СИЛЬНОТОЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПУЧКА 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 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 величина 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.К., 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 К.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 // Review of Scientific Instruments. - American Institute of Physics, 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 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, 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.
Традиционно в источниках ионов для формирования сильноточных пучков в условиях недостаточно высокой плотности потока плазмы используются многоапертурные системы формирования пучка. Например, в патенте GB 2295485 (МПК F03H 1/00; H01J 27/02, публ. 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 является увеличение тока пучка за счет повышение 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. Тем не менее, эмиссионной способности плазмы все же оказывается недостаточно для формирования пучков с токами на уровне 1 А. С другой стороны, увеличение тока пучка за счет увеличения апертуры в плазменном электроде невозможно из-за неоднородности потока плазмы в радиальном направлении. К тому же увеличение апертуры кратно увеличивает эмиттанс пучка.
Из числа известных технических решений наиболее близким к предлагаемому является устройство, предложенное в патенте RU 2480858 (МПК H01J 27/16, Н05Н 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 данного прототипа от аналогов является то, что благодаря более высокой частоте нагрева реализован т.н. 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. При этом эмиссионная способность плазмы позволяет при приемлемых с точки зрения величины эмиттанса размерах апертуры в плазменном электроде (на уровне 1 см) обеспечивать токи на уровне 1 А.
Одним из основных недостатков устройства прототипа с точки зрения формирования пучка ионов является то, что угол расхождения пучка после прохождения через апертуру ускоряющего электрода является достаточно большим. Это связано в первую очередь с тем, что из-за высокой плотности плазмы не всегда удается достичь оптимальных параметров системы формирования пучка из-за конечной электропрочности системы (требуется слишком высокое ускоряющее напряжение и слишком малое расстояние между электродами). Данный факт дополнительно усугубляется тем, что из-за высокой величины тока пучка существенно расплывание в собственных полях.
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 с малой величиной эмиттанса и минимальным углом расхожения.
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 на выходе ускоряющего электрода расположена магнитная ионная линза в виде соленоида, магнитное поле которой подобрано таким образом, что ее фокусное расстояние равно расстоянию от линзы до отверстия в ускоряющем электроде.
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. 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.
Положительный эффект разработанной системы формирования и экстракции ионного пучка можно объяснить следующим образом. Регулируя напряжение между электродами и расстояние между ними можно добиться минимально возможного в данных условиях угла расхождения пучка, чтобы как можно большая его часть попадала в апертуру линзы. После этого магнитное поле линзы подбирается таким образом, чтобы ее фокусное расстояние было равно расстоянию от линзы до отверстия в ускоряющем электроде. В результате на выходе из линзы формируется практически параллельный ионный пучок, что позволяет существенно облегчить его дальнейшую транспортировку до потребителя. Таким образом, 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 минимальным углом расхождения.
Краткое описание фигур чертежей.
На фиг. 1 представлена схема сильноточного источника пучков ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда.
Сильноточный источник пучков ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, содержит 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 систему крепления 6 и изолятор 7 соединен с вакуумной камерой 1. Сразу за ускоряющим электродом 5 расположена также входящая в систему формирования и экстракции пучков ионов магнитная ионная линза в виде соленоида 8. К плазменному электроду 4 и ускоряющему электроду 5 подключен высоковольтный источник напряжения.
Предлагаемый источник ионов работает следующим образом.
-7
13
-3
Разрядную вакуумную камеру 1 предварительно откачивают 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. 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 приложенного между плазменным электродом 4 и ускоряющим электродом 5 высокого напряжения от высоковольтного источника. При этом вся разрядная вакуумная камера 1, как и плазменный электрод 4, находится под высоким потенциалом относительно земли.
Особенностью разработанного источника ионов по сравнению с прототипом является то, что сразу за ускоряющим электродом 5 расположена магнитная ионная линза в виде соленоида 8, которая питается от отдельного источника. Подбирая магнитное поле в магнитной ионной линзе в виде соленоида 8, можно сделать ее фокусное расстояние равным расстоянию между ней и отверстием в ускоряющем электроде 5. В результате на выходе из магнитной ионной линзы в виде соленоида 8 ионный пучок становится практически параллельным. Стоит отметить, что благодаря тому, что используется одноапертурная система формирования пучка (в отличие, например, от системы из патента GB 2295485 (МПК F03H 1/00; H01J 27/02, публ. 29.05.1996)), апертура пучка на входе в магнитную ионную линзу в виде соленоида 8 не слишком большая (несколько сантиметров). Поэтому требуемое магнитное поле (1-2 Тл) необходимо создавать в небольшом объеме, что существенно снижает требуемую для этого энергию.
Разработанный источник ионов позволяет формировать из плотной плазмы пучки ионов с током до 1 Ампера и низкой величиной эмиттанса (благодаря малым размерам апертуры в плазменном электроде) вплоть до 0,1π мм⋅мрад в нормализованных единицах.