СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Возний Віталій Іванович

УДК 537.534.2

ПЛАЗМОВІ ВИСОКОЧАСТОТНІ ДЖЕРЕЛА ІОНІВ ДЛЯ ЯДЕРНОГО МІКРОЗОНДА

01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Суми – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті прикладної фізики НАН України.

Науковий керівник – доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Мірошниченко Валентин Іванович,

завідувач відділу електростатичних прискорювачів

Інституту прикладної фізики НАН України.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Михайлов Ігор Федорович,

головний науковий співробітник кафедри фізики металів

та напівпровідників Національного технічного університету “ХПІ” МОН України;

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Шамрай Костянтин Павлович,

завідувач відділу теорії плазми Інституту ядерних досліджень НАН України.

Провідна установа – Харківський національний університет ім. В.Н.Каразіна МОН України (кафедра фізики плазми).

Захист відбудеться “11” травня 2006 року о 1400 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 55.051.02 у Сумському

державному університеті за адресою: 40007, м.Суми,

вул. Р.-Корсакова, 2, корпус ЕТ, ауд. 236.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Сумського державного університету.

Автореферат розісланий “10” квітня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.С.Опанасюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Високоенергетичний ядерний мікрозонд (ЯМЗ) є одним із перспективних аналітичних інструментів, які використовуються для проведення локального неруйнівного аналізу структури і елементного складу як твердих тіл, так і біологічних об’єктів. ЯМЗ забезпечує фокусування ядер атомів водню або гелію з енергією 2-4 МеВ і струмом 10-15-10-9 А у пляму з розмірами 0,5-5 мкм в площині досліджуваного зразка. У поєднанні з такими відомими ядерно-фізичними методами, як характеристичне рентгенівське випромінювання, канальна контрастна мікроскопія, скануюча трансмісійна іонна мікроскопія та іншими сучасні мікрозонди активно використовуються в більше ніж 60 лабораторіях світу.

Одним з основних напрямків у галузі вдосконалення мікрозонда є підвищення його роздільної здатності, яка визначається не тільки розмірами пучка іонів на мішені, але і забезпеченням при цьому достатньої величини іонного струму. Оскільки величина струму на мішені визначається добутком яскравості пучка іонів на фазовий об’єм, що задається об’єктною і кутовою діафрагмами зондоформувальної системи ЯМЗ, то для одержання більшого струму іонів при максимально досяжному фазовому об’ємі необхідні збільшення яскравості іонного джерела та зниження енергетичного розкиду іонів пучка. У зв’язку з цим виникає необхідність у проведенні експериментальних і теоретичних досліджень з вивчення можливостей підвищення яскравості високочастотних іонних джерел (як таких, що найбільш часто використовуються у ЯМЗ) та зменшення енергетичного розкиду екстрагованих пучків іонів. У процесі досліджень виявилося, що необхідною умовою одержання високої яскравості пучка у ВЧ-джерелі іонів є забезпечення високої густини плазми джерела. Розв’язання задач, спрямованих на створення ефективного ВЧ-розряду в іонному джерелі та вивчення можливостей зменшення енергетичного розкиду іонів, дозволить покращити роздільну здатність ЯМЗ, а також удосконалити технологічні процеси, в яких використовуються іонні пучки. Саме тому ці задачі, які вирішуються в даній роботі, мають значний науковий і практичний інтерес.

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Дисертаційна робота виконана у відділі електростатичних прискорювачів Інституту прикладної фізики НАН України у межах Державної науково-технічної програми “Проблема 6.2.2.15. Прилади, що використовують іонізуюче випромінювання в неядерних цілях” у відповідності до плану науково-дослідних робіт у рамках держбюджетних наукових тем:

“Розробка фізичних основ та створення апаратури для дослідження методами скануючого субмікронного ядерного аналізатора модифікованої поверхні твердих тіл” (державний реєстраційний № U004906), 2000 р;

“Розробка спеціалізованого іонного інжектора для мікрозонду на базі прискорювача” (державний реєстраційний № U004264), 2003 р;

“Дослідження процесів прискорення та фокусування пучків заряджених частинок в електростатичних прискорювачах в режимі суміщення прискорюючих та зондоформуючих систем”, (державний реєстраційний № U000058) 2003 р.

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи полягає у тому, щоб на основі проведених досліджень виявити можливості підвищення яскравості іонного ВЧ-джерела та зниження енергетичного розкиду пучка іонів джерела для збільшення роздільної здатності ядерного мікрозонда.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі:

- створення експериментальної установки, яка дозволяє проводити вимірювання іонно-оптичних характеристик ВЧ-джерел іонів;

- озроблення ВЧ-системи живлення іонного джерела з регульованою у широкому діапазоні ВЧ-потужністю і сталою частотою;

- проведення досліджень ВЧ-джерела іонів за відсутності зовнішнього магнітного поля;

- розроблення методики оцінки густини плазми іонного ВЧ-джерела залежно від величині ВЧ-потужності і тиску газу;

- експериментальне вимірювання густини плазми ВЧ-джерела іонів за допомогою НВЧ-інтерферометра;

- проведення досліджень ВЧ-джерела іонів із зовнішнім магнітним полем;

- розроблення методики експериментального вимірювання енергетичного розкиду пучка іонів ВЧ-джерела.

Об’єктом дослідження є процеси генерації плазми і процеси формування пучка іонів в індукційному плазмовому ВЧ-джерелі.

Предметом дослідження є плазма і пучок іонів, який екстрагується з плазмового ВЧ-джерела.

Відповідно до поставлених задач основними методами досліджень були: експериментальні вимірювання струму і емітансу іонного пучка, мас-спектрометрія пучка іонів, інтерферометричні вимірювання густини плазми, енергоаналіз іонів пучка, зіставлення експериментальних результатів з теоретичними розрахунками.

Наукова новизна отриманих результатів. У результаті проведення комплексних досліджень отримані нові дані про закономірності процесу утворення густої плазми в індукційних іонних ВЧ-джерелах з метою підвищення яскравості екстрагованих іонних пучків та зниження енергетичного розкиду іонів.

1. Вперше створено діагностичну установку для вивчення фізичних процесів і діагностики як плазмових параметрів іонних ВЧ-джерел, так і фазових, енергетичних та масових характеристик екстрагованих іонних пучків. Розроблена ВЧ-система з регульованою потужністю 0-700 Вт і фіксованою частотою 27,12 МГц дозволяє контролювати рівень поглиненої розрядом ВЧ-потужності на відміну від використовуваних ВЧ-систем на основі автогенератора.

2. Проведено комплексне дослідження іонного ВЧ-джерела за відсутності зовнішнього магнітного поля із застосуванням трансформаторної моделі і глобальної моделі ВЧ-розряду. Встановлені залежності густини плазми і електронної температури від поглиненої розрядом ВЧ-потужності, тиску газу і розмірів розряду. Порівнянням з НВЧ інтерферометричним вимірюванням густини плазми вперше експериментально показана можливість застосування даних методик для розрахунків параметрів іонного ВЧ-джерела.

3. Проведено діагностику іонного пучка, екстрагованого з ВЧ-джерела, розміщеного у зовнішньому магнітному полі. Встановлено, що густина струму гелієвого пучка досягає величини 130 мА/см2, а яскравість пучка складає величину 11010 А/рад2м2еВ при 340 Вт ВЧ-потужності. Розрахунками хвильових чисел підтверджена можливість збудження у плазмі джерела геліконних хвиль і хвиль Трайвелпіс-Гоулда, що приводить до підвищення густини плазми і генерації іонних пучків з більшою густиною струму і яскравістю, ніж за відсутності зовнішнього магнітного поля.

4. Для дослідження можливостей генерації іонних пучків з малим енергетичним розкидом створено мультикаспове ВЧ-джерело іонів. Уперше проведені комплексні вимірювання енергетичних характеристик мультикаспового джерела, що працює на частоті 27,12 МГц. Виміряна функція розподілу іонів за енергією гелієвого та аргонового пучків залежно від ВЧ-потужності, тиску газу і витягувальної напруги. Встановлено, що енергетичний розкид іонів гелію дорівнює E=8 ±1 еВ при 200 Вт ВЧ-потужності.

Практичне значення одержаних результатів. Результати роботи є розвитком методів дослідження іонних ВЧ-джерел. Отримані дані і методичні напрацювання можуть бути використані в мікроелектроніці, приладобудуванні, іонно-пучкових та плазмових технологіях. Розроблені іонні ВЧ-джерела з підвищеною яскравістю і малим енергетичним розкидом можуть бути використані в ІПФ НАНУ, ІЯД НАНУ, ІФ НАНУ, ННЦ ХФТІ, ІЯФ (м. Краків) та інших наукових центрах як інжектори у ядерних мікрозондах, іонних літографах, електростатичних прискорювачах тощо.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи одержані здобувачем самостійно або за його безпосередньою участю. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачем безпосередньо були виконані розробка вакуумної і ВЧ-системи експериментальної установки, проведення досліджень іонно-оптичних характеристик ВЧ-джерел іонів [1, 2, 12]. У роботі [3] здобувач провів розрахунок густини та електронної температури аргонової плазми ВЧ-джерела іонів за глобальною моделлю. У роботах [4, 5, 10-14] здобувач провів розроблення науково-технічних вимог до іонного джерела, брав участь у проведенні досліджень ВЧ-джерел іонів у зовнішньому магнітному полі та виконав аналітичні розрахунки параметрів іонних джерел. У роботах [6, ] здобувач брав участь у НВЧ інтерферометричних вимірюваннях густини плазми ВЧ-джерела іонів. У роботах [8, 9] здобувач провів розроблення мультикаспового ВЧ-джерела іонів, розроблення сіткового енергоаналізатора, вимірюванне енергетичного розкиду іонів мультикаспового джерела.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися в доповідях на 9 міжнародних науково-технічних конференціях: VIII конференции по ускорителям заряженных частиц, Обнинск (Россия), 2002; Науковій конференції Інституту ядерних досліджень, Київ (Україна), 2003; International Conference on Physics of Low Temperature Plasma PLTP-03, Kyiv (Ukraine), 2003; 8-th European Vacuum Congress EVC-8, Berlin (Germany), 2003; 10-th International Conference on Ion Source ICIS-2003, Dubna (Russia), 2003; VIII Interstate Workshop “Plasma Electronics and Acceleration Methods”, Kharkov (Ukraine), 2003; 9-th International Conference on Nuclear Microprobe Technology and Applications, Cavtat, Dubrovnik (Croatia), 2004; 10-й Міжнародній конференції-школі з фізики плазми та керованого термоядерного синтезу, Алушта (Україна), 2004; ІІІ конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям, Харьков (Украина), 2005.

Публікації. Основні матеріали дисертації відображені у 14 наукових працях, з яких 8 статей опубліковано у спеціалізованих журналах, що входять до переліку ВАКу України, і 6 тез доповідей у збірниках наукових праць міжнародних конференцій.

Структура і зміст роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел. Обсяг дисертації складає 153 сторінки, у тому числі 61 рисунок та 1 таблиця. Список використаних джерел містить 190 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі досліджень, показано наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів, наведено дані про внесок здобувача, апробацію роботи, загальну структуру дисертації.

Перший розділ “Джерела іонів для ядерного мікрозонда” містить огляд літератури стосовно розгляду факторів, що впливають на роздільну здатність ЯМЗ: емітанс, яскравість і енергетичний розкид іонного пучка. Установлено, що для підвищення роздільної здатності ЯМЗ варто використовувати джерела іонів з високою яскравістю та малим енергетичним розкидом. З аналізу літературних даних випливає, що хоча рідкометалеві і газові польові джерела іонів мають дуже високу яскравість іонного пучка, проте основними джерелами іонів, що застосовуються в ЯМЗ, продовжують залишатися плазмові ВЧ-джерела. Даний тип джерела іонів має цілий ряд переваг: значний термін служби, стабільність іонно-оптичних параметрів, компактність, досить великий іонний струм.

З теоретичних досліджень випливає, що нормалізована яскравість плазмових джерел залежить від параметрів плазми як

, (1)

де ne–густина плазми; e–заряд електрона; c–швидкість світла; M–маса іона; k–стала Больцмана; Te–температура електронів; Ti–температура іонів.

Виходячи із цього, зроблено висновок про можливість підвищення яскравості джерела іонів шляхом створення у ВЧ-джерелі плазми високої густини і витягування пучка іонів з високою густиною іонного струму, що і визначено як основне завдання даної роботи. Для вирішення поставленої задачі та дослідження іонних ВЧ-джерел з метою одержання пучків з високою яскравістю виникає необхідність у створенні експериментальної діагностичної установки.

Другий розділ “Діагностична установка і методи досліджень” представляє схему та опис розробленої експериментальної діагностичної установки (рис.1).

Рис.1. Схема діагностичної установки

Установка призначена для діагностики як плазмових параметрів іонних ВЧ-джерел, так і фазових, енергетичних і масових характеристик екстрагованих іонних пучків: вимірювання повного струму іонного пучка, профілю пучка, масового складу, емітансу і яскравості пучка, середньої густини плазми іонного джерела і енергетичного розкиду екстрагованого іонного пучка.

Описано системи діагностичної установки: вакуумну систему, що забезпечує високий вакуум на рівні 10-4 Па, необхідний для фокусування іонного пучка; систему регульованого газонапуску робочого газу (водень, гелій, аргон), що дозволяє встановлювати і підтримувати у ВЧ-джерелі необхідний тиск; ВЧ-систему, що дозволяє регулювати ВЧ-потужність у межах 0-700 Вт і працювати на незмінній стабілізованій частоті 27,12 МГц. У розділі представлені застосовані у роботі експериментальні методи досліджень іонних ВЧ-джерел: метод вимірювання імпедансу плазми, який дозволяє визначати внутрішні інтегральні плазмові параметри розряду, вимірюючи зовнішні параметри ВЧ-контуру; метод вимірювання емітансу, який дозволяє визначати емітанс і яскравість іонного пучка; метод вимірювання масового складу іонного пучка за допомогою фільтра Віна як мас-сепаратора; метод вимірювання густини плазми за допомогою 8 мм НВЧ-інтерферометра; методика вимірювання енергетичного розкиду іонного пучка за допомогою сіткового енергоаналізатора методом затримуючого потенціалу.

Третій розділ “Індукційне високочастотне джерело іонів за відсутності зовнішнього магнітного поля” складається з п'яти підрозділів.

У першому підрозділі наведено конструкцію розробленого ВЧ-джерела і описано ємнісний та індукційний режими роботи джерела. Циліндрична кварцова розрядна колба має зовнішній діаметр 30 мм і довжину 80 мм. ВЧ-поле утворюється за допомогою гвинтової антени, що складається з 4 витків мідної трубки діаметром 4 мм. Система витягування іонів має розміри: довжина каналу катода 3 мм, діаметр каналу 0,6 мм.

У другому підрозділі для визначення плазмових параметрів джерела була застосована трансформаторна модель [1] індукційного ВЧ-розряду. Відповідно до цієї моделі ВЧ-антена (первинний ланцюг) зв'язана з плазмою (вторинний ланцюг) магнітним потоком, що враховується коефіцієнтом взаємної індукції. Безелектродний плазмовий струм моделюється провідним циліндром із провідністю, що залежить від параметрів плазми. Розв’язувалися рівняння рівноваги для ланцюга антени і ланцюга плазми. У широкому діапазоні ВЧ-потужності і тиску газу вимірювалися зовнішні електричні характеристики: антенний струм і напруга на антені. За результатами цих вимірювань були визначені внутрішні параметри ВЧ-розряду: ефективність уведення ВЧ-потужності, азимутальний плазмовий струм, ефективна частота електронних зіткнень, опір плазмового циліндра.

Було встановлено, що ефективність введення в розряд ВЧ-потужності збільшується із зростанням тиску газу. Безелектродний азимутальний плазмовий струм досягає величини 30 А при 400 Вт ВЧ-потужності і в N раз перевищує антенний струм, де N–число витків в антені. Підвищена величина ефективної частоти електронних зіткнень, що отримана при низькому тиску, свідчить про стохастичний механізм нагрівання електронів у цьому діапазоні тиску. Активний опір плазми дорівнює кілька Ом (при тиску 0,5 Па) і зменшується із зростанням ВЧ потужності. Це пов’язано з тим, що глибина проникнення ВЧ-поля в розряд обмежена товщиною скін-шару і обернено пропорційна квадратному кореню з густини плазми. Поведінка розряду при високій густині відповідає трансформаторові з короткозамкнутим вторинним витком. Застосування трансформаторної моделі допомагає зрозуміти загальні фізичні процеси, що відбуваються у плазмовому ВЧ-джерелі іонів.

У третьому підрозділі виконані розрахунки густини аргонової плазми і електронної температури із застосуванням глобальної моделі індукційного ВЧ-розряду. Густина плазми та електронна температура визначаються з рівнянь (2) балансу потужності і балансу частинок у розряді [2]:

, , (2)

де Pabs–потужність, поглинена плазмою; ns–густина плазми на границі з поверхнею; uB–бомівська швидкість іона; A–площа втрат частинок; Et–повна енергія, що втрачається із системи і припадає на один іон; ng–густина нейтрального газу; V–об’єм розрядної камери; Kiz–константа швидкості іонізації.

Розрахунки показали, що електронна температура залежить тільки від тиску нейтрального газу і геометрії розряду (радіуса і довжини) і не залежить від густини плазми, а отже, і від поглиненої ВЧ-потужності. При збільшенні тиску від 0,1 до 4 Па електронна температура монотонно зменшується від 7 еВ до 2 еВ. Для циліндричного розряду радіуса 1,4 см і довжини 7 см встановлена залежність густини neм-3) аргонової плазми від поглиненої ВЧ-потужності Pabs (Вт) і тиску газу p (Па): ne=1,57·1016·p0,4Pabs. Густина плазми лінійно залежить від поглиненої розрядом ВЧ-потужності і монотонно зростає зі збільшенням тиску газу у розрядній камері джерела. Розрахована густина аргонової плазми добре збігається з величиною густини, виміряної за допомогою 8 мм НВЧ-інтерферометра (рис.2), що свідчить про застосовність даної методики для розрахунку плазмових параметрів ВЧ-джерела іонів.

Рис.2. Густина плазми ne аргону залежно від Pabs при різному тиску газу

Розраховано максимальну густину струму іонів аргону, яку можна витягнути з джерела, залежно від ВЧ-потужності і тиску аргону. При 100 Вт потужності і тиску газу 0,5 Па густина струму дорівнює 23 мА/см2.

У четвертому підрозділі наведено результати вимірювань густини плазми індукційного ВЧ-джерела іонів, що виконано за допомогою НВЧ-інтерферометра з довжиною хвилі 8 мм. За робочий газ були використані водень, гелій та аргон. Інтерферометричні вимірювання показали, що густина плазми лінійно зростає з величиною введеної ВЧ-потужності і монотонно збільшується із зростанням тиску газу. При P=300 Вт і p=2 Па тиску газу густина плазми іонного джерела досягає значення ne=5М1017 м-3 для водню і гелію і ne=5М1018 м-3 – для аргону.

У п’ятому підрозділі наведено результати вимірювань густини екстрагованого з джерела іонного струму водню, гелію та аргону залежно від витягувальної напруги і ВЧ-потужності для різного тиску газу. Екстракція іонів визначається балансом між потоком іонів з плазми та ефектом об’ємного заряду у зоні екстракції (закон Чайльда-Ленгмюра). У плазмовому джерелі форма і положення плазмової межі не є фіксованими. Пучок узгоджений із системою екстракції і має мінімальний кут розбіжності, коли плазмова межа слабко увігнута. При цьому густина струму пучка максимальна і дорівнює густині струму насичення. Встановлено, що при Р=100 Вт густина струму іонів гелію та іонів аргону дорівнює 25 мА/см2 і відповідає густині струму, розрахованій за глобальною моделлю. Яскравість гелієвого пучка, обмірювана за допомогою емітансометра, досягає величини BP?20 А/рад2м2еВ.

Четвертий розділ “Високочастотне джерело іонів із зовнішнім магнітним полем” складається з двох підрозділів.

У першому підрозділі наведено результати досліджень геліконного ВЧ-джерела іонів, циліндрична розрядна колба якого поміщена в зовнішнє поздовжнє магнітне поле. Поле створювалося кільцевими постійними магнітами і могло змінюватися в межах 125 мТл. ВЧ-антена містить 3 витки мідної трубки і є азимутально-симетричною гвинтовою антеною. У геліконному джерелі магнітне поле сприяє збудженню електромагнітних хвиль, енергія яких проникає всередину плазми і поглинається в усьому плазмовому об’ємі. Обмежений бічними поверхнями плазмовий циліндр у поздовжньому магнітному полі являє собою резонатор, у якому збуджуються власні електромагнітні коливання. У низькочастотній області існує дві моди коливань: електромагнітна геліконна хвиля і електростатична хвиля Трайвелпіс-Гоулда (ТГ-хвиля). Рівняння (3) являють собою дисперсійні співвідношення цих двох гілок коливань:

, , (3)

де , ce і pe –робоча, електронно-циклотронна і плазмова частоти; e–частота електронних зіткнень; kz, kr і k–поздовжнє, поперечне і повне хвильові числа; j –уявна одиниця.

ВЧ-антена збуджує в плазмі геліконне поле, що слабко поглинається плазмою. Геліконна хвиля, у свою чергу, стає джерелом збудження ТГ-хвилі, енергія якої добре поглинається плазмою у результаті електронних зіткнень. Такий механізм трансформації геліконних і ТГ-хвиль, уперше запропонований К.П. Шамраєм [3], є найбільш відповідальним за високий ступінь іонізації плазми і високу густину плазми геліконних джерел. Поздовжнє і поперечне хвильові числа знаходяться з граничних умов і визначаються розмірами плазми та ВЧ-антени і конфігурацією збудженої моди коливань.

Були виконані вимірювання іонного струму гелієвого пучка, екстрагованого з джерела, при величині магнітного поля В0?15 мТл. Густина струму досягає значення ji=130 мА/см2. Ця величина у кілька разів перевищує значення густини струму, яку можна екстрагувати з ВЧ-джерела без зовнішнього магнітного поля. При цьому яскравість гелієвого пучка досягає BP?100 А/рад2м2еВ. Для азимутально-симетричної моди m=0, що збуджується гвинтовою ВЧ-антеною, були знайдені хвильові числа kr і kz. Розрахована висока густина плазми, на наш погляд, пояснює збільшення густини екстрагованого іонного струму і яскравості пучка. Оскільки відомо, що емітанс пучка зростає зі збільшенням магнітного поля, то для одержання пучків з малим емітансом необхідно використовувати слабке магнітне поле. При зменшенні магнітного поля геліконна мода поступово загасає і при полі В0?2 мТл, коли щщce/2, поширюється лише ТГ-хвиля, що є електронно-циклотронною хвилею в обмеженому циліндрі. Наведено виміри густини струму аргонового пучка при В0?2 мТл. При Р=120 Вт густина струму іонів аргону дорівнює ji=100 мА/см2, а яскравість пучка BP?120 А/рад2м2еВ.

У другому підрозділі наведено результати досліджень мультикаспового ВЧ-джерела, розробленого для одержання іонних пучків з малим енергетичним розкидом. Джерело (рис.3) складається з циліндричної металевої розрядної камери з внутрішнім діаметром 47 мм і довжиною 80 мм. Зовнішня поверхня камери оточена рядом постійних магнітів Nd-Fe-B, що встановлені із змінною полярністю, створюючи мультикаспову конфігурацію магнітного поля.

Рис.3. Схема мультикаспового джерела іонів

Зовнішнє мультикаспове поле служить для магнітного утримання плазми й ізоляції її від стінок розрядної камери, тим самим збільшуючи густину плазми. Магнітне поле досягає максимального значення близько 0,3 Тл біля стінки розрядної камери і спадає до центра. У центральній області розміщена ВЧ-антена. Антена виконана з гнучкого багатожильного мідного дроту, пропущеного усередині скляної трубки, і охолоджується водою.

За допомогою сіткового енергоаналізатора методом затримуючого потенціалу виміряно функції розподілу іонів за енергіями (ФРІЕ) гелієвого та аргонового пучків при зміні витягувальної напруги, тиску газу і ВЧ-потужності. На рис.4а показаний вплив тиску газу на форму функції розподілу іонів аргону. Вимірюючи ширину ФРІЕ на напіввисоті, був визначений енергетичний розкид іонів E залежно від тиску газу і ВЧ-потужності (рис.4б).

Встановлено, що енергетичний розкид не залежить від тиску газу і зростає зі збільшенням ВЧ-потужності. При P=200 Вт мінімальний енергетичний розкид дорівнює E=8 еВ для пучка іонів гелію і E=11 еВ –для аргонового пучка (рис.4,б). Основним параметром, що визначає форму ФРІЕ, є відношення =i/ВЧ, де i–час, за який іон проходить шар об’ємного заряду у зоні екстракції; ВЧ–період ВЧ-коливань. При <<1 іони перетинають шар за незначну частину ВЧ-періоду. Їх енергія залежить від фази ВЧ-коливань і, усереднена за період, сильно модульована. Це приводить до істотного розширення функції розподілу, яка є двопіковою. Два піки відповідають мінімальному і максимальному значенням амплітуди ВЧ-напруги. Двопікова структура ФРІЕ при низькому тиску газу свідчить про наявність ємнісного зв’язку ВЧ-розряду з витягувальним електродом. При >>1 ВЧ-потенціал змінюється багато разів, поки іон проходить через шар. Фаза коливання, при якій іон трапляє в шар, перестає мати значення. У результаті ширина ФРІЕ зменшується і два піки зближуються один з одним, поки їх уже не можна розділити.

Рис.4. ФРІЕ іонів аргону при зміні тиску газу (а) і енергетичний розкид ДЕ іонів гелію та аргону залежно від ВЧ-потужності (б)

Енергетичний розкид визначається як E=4eVВЧ/, де VВЧ–амплітуда ВЧ-напруги на шарі. Багатопікова структура ФРІЕ при високому тиску свідчить про розсіювання іонів і резонансне перезарядження при проходженні іоном шару об’ємного заряду (рис.4а).

ВИСНОВКИ

1. Створено діагностичну установку для діагностики як плазмових параметрів іонних ВЧ-джерел, так і фазових, енергетичних і масових характеристик екстрагованих іонних пучків: сили струму і профілю пучка, емітанса і яскравості, енергетичного розкиду іонів і масового складу пучка. Розроблена ВЧ-система з регульованою потужністю 0700 Вт і частотою 27,12 МГц дозволяє контролювати рівень поглиненої розрядом ВЧ-потужності на відміну від використовуваних автогенераторних ВЧ-систем.

2. Проведене комплексне дослідження індукційного ВЧ-джерела іонів, що працює за відсутності зовнішнього магнітного поля. Застосовано трансформаторну модель ВЧ-розряду, що представляє індукційний розряд як вторинний виток ВЧ-трансформатора. За результатами вимірювання зовнішніх електричних параметрів ВЧ-контуру визначалися внутрішні плазмові параметри розряду: ефективність поглинання ВЧ-потужності, плазмовий струм і плазмова напруга, електричне поле в розряді, електронна частота зіткнень, опір плазми залежно від ВЧ-потужності та тиску газу. Для оцінки густини плазми та електронної температури застосована глобальна модель плазмового розряду. Встановлено, що електронна температура залежить тільки від тиску нейтрального газу в розрядній камері та геометрії розряду і не залежить від ВЧ-потужності, що вводиться в розряд. Густина аргонової плазми лінійно залежить від поглиненої розрядом ВЧ-потужності та монотонно зростає зі збільшенням тиску газу в розрядній камері. Розраховано максимальну густину струму іонів аргону, яку можна екстрагувати з ВЧ-джерела даних розмірів, залежно від тиску газу і ВЧ-потужності. Наведено результати вимірювань густини плазми індукційного ВЧ-джерела, що виконані за допомогою 8 мм НВЧ-інтерферометра. Встановлено, що густина плазми іонного джерела лінійно збільшується із зростанням ВЧ-потужності і монотонно зростає із збільшенням тиску нейтрального газу в розряді. Густина плазми досягає величини ne=5М1017 м-3 для водню та гелію і величини ne=5М1018 м-3 –для аргону при 300 Вт ВЧ-потужності. Відповідність між виміряною та розрахованою за глобальною моделлю густиною плазми свідчить про застосовність даної методики для розрахунку плазмових параметрів іонного ВЧ-джерела. Виконано вимірювання густини екстрагованого іонного струму залежно від витягувальної напруги та ВЧ-потужності при різному тиску газу (водень, гелій, аргон). Густина струму насичення лінійно зростає з ВЧ-потужністю і при Р=100 Вт досягає значення ji=25 мА/см2 (гелій). Максимальне значення виміряної за допомогою емітансометра яскравості гелієвого пучка досягає величини BP?20 А/рад2м2еВ.

3. Проведено діагностику іонного пучка, екстрагованого з геліконного ВЧ-джерела іонів, поміщеного у зовнішнє магнітне поле. Виміряна густина струму гелієвого пучка залежно від витягувальної напруги при величині зовнішнього магнітного поля порядку В0?15 мТл. При Р=340 Вт густина іонного струму досягає значення ji=130 мА/см2. Ця величина густини струму в кілька разів перевищує значення густини струму, яку можна витягти з джерела без зовнішнього магнітного поля. Виміряне значення яскравості пучка становить BP?100 А/рад2м2еВ. Виконано вимірювання густини струму аргонового пучка при малій величині зовнішнього магнітного поля В0?2 мТл. При Р=120 Вт густина струму іонів аргону досягає величини ji=100 мА/см2 і в кілька разів вища від густини струму, що витягується за відсутності магнітного поля. При цьому яскравість пучка іонів аргону дорівнює BP?120 А/рад2м2еВ. Розглянуто фізичні процеси, що відбуваються в геліконному джерелі іонів. Зроблено оцінки значень поздовжнього і поперечного хвильових чисел, які підтверджують можливість збудження геліконних хвиль і хвиль Трайвелпіс-Гоулда у плазмі іонного джерела. Розраховане підвищення густини плазми пояснює отримані високі значення густини іонного струму і яскравості пучка, що екстрагується з геліконного джерела.

4. Для дослідження можливостей генерації іонних пучків з малим енергетичним розкидом створено мультикаспове ВЧ-джерело іонів. Уперше проведені комплексні вимірювання енергетичних характеристик іонного джерела. Вивчено вплив умов роботи джерела на середню енергію й енергетичний розкид екстрагованого іонного пучка. За допомогою сіткового енергоаналізатора виміряно функції розподілу іонів за енергіями гелієвого й аргонового пучків. Визначено середню енергію E0 і енергетичний розкид іонів E гелію й аргону. Встановлено, що енергетичний розкид іонів гелію дорівнює E=8±1 еВ, збільшується із зростанням ВЧ-потужності і не залежить від тиску газу в розрядній камері джерела. Двопікова структура ФРІЕ при низькому тиску нейтрального газу свідчить про наявність паразитного ємнісного зв’язку ВЧ-розряду. Така структура характерна для ФРІЕ, що формується в шарі об’ємного заряду з часовою ВЧ-модуляцією потенціалу шару. Багатопікова структура ФРІЕ при високому тиску свідчить про розсіювання іонів і резонансне перезарядження при проходженні іоном шару об’ємного заряду.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Возный В.И., Мирошниченко В.И., Мордик С.Н., Сторижко В.Е., Сулкио-Клефф Б., Шульга Д.П. Экспериментальная установка для тестирования ВЧ источников ионов // Problems of Atomic Sciences and Technology. Ser.:Plasma Electronics and New Acceleration Methods.-2003.-№4(3).-С.284-287.

2. MiroshnichenkoMordykStorizhkoSulkio-CleffVoznyy Development of a dedicated ion injector for accelerator-based nanoprobe facilities // Vacuum.-2004.-V.73.-P.237-242.

3. Voznyy, MiroshnichenkoMordykNagornyyNagornyyStorizhkoShulhaPlasma density measurement of RF ion source // Problems of Atomic Sciences and Technology. Ser.:Plasma Physics.-2005.-№1(10).-P.209-211.

4. MiroshnichenkoMordikOlshanskyStepanovStorizhkoSulkio-CleffVoznyy Possibility to increase RF ion source brightness for nuclear microprobe applications // Nuclear Instruments and Methods in Phys. Research B.-2003.-V.201.-P.630-636.

5. Mordyk S.M., Voznyy V.I., Miroshnichenko V.I., Ponomarev A.G., StorizhkoSulkio-CleffHigh brightness RF ion source for accelerator-based microprobe facilities // Review of Scientific Instruments.-2004.-V.75, №5.-P.1922-1924.

6. Нагорный Д.А., Нагорный А.Г., Возный В.И. Сверхвысокочастотный интерферометр для измерения плотности стационарной плазмы // Приборы и техника эксперимента.-2005.-№2.-C.98-100.

7. Нагорный Д.А., Нагорный А.Г., Возный В.И., Воробьев Г.С. Измерение плотности стационарной плазмы источника ионов сверхвысокочастотным интерферометром // Вестник СумГУ.-2004.-№8 (67).-С.123-128.

8. Возний В.I., Мірошниченко В.I., Мордик С.М., Сторiжко В.Ю., Сулкіо-Клефф Б., Шульга Д.П. Високочастотнi плазмовi джерела iонiв ядерного мiкрозонда // Збiрник наукових праць Iнституту ядерних дослiджень.-2004.-№1(12).-С.77-82.

9. Возный В.И., Мирошниченко В.И., Мордик С.Н., Сторижко В.Е., Шульга Д.П., Сулкио-Клефф Б. Энергетический разброс ионов, выходящих из мультикаспового ВЧ-источника // Тезисы докладов ІІІ Конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям.-Харьков.-Украина.-2005.-28 февраля-4 марта.-С.54.

10. Мирошниченко В.И., Мордик С.Н., Ольшанский В.В., Степанов К.Н., Сторижко В.Е., Возный В.И., Сулкио-Клефф Б. Возможности повышения плотности плазмы ВЧ источников ионов // Материалы VIII конференции по ускорителям заряженных частиц. Обнинск.-2002.-1-4 октября.-Т.2.-С.729-734.

11. MordykVoznyy, MiroshnichenkoPonomarevStorizhkoSulkio-Cleff B. Characteristics of a Inductive RF Ion Source with Permanent Magnet System // International Сonference on Physics of Low Temperature Plasma PLTP-03.-Kyiv.-2003.-May 11-15.

12. MiroshnichenkoMordykStorizhkoSulkio-CleffVoznyy Development of a Dedicated Ion Injector for Accelerator-Based Nanoprobe Facilities // 8-th European Vacuum Congress EVC-8.-Berlin.-Germany.-2003.-June 23-26.

13. MordykVoznyy, MiroshnichenkoPonomarevStorizhkoSulkio-Cleff B. High Brightness RF Ion Source for Accelerator-based Microprobe Facilities // 10-th International Conference on Ion Source ICIS-2003.-Dubna.-Russia.-2003.-September 8-13.

14. MordykVoznyy, MiroshnichenkoStorizhkoSulkio-CleffShulha D.P. Hydrogen/Helium Ion Injector for Accelerator-based Microprobe Facilities // Proceedings of 9-th International Conference on Nuclear Microprobe Technology and Applications.-Cavtat.-Dubrovnik.-Croatia.-2004.-September 13-17.

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ В АВТОРЕФЕРАТІ ЛІТЕРАТУРИ

1. GodyakPiejakand Alexandrovich B.M. Electrical characteristics and electron heating mechanism of an inductively coupled argon discharge // Plasma Sources Sci. Technol.-1994.-V.3.-P.169-176.

2. Lieberman M.A. and Lichtenberg A.J. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing.-New York: Wiley, 1994.-572 p.

3. Shamraiand Taranov V.B. Volume and surface rf power absorption in a helicon plasma source // Plasma Sources Sci. Technol.-1996.-V.5.-P.474-491.

АНОТАЦІЯ

Возний В.І. Плазмові високочастотні джерела іонів для ядерного мікрозонда. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01–фізика приладів, елементів і систем. –Сумський державний університет. Суми, 2006.

Дисертація присвячена проблемі одержання високояскравих іонних пучків з малим енергетичним розкидом для підвищення роздільної здатності ядерного мікрозонда. Для вимірювання плазмових параметрів ВЧ-джерел і фазових, енергетичних і масових характеристик екстрагованих пучків створена діагностична установка. Проведено комплексне дослідження ВЧ-джерела іонів без зовнішнього магнітного поля. На основі трансформаторної та глобальної моделей розряду розраховано густину аргонової плазми та електронну температуру залежно від ВЧ-потужності, тиску газу та розмірів розряду. Виконано НВЧ інтерферометричне вимірювання густини плазми ВЧ-джерела. При 300 Вт ВЧ-потужності густина іонного струму досягає 75 мА/см2, виміряна яскравість дорівнює BP?20 А/рад2м2еВ.

Проведено діагностику іонного пучка (гелій, аргон), екстрагованого з геліконного джерела, що знаходиться у зовнішньому магнітному полі. Густина іонного струму досягає 130 мА/см2, яскравість пучка–BP?11010 А/рад2м2еВ. Підвищення густини плазми внаслідок збудження геліконних хвиль і хвиль Трайвелпіс-Гоулда в плазмі джерела пояснює високі значення густини іонного струму і яскравості екстрагованого пучка.

Для одержання іонних пучків з малим енергетичним розкидом розроблено мультикаспове ВЧ-джерело іонів. Виміряно енергетичний розкид пучка іонів гелію, який дорівнюе E=8±1 еВ при 200 Вт ВЧ-потужності.

Ключові слова: ядерний мікрозонд, високочастотне джерело іонів, мультикаспове джерело іонів, яскравість, енергетичний розкид.

АННОТАЦИЯ

Возный В.И. Плазменные высокочастотные источники ионов для ядерного микрозонда. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01–физика приборов, элементов и систем.–Сумский государственный університет. Сумы, 2006.

Диссертация посвящена проблеме получения высокояркостных ионных пучков с малым энергетическим разбросом, экстрагированных из плазменных ВЧ-источников ионов, для повышения разрешающей способности ядерного микрозонда. В процессе исследований было установлено, что необходимым условием получения ярких ионных пучков является создание в ионном источнике плотной плазмы и извлечение ионных пучков с высокой плотностью тока. Для изучения физических процессов и диагностики как плазменных параметров ионных ВЧ-источников, так и фазовых, энергетических и массовых характеристик экстрагированных пучков создана диагностическая установка. Разработана ВЧ-система с регулируемой мощностью 0700 Вт и фиксированной частотой 27,12 МГц. Установка позволяет измерять параметры пучка: плотность и профиль ионного тока, эмиттанс и яркость пучка, энергетический разброс ионов и массовый состав, а также проводить СВЧ интерферометрические измерения плотности плазмы источника. Проведено комплексное исследование разработанного ВЧ-источника ионов в отсутствие внешнего магнитного поля. Для определения плазменных параметров ВЧ-разряда применена трансформаторная модель. По результатам измерений антенного тока и напряжения на антенне определялись внутренние параметры ВЧ-разряда: эквивалентные сопротивление и индуктивность разряда, эффективность поглощения ВЧ-мощности, плазменный ток и плазменное напряжение, электрическое поле в разряде, электронная частота столкновений, сопротивление плазмы в зависимости от ВЧ мощности и давления газа.

Выполнены измерения средней плотности плазмы ВЧ-источника с помощью 8 мм СВЧ интерферометра. Рабочий газ–водород, гелий, аргон. Плотность плазмы достигает ne=5М1017 м-3 (водород, гелий) и ne=5М1018 м-3 (аргон) при 300 Вт ВЧ-мощности.

Применена глобальная модель плазменного разряда для расчета плотности плазмы и электронной температуры, которые определяются из уравнения баланса мощности и баланса частиц в разряде. Рассчитанная плотность аргоновой плазмы линейно зависит от поглощенной разрядом ВЧ-мощности и монотонно возрастает с увеличением давления газа в разрядной камере. Плотность аргоновой плазмы, определенная по глобальной модели, соответствует значениям, измеренным с помощью 8 мм СВЧ интерферометра, что указывает на применимость данной методики расчета плазменных параметров. Установлено, что электронная температура зависит только от давления нейтрального газа и геометрии разряда и не зависит от вводимой в разряд ВЧ-мощности. Определена максимальная плотность тока ионов аргона, которая может быть извлечена из источника, в зависимости от ВЧ-мощности и давления газа. При 100 Вт плотность тока равна 20 мА/см2. Проведены измерения плотности ионного тока, извлеченного из источника с системой экстракции, имеющей размеры: диаметр и длина вытягивающего канала соответственно равны 0,6 мм и 3 мм. Измеренная с помощью эмиттансометра яркость пучка равна BP?204 А/рад2м2эВ.

Проведена диагностика ионного пучка, извлеченного из геликонного ВЧ-источника, находящегося во внешнем продольном магнитном поле В0. При В0?15 мТл измеренная плотность тока гелиевого пучка достигает величины ji=130 мА/см2 (Р=340 Вт). При этом яркость гелиевого пучка равна BP?100 А/рад2м2эВ. Измерена плотность тока аргонового пучка при малой величине внешнего магнитного поля порядка В0?2 мТл, когда рабочая частота волны щ приблизительно в два раза ниже электронно-циклотронной частоты щce. При Р=120 Вт плотность тока пучка аргона достигает величины ji=100 мА/см2. Яркость пучка равна BP?120 А/рад2м2эВ. Рассмотрены физические процессы, происходящие в геликонном источнике. Определены значения продольного и поперечного волновых чисел для азимутально-симметричной моды колебаний. Рассчеты подтверждают возможность возбуждения геликонных волн и волн Трайвелпис-Гоулда в плазме источника. Повышение плотности плазмы в результате возбуждения электромагнитных волн и лучшего поглощения плазмой их энергии объясняет полученные высокие значения плотности тока и яркости пучка, извлекаемого из геликонного источника.

Для исследования возможности генерации ионных пучков с малым энергетическим разбросом разработан мультикасповый ВЧ-источник ионов. С помощью сеточного энергоанализатора методом задерживающего потенциала измерены функции распределения ионов по энергии (ФРИЭ) гелиевого и аргонового пучка. Определены средняя энергия и энергетический разброс пучка ионов гелия и аргона, который равен E=8±1 эВ (гелий) и E=11±1 эВ (аргон) при 200 Вт ВЧ-мощности. Разброс увеличивается с ростом мощности и не зависит от давления газа. Двухпиковая структура ФРИЭ при низких давлениях свидетельствует о наличии паразитной емкостной связи ВЧ-разряда с системой экстракции. Такая структура характерна для ФРИЭ, которая формируется в ВЧ-слое с временной модуляцией потенциала. Многопиковая структура ФРИЭ при высоких давлениях указывает на рассеяние ионов и резонансную перезарядку при прохождении ионом слоя объемного заряда.

Ключевые слова: ядерный микрозонд, высокочастотный источник ионов, мультикасповый ионный источник, яркость, энергетический разброс ионов.

ABSTRACT

Voznyy V.I. Plasma radiofrequency ion sources for nuclear microprobe.- Manuscript.

Thesis for a Doctor of Philosophy (Ph.D.) degree in physics and mathematics, speciality 01.04.01–physics of apparatus, components and systems.–Sumy State University. Sumy, 2006.

The thesis is devoted to a problem of a high brightness ion beams production with a small ion energy spread for a purpose of increasing the nuclear microprobe resolution. The diagnostic setup was created to measure the plasma parameters of rf ion sources and features of extracted ion beams: current density, emittance, brightness, energy spread and mass. The complex research was made of a rf ion source without external magnetic field. A transformer model and global theory were applied. The argon plasma density and electron temperature were calculated as a function of rf power, gas pressure and discharge dimensions. A rf ion source plasma density was measured by 8 mm microwave interferometer. Ion current density reaches 752 at 300rf power. The measured brightness is BP?20 А/rad2m2eV.

Diagnostics was performed of the ion beam (helium, argon) extracted from the helicon ion source in external longitudinal magnetic field. The ion current density reaches value of 1302 and the beam brightness is 11010 А/rad2m2eV. The high plasma density of the helicon source is a result of helicon and Traivelpice-Gould waves excitation and this explains the high values of the current density and brightness of an extracted ion beams.

A multicusp rf ion source was constructed to produce the ion beams with a low energy spread. The energy spread E of helium and argon ion beam was measured and E=8±1at 200 W of rf power.

Keywords: nuclear microprobe, radiofrequency ion source, multicusp ion source, brightness, energy spread.