УСТРОЙСТВО, СИСТЕМА И СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПУЧКОВ ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ ЭЦР

1. Источник ионов, содержащий:
камеру, расположенную вокруг продольной оси и содержащую газ,
систему магнитного удержания, предназначенную для создания магнитного поля в области удержания в камере, причем область удержания расположена вокруг оси и проходит вдоль оси от ближнего конца к дальнему концу, и магнитное поле содержит
первое магнитное зеркало, находящееся на ближнем конце области удержания,
второе магнитное зеркало, находящееся на дальнем конце области удержания,
по существу, однородное магнитное поле, расположенное вокруг продольной оси и направленное, по существу, параллельно ей, причем, по существу, однородное магнитное поле находится между первым и вторым магнитными зеркалами, и
возбудитель электронно-циклотронного резонанса, который создает переменное во времени электрическое поле, которое возбуждает циклотронное движение электронов, находящихся в области удержания, причем возбужденные электроны взаимодействуют с газом, образуя удерживаемую плазму,
причем в ходе эксплуатации система магнитного удержания удерживает плазму в области удержания, благодаря чему, часть атомов в плазме испытывают многократно ионизирующие взаимодействия с возбужденными электронами для образования многократно ионизированных ионов, имеющих выбранное конечное состояние ионизации.
2. Источник ионов по п.1, в котором каждое из первого и второго магнитных зеркал содержит неоднородное магнитное поле, причем поле:
направлено, по существу, вдоль продольной оси, и имеет величину, которая возрастает как функция осевого расстояния от, по существу, однородного магнитного поля до пиковой величины, превышающей величину, по существу, однородного магнитного поля, и
пиковая величина первого магнитного зеркала превышает пиковую величину второго магнитного зеркала.
3. Источник ионов по п.2, в котором пиковая величина каждого из первого и второго магнитных зеркал более чем вдвое превышает величину, по существу, однородного магнитного поля.
4. Источник ионов по п.1, в котором величина, по существу, однородного магнитного поля составляет локальный аксиальный минимум магнитного поля в области удержания.
5. Источник ионов по п.1, дополнительно содержащий экстрактор для извлечения пучка ионов из области удержания, причем пучок содержит часть многократно ионизированных ионов в выбранном конечном состоянии ионизации.
6. Источник ионов по п.5, в котором ток ионного пучка составляет 1 мА или более.
7. Источник ионов по п.5, в котором ток ионного пучка составляет 10 мА или более.
8. Источник ионов по п.5, в котором ток ионного пучка составляет 20 мА или более.
9. Источник ионов по п.5, в котором ток ионного пучка составляет 50 мА или более.
10. Источник ионов по п.6, в котором, по меньшей мере, 50% ионов в пучке находится в выбранном конечном состоянии ионизации.
11. Источник ионов по п.10, в котором, по меньшей мере, 70% ионов в пучке находится в выбранном конечном состоянии ионизации.
12. Источник ионов по п.1, в котором возбудитель электронно-циклотронного резонанса создает переменное во времени электрическое поле, имеющее частоту, по существу, настроенную на частоту электронно-циклотронного резонанса, соответствующую, по существу, однородному магнитному полю.
13. Источник ионов по п.12, в котором возбудитель электронно-циклотронного резонанса возбуждает циклотронное движение электронов, находящихся в объеме, содержащем, по существу, однородное магнитное поле.
14. Источник ионов по п.1, в котором величина, по существу, однородного магнитного поля изменяется менее чем на 10% по области, расположенной вокруг продольной оси, причем область находится посередине между первым и вторым магнитными зеркалами и проходит вдоль продольной оси на расстояние, равное, по меньшей мере, около 25% осевого расстояния между первым и вторым магнитными зеркалами.
15. Источник ионов по п.1, в котором величина, по существу, однородного магнитного поля изменяется менее чем на 1% по области, проходящей, по меньшей мере, на 15 см вдоль продольной оси.
16. Источник ионов по п.1, в котором величина, по существу, однородного магнитного поля изменяется менее чем на 5% по области, проходящей, по меньшей мере, на 15 см вдоль продольной оси.
17. Источник ионов по п.1, в котором величина, по существу, однородного магнитного поля изменяется менее чем на 10% по области, проходящей, по меньшей мере, на 15 см вдоль продольной оси.
18. Источник ионов по п.1, в котором магнитное поле обладает азимутальной симметрией относительно продольной оси по области удержания.
19. Источник ионов по п.1, в котором время электронно-циклотронной декорреляции для электронов, возбуждаемых возбудителем электронно-циклотронного резонанса, равно, по меньшей мере, по порядку величины, среднему времени удержания нагретого электрона в области удержания.
20. Источник ионов по п.12, в котором возбудитель электронно-циклотронного резонанса возбуждает, по меньшей мере, часть электронов в объеме до энергии около 200 эВ или более.
21. Источник ионов по п.12, в котором возбудитель электронно-циклотронного резонанса возбуждает, по меньшей мере, часть электронов в объеме до энергии около 300 эВ или более.
22. Источник ионов по п.12, в котором возбудитель электронно-циклотронного резонанса возбуждает, по меньшей мере, часть электронов в объеме до энергии около 1 кэВ или более.
23. Источник ионов по п.1, дополнительно содержащий ионно-циклотронный возбудитель, который направляет излучение в область удержания для предпочтительного возбуждения циклотронного движения ионов в плазме, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации, для увеличения кинетической энергии ионов в направлениях, перпендикулярных продольной оси.
24. Источник ионов по п.23, в котором ионно-циклотронный возбудитель, предпочтительно, увеличивает время удержания в области удержания ионов, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации, тем самым, увеличивая количество ионов, испытывающих дополнительные ионизирующие взаимодействия с электронами в области удержания, для образования ионов, имеющих выбранное конечное состояние ионизации.
25. Источник ионов по п.24, в котором ионно-циклотронный возбудитель направляет в область удержания излучение, имеющее частоту, по существу, настроенную на ионно-циклотронную частоту ионов, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации в, по существу, однородном магнитном поле.
26. Источник ионов по п.25, в котором выбранное возбужденное состояние ионизации является единично ионизированным состоянием.
27. Источник ионов по п.25, в котором выбранное возбужденное состояние ионизации является многократно ионизированным состоянием, степень ионизации которого меньше, чем у конечного состояния ионизации.
28. Источник ионов по п.24, в котором ионно-циклотронный возбудитель направляет излучение в область удержания на совокупности частот, каждая из которых, по существу, настроена на ионно-циклотронную частоту ионов, имеющих соответствующее выбранное возбужденное состояние ионизации в, по существу, однородном магнитном поле.
29. Источник ионов по п.25, в котором ионно-циклотронный возбудитель содержит антенну, выбранную из группы, состоящей из невитой бифилярной антенны и невитой филярной антенны.
30. Источник ионов по п.1, в котором:
по меньшей мере, одно магнитное зеркало содержит магнитное поле, выходящее из области удержания,
электронно-циклотронный возбудитель настроен на электронно-циклотронную частоту, соответствующую части магнитного поля, выходящей из области удержания, для возбуждения циклотронного движения неудерживаемых электронов в части поля, причем неудерживаемые электроны взаимодействуют с газом, образуя неудерживаемую плазму, и
источник ионов дополнительно содержит распыляемую мишень, находящуюся в камере ближе к части магнитного поля, на которую подается напряжение смещения для притяжения ионов из неудерживаемой плазмы, в результате столкновений с притягиваемыми ионами, распылительный источник испускает нейтральные частицы, образующие, по меньшей мере, часть атомарного газа.
31. Источник ионов по п.30, в котором, по меньшей мере, часть испущенных нейтральных частиц взаимодействует с неудерживаемыми электронами для образования ионов, которые притягиваются обратно к распылительному источнику.
32. Источник ионов по п.31, в котором распыляемая мишень содержит, по меньшей мере, одно, выбранное из списка, состоящего из кольца из материала, расположенного вокруг продольной оси, кольца из материала, расположенного вокруг продольной оси и имеющего поверхность мишени, наклоненную относительно продольной оси, и материала мишени, размещенного вокруг продольной оси и проходящего вдоль нее.
3
++
33. Источник ионов по п.1, в котором газ содержит атомы He, и система магнитного удержания удерживает плазму в области удержания, благодаря чему, часть атомов He в плазме испытывает два единично ионизирующих взаимодействия с возбужденными электронами с образованием альфа-частиц или ионов He.
3
++
34. Источник ионов по п.33, дополнительно содержащий экстрактор для извлечения пучка ионов He из области удержания, причем пучок содержит альфа-частицы или ионы He.
35. Источник ионов по п.34, в котором ток пучка ионов He составляет 1 мА или более.
36. Источник ионов по п.34, в котором ток пучка ионов He составляет 20 мА или более.
3
++
37. Источник ионов по п.35, в котором, по меньшей мере, 50% ионов в пучке составляют альфа-частицы или ионы He.
3
++
38. Источник ионов по п.35, в котором, по меньшей мере, 70% ионов в пучке составляют альфа-частицы или ионы He.
3
++
39. Источник ионов по п.35, в котором, по меньшей мере, 90% ионов в пучке составляют альфа-частицы или ионы He.
40. Источник ионов по п.1, в котором система магнитного удержания дополнительно предназначена для создания магнитного поля радиального удержания, которое ограничивает радиальное движение плазмы от продольной оси,
причем магнитное поле радиального удержания, по существу, не проходит в, по существу, однородное магнитное поле.
41. Источник ионов по п.40, в котором система магнитного удержания содержит многополюсный магнит радиального удержания, расположенный вокруг продольной оси, который создает магнитное поле, направленное азимутально к продольной оси и имеющее величину, которая радиально уменьшается с увеличением близости к оси, но не вдоль одной или нескольких переходных областей.
42. Источник ионов по п.40, в котором многополюсный магнит содержит 8 или более полюсов.
43. Источник ионов по п.1, в котором возбудитель электронно-циклотронного резонанса создает переменное во времени электрическое поле, имеющее частоту, по существу, расстроенную по отношению к частоте электронно-циклотронного резонанса, соответствующей, по существу, однородному магнитному полю.
44. Источник ионов по п.43, в котором:
возбудитель электронно-циклотронного резонанса возбуждает циклотронное движение электронов, находящихся в первой области неоднородного магнитного поля, удаленной от, по существу, однородного магнитного поля вдоль продольной оси, и во второй области неоднородного магнитного поля, ближней к, по существу, однородному магнитному полю вдоль продольной оси.
45. Источник ионов по п.43, в котором каждая из первой и второй областей неоднородного магнитного поля содержит поверхность, образованную точками, отличающимися тем, что частота переменного во времени электрического поля настроена на частоту электронно-циклотронного резонанса неоднородного магнитного поля в точках.
46. Источник ионов по п.1, в котором, по существу, однородное магнитное поле имеет величину около .5 Т или более.
47. Источник ионов по п.1, в котором, по существу, однородное магнитное поле имеет величину около .6 Т или более.
48. Источник ионов по п.1, в котором газ содержит молекулы, и возбужденные электроны взаимодействуют с газом для диссоциации молекул с образованием удерживаемой плазмы.
49. Способ генерации ионного пучка, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают камеру, расположенную вокруг продольной оси и содержащую газ,
создают магнитное поле в области удержания в камере, причем область удержания расположена вокруг оси и проходит вдоль оси от ближнего конца к дальнему концу, и магнитное поле содержит
первое магнитное зеркало, находящееся на ближнем конце области удержания,
второе магнитное зеркало, находящееся на дальнем конце области удержания,
по существу, однородное магнитное поле, расположенное вокруг продольной оси и направленное, по существу, параллельно ей, причем, по существу, однородное магнитное поле находится между первым и вторым магнитными зеркалами,
создают переменное во времени электрическое поле для возбуждения циклотронного движения электронов, находящихся в области удержания,
обеспечивают взаимодействие возбужденных электронов с газом для формирования удерживаемой плазмы, и
удерживают плазму в области удержания, благодаря чему, часть атомов в плазме испытывает многократно ионизирующие взаимодействия с возбужденными электронами для образования многократно ионизированных ионов, имеющих выбранное конечное состояние ионизации.
50. Способ по п.49, в котором каждое из первого и второго магнитных зеркал содержит неоднородное магнитное поле, причем поле:
направлено, по существу, вдоль продольной оси и
имеет величину, которая возрастает как функция осевого расстояния от, по существу, однородного магнитного поля до пиковой величины, превышающей величину, по существу, однородного магнитного поля, и
пиковая величина первого магнитного зеркала превышает пиковую величину второго магнитного зеркала.
51. Способ по п.49, в котором пиковая величина каждого из первого и второго магнитных зеркал более чем вдвое превышает величину, по существу, однородного магнитного поля.
52. Способ по п.49, в котором величина, по существу, однородного магнитного поля составляет локальный аксиальный минимум магнитного поля в области удержания.
53. Способ по п.49, дополнительно содержащий этап, на котором извлекают ионный пучок из области удержания, причем пучок содержит часть ионов, находящихся в выбранном конечном состоянии ионизации.
54. Способ по п.53, в котором ток ионного пучка составляет 1 мА или более.
55. Способ по п.53, в котором ток ионного пучка составляет 10 мА или более.
56. Способ по п.53, в котором ток ионного пучка составляет 20 мА или более.
57. Способ по п.53, в котором ток ионного пучка составляет 50 мА или более.
58. Способ по п.54, в котором, по меньшей мере, 70% ионов находится в выбранном конечном состоянии ионизации.
59. Способ по п.54, в котором, по меньшей мере, 80% ионов в пучке находится в выбранном конечном состоянии ионизации.
60. Способ по п.49, в котором переменное во времени электрическое поле имеет частоту, по существу, настроенную на частоту электронно-циклотронного резонанса, соответствующую, по существу, однородному магнитному полю.
61. Способ по п.60, в котором возбудитель электронно-циклотронного резонанса возбуждает циклотронное движение электронов, находящихся в объеме, окружающем, по существу, однородное магнитное поле.
62. Способ по п.49, в котором величина, по существу, однородного магнитного поля изменяется менее чем на 10% по области, расположенной вокруг продольной оси, причем область находится посередине между первым и вторым магнитными зеркалами и проходит вдоль продольной оси на расстояние, равное, по меньшей мере, около 25% осевого расстояния между первым и вторым магнитными зеркалами.
63. Способ по п.49, в котором величина, по существу, однородного магнитного поля изменяется менее чем на 1% по области, проходящей, по меньшей мере, на 15 см вдоль продольной оси.
64. Способ по п.49, в котором величина, по существу, однородного магнитного поля изменяется менее чем на 5% по области, проходящей, по меньшей мере, на 15 см вдоль продольной оси.
65. Способ по п.49, в котором величина, по существу, однородного магнитного поля изменяется менее чем на 10% по области, проходящей, по меньшей мере, на 15 см вдоль продольной оси.
66. Способ по п.49, в котором магнитное поле обладает азимутальной симметрией относительно продольной оси по области удержания.
67. Способ по п.49, в котором время электронно-циклотронной декорреляции для возбужденных электронов равно, по меньшей мере, по порядку величины, среднему времени удержания нагретого электрона в области удержания.
68. Способ по п.49, содержащий этап, на котором возбуждают циклотронное движение электронов, находящихся в области удержания для сообщения электрону энергии около 200 эВ или более.
69. Способ по п.49, содержащий этап, на котором возбуждают циклотронное движение электронов, находящихся в области удержания для сообщения электрону энергии около 300 эВ или более.
70. Способ по п.49, содержащий этап, на котором возбуждают циклотронное движение электронов, находящихся в области удержания для сообщения электрону энергии около 1 кэВ или более.
71. Способ по п.49, дополнительно содержащий этап, на котором направляют излучение в область удержания для предпочтительного возбуждения циклотронного движения ионов в плазме, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации, для увеличения кинетической энергии ионов в направлениях, перпендикулярных продольной оси.
72. Способ по п.71, в котором на этапе направления излучения в область удержания для предпочтительного возбуждения циклотронного движения ионов в плазме, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации
предпочтительно, увеличивают время удержания в области удержания для ионов, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации, тем самым, увеличивая количество атомов, испытывающих дополнительные ионизирующие взаимодействия с электронами в области удержания.
73. Способ по п.72, в котором на этапе направления излучения в область удержания для предпочтительного возбуждения циклотронного движения ионов в плазме, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации
направляют в область удержания излучение, имеющее частоту, по существу, настроенную на ионно-циклотронную частоту ионов, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации в, по существу, однородном магнитном поле.
74. Способ по п.73, в котором выбранное возбужденное состояние ионизации является единично ионизированным состоянием.
75. Способ по п.73, в котором выбранное возбужденное состояние ионизации является многократно ионизированным состоянием, степень ионизации которого меньше, чем у конечного состояния ионизации.
76. Способ по п.73, содержащий этап, на котором направляют излучение в область удержания на совокупности частот, причем каждая частота, по существу, настроена на ионно-циклотронную частоту ионов, имеющих соответствующее выбранное возбужденное состояние ионизации в, по существу, однородном магнитном поле.
77. Способ по п.73, в котором на этапе направления излучения в область удержания для предпочтительного возбуждения циклотронного движения ионов в плазме, имеющих выбранное возбужденное состояние ионизации
направляют излучение от антенны, выбранной из группы, состоящей из невитой бифилярной антенны и невитой филярной антенны.
78. Способ по п.73, в котором:
по меньшей мере, одно магнитное зеркало содержит магнитное поле, выходящее из области удержания,
частота переменного во времени электрического поля настроена на электронно-циклотронную частоту, соответствующую части магнитного поля, выходящей из области удержания, для возбуждения циклотронного движения неудерживаемых электронов в части поля, причем неудерживаемые электроны взаимодействуют с газом, образуя неудерживаемую плазму, и
дополнительно содержащий этапы, на которых:
обеспечивают распыляемую мишень, находящуюся в камере ближе к части магнитного поля,
подают напряжение смещения на распыляемую мишень для притяжения ионов из неудерживаемой плазмы, благодаря чему, в результате столкновений с притягиваемыми ионами, распылительный источник испускает нейтральные частицы, образующие, по меньшей мере, часть атомарного газа.
79. Способ по п.78, в котором, по меньшей мере, часть испущенных нейтральных частиц взаимодействует с неудерживаемыми электронами для образования ионов, которые притягиваются обратно к распылительному источнику со смещением.
80. Способ по п.79, в котором распыляемая мишень содержит, по меньшей мере, одно, выбранное из списка, состоящего из кольца из материала, расположенного вокруг продольной оси, кольца из материала, расположенного вокруг продольной оси и имеющего поверхность мишени, наклоненную относительно продольной оси, материала мишени, размещенного вокруг продольной оси и проходящего вдоль нее.
81. Способ по п.49, в котором газ содержит атомы He, и содержащий этап, на котором:
удерживают плазму в области удержания, благодаря чему, часть атомов He в плазме испытывает два единично ионизирующие взаимодействия с возбужденными электронами с образованием альфа-частиц.
3
++
82. Способ по п.81, дополнительно содержащий этап, на котором извлекают пучок ионов He из области удержания, причем пучок содержит альфа-частицы или ионы He.
83. Способ по п.82, в котором ток пучка ионов He составляет 1 мА или более.
84. Способ по п.82, в котором ток пучка ионов He составляет 20 мА или более.
3
++
85. Способ по п.83, в котором, по меньшей мере, 50% ионов в пучке составляют альфа-частицы или ионы He.
3
++
86. Способ по п.83, в котором, по меньшей мере, 70% ионов в пучке составляют альфа-частицы или ионы He.
3
++
87. Способ по п.83, в котором, по меньшей мере, 90% ионов в пучке составляют альфа-частицы или ионы He.
88. Способ по п.49, дополнительно содержащий этап, на котором создают магнитное поле радиального удержания, которое удерживает плазму радиальном направлении,
причем магнитное поле радиального удержания, по существу, не проходит в, по существу, однородное магнитное поле.
89. Способ по п.88, в котором на этапе создания магнитного поля радиального удержания создают магнитное поле, направленное азимутально к продольной оси и имеющее величину, которая радиально уменьшается с увеличением близости к оси, но не вдоль одной или нескольких переходных областей.
90. Способ по п.49, содержащий этап, на котором создают переменное во времени электрическое поле, имеющее частоту, по существу, расстроенную по отношению к частоте электронно-циклотронного резонанса, соответствующей, по существу, однородному магнитному полю.
91. Способ по п.90, содержащий этап, на котором:
возбуждают циклотронное движение электронов, находящихся в первой области неоднородного магнитного поля, удаленной от, по существу, однородного магнитного поля вдоль продольной оси, и во второй области неоднородного магнитного поля, ближней к, по существу, однородному магнитному полю вдоль продольной оси.
92. Способ по п.91, в котором каждая из первой и второй областей неоднородного магнитного поля содержит поверхность, образованную точками, в которых частота переменного во времени электрического поля настроена на частоту электронно-циклотронного резонанса неоднородного магнитного поля в точках.
93. Способ по п.92, дополнительно содержащий этап, на котором осуществляют стохастический нагрев электронов в области удержания, которые проходят через первую и вторую области много раз.
94. Способ по п.49, в котором, по существу, однородное магнитное поле имеет величину около .5 Т или более.
95. Способ по п.49, в котором, по существу, однородное магнитное поле имеет величину около .6 Т или более.
96. Способ по п.49, в котором газ содержит молекулы, и на этапе обеспечения взаимодействия возбужденных электронов с газом для формирования удерживаемой плазмы диссоциируют молекулы.