而各陰極設(shè)計(jì)成具有使得在所述離子源工作時(shí)在陽極與各陰極之間的空間內(nèi)的電場充分扭曲的形狀，從而促進(jìn)在這空間內(nèi)形成更多的離子和電子。
2.一種如在權(quán)利要求1中所提出的rf離子源，其中所述陽極的能發(fā)生放電的表面面積小于各陰極的能發(fā)生放電的相應(yīng)總面積。
3.一種如在權(quán)利要求2中所提出的rf離子源，其中所述陽極的能發(fā)生放電的表面面積基本上不大于所述rf離子源工作時(shí)建立的放電區(qū)的截面面積。
4.一種如在以上任何權(quán)利要求中所提出的rf離子源，其中所述陽極和陰極都用金屬絲制造。
5.一種如在以上任何權(quán)利要求中所提出的rf離子源，其中所述各陰極加工成針尖形狀。
6.一種如在以上任何權(quán)利要求中所提出的rf離子源，其中所述各陰極都排列在離陽極基本相等的距離上，在陽極與各陰極之間都形成一個(gè)0.5mm至5mm的間隙。
7.一種如在權(quán)利要求6中所提出的rf離子源，其中所述各陰極相對陽極相互可動，在陽極與各陰極之間分別形成一個(gè)可變的間隙。
8.一種如在以上任何權(quán)利要求中所提出的rf離子源，其中所述耦合裝置用來使它所配合的陰極與一個(gè)rf信號源電容耦合。
9.一種如在權(quán)利要求8中所提出的rf離子源，其中所述耦合裝置包括一個(gè)與一個(gè)rf功率放大器連接的可變電容匹配電路。
10.一種如在權(quán)利要求9中所提出的rf離子源，其中所述rf功率放大器是一個(gè)低功率線性響應(yīng)放大器。
11.一種如在以上任何權(quán)利要求中所提出的rf離子源，其中所述陰極的數(shù)量為一個(gè)。
12.一種如在以上任何權(quán)利要求中所提出的rf離子源，所述rf離子源還包括一個(gè)容納各放電電極的電離室，所述電離室具有為載樣氣體貫流提供的一個(gè)入口和一個(gè)出口以及容許電離粒子射出電離室的一個(gè)對接口。
13.一種如在權(quán)利要求12中所提出的rf離子源，其中所述各放電電極與對接口協(xié)同配置，使得只有與通過等離子區(qū)和放電電極的軸成一個(gè)角度發(fā)射的那些離子才能通過對接口。
14.一種如在權(quán)利要求13中所提出的rf離子源，其中所述各放電電極與對接口協(xié)同配置成只有與所述軸基本垂直發(fā)射的那些離子才能通過對接口。
15.一種如在任何權(quán)利要求12、13或14中所提出的rf離子源，其中所述各放電電極在電離室內(nèi)定位成能在接近入口處提供一個(gè)橫越入口的等離子放電區(qū)。
16.一種基本上如前面結(jié)合附圖中的圖1至圖3所說明的rf離子源。
全文摘要
一種適合在空氣中某個(gè)氣壓范圍內(nèi)低功率工作的rf離子源包括具有一個(gè)或多個(gè)陰極(1)和一個(gè)陽極(2)的放電電極。每個(gè)陰極(1)通過一個(gè)所配合的耦合裝置(4)接至rf信號源(8),而陽極(2)所提供的能發(fā)生等離子放電的表面面積基本上不大于能發(fā)生放電的總陰極面積。這樣,陽極(2)提供了不比符合最佳等離子放電面積所需更多的有效表面,從而防止了等離子區(qū)的游移,使放電穩(wěn)定性高于現(xiàn)有離子源。通過將各電極配置成使得陽極與陰極的能發(fā)生放電的相應(yīng)區(qū)域相隔不大于5mm以及將各電極加工成具有高度彎曲的端部以便在離子源工作時(shí)在極間間隙內(nèi)建立一個(gè)高度扭曲的電場,從而甚至能在大氣壓下以非常低的功率輸入產(chǎn)生高效率的放電。
文檔編號H01J27/16GK1175320SQ95197608
公開日1998年3月4日 申請日期1995年12月14日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月22日
發(fā)明者M·L·蘭富德, J·F·J·托德 申請人:英國國防部