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KRI 美国考夫曼离子源离子束里的电荷与动能交换

简介

要藉由电荷交换和动能交换的碰撞情形来量测或是计算离子束是非常复杂的。在电荷交换的过程中，一个带有能量的离子接近中性的粒子时，电子将会离开中性粒子而到离子处去，造成低能量的离子和具有能量的中性粒子。带有能量的中性粒子将会继续的往靶材或是既有的方向前进以完成既定的功能。但是这样就不能被简单的离子束探针所侦测。低能量的离子就会被简单的探针所侦测。但是这一的低能量离子就不能实现既有能量离子束所能提供的功能与表现。

 

带有能量的离子束的能量有损失或是由于电荷交换形成带有能量的中性粒子时，一般的工作压力及距离并不是很重要的。但是二种常见的错误被用来评断制程。第一种错误是，使用室温路径长度。在原子外围的电子，他的脱离能至少为数个 eV。从公式来看，1 eV=11600 K 度，在20℃时的热能量，相当于 0.025 eV。室温下的碰撞只会造成在原子中的外围电子小小的扰动而已。离子束的离子是具有相当高的能量，，一般都具有数百 eV。在离子能量中的碰撞时，外围电子会有些微的抵抗，而其碰撞的截面将会比在室温下还要小得多。

有些人会认为离子数的离子的能量远高于在室温时的能量。这是从具有能量的离子与室温的中性粒子碰撞的实验数据得来的。这就是第二个常见的错误。

有些离子-中性粒子的截面来自于以下的条件，而且他们是接近室温的。很不幸的，这些实验所量测到截面的1到几度的偏差，远小于要造成90度偏差的前进能量的损失。

基本理论

平均自由路径的长度，λ，对一个具有能量的粒子而言，通过一个能量相对低很多的粒子时，

 

λ = 1/(n₀σ)…………………………………………………………………………………………………….( 1 )

 

当 n₀ 是指静态的粒子的密度，σ是指制程的截面。假如入射粒子和静态粒子是在同一个热能量分布，则入射粒子就好像是去撞击静态粒子，例如，

 

λ = 1/(2 ^1/2 n₀σ)…………………………………………………………………………………………….( 2 )

 

当粒子流 I，脱离了碰撞，

 

I = I₀ exp (-L/λ)……………………………………………………………………………………………..( 3 )

 

I₀ 是入射的粒子流，L 是路径长度，λ 是碰撞过程中的平均自由路径。

 

电荷交换

同样种类的离子与原子之间的电荷交换，称为共振电荷交换。一般共振的字眼会被省略的。但是记住，当二个粒子有不同的离子化电位时，电荷交换的截面将会大大的缩小。我们可以用理论公式来预测电荷交换的截面，这样的公式是需要反复的尝试以求得答案。

有人发现，当离子电位为 Φ_i 4-26 eV，离子速度为 1-10 x 10 ⁴ m/s 时，所求得的答案准确度在 +/- 3% 之内。把公式改写成使用离子能量 E_i eV取代离子速度。

离子交换的截面σ_ce单位为 m²，

 

σ_ce = 6.3 x 10^-18(w/E_i)^0.14/Φ_i^1.07………………………………………………………………………( 4 )

 

w 是指原子的重量，Φ_i是指离子化电位，单位是 eV。

方程式 4 是用来计算 Ar (氩气)的电荷交换的截面。方程式1 则是用来计算20℃的温度下的动作路径长度。

动能交换

在离子束的能量下得不到动能交换的截面。在表1显示的是，以中性粒子的交互配对电位所计算出来的。

 

使用方程式1所计算出来的路径长度代入求得如表1所示氩气的动能交换截面。也得到像图 1 能量大于 1 eV的图形。在室温下的路径长度，方程式 2 显示能量为 0.025 eV。在 0.025 到 1 eV之间的虚线处，是任意插补的。

 

结论

氩气的动能交换截面在室温下，很接近在固态的原子尺寸，可以把它当作与原子尺寸。但是电荷交换截面在相同条件下，则只有一半的尺寸。当离子到达可触及中性粒子的距离时，他可以得到电子的机会为 50%。

在离子束的能量里，对氩气或是其他元素分子而言，动能交换的路径长度可能几倍于电荷交换路径长度。离子束在明显的动能损失之前，绝大部分是电荷交换的。

较长的动能交换距离可以用来当评估溅射原子之用。这样的原子能量平均会有数个 eV之多。