Сильноточный источник пучков ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке
HIGH-CURRENT SOURCE OF ION BEAMS BASED ON OF ELECTRON-CYCLOTRON RESONANCE DISCHARGE PLASMA HELD IN OPEN MAGNETIC TRAP

Изобретение относится к области формирования сильноточных пучков 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 др.
В последнее время наблюдается быстрое развитие технологий, связанных с применением ионных пучков. К этим технологиям, например, относятся: обработка и модификация поверхностей полупроводников [Hirvones J.К., 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" Physical Review B, V.53, P.10781, 1996], 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" Review of Scientific Instruments, V. 71, P. 984, 2000] 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 техника источников ионов» // под ред. Я. Брауна, М.: Мир, 1998).
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" Institute of Physics, Bristol, 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 относительно небольшой частоты (до 18 ГГц), что и ограничивает плотность плазмы на уровне критической плотности величиной 3⋅10 смдля 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" // Review of Scientific Instruments, 1998, V. 69. N. 3).
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 оказывает 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, опубл. 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 ионов чувствительной к колебаниям плотности плазмы и аберрациям ионно-оптической системы.
Традиционно в источниках ионов для формирования сильноточного пучка в условиях недостаточно высокой плотности потока плазмы используются многоапертурные системы формирования пучка. Например, в патенте GB 2295485 (МПК F03H 1/00; H01J 27/02, опубл. 29.05.1996) устройство для формирования и экстракции пучка представляет собой трехэлектродную сеточную систему. Недостатком такой системы является требование к однородности потока плазмы на больших масштабах и большая величина эмиттанса. Поэтому в ЭЦР источниках ионов такие системы формирования и экстракции пучка не используются.
Наиболее перспективным способом увеличения тока пучка является повышение плотности плазмы в разряде, что достигается, прежде всего, за счет увеличения частоты и мощности СВЧ излучения. Например, способ увеличения тока извлекаемых ионных пучков предложен в патенте KR 101311467 (МПК H01J 37/08, H01J 27/02, опубл. 04.06.2013). Но это приводит к необходимости увеличивать магнитное поле в ловушке, а сильное магнитное поле оказывает негативное влияние на качество пучка (прежде всего на эмиттанс, увеличивая его значение). В этих условиях существенным оказывается конструкция и расположение системы формирования и экстракции пучка ионов из плазмы (так называемого «экстрактора»).
Так, в сильноточном источнике ионов, описанном в заявке WO 2010132068 (МПК G21G 4/08, H01J 27/18, опубл. 18.11.2010), 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 и систему экстракции пучка ионов из плазмы, состоящую из двух электродов, расположенных вблизи пробки магнитной ловушки. Более высокая плотность потока плазмы позволила обеспечить достаточно большую величину тока формируемого пучка ионов.
Недостатком известного аналога является то, что система формирования и экстракции пучка ионов работает в условиях больших магнитных полей, что плохо влияет на качество пучка. 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 величина тока и эмиттанс формируемого пучка оказываются меньше, чем могли бы быть при должной регулировке. Таким образом, устройство аналог позволяет создавать пучки ионов с током не более 50 мА (в приведенном примере - пучок ионов двукратно ионизованного гелия).
Из числа известных технических решений наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство, предложенное в патенте RU 2480858 (МПК H01J 27/16, Н05Н 1/46, опубл. 27.04.2013). Устройство содержит 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 источника высокого напряжения. Подаваемое от высоковольтного источника высокое напряжение прикладывается между плазменным электродом и пуллером, под действием чего формируется пучок ионов.
Основным недостатком устройства прототипа является невозможность независимо от источника плазмы регулировать плотность потока плазмы, попадающей на плазменный электрод, и, соответственно, регулировать конфигурацию системы формирования и экстракции пучка ионов. Т.е. в устройстве-прототипе, как и в устройстве-аналоге, плазменный электрод системы формирования пучка ионов жестко прикреплен к источнику плазмы, что в итоге не позволяет получить качественный сильноточный пучок ионов. Конструкция и расположение системы формирования и экстракции пучка ионов из плазмы не позволяют увеличивать силу тока пучка без ухудшения его качества.
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 сильноточный пучок ионов, а именно пучок с током на уровне 1 А и выше, с малой величиной эмиттанса (менее 0.25 π мм⋅мрад) и минимальным углом расхождения.
Технический результат в разработанном сильноточном источнике пучков 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, содержащую плазменный электрод и ускоряющий электрод.
Новым в разработанном устройстве является то, что упомянутая система формирования и экстракции пучка ионов из плазмы выполнена автономной, плазменный электрод и ускоряющий электрод выполнены подвижными с возможностью перемещения друг относительно друга и относительно магнитной системы, а в систему формирования и экстракции пучка ионов введена система юстировки, обеспечивающая возможность вращения оси плазменного и ускоряющего электродов относительно оси системы и соосность упомянутых электродов между собой и разрядной вакуумной камерой.
В ионных источниках ионы извлекаются из плотной плазмы ЭЦР разряда путем приложения разности электрических потенциалов между плазменным электродом и ускоряющим. Конфигурация силовых линий электрического поля, ускоряющего ионы и формирующего структуру пучка, определяется подбором соответствующей геометрии электродов и величиной расстояния между ними. Перемещение электродов позволяет независимо менять геометрическое положение, как плазменного электрода, так и ускоряющего (пуллера), что дает возможность независимо регулировать плотность потока ионов, падающего на плазменный электрод, и геометрию системы, формирующую ионный пучок, не меняя при этом параметров источника плазмы. Размеры отверстий в электродах подбираются таким образом, чтобы с одной стороны обеспечить необходимые величины тока и эмиттанса пучка, а с другой - обеспечить минимальный угол разлета ионного пучка и снизить чувствительность системы, формирующей пучок ионов, к колебаниям плотности потока плазмы на электроды.
Если возникает необходимость в дополнительной настройке, она выполняется с помощью системы юстировки (спицы и винты) в процессе работы.
Положительный эффект разработанной системы формирования и экстракции пучка ионов можно объяснить следующим образом. Изменяемое положение плазменного электрода позволяет, перемещая его вдоль оси источника плазмы, регулировать поток плазмы, из которого формируется ионный пучок, не меняя параметров источника плазмы. При этом возможно поместить плазменный электрод далеко от пробки магнитной ловушки в область с малой величиной магнитного поля, что позволяет избавиться от негативного влияния магнитного поля на процесс формирования пучка (в первую очередь на эмиттанс пучка). Изменяемое положение пуллера по отношению к плазменному электроду позволяет оптимизировать систему формирования пучка для данной плотности потока плазмы. Низкое аспектное отношение (отношение диаметра отверстия в плазменном электроде к расстоянию между электродами) позволяет сделать систему менее чувствительной к колебаниям плотности потока плазмы, из которого формируется пучок, а также менее чувствительной к аберрациям. 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 (менее 0.25 π; мм⋅мрад).
В первом частном случае реализации разработанного сильноточного источника пучков ионов на основе плазмы ЭЦР разряда электроды имеют коническую форму.
Во втором частном случае реализации разработанного сильноточного источника пучков ионов на основе плазмы ЭЦР разряда электроды имеют плоскую форму.
Краткое описание фигур чертежей.
На фиг. 1 представлена схема сильноточного источника пучков ионов на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, с подвижной системой формирования и экстракции пучка ионов из плазмы.
На фиг. 2 представлено 3-мерное изображение подвижной системы формирования и экстракции пучка ионов из плазмы, полученное в графическом пакете AutoCAD. На фиг. 2а на разрезе в изометрии показано размещение системы формирования и экстракции пучка ионов в разрядной камере, а на фиг. 2б такой же разрез показан в осевой плоскости системы, на фиг. 2в - показана в изометрии система извлечения ионов и формирования пучка в сборе вне разрядной камеры (в автономном виде).
Сильноточный источник пучков ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, изготовленный в соответствии с пунктом 1 формулы и изображенный на фиг. 1, содержит разрядную вакуумную камеру 1 с заключенной в ней плазмой 2, магнитную систему 3, состоящую из нескольких катушек, создающую магнитное поле пробочной конфигурации внутри камеры 1, и систему формирования и экстракции пучка ионов (позиции 4-10). Основными элементами системы формирования и экстракции пучка ионов являются плазменный 4 и ускоряющий 5 электроды. Плазменный электрод 4 с помощью спиц 6 крепления с регулируемым выносом через систему крепления 7 соединен с трубой вакуумной камеры 1. Ускоряющий электрод 5 через систему крепления 8 и изолятор 9 соединен с системой крепления 7 плазменного электрода 4. Соосность отверстий в электродах 4 и 5 достигается регулировкой системы крепления 8 ускоряющего электрода 5 в пространстве с помощью трех котировочных винтов 10, которыми она присоединена к изолятору 9. К электродам 4 и 5 подключен высоковольтный источник напряжения 11.
Разработанный источник ионов работает следующим образом.
-7
13
-3
Разрядную вакуумную камеру 1 предварительно откачивают с помощью системы откачки до давления не хуже 5*10 Торр. 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 рабочего вещества, предварительно поданного в камеру системой подачи 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 11, приложенного между плазменным электродом 4 и ускоряющим 5. При этом вся разрядная камера 1, как и плазменный электрод 4, находится под высоким потенциалом относительно земли.
2
2
2
Особенностью работы предлагаемого источника ионов по сравнению с прототипом является то, что положение электродов 4 и 5 относительно вакуумной разрядной камеры 1, а значит и относительно катушек магнитной системы 3, может меняться независимо. Регулировка положения плазменного электрода 4 (изменением длины спиц 6) относительно катушек магнитной системы 3 позволяет менять плотность потока плазмы 2 от нескольких А/см (в области магнитной пробки) до 10 мА/см (в нескольких десятках см от пробки). При этом величина магнитного поля в области где плотность потока плазмы 2 составляет сотни мА/см не превышает 0,1 Т, что существенно сказывается на величине эмиттанса пучка в лучшую сторону, если поместить плазменный электрод 4 в эту область. Изменение положения ускоряющего электрода 5 относительно плазменного электрода 4 в продольном направлении позволяет при данной плотности потока плазмы 2 и величине ускоряющего напряжения создавать конфигурацию электрического поля, оптимальную с точки зрения угла расхождения сформированного ионного пучка. Регулировка положения ускоряющего электрода 5 с помощью котировочных винтов 10 подбирается таким образом, чтобы обеспечить соосность отверстий в электродах 4 и 5 даже в случае маленьких диаметров этих отверстий (вплоть до 1 мм).
Существенным отличием предлагаемого устройства от известных является то, что помимо возможности независимого перемещения электродов 4 и 5 системы формирования пучка вдоль оси источника ионов, в разработанной авторами конструкции есть возможность вращения оси электродов 4 и 5 относительно оси системы.
В общем случае, изображенном на фиг. 1, возможность вращения оси электродов 4 и 5 относительно оси системы достигается за счет соединения электрода 4 с системой крепления 7 с помощью трех спиц 6 и соединения ускоряющего электрода 5 (через систему крепления 8) с системой крепления 7 с помощью трех изоляторов 9 и котировочных винтов 10. Возможность независимого изменения длины спиц 6 обеспечивает не только изменение расстояния между плазменным электродом 4 и пробкой магнитной системы 3, но и соосность плазменного электрода 4 и всего источника плазмы 2. Независимо вращая винты 10, можно обеспечить соосность ускоряющего электрода 5 и плазменного электрода 4, которая может оказаться нарушенной при установке системы формирования пучка в источник плазмы (фиг.2а) из-за конечной жесткости спиц 6 и неплотного прилегания системы крепления 7 к трубе камеры 1. Это особенно важно ввиду того, что диаметры отверстий в плазменном электроде 4 и ускоряющем 5 существенно различаются (например, диаметры составляют 1 мм и 5 мм соответственно).
Также важным отличием от устройств аналогов является то, что предлагаемая заявителем система извлечения ионов и формирования пучка (позиции 4-10 фиг. 1 и фиг. 2в) целиком автономна в том смысле, что может быть полностью извлечена без нарушения своей целостности и функциональности из источника ионов, путем отсоединения системы крепления 7 от вакуумной камеры 1. Эта система извлечения ионов и формирования пучка, которую можно независимо от остальных частей источника ионов собрать, и она будет полностью готова, за исключением того, что после установки в источник, возможно, понадобится с помощью котировочных винтов 10 совместить оси отверстий в электродах (плазменном 4 и ускоряющем 5).
Чаще всего в конкретных реализациях предлагаемого сильноточного источника ионов диаметр ускоряющего электрода составляет 5 мм, плазменного электрода - 1 мм. При таких размерах требование к соосности электродов 4 и 5 выше и должно выполняться более строго, т.к. вся система формирования пучка рассчитывается исходя из предположения, что она аксиально симметрична. Поэтому возникает необходимость в дополнительной настройке, которая достигается с помощью системы юстировки (спицы 6, винты 10) в процессе работы.
Таким образом, разработанный источник ионов, как доказано авторами на практике, позволяет формировать из плотной плазмы пучки ионов с током до долей ампера и величиной эмиттанса вплоть до 0,01 π мм⋅мрад в нормализованных единицах. Что в итоге позволяет решить поставленную задачу.