ИСТОЧНИК ПУЧКА ИОНОВ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННОГО РЕЗОНАНСНОГО РАЗРЯДА, УДЕРЖИВАЕМОЙ В ОТКРЫТОЙ МАГНИТНОЙ ЛОВУШКЕ
SOURCE OF ION BEAM BASED ON ELECTRON-CYCLOTRON RESONANT DISCHARGE PLASMA, HELD IN OPEN MAGNETIC TRAP

Изобретение относится к области формирования сильноточных пучков многозарядных ионов путем их экстракции из плотной плазмы ЭЦР разряда, создаваемой в открытой магнитной ловушке мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн. Подобные пучки ионов востребованы в ряде приложений (ускорительной технике, медицине, ионной имплантации, фундаментальных исследованиях по взаимодействию ионных пучков с мишенями и пр.). Основными характеристиками пучков ионов с точки зрения их качества являются величины тока (чем больше, тем лучше) и эмиттанса. Если речь идет о пучках многозарядных ионов, то важен еще и средний заряд ионов в пучке.
В последнее время наблюдается быстрое развитие технологий, связанных с применением ионных пучков. К этим технологиям, например, относятся: обработка и модификация поверхностей полупроводников (Hirvones J.K., Nastasi М., Hirvonen J.K., Mayer J.W. Ion-solid Interactions: Fundamentals and Applications. - Cambridge Univ. Pr., 1996), ионно-лучевая эпитаксия и имплантация (Rabalais J.W., Al-Bayati A.H., Boyd K.J., Marton D., Kulik J., Zhang Z., Chu W.K. Ion-energy effect in silicon ion-beam epitaxy // Phys. Rev. B, 1996. V. 53. P. 10781), воздействие на раковые опухоли (Muramatsu М., Kitagawa A., Sato S., Sato Y., Yamada S., Hattori Т., Shibuya S. Development of the compact electron cyclotron resonance ion source for heavy-ion therapy // Rev. Sci. Instr., 2000. V. 71. P. 984] и т.д. Кроме того, ионные пучки широко используются в научных исследованиях, например в исследованиях в области ядерной физики, в частности для синтеза новых элементов таблицы Менделеева и т.д.
К настоящему времени существует несколько типов ионных источников, различающихся как способом создания плазмы, так и параметрами производимых пучков (Физика и технология источников ионов: Пер. с англ. / Под. ред. Я. Брауна. - М.: Мир, 1998. - 496 с.).
Среди источников ионов большое распространение получили источники на основе разряда низкого давления, поддерживаемого в открытой магнитной ловушке СВЧ излучением в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР). ЭЦР источники выгодно отличаются от источников других типов в тех случаях, когда требуется умеренно высокий средний заряд ионов (например, 7-9 для аргона) при достаточно большом токе пучка (~100 мкА) и низкой величине эмиттанса. Такие источники имеют большой ресурс работы и высокую стабильность, позволяют легко менять рабочее вещество (Geller R. Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas. - Bristol: Institute of Physics, 1996).
12
-3
Формирование пучков ионов в ЭЦР источниках осуществляется путем их экстракции из плазмы, удерживаемой в открытой магнитной ловушке. В классических источниках многозарядных ионов плотность плазмы относительно невелика, а ее нагрев осуществляется СВЧ излучением небольшой частоты (до 18 ГГц), что и ограничивает плотность плазмы на уровне критической плотности величиной 3⋅10 см для используемой частоты 18 ГГц. Время удержания плазмы в магнитной ловушке определяется скоростью заполнения электронами конуса потерь в результате электрон-ионных столкновений и может достигать нескольких десятков миллисекунд. Для поддержания плазмы достаточно небольшой СВЧ мощности (100 Вт ÷ 1 кВт). Ввод СВЧ излучения с такими параметрами традиционно осуществляется с помощью стандартных волноводных или коаксиальных линий передач (Geller R. Electron cyclotron resonance sources: Historical review and future prospects // Rev. Sci. Instr. - Am. Inst. Phys., 1998. V. 69. P. 1302-1310).
Ключевым фактором, определяющим средний заряд ионов в плазме, является параметр удержания N⋅τ, где N - средняя концентрация плазмы, а τ - время удержания ионов в ловушке. В настоящее время, по всей видимости, возможности для увеличения параметра удержания N⋅τ за счет увеличения времени удержания ионов практически исчерпаны. Почти во всех существующих в настоящее время источниках многозарядных ионов применяются ловушки с магнитной конфигурацией «минимум В». Такая конфигурация создается комбинацией продольного поля простой магнитной ловушки и поперечным полем многополюсной (обычно шестиполюсной) магнитной системы. На величину тока ЭЦР источника оказывают влияние также конструкция и расположение системы формирования и экстракции пучка ионов из плазмы.
Классический ЭЦР источник описан, например, в патенте US 5506475 (Н05Н 1/10, публ. 09.04.1996). Устройство состоит из вакуумной плазменной камеры, системы подачи рабочего вещества, системы формирования и экстракции пучка ионов из плазмы, системы создания простой магнитной ловушки, системы создания поперечного магнитного поля с конфигурацией «минимум В», устройства ввода СВЧ излучения (с рабочей частотой 2,45 ГГц или 14 ГГц) в вакуумную камеру. Для ввода СВЧ излучения применяется волновод прямоугольного сечения. Система создания поперечного магнитного поля включает в себя от 4 до 24 постоянных магнитов. Система формирования и экстракции пучка ионов из плазмы в устройстве-аналоге состоит из двух электродов: плазменного и ускоряющего (пуллера) и расположена вблизи пробки магнитной ловушки.
Недостатком устройства-аналога является то, что из-за низкой плотности плазмы в источнике система формирования и экстракции пучка ионов из плазмы располагается около магнитной пробки ловушки и сильное магнитное поле оказывает негативное влияние на величину эмиттанса формируемого пучка. Кроме того, из-за низкой плотности плазмы аспектное отношение (отношение радиуса отверстия в плазменном электроде к расстоянию между электродами) достаточно велико, что делает систему формирования пучка чувствительной к колебаниям плотности плазмы и аберрациям ионно-оптической системы. Это также негативно сказывается на качестве пучка, в первую очередь, на величине тока формируемого пучка.
Наиболее перспективным является увеличение тока пучка за счет повышения плотности плазмы в разряде, что достигается, прежде всего, путем увеличения частоты и мощности СВЧ излучения.
Известен сильноточный источник ионов, описанный в патенте US 8624502 (МПК G21G 4/08, H01J 27/18, публ. 07.01.2014). В нем устройство-аналог содержит вакуумную плазменную камеру, систему создания магнитной ловушки для получения необходимого магнитного поля внутри камеры, СВЧ генератор, устройство ввода СВЧ излучения в вакуумную камеру, систему экстракции пучка ионов из плазмы, состоящую из двух электродов, расположенных вблизи пробки магнитной ловушки. Более высокая плотность потока плазмы позволяет обеспечить достаточно высокую величину тока формируемого пучка ионов.
Недостатком данного аналога является то, что система формирования и экстракции пучка ионов работает в условиях больших магнитных полей, что плохо влияет на качество пучка, в первую очередь, на эмиттанс. Плазменный электрод системы формирования пучка жестко прикреплен к источнику плазмы, что не позволяет регулировать плотность потока плазмы на этот электрод, не меняя параметров плазмы в источнике. В результате величины тока и эмиттанса формируемого пучка оказываются не на должном уровне, и устройство-аналог позволяет создавать пучки ионов (в примере патента - двукратно ионизованного гелия) с током до 50 мА.
Из числа известных технических решений наиболее близким к предлагаемому является устройство, предложенное в патенте RU 2480858 (МПК H01J 27/16, H05H 1/46, публ. 27.04.2013), содержащее разрядную вакуумную камеру, магнитную систему для создания магнитного поля, достаточного для создания ЭЦР зон, систему формирования и экстракции пучка многозарядных ионов из плазмы. Система формирования и экстракции пучка ионов состоит из плазменного электрода, ускоряющего электрода (пуллера), закрепленного на изоляторе, и высоковольтного источника. Пучок ионов формируется под действием создаваемого высоковольтным источником высокого напряжения, приложенного между плазменным электродом и пуллером.
2
Главным отличием прототипа от аналогов является то, что благодаря более высокой частоте нагрева реализован так называемый газодинамический режим удержания, отличающийся более высокой плотностью потока плазмы (вплоть до нескольких А/см). Благодаря этому факту экстрактор можно располагать не в магнитной пробке, а в зоне разлета плазмы за пробкой, где величина магнитного поля мала, что положительно сказывается на величине эмиттанса пучка. Также, в отличие от аналогов, высокая плотность потока плазмы позволяет использовать системы формирования пучка с малым аспектным отношением, что делает ее слабо чувствительной к колебаниям тока и позволяет снизить величину эмиттанса.
Основным недостатком прототипа является то, что плазма в ловушке пробочной конфигурации неустойчива по отношению к магнитогидродинамическим возмущениям желобкового типа. Данная неустойчивость ограничивает плотность плазмы и время ее удержания. С точки зрения формирования пучка данное обстоятельство снижает плотность потока плазмы на экстрактор, что сказывается на величине тока пучка.
Можно было бы решить проблему, используя конфигурацию с минимумом В, как это было реализовано в устройствах-аналогах. Однако в случае высоких частот нагрева (более 30 ГГц), а значит, и высоких магнитных полей (более 1 Тл), такая конфигурация весьма сложна с инженерной точки зрения. К тому же магнитные системы с конфигурацией с минимумом В, как правило, неосесимметричны, а в таких системах появляется повышенный поперечный перенос плазмы по типу неоклассического, хорошо известного в замкнутых магнитных ловушках.
Одним из перспективных методов подавления поперечного переноса плазмы, вызванного желобковыми неустойчивостями, является так называемый метод вихревого удержания. Суть метода заключается в создании зоны дифференциального вращения плазмы в периферийной (по радиусу) области плазменного столба. Это достигается путем создания радиального профиля электрического потенциала в плазме в виде «ступеньки» при помощи системы специальных электродов: радиальных лимитеров и секционированных плазмоприемников, расположенных в области расширения плазмы за  магнитными пробками. Данный метод доказал свою эффективность в случае открытых магнитных ловушек термоядерного типа [Солдаткина Е.И., Багрянский П.А и Соломахин А.Л. // Физика плазмы. - 2008. - Том. 34. - №4. - С. 291]. В случае же источника ионов реализация данной концепции наталкивается на следующие трудности: в источнике ионов как в прототипе, так и в аналогах, плазмоприемником является первый электрод системы формирования пучка, так называемый плазменный электрод. Данный электрод эквипотенциален с остальной вакуумной камерой (фактически, он является ее частью), а потому в такой системе невозможно создание радиального профиля электрического потенциала в плазме типа «ступенька».
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройства, позволяющего формировать из плотной плазмы разряда низкого давления, поддерживаемого в открытой магнитной ловушке СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн в условиях электронно-циклотронного резонанса, качественный пучок ионов с устойчиво высоким значением тока.
Технический результат в разработанном источнике пучка ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, достигается тем, что разрабатываемое устройство, так же как и устройство-прототип, содержит магнитную систему для создания магнитного поля пробочной конфигурации с напряженностью, достаточной для возникновения внутри разрядной вакуумной камеры ЭЦР зон, систему формирования и экстракции пучка ионов из плазмы, включающую плазменный и ускоряющий электроды, содержащие не менее чем одну ускоряющую апертуру.
Новым в разработанном устройстве является то, что плазменный электрод состоит из расположенных соосно периферийной проводящей части и центральной проводящей части, разделенных диэлектрической проставкой, между которыми подается разность потенциалов.
В ионных источниках ионы извлекаются из плотной плазмы ЭЦР разряда путем приложения разности электрических потенциалов между плазменным электродом и ускоряющим. Конфигурация (распределение) силовых линий электрического поля, ускоряющего ионы и формирующего структуру пучка, определяется подбором соответствующей геометрии электродов и величиной расстояния между ними.
Положительный эффект разработанной системы формирования и экстракции ионного пучка можно объяснить следующим образом. Диэлектрическая проставка обеспечивает электрическую изоляцию центральной части плазменного электрода от вакуумной камеры. В результате возможна подача электрического смещения центральной части плазменного электрода относительно его периферии. Это обеспечивает формирование в плазме ступенькообразного радиального профиля потенциала. С другой стороны, величина этого смещения такова (не более сотен вольт), что практически не влияет на конфигурацию силовых линий электрического поля, ускоряющего ионы от плазменного электрода к пуллеру, что позволяет использовать все преимущества системы формирования пучка ионов, присущие прототипу.
В результате разработанное устройство с предлагаемой системой формирования и экстракции пучка ионов может обеспечивать эффективную экстракцию ионов из плотной плазмы ЭЦР разряда и формирование сильноточных пучков ионов с низким эмиттансом и одновременно может обеспечивать переход в режим улучшенного удержания плазмы в ловушке с подавлением поперечного переноса плазмы, вызванного желобковой неустойчивостью.
В первом частном случае реализации устройства новым является то, что ускоряющий электрод имеет коническую форму.
Во втором частном случае реализации устройства новым является то, что ускоряющий электрод имеет плоскую форму.
В третьем частном случае реализации устройства новым является то, что плазменный и ускоряющий электроды содержат несколько ускоряющих апертур.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема с источника пучка ионов на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, с системой формирования и экстракции пучка ионов из плазмы.
На фиг. 2 представлено увеличенное изображение плазменного электрода.
Источник пучков ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, содержит (см. фиг. 1) разрядную вакуумную камеру 1 с заключенной в ней плазмой 2, магнитную систему 3, состоящую из нескольких катушек, создающую магнитное поле пробочной конфигурации внутри разрядной вакуумной камеры 1, и систему формирования и экстракции пучков ионов, включающую плазменный электрод 4 и ускоряющий электрод 5. Плазменный электрод 4 соединен с трубой разрядной вакуумной камеры 1. Ускоряющий электрод 5 через изолятор 6 соединен с разрядной вакуумной камерой 1. К разрядной вакуумной камере 1 и ускоряющему электроду 5 подключен высоковольтный источник напряжения (см. фиг. 1). Плазменный электрод 4 состоит из периферийной проводящей части 7, соединенной с разрядной вакуумной камерой 1, и центральной проводящей части 8, соединенной с периферийной проводящей частью 7 через диэлектрическую проставку 9 (см. фиг. 2). Между центральной частью 8 и периферийной частью 7 подается разность потенциалов.
Разработанный источник ионов работает следующим образом.
-7
13
-3
Разрядную вакуумную камеру 1 предварительно откачивают до давления не хуже 5⋅10 Торр (1 Торр = 133,3223684211 Па). Магнитную ловушку с полем простой пробочной конфигурации создают с помощью магнитной системы 3 от отдельного блока питания. Величина магнитного поля должна быть достаточной для возникновения ЭЦР зон. СВЧ излучение с частотой, много большей обычно применяемой частоты, например 37,5 ГГц, с поперечным распределением интенсивности в форме гауссова пучка направляют в разрядную вакуумную камеру 1. Под действием СВЧ излучения в условиях ЭЦР электроны приобретают высокую энергию, и в объеме разрядной вакуумной камеры 1 происходит ионизация предварительно поданного в нее рабочего вещества. Образовавшаяся плазма 2 (с концентрацией на уровне 10 см в случае с частотой 37,5 ГГц) ограничена пробками магнитной ловушки. Пучок ионов формируют под действием высокого напряжения от высоковольтного источника, приложенного между плазменным электродом 4 и ускоряющим электродом 5. При этом вся разрядная вакуумная камера 1, как и плазменный электрод 4, находится под высоким потенциалом относительно земли. Между двумя проводящими частями плазменного электрода 4 (7 и 8), находящимися под высоким потенциалом относительно земли (десятки киловольт), подается небольшая разность потенциалов в несколько сотен вольт и менее. Данный скачок потенциала создает радиальное электрическое поле, наличие которого наряду со скрещенным ему магнитным полем приводит к дифференциальному вращению плазмы на периферии. Данное вращение приводит к подавлению поперечного переноса плазмы, вызванного желобковой неустойчивостью.
Таким образом, разработанный источник по сравнению с прототипом и аналогами обладает одновременно и устойчиво высоким значением тока, и низким значением эмиттанса: он позволяет формировать из плотной плазмы пучок ионов с током до долей ампера и величиной эмиттанса вплоть до 0,01 π мм⋅мрад в нормализованных единицах.
В первом частном случае реализации разработанного источника пучка ионов на основе плазмы ЭЦР разряда ускоряющий электрод 5 имеет коническую форму. Такая геометрия электродов близка к «квазипирсовой», что улучшает фокусировку пучка, правда, в узком диапазоне оптимальных токов пучка, при которых угол расходимости минимален.
Во втором частном случае реализации разработанного источника пучка ионов на основе плазмы ЭЦР разряда ускоряющий электрод 5 имеет плоскую форму. Такая система чуть хуже фокусирует пучок, зато существенно проще в изготовлении. Причем если оба электрода содержат одну ускоряющую апертуру, это позволяет формировать пучки с низким эмиттансом.
В третьем частном случае реализации разработанного источника пучка ионов на основе плазмы ЭЦР разряда плазменный электрод 4 и ускоряющий электрод 5 содержат несколько апертур, что несколько увеличивает эмиттанс, зато кратным образом увеличивает ток пучка.