RU2660677C1 - High-current source of ion beams based on of electron-cyclotron resonance discharge plasma held in open magnetic trap - Google Patents
High-current source of ion beams based on of electron-cyclotron resonance discharge plasma held in open magnetic trap Download PDFInfo
- Publication number
- RU2660677C1 RU2660677C1 RU2017141315A RU2017141315A RU2660677C1 RU 2660677 C1 RU2660677 C1 RU 2660677C1 RU 2017141315 A RU2017141315 A RU 2017141315A RU 2017141315 A RU2017141315 A RU 2017141315A RU 2660677 C1 RU2660677 C1 RU 2660677C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- ion
- extraction
- formation
- electrodes
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of formation of high-current ion beams by their extraction from a dense plasma ECR discharge created in an open magnetic trap by powerful radiation of the millimeter wavelength range. Such ion beams are in demand in a number of applications: accelerator technology, medicine, ion implantation, basic research on the interaction of ion beams with targets, etc.
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.Recently, there has been a rapid development of technologies associated with the use of ion beams. These technologies, for example, include: surface treatment and modification of semiconductor surfaces [Hirvones J.K., Nastasi M., Hirvonen J.K., Mayer J.W. "Ion-solid Interactions: Fundamentals and Applications" Cambridge Univ. Pr., 1996], ion beam epitaxy and implantation [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], effect on cancerous tumors [Muramatsu M., Kitagawa A., Sato S., Sato Y., Yamada S ., Hattori T., Shibuya S. "Development of the compact electron cyclotron resonance ion source for heavy-ion therapy" Review of Scientific Instruments, V. 71, P. 984, 2000], etc. In addition, ion beams are widely used in scientific research, for example, in research in the field of nuclear physics, in particular for the synthesis of new elements of the periodic table, etc.
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).To date, there are several types of ion sources that differ both in the method of creating the plasma and in the parameters of the produced beams (“Physics and Technique of Ion Sources” // edited by Y. Braun, M .: Mir, 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).Among ion sources, sources based on a low-pressure discharge maintained in an open magnetic trap by microwave radiation under electron-cyclotron resonance (ECR) conditions are widely used. ECR sources compare favorably with other types in those cases when a moderately high average charge of ions is required (for example, 7–9 for argon) at a sufficiently high beam current (~ 100 μA) and a low emittance. Such sources have a long service life and high stability, make it easy to change the working substance (Geller R., "Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas" Institute of Physics, Bristol, 1996).
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⋅1012 см-3 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, 1998, V. 69. N. 3).The formation of ion beams in ECR sources is carried out by their extraction from plasma held in an open magnetic trap. In classical sources of multiply charged ions, the plasma density is relatively low, and its heating is carried out by microwave radiation of a relatively low frequency (up to 18 GHz), which limits the plasma density at the critical density level to 3 × 10 12 cm -3 for the used frequency of 18 GHz. The plasma confinement time in a magnetic trap is determined by the rate of electron filling of the loss cone as a result of electron-ion collisions and can reach several tens of milliseconds. To maintain the plasma, a sufficiently small microwave power (100 W ÷ 1 kW) is sufficient. The input of microwave radiation with such parameters is traditionally carried out using standard waveguide or coaxial transmission lines (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.The key factor determining the average charge of ions in a plasma is the retention parameter N⋅τ, where N is the average plasma concentration and τ is the ion retention time in the trap. At present, most likely, the possibilities for increasing the retention parameter N⋅τ by increasing the retention time of ions are practically exhausted. Almost all current sources of multiply charged ions use traps with a magnetic configuration of "minimum B". This configuration is created by combining the longitudinal field of a simple magnetic trap and the transverse field of a multipolar (usually six-pole) magnetic system. The design and location of the system for the formation and extraction of an ion beam from a plasma also affects the current of the ECR source.
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.The classic ECR source is described, for example, in patent US 5506475 (
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.The disadvantage of the analog device is that, due to the low plasma density in the source, the system for generating and extracting the ion beam from the plasma is located near the magnetic plug of the trap and a strong magnetic field negatively affects the emittance of the generated beam. In addition, due to the low plasma density, the aspect ratio (the ratio of the radius of the hole in the plasma electrode to the distance between the electrodes) is large enough, which makes the ion beam formation system sensitive to fluctuations in plasma density and aberrations of the ion-optical system.
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.Traditionally, ion sources for the formation of a high-current beam under conditions of insufficiently high plasma flux density use multi-aperture beam formation systems. For example, in patent GB 2295485 (IPC
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»).The most promising way to increase the beam current is to increase the plasma density in the discharge, which is achieved, first of all, by increasing the frequency and power of microwave radiation. For example, a method of increasing the current of the extracted ion beams is proposed in the patent KR 101311467 (IPC H01J 37/08, H01J 27/02, published 04.06.2013). But this leads to the need to increase the magnetic field in the trap, and a strong magnetic field has a negative effect on the quality of the beam (primarily on emittance, increasing its value). Under these conditions, the design and location of the system for the formation and extraction of an ion beam from a plasma (the so-called “extractor”) is significant.
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.So, in a high-current ion source described in the application WO 2010132068 (IPC
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).A disadvantage of the known analogue is that the system for the formation and extraction of an ion beam operates in high magnetic fields, which affects the quality of the beam. The plasma electrode of the beam forming system is rigidly attached to the plasma source, which does not allow controlling the plasma flux density to this electrode without changing the plasma parameters in the source. As a result, the magnitude of the current and emittance of the generated beam are less than they could be if the adjustment were proper. Thus, the analog device allows you to create ion beams with a current of not more than 50 mA (in the above example, an ion beam of doubly ionized helium).
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.Of the known technical solutions, the closest to the claimed invention is the device proposed in patent RU 2480858 (IPC H01J 27/16,
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.The main disadvantage of the prototype device is the inability, regardless of the source of the plasma, to control the density of the plasma flux incident on the plasma electrode, and, accordingly, to regulate the configuration of the system for the formation and extraction of the ion beam. Those. in the prototype device, as well as in the analog device, the plasma electrode of the ion beam formation system is rigidly attached to the plasma source, which ultimately does not allow to obtain a high-quality high-current ion beam. The design and arrangement of the system for the formation and extraction of an ion beam from a plasma does not allow increasing the beam current without deteriorating its quality.
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.The problem to which the present invention is directed, is the development of a device that allows to form a high-pressure ion beam, namely a beam with a current, from a dense plasma of a low-pressure discharge supported in an open magnetic trap by microwave radiation of the millimeter wavelength range under conditions of electron-cyclotron resonance at a level of 1 A and higher, with a small emittance (less than 0.25 π mm⋅mrad) and a minimum angle of divergence.
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.The technical result in the developed high-current source of ion beams based on plasma electron-cyclotron resonance discharge, held in an open magnetic trap, is achieved by the fact that the developed device, like the prototype device, contains a magnetic system to create a magnetic field of a plug configuration with intensity sufficient for the appearance of ECR zones inside the discharge vacuum chamber, a system for the formation and extraction of an ion beam from a plasma, containing a plasma electrode and an accelerating Electrode.
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.New in the developed device is that the aforementioned system for the formation and extraction of an ion beam from plasma is autonomous, the plasma electrode and accelerating electrode are movable with the possibility of moving relative to each other and relative to the magnetic system, and an adjustment system is introduced into the system of formation and extraction of the ion beam, providing the possibility of rotation of the axis of the plasma and accelerating electrodes relative to the axis of the system and the alignment of the said electrodes with each other and the discharge vacuum to amer.
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.In ion sources, ions are extracted from a dense plasma by an ECR discharge by applying the electric potential difference between the plasma electrode and the accelerating one. The configuration of the lines of force of the electric field accelerating the ions and forming the beam structure is determined by the selection of the corresponding geometry of the electrodes and the distance between them. The movement of the electrodes makes it possible to independently change the geometric position of both the plasma electrode and the accelerating one (puller), which makes it possible to independently control the density of the ion flux incident on the plasma electrode and the geometry of the system forming the ion beam without changing the parameters of the plasma source. The sizes of the holes in the electrodes are selected in such a way as to provide the necessary current and emittance values of the beam, on the one hand, and to ensure the minimum ion beam expansion angle and reduce the sensitivity of the system forming the ion beam to fluctuations in the plasma flux density to the electrodes.
Если возникает необходимость в дополнительной настройке, она выполняется с помощью системы юстировки (спицы и винты) в процессе работы.If there is a need for additional adjustment, it is performed using the alignment system (knitting needles and screws) during operation.
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).The positive effect of the developed system for the formation and extraction of an ion beam can be explained as follows. The variable position of the plasma electrode allows, moving it along the axis of the plasma source, to control the plasma flow from which the ion beam is formed without changing the parameters of the plasma source. In this case, it is possible to place the plasma electrode far from the plug of the magnetic trap in the region with a small magnetic field, which eliminates the negative influence of the magnetic field on the process of beam formation (primarily on the emittance of the beam). The variable position of the puller with respect to the plasma electrode makes it possible to optimize the beam formation system for a given plasma flux density. The low aspect ratio (the ratio of the diameter of the hole in the plasma electrode to the distance between the electrodes) makes the system less sensitive to fluctuations in the density of the plasma flux from which the beam is formed, as well as less sensitive to aberrations. As a result, the developed device with the proposed system for the formation and extraction of an ion beam can provide efficient extraction of ions from a dense plasma by an ECR discharge and the formation of high-current ion beams with a low emittance (less than 0.25 π; mm⋅mrad).
В первом частном случае реализации разработанного сильноточного источника пучков ионов на основе плазмы ЭЦР разряда электроды имеют коническую форму.In the first particular case of the implementation of the developed high-current source of ion beams based on the plasma of an ECR discharge, the electrodes have a conical shape.
Во втором частном случае реализации разработанного сильноточного источника пучков ионов на основе плазмы ЭЦР разряда электроды имеют плоскую форму.In the second particular case of the implementation of the developed high-current source of ion beams based on the plasma of an ECR discharge, the electrodes have a flat shape.
Краткое описание фигур чертежей.A brief description of the figures of the drawings.
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.In FIG. Figure 1 shows a diagram of a high-current source of ion beams based on an ECR discharge plasma held in an open magnetic trap with a mobile system for the formation and extraction of an ion beam from a plasma.
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).In FIG. 2 shows a 3-dimensional image of a mobile system for the formation and extraction of an ion beam from a plasma, obtained in the AutoCAD graphic package. In FIG. 2a, a section in isometric view shows the placement of the system for the formation and extraction of an ion beam in a discharge chamber, and FIG. 2b, the same section is shown in the axial plane of the system, in FIG. 2c — an isometric view shows the system for extracting ions and forming a beam assembly outside the discharge chamber (in an autonomous form).
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.A high-current source of ion beams based on an electron-cyclotron resonance discharge plasma held in an open magnetic trap made in accordance with
Разработанный источник ионов работает следующим образом.The developed ion source works as follows.
Разрядную вакуумную камеру 1 предварительно откачивают с помощью системы откачки до давления не хуже 5*10-7 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 1013 см-3 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.The
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/см2 (в области магнитной пробки) до 10 мА/см2 (в нескольких десятках см от пробки). При этом величина магнитного поля в области где плотность потока плазмы 2 составляет сотни мА/см2 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).A feature of the work of the proposed ion source in comparison with the prototype is that the position of the
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.A significant difference between the proposed device and the known ones is that in addition to the possibility of independent movement of the
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).In the general case of FIG. 1, the possibility of rotation of the axis of the
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).Another important difference from analogue devices is that the system of ion extraction and beam formation proposed by the applicant (positions 4-10 of Fig. 1 and Fig. 2c) is completely autonomous in the sense that it can be completely extracted without violating its integrity and functionality from the source ions by disconnecting the
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.Most often, in specific implementations of the proposed high-current ion source, the diameter of the accelerating electrode is 5 mm, and the plasma electrode is 1 mm. With such dimensions, the requirement for alignment of
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.Thus, the developed ion source, as proved by the authors in practice, makes it possible to form ion beams from a dense plasma with a current of up to fractions of an ampere and an emittance value up to 0.01 π mm⋅mrad in normalized units. Which ultimately allows you to solve the problem.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017141315A RU2660677C1 (en) | 2017-11-27 | 2017-11-27 | High-current source of ion beams based on of electron-cyclotron resonance discharge plasma held in open magnetic trap |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017141315A RU2660677C1 (en) | 2017-11-27 | 2017-11-27 | High-current source of ion beams based on of electron-cyclotron resonance discharge plasma held in open magnetic trap |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015153002A Previously-Filed-Application RU2015153002A (en) | 2015-12-10 | 2015-12-10 | High-current source of ion beams based on electron-cyclotron resonance discharge plasma held in an open magnetic trap |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2660677C1 true RU2660677C1 (en) | 2018-07-09 |
Family
ID=62815802
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017141315A RU2660677C1 (en) | 2017-11-27 | 2017-11-27 | High-current source of ion beams based on of electron-cyclotron resonance discharge plasma held in open magnetic trap |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2660677C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2810726C1 (en) * | 2022-12-08 | 2023-12-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт") | High-current continuous source of ion beams based on electron-cyclotron resonance discharge plasma held in open magnetic trap |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050269031A1 (en) * | 2002-04-19 | 2005-12-08 | Nordson Corporation | Plasma treatment system |
| US20090309042A1 (en) * | 2006-07-20 | 2009-12-17 | Gary Proudfoot | Ion sources |
| WO2010132068A1 (en) * | 2009-05-15 | 2010-11-18 | Alpha Source Llc | Ecr particle beam source apparatus, system and method |
| RU2480858C2 (en) * | 2011-07-22 | 2013-04-27 | Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН | High-current source of multicharge ions based on plasma of electronic-cyclotronic resonant discharge retained in open magnetic trap |
-
2017
- 2017-11-27 RU RU2017141315A patent/RU2660677C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050269031A1 (en) * | 2002-04-19 | 2005-12-08 | Nordson Corporation | Plasma treatment system |
| US20090309042A1 (en) * | 2006-07-20 | 2009-12-17 | Gary Proudfoot | Ion sources |
| WO2010132068A1 (en) * | 2009-05-15 | 2010-11-18 | Alpha Source Llc | Ecr particle beam source apparatus, system and method |
| RU2480858C2 (en) * | 2011-07-22 | 2013-04-27 | Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН | High-current source of multicharge ions based on plasma of electronic-cyclotronic resonant discharge retained in open magnetic trap |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2810726C1 (en) * | 2022-12-08 | 2023-12-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт") | High-current continuous source of ion beams based on electron-cyclotron resonance discharge plasma held in open magnetic trap |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102478896B1 (en) | Ion-ion plasma atomic layer etching process and reactor | |
| US7700925B2 (en) | Techniques for providing a multimode ion source | |
| CN103250228B (en) | Be used in the plasma fluid rifle in ion implantation system and supplying method thereof | |
| Skalyga et al. | New progress of high current gasdynamic ion source | |
| TWI467615B (en) | Ion source and method of adjusting the uniformity of ion beam | |
| RU2480858C2 (en) | High-current source of multicharge ions based on plasma of electronic-cyclotronic resonant discharge retained in open magnetic trap | |
| WO2011155917A1 (en) | Ion source | |
| Ivanov et al. | Development of a negative ion-based neutral beam injector in Novosibirsk | |
| KR100835355B1 (en) | PLASMA Based ION IMPLANTATION APPARATUS | |
| US20230249002A1 (en) | Systems, devices, and methods for high quality ion beam formation | |
| JPH04264346A (en) | Plasma source apparatus for injecting ions | |
| RU2649911C1 (en) | High-current source of ion beams based on of electron-cyclotron resonance discharge plasma held in open magnetic trap | |
| RU2660677C1 (en) | High-current source of ion beams based on of electron-cyclotron resonance discharge plasma held in open magnetic trap | |
| RU2726143C1 (en) | Source of intense ion beams based on ecr discharge plasma, held in open magnetic trap | |
| KR20130058352A (en) | Apparatus of electron cyclotron resonance ion source and method for increasing current drawn therefrom | |
| KR102569236B1 (en) | Methods of Generating Germanium Ion Beams and Argon Ion Beams | |
| RU2725615C1 (en) | Source of high-current ion beams based on ecr discharge plasma, held in open magnetic trap | |
| CN111986974B (en) | Magnetic confinement system and method for electron beam plasma source auxiliary plasma source | |
| RU2810726C1 (en) | High-current continuous source of ion beams based on electron-cyclotron resonance discharge plasma held in open magnetic trap | |
| RU2650876C1 (en) | Source of ion beam based on electron-cyclotron resonant discharge plasma, held in open magnetic trap | |
| Jung et al. | Development of a high-current helicon ion source with high monatomic fraction for the application of neutron generators | |
| RU2697186C1 (en) | High-current ion source based on a dense plasma of ecr discharge, kept in an open magnetic trap | |
| Skalyga et al. | This is an electronic reprint of the original article. This reprint may differ from the original in pagination and typographic detail. | |
| RU2695819C1 (en) | Source of intense flows of low-temperature plasma with high degree of ionisation | |
| JP2001296398A (en) | Device and method for processing neutral beam |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190326 Effective date: 20190326 |