אלומת יונים

אלומת יונים היא סוג של קרן המורכבת מחלקיקים טעונים-יונים. יון הוא אטום בעל מטען חשמלי (חיובי או שלילי). אלומת יונים משמשת לטכניקות רבות בתעשייה האלקטרונית ובתעשיות נוספות. בעבר שימשו אלומות היונים לייצור מסכי מחשב וטלוויזיה (קרן היונים פגעה במסך רגיש אשר זיהה אותה ובתגובה לכך זהר, כך התקבלה התמונה הרצויה. בנוסף, באמצעות אלומת היונים התקבלה תמונה ברזולוציה רוחבית גבוהה). אלומות היונים הנפוצות ביותר הן של יונים טעונים יחידים. אנו נוהגים למדוד את אלומת היונים באמצעות צפיפות אלומת יונים, אשר נמדדת ביחידות mA/cm^2 ואנרגיית אלומת היונים נמדדת ביחידות eV. השימוש ב-eV נוח להמרה בין מתח ואנרגיה, במיוחד כשמדובר ביון יחיד, כמו גם להמרה בין אנרגיה לטמפרטורה [eV = 11600 K 1]. מקור היונים השכיח ביותר הוא ממתכות במצב צבירה נוזל כמו גליום (Ga), זהב (Au), ואירידיום (Ir). מכשיר זה דומה בעיקרון פעולתו למיקרוסקופ אלקטרונים, אך פועל באמצעות אלומת יונים – הוא מורכב מקרן יונים בעלת אנרגיה קינטית גבוהה הפוגעת במשטח הרצוי. המכשיר משמש לעיבוד חומרים ויצירת אובייקטים קטנים בשיטות נידוף, התזה וחריטה באמצעות אלומת יונים. בעזרת שדה חשמלי ניתן להאיץ את היונים באלומה (ובכך לשלוט על כיוונם) ובדרך זו מתאפשרת התזה (טכניקה להיפטרות ממטרות מסוימות באמצעות אטומים בודדים בקרן, בדומה להתזת מים בעזרת צינור לניקיון), חריטה (באמצעות הקרן ניתן לחרוט צורות מורכבות), נידוף (תהליך בו משתמשים באנרגיה הקינטית הגבוהה של היונים בקרן על מנת "להדוף" אטומים מפני השטח – מעין "כרסום" בחומר) וניתוח אלומת יונים ממוקדת. ברדיולוגיה, אלומות יונים (ממוקדות ורחבות) משמשות לחקר הולכת אותות, פגיעה ותיקון ב- DNA ומנגנונים של תקשורת בין-תאית. בנוסף, שיטות החריטה באמצעות אלומת יונים משמשות לייצור חורים בקנה מידה מולקולרי (שיכולים לשמש לריצוף גדיל שלם של DNA), והליכים נוספים בננו-ביולוגיה. קרני היונים תופסות חלק משמעותי בתהליך הייצור של מוליכים למחצה – במהלך הייצור נוצרים מעגלים חשמליים קטנים ביותר המורכבים מחלקיקים בודדים שלא ניתן לראותם בעין בלתי מזוינת וכן לא באמצעות מיקרוסקופ אופטי. על מנת לוודא שתהליך הייצור נעשה בצורה תקינה, יש צורך להשתמש בכלי שיאפשר לעין האנושית לראות את הליך זה. צפייה באלמנטים זעירים אלו, מתאפשרת על ידי מכשיר ה-FIB. בתחום תרפיית בחלקיקים, משתמשים באלומות יונים, במיוחד לטיפולים בסרטן. נוסף על כך, קרני יונים משמשות כמעכב קורוזיה במפרקי ירך וברך מלאכותיים, העשויים ממתכת. שיטה זו יעילה מאחר שהתהליך אינו דורש שימוש בטמפרטורה גבוהה וכך נמנעת פגיעה במפרק המלאכותי (טכניקה זו מיושמת גם בתעשיית המתכות). אלומות יונים משמשות להעברת אינפורמציה ותקשורת בין חלליות בחלל. כמו כן, אלומות יונים משמשות להנעת חלליות. כדי שמסה תנוע בוואקום (ריק), היא זקוקה לשינוי תנע שיוביל אותה לנוע. בחלל, שינוי תנע זה נוצר על ידי פליטת מסה מהחללית, ובדרך זו חלליות מצליחות לנוע. אלומת יונים יכולה לשמש תחליף למסה הנפלטת על ידי החללית – ובכך לאפשר לה לנוע בחלל, להתחמק מאסטרואידים ומפסולת השרויה במרחב. באלומות יונים משתמשים במאיצי חלקיקים לטובת חקר תחום פיזיקת החלקיקים. ממקור חלקיקים (כגון מיכל גז מימן) משחררים את אטומי המקור ומייננים כדי לקבל את היונים. לאחר מכן מאיצים את היונים בשדה חשמלי ובכל מעניקים להם אנרגיה קינטית. בהמשך ניתן להאיץ את היונים בעזרת שדה מגנטי או חשמלי בהתאם לצורך. את אלומת היונים מרכיבים בשלבי ההאצה השונים, כלומר מאטומים הנפלטים מהמכל לקבוצות של חלקיקים המהווים את אלומת היונים, בעזרת שדות חשמליים ומגנטיים המשנים את מהירותם בגודל או בכיוון וגם שומרים עליהם כקבוצה – מגנטים הגורמים להם לנוע יחד למרות כוחות הדחייה החשמליים (רכיב המבצע זאת נקרא מגנטי ארבע-קוטבי). באופן תאורטי, השימוש באלומת יונים כנשק חלקיקי אפשרי אך מעולם לא הוכח באופן מעשי. בתחילת המאה ה-20 חיל הים האמריקאי ביצע ניסויים על מנת להוכיח את יעילות הנשק, אך חוסר היציבות של האלומה מונעת את הדיוק והאמינות של ניסויים אלה במרחק העולה על 30 אינץ'. C.A.Volkert and A.M. Minor, Focused Ion Beam Microscopy and Micromachining, MRS BULLETIN Jiali Li, Derek Stein, Ciaran McMullan, Daniel Branton, Ion-beam sculpting at nanometre length scales, Nature 412, 2001-07, עמ' 166–169 doi: 10.1038/35084037