Сильноточный источник ионов на основе плотной плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке
HIGH-CURRENT ION SOURCE BASED ON A DENSE PLASMA OF ECR DISCHARGE, KEPT IN AN OPEN MAGNETIC TRAP

Изобретение относится к области создания непрерывных пучков одно- и многозарядных ионов (МЗИ) путем их экстракции из плотной плазмы, создаваемой в открытой магнитной ловушке мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн. Подобные источники необходимы для формирования сильноточных пучков ионов, востребованных в ряде приложений: ускорительной технике, медицине, ионной имплантации, фундаментальных исследованиях по взаимодействию ионных пучков с мишенями и пр.
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» 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). Одной из актуальных задач остается создание источников многозарядных ионов (МЗИ), которые обладают существенными преимуществами по сравнению с однозарядными ионами. Это связано с тем, что энергия ускоряемых ионов растет пропорционально заряду в линейных и пропорционально квадрату заряда в циклотронных ускорителях, т.е. использование МЗИ позволяет при тех же ускоряющих напряжениях получить существенно большие энергии ионов или, соответственно, понизить ускоряющее напряжение при сохранении энергии частиц.
Среди источников МЗИ наибольшее 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). ЭЦР источники имеют большой ресурс работы и высокую стабильность и позволяют легко менять рабочее вещество (Geller R. «Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas» Institute of Physics, Bristol, 1996).
Формирование пучков МЗИ в ЭЦР источниках осуществляется путем их экстракции из плазмы, удерживаемой в открытой магнитной ловушке. Температура электронов в плазме должна быть достаточной для многократной ионизации (50-500 эВ в зависимости от требуемого среднего заряда), а время удержания плазмы - достаточным для образования ионов с требуемым средним зарядом. 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. Параметр удержания N⋅τ должен быть достаточным для достижения ионами требуемого заряда в процессе ступенчатой ионизации.
12
-3
В классических источниках МЗИ 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 для используемой частоты (3*10 см для частоты излучения 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, V. 69, N. 3, 1998).
В настоящее время, по всей видимости, возможности для увеличения параметра удержания N⋅τ за счет увеличения времени удержания τ ионов практически исчерпаны. Почти во всех существующих в настоящее время источниках МЗИ применяются ловушки с магнитной конфигурацией «минимум В». Такая конфигурация создается комбинацией продольного поля простой магнитной ловушки и поперечным полем многополюсной (обычно шестиполюсной) магнитной системы.
Классический ЭЦР источник МЗИ описан в патенте США US 5506475, МПК Н05Н 1/10, публ. 09.04.1996 г. Устройство аналог состоит из вакуумной плазменной камеры, системы подачи рабочего вещества, системы экстракции ионного пучка, системы создания простой магнитной ловушки, системы создания поперечного магнитного поля с конфигурацией «минимум В», устройства ввода в вакуумную камеру СВЧ излучения с рабочей частотой 2,45 ГГц или 14 ГГц. Для ввода СВЧ излучения применяется волновод прямоугольного сечения. Система создания поперечного магнитного поля включает в себя от 4 до 24 постоянных магнитов. Система экстракции ионного пучка состоит из двух электродов и расположена вблизи второй пробки магнитной ловушки.
Недостатком устройства аналога является невысокий ток МЗИ, ограниченный максимально достижимой плотность плазмы, которая не может превышать критическую плотность для используемой частоты (Geller R. «Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas» Institute of Physics, Bristol, 1996). Другим недостатком аналога является ограниченная электропрочность соединения волновода и вакуумной разрядной камеры, находящейся под высоким потенциалом.
В другом устройстве аналоге, описанном в патенте США US 5350974 (МПК Н01J 7/24, публ. 27.09.1994 г.), предложен ЭЦР источник МЗИ, отличающийся другим способом ввода СВЧ излучения в плазму. Как и в предыдущем рассмотренном случае устройство аналог состоит из вакуумной плазменной камеры, системы подачи рабочего вещества, системы экстракции ионного пучка, системы создания магнитного поля с конфигурацией «минимум В», системы ввода в вакуумную камеру СВЧ излучения с рабочей частотой 2,45 ГГц или 14 ГГц. В устройстве аналоге ввод СВЧ излучения осуществляется по коаксиальной линии передач, расположенной вдоль оси магнитной системы. Подача рабочего вещества осуществляется через центральный электрод коаксиальной линии передач, оканчивающейся вблизи пробки магнитной ловушки. Недостатком устройства аналога, как и в предыдущем случае, является невысокий ток МЗИ.
Наиболее перспективным способом увеличения тока МЗИ является повышение плотности плазмы в разряде, что достигается, прежде всего, за счет увеличения частоты и мощности СВЧ излучения.
Сильноточный источник многозарядных ионов описан в заявке WO 2010132068 публ. 18.11.2010 г. Устройство аналог состоит из вакуумной плазменной камеры, СВЧ генератора, работающего на частоте 18 ГГц, системы ввода СВЧ излучения в вакуумную камеру, системы подачи рабочего вещества, системы экстракции ионного пучка, системы создания простой магнитной ловушки, системы создания поперечного магнитного поля с конфигурацией «минимум В». Для ввода СВЧ излучения используется волноводная линия передач, оканчивающаяся рупором. Система создания поперечного магнитного поля выполнена на основе системы соленоидов, расположенных в центральной части магнитной ловушки. Система экстракции ионного пучка состоит из двух электродов и расположена вблизи второй пробки магнитной ловушки. В результате устройство аналог позволяет создавать пучки ионов с током до 50 мА, что показано в патенте на примере двукратно ионизованного гелия.
Основным недостатком устройства аналога является ограниченная величина тока пучка ионов. Для дальнейшего увеличения тока необходимо повышать частоту СВЧ излучения. Это приводит к необходимости увеличивать напряженность магнитного поля для выполнения условия ЭЦР.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является источник, предложенный в патенте RU 2480858, МПК H01J 27/16, Н05Н 1/46. В нем описан сильноточный источник многозарядных ионов на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, содержащий СВЧ генератор, узел ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру, систему откачки, систему подачи рабочего вещества, магнитную систему для создания магнитного поля пробочной конфигурации с напряженностью, достаточной для возникновения внутри разрядной вакуумной камеры ЭЦР зон, систему формирования и экстракции пучка многозарядных ионов из плазмы. При этом узел ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру включает в себя квазиоптическую линию передачи СВЧ излучения в форме гауссова пучка, окно ввода СВЧ излучения, вынесенное за пределы магнитной ловушки, и согласующий элемент, расположенный в пробке магнитной ловушки и использующийся также и как уловитель плазмы. При этом геометрические размеры и форма согласующего элемента подобраны таким образом, что обеспечивают практически полное прохождение СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру. Благодаря тому, что излучение вводится в разрядную камеру квазиоптически, удается электрически развязать источник СВЧ излучения, в качестве которого используется гиротрон, и разрядную камеру, на которую подается высоковольтное напряжение, ускоряющее ионы. Важным недостатком такой системы ввода СВЧ излучения является то, что она способна согласовать только излучение в виде гауссова пучка, в то время как на выходе современных технологических гиротронов, работающих в непрерывном режиме генерации СВЧ, излучение представляет собой не гауссов пучок, а моду волновода. Обычно, в таких случаях для ввода СВЧ излучения используют волновод, который при этом отделяют от разрядной камеры, находящейся под высоким напряжением, изолятором, что ухудшает электропрочность системы по сравнению с квазиоптическим вводом СВЧ излучения в камеру.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка сильноточного, с током большим, чем в устройстве прототипе, источника ионов на основе разряда низкого давления, поддерживаемого в открытой магнитной ловушке СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн в условиях электронно-циклотронного резонанса, в котором СВЧ излучение получают от мощного СВЧ генератора с частотой, намного выше обычно используемой, и при этом транспортировку этого СВЧ излучения осуществляют в основном квазиоптически.
Технический результат в разрабатываемом устройстве достигается тем, что разрабатываемое устройство, так же как и устройство-прототип, содержит СВЧ генератор, узел ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру, систему откачки, систему подачи рабочего вещества, 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. При этом узел ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру включает в себя квазиоптическую линию передачи СВЧ излучения в форме гауссова пучка, окно ввода СВЧ излучения, вынесенное за пределы магнитной ловушки и согласующий элемент, расположенный в пробке магнитной ловушки и использующийся также как уловитель плазмы. При этом геометрические размеры и форма согласующего элемента подобраны таким образом, что обеспечивают полное прохождение СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру.
Новым в разработанном устройстве является то, что узел ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру дополнительно включает в себя расположенный после СВЧ генератора преобразователь моды СВЧ излучения в гауссов пучок и расположенный перед окном ввода СВЧ излучения преобразователь гауссова пучка в моду круглого волновода. При этом между двумя вышеупомянутыми преобразователями располагают квазиоптическую линию передачи СВЧ излучения в форме гауссова пучка. Геометрические размеры и форма преобразователей подобраны таким образом, чтобы обеспечить почти 100% преобразование «мода гиротрона - гауссов пучок - мода круглого волновода». Геометрические размеры упомянутого согласующего элемента подобраны таким образом, что обеспечивается полное прохождение моды круглого волновода СВЧ излучения в плазму, удерживаемую в магнитной ловушке, и предотвращается возникновение плазмы в паразитной ЭЦР зоне. А форма и характеристики согласующего элемента выбираются в зависимости от конкретной решаемой задачи. Как правило, согласующий элемент имеет форму плавного металлического конуса или клина, закрепленного на одной или более опорах.
Положительный эффект разработанного источника ионов можно объяснить следующим образом. Поскольку используется преобразователь моды гиротрона в гауссов пучок, можно применять технологические гиротроны, генерирующие мощное непрерывное излучение, осуществляя при этом транспортировку излучения в основном квазиоптически. Так как транспортировка СВЧ излучения осуществляется в основном с помощью квазиоптической линии передач, то удается применять мощное СВЧ излучение с частотой намного выше обычно используемой частоты. Благодаря тому, что перед входным окном имеется преобразователь излучения из гауссова пучка в моду круглого волновода, а согласующий элемент имеет специально подобранную форму и размеры, большая часть мощности (более 95%) непрерывного СВЧ генератора используется для получения плотной плазмы с высоким средним зарядом ионов. В результате разработанный источник ионов позволяет экстрагировать из плотной плазмы непрерывные пучки многозарядных ионов с током до долей Ампера и с высоким средним зарядом ионов.
На фиг. 1 представлена схема сильноточного источника ионов на основе плотной плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке.
Сильноточный источник многозарядных ионов, представленный на фиг. 1, содержит СВЧ генератор 1, узел ввода 2 СВЧ излучения в металлическую разрядную вакуумную камеру 3, состоящий из преобразователя моды СВЧ излучения в гауссов пучок 4 (далее преобразователь 4) с системой согласующих зеркал 5, преобразователя гауссова пучка в моду круглого волновода 6 (далее преобразователь 6), выполненного в виде волноводного рупора, и согласующего элемента 7. Кроме того сильноточный источник многозарядных ионов содержит разрядную вакуумную камеру 3 с магнитной системой 8 пробочного типа, систему формирования и экстракции пучка ионов 9, изолятор 10 и камеру расширения 11, а также систему откачки 12 и систему подачи рабочего вещества 13. Магнитная система 8 состоит из нескольких (не менее двух) соленоидов, закрепленных вдоль оси разрядной вакуумной камеры 3 и создает магнитную ловушку с полем пробочной конфигурации с напряженностью, достаточной для возникновения зон электронно-циклотронного резонанса. Излучение на выходе из СВЧ генератора 1 преобразуется с помощью преобразователя 4 в волновой гауссов пучок, который системой согласующих зеркал 5 передается квазиоптически на вход преобразователя гауссова пучка в моду круглого волновода 6. После чего излучение вводится в разрядную вакуумную камеру 3 через окно на выходе преобразователя 6, которое вынесено за пределы магнитной ловушки.
11
После окна СВЧ излучение, представляющее собой моду цилиндрического волновода ТЕ, проходит через согласующий элемент 7, осуществляющий сопряжение СВЧ излучения с разрядной вакуумной камерой 3. Возникающая в разрядном объеме камеры 3 плазма ограничена пробками магнитной ловушки. Система формирования и экстракции пучка ионов 9 состоит из плазменного электрода, ускоряющего электрода (пуллера), закрепленного на изоляторе 10, и источника высокого напряжения. При этом разрядная вакуумная камера 3 находится под высоким положительным потенциалом относительно земли.
В общем случае согласующий элемент 7 представляет собой плавный в масштабах длины волны СВЧ излучения клин или конус, помещенный внутрь цилиндрической разрядной вакуумной камеры 3.
-6
11
Сильноточный источник ионов на основе плотной плазмы электронно-циклотронного резонансного (ЭЦР) разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, представленный на фиг. 1, работает следующим образом. Разрядную вакуумную камеру 3 предварительно откачивают с помощью системы откачки 12 до давления не хуже 3⋅10 Торр. Магнитную ловушку с полем простой пробочной конфигурации создают с помощью магнитной системы 8 от отдельного блока питания. Величина магнитного поля должна быть достаточной для возникновения ЭЦР зон. Непрерывное СВЧ излучение с частотой, много большей обычно применяемой частоты, например 28 ГГц, направляют в разрядную вакуумную камеру 3 с помощью узла ввода 2 СВЧ излучения, состоящего из преобразователя 4 с системой согласующих зеркал 5, приемного рупора (преобразователя 6), преобразующего волновой пучок в волну ТЕ цилиндрического волновода и согласующего элемента 7. Под действием СВЧ излучения в условиях электронно-циклотронного резонанса электроны приобретают высокую энергию, и в объеме разрядной вакуумной камеры 3 происходит ионизация рабочего вещества, предварительно поданного в камеру 3 системой подачи рабочего вещества 13. Образовавшаяся плазма ограничена пробками магнитной ловушки. Магнитная ловушка удерживает плазму от быстрого разлета, а наличие ЭЦР зон обеспечивает эффективный набор электронами энергии в поле СВЧ волны. Пучок ионов формируют под действием высокого напряжения от высоковольтного источника, приложенного между плазменным электродом и пулером. При этом вся разрядная вакуумная камера 3 находится под высоким потенциалом относительно земли.
13
-3
11
Поскольку используется преобразователь моды СВЧ излучения в гауссов пучок 4, можно применять в качестве СВЧ генератора 1 технологические гиротроны, генерирующие мощное непрерывное излучение, осуществляя при этом транспортировку излучения в основном квазиоптически. Так как транспортировка СВЧ излучения осуществляется в основном с помощью квазиоптической линии передач (системы согласующих зеркал 5), то удается применять мощное СВЧ излучение с частотой, намного выше обычно используемой частоты. Ввиду того, что транспортировка СВЧ излучения осуществляется в основном с помощью квазиоптической линии передач, СВЧ генератор 1 оказывается электрически изолированным от разрядной вакуумной камеры 3, находящейся под высоким (до 100 кВ) потенциалом, ускоряющим ионы. Поскольку используется мощное коротковолновое СВЧ излучение (например, с частотой 28 ГГц и мощностью 10 кВт), то плазма имеет концентрацию электронов 10 см и выше, а конус потерь электронов заполнен, и вынос плазмы из ловушки вдоль силовых линий магнитного поля происходит с ионно-звуковой скоростью. Поскольку окно ввода СВЧ излучения вынесено за пределы магнитной ловушки, а в пробке расположен согласующий элемент 7, использующийся и как уловитель плазмы, то окно не подвергается интенсивной ионной бомбардировке, не происходит разрушения окна и не происходит загрязнения рабочего вещества материалом окна. Кроме того, поскольку в пробке магнитной ловушки расположен согласующий элемент 7, использующийся и как уловитель плазмы, то не происходит образование плазмы в паразитной ЭЦР зоне. Благодаря тому, что перед входным окном имеется преобразователь 6 излучения из гауссова пучка в моду ТЕ, а согласующий элемент 7 имеет специально подобранную форму и размеры, большая часть мощности (более 95%) непрерывного СВЧ генератора 1 используется для получения плотной плазмы с высоким средним зарядом ионов. В результате разработанный источник ионов позволяет экстрагировать из плотной плазмы непрерывные пучки многозарядных ионов с током до долей Ампера и с высоким средним зарядом ионов.
Таким образом, в разработанном устройстве в качестве СВЧ генератора используют мощный технологический гиротрон, работающий в непрерывном режиме генерации СВЧ, излучение которого представляет собой не гауссов пучок, а моду волновода. А использование преобразователя моды СВЧ излучения в гауссов пучок и преобразователя гауссова пучка в моду круглого волновода в узле ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру позволяет осуществлять транспортировку этого СВЧ излучения в том числе квазиоптически. Наличие квазиоптической линии передачи позволяет электрически изолировать (создать DC break) мощный гиротрон от разрядной вакуумной камеры, находящейся под высоким потенциалом (до 100 кВ). Таким образом, разработанный сильноточный источник ионов на основе плотной плазмы электронно-циклотронного резонансного (ЭЦР) разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, позволяет получить непрерывные пучки многозарядных ионов с током до долей Ампера и с высоким средним зарядом ионов.