СИЛЬНОТОЧНЫЙ ИСТОЧНИК МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННОГО РЕЗОНАНСНОГО РАЗРЯДА, УДЕРЖИВАЕМОЙ В ОТКРЫТОЙ МАГНИТНОЙ ЛОВУШКЕ Российский патент 2013 года по МПК H01J27/16 H05H1/46 

Область применения

Изобретение относится к области создания пучков многозарядных ионов (МЗИ) путем их экстракции из плотной плазмы электронно-циклотронного резонансного (ЭЦР) разряда, создаваемой в открытой магнитной ловушке мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн. Подобные источники необходимы для формирования сильноточных пучков многозарядных ионов, востребованных в ряде приложений (ускорительной технике, медицине, ионной имплантации, фундаментальных исследованиях по взаимодействию ионных пучков с мишенями и пр.).

Предшествующий уровень техники

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 M., 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 M., 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 МЭИ 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), 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, т.е. время взаимодействия горячих электронов с ионами, умноженное на концентрацию плазмы, должен быть достаточным для достижения ионами требуемого заряда в процессе ступенчатой ионизации.

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*10¹² см^-3 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, 1998, V.69, N.3].

В настоящее время, по всей видимости, возможности для увеличения параметра N·τ удержания за счет увеличения времени удержания ионов практически исчерпаны. Почти во всех существующих в настоящее время источниках МЭИ 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 МЭИ описан в патенте США №5506475 (H05H 1/10, публикация 09.04.1996). 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 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 экстракции ионного пучка состоит из двух электродов и расположена вблизи второй (правой на рисунке в патенте) пробки магнитной ловушки.

Недостатком устройства аналога является невысокий ток МЭИ, 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].

В патенте США №5350974 (H01J 7/24, публикация 27.09.1994) описан ЭЦР источник МЭИ, отличающийся другим способом ввода СВЧ излучения в плазму. Как и в предыдущем рассмотренном случае, устройство аналога состоит из вакуумной плазменной камеры, системы подачи рабочего вещества, системы экстракции ионного пучка, системы создания магнитного поля с конфигурацией «минимум В», устройства ввода СВЧ излучения (с рабочей частотой 2.45 ГГц или 14 ГГц) в вакуумную камеру. 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 МЗИ на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда описан в международной заявке WO 2010132068 (H01J 27/18, H05H 1/18, публ. 18.11.2010). Устройство-прототип состоит из вакуумной плазменной камеры, СВЧ генератора (с частотой 18 ГГц) и устройства 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, играющим, по всей видимости, роль согласующего элемента. 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 (правой на рисунке в патенте) пробки магнитной ловушки. В результате устройство прототип позволяет создавать пучки МЗИ (в примере патента, двукратно ионизованного гелия) с током до 50 мА.

Недостатком устройства прототипа является ограниченная величина тока пучка МЗИ. Для дальнейшего увеличения тока необходимо повышать частоту СВЧ излучения. Это приводит к необходимости увеличивать напряженность магнитного поля для выполнения условия ЭЦР, что крайне усложняет реализацию системы создания магнитного поля с «минимумом В». Описанные сложности фактически ограничивают частоту СВЧ излучения в устройстве прототипе на уровне ниже 30 ГГц.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка сильноточного (с током, большим, чем в устройстве прототипе) источника МЗИ на основе разряда низкого давления, поддерживаемого в открытой магнитной ловушке СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн в условиях электронно-циклотронного резонанса.

Технический результат в разработанном сильноточном источнике многозарядных ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, достигается тем, что разрабатываемое устройство, так же как и устройство-прототип, состоит из СВЧ генератора, разрядной вакуумной камеры, узла ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру, системы откачки, системы подачи рабочего вещества, магнитной системы для создания магнитного поля пробочной конфигурации с напряженностью, достаточной для возникновения ЭЦР зон, и системы формирования и экстракции пучка МЗИ из плазмы.

Новым в разработанном устройстве является то, что узел ввода СВЧ излучения в упомянутую разрядную 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 так же и как уловитель плазмы. Геометрические размеры упомянутого согласующего элемента подобраны таким образом, что обеспечивается полное прохождение СВЧ излучения в плазму, удерживаемую в магнитной ловушке, и предотвращается возникновение плазмы в паразитной ЭЦР зоне, а его форма и характеристики могут быть выбраны в зависимости от конкретной решаемой задачи.

В разработанном сильноточном источнике МЗИ магнитная ловушка удерживает плазму от быстрого разлета, а наличие ЭЦР зон обеспечивает эффективный набор электронами энергии в поле СВЧ волны. В первом частном случае согласующий элемент имеет форму плавного (по сравнению с длиной волны) металлического клина, жестко соединенного с разрядной вакуумной камерой.

Во втором частном случае согласующий элемент имеет форму плавного металлического конуса, закрепленного на одной или более металлических опорах с поперечными размерами, много меньшими длины волны СВЧ излучения.

В третьем частном случае согласующий элемент целесообразно выполнить в форме плавного металлического конуса или клина, закрепленного на одной или более диэлектрических опорах, а между ним и корпусом, разрядной вакуумной камеры целесообразно приложить регулирующее электрическое напряжение.

В четвертом частном случае согласующий элемент целесообразно выполнить в форме плавного металлического конуса или клина, а напуск газообразного рабочего вещества осуществлять через канал напуска, расположенный внутри согласующего элемента.

В пятом частном случае согласующий элемент целесообразно выполнить в форме плавного металлического конуса или клина, закрепленного на металлических или диэлектрических опорах, а внутрь согласующего элемента поместить источник рабочего вещества в виде паров металла или металлических ионов с низким средним зарядом.

В шестом частном случае согласующий элемент целесообразно выполнить в форме плавного металлического конуса или клина, жестко связанного с корпусом разрядной вакуумной камеры вне магнитной ловушки, и сменной металлической насадки к нему цилиндрической формы с длиной, подобранной таким образом, чтобы насадка заканчивалась вблизи пробки магнитной ловушки.

Положительный эффект разработанного источника МЗИ можно объяснить следующим образом. Поскольку транспортировка СВЧ излучения осуществляется с помощью квазиоптической линии передач, то удается применять мощное СВЧ излучение с частотой, намного выше обычно используемой частоты. Поскольку используется мощное коротковолновое СВЧ излучение (например, с частотой 37.5 ГГц и мощностью 200 кВт), то плазма имеет концентрацию электронов 10¹³ см^-3 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, 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, использующийся и как уловитель плазмы, то не происходит образование плазмы в паразитной ЭЦР зоне. Благодаря тому, что согласующий элемент имеет специально подобранную форму и размеры, большая часть мощности (более 90%) СВЧ генератора используется для получения плотной плазмы с высоким средним зарядом ионов. В результате разработанный источник МЗИ позволяет экстрагировать из плотной плазмы пучки многозарядных ионов с током до долей Ампера и с высоким средним зарядом ионов.

Краткое описание фигур чертежей

На фиг.1 представлена блок-схема сильноточного источника многозарядных ионов на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, с узлом ввода СВЧ излучения на основе квазиоптической линии передачи, согласующего элемента и окна ввода СВЧ излучения, вынесенного за пределы магнитной ловушки.

На фиг.2 представлена блок-схема узла ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру с согласующим элементом, имеющим форму плавного металлического клина, жестко соединенного с разрядной вакуумной камерой, а также отдельные элементы магнитной системы.

На фиг.3 представлена блок-схема узла ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру с согласующим элементом, имеющим форму плавного металлического конуса, закрепленного на двух металлических опорах, а также отдельные элементы магнитной системы.

На фиг.4 представлена блок-схема узла ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру с согласующим элементом, имеющим форму плавного металлического клина или конуса, закрепленного на двух диэлектрических опорах, а между согласующим элементом и стенкой разрядной вакуумной камеры приложено регулирующее напряжение, а также отдельные элементы магнитной системы.

На фиг.5 представлена блок-схема узла ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру с согласующим элементом, имеющим форму плавного металлического клина или конуса с каналом напуска газообразного рабочего вещества и регулирующим клапаном, а также отдельные элементы магнитной системы.

На фиг.6 представлена блок-схема узла ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру с согласующим элементом, имеющим форму плавного металлического клина или конуса с источником рабочего вещества в виде паров металлов или металлических ионов с низким средним зарядом, а также отдельные элементы магнитной системы.

На фиг.7 представлена блок-схема узла ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру с согласующим элементом, имеющим форму плавного металлического клина или конуса, жестко связанного с корпусом разрядной камеры вне магнитной ловушки и сменной металлической насадки цилиндрической формы, а также отдельные элементы магнитной системы.

Варианты осуществления изобретения

Конструкция сильноточного источника многозарядных ионов, представленная на фиг.1, содержит СВЧ генератор 1, узел ввода 2 СВЧ излучения в металлическую разрядную вакуумную камеру 3, магнитную систему 6, систему 11÷14 формирования и экстракции пучка МЗИ, систему 4 откачки и систему 5 подачи рабочего вещества. Магнитная система 6 состоит из нескольких (не менее двух) соленоидов, закрепленных вдоль оси разрядной камеры 3, и создает магнитную ловушку 7 с полем пробочной конфигурации с напряженностью, достаточной для возникновения внутри камеры 3 зон 8 электронно-циклотронного резонанса. СВЧ излучение в форме гауссова пучка 18 вводится в камеру 3 вдоль оси симметрии магнитной ловушки 7 через окно 16 ввода СВЧ излучения и согласующий элемент 17 с помощью квазиоптической линии передач 15, состоящей из двух или более зеркал. Окно 16 ввода СВЧ излучения вынесено за пределы магнитной ловушки 7. Возникающая в разрядном объеме плазма 10 ограничена пробками 9 магнитной ловушки 7. Система 11÷14 формирования и экстракции пучка МЗИ состоит из плазменного электрода 11, ускоряющего электрода (пулера) 13, закрепленного на изоляторе 12, и источника 14 высокого напряжения. При этом камера 3 находится под высоким положительным потенциалом относительно земли. Источник МЗИ дополнен системой 4 откачки, соединенной с камерой 3 с помощью откачной линии, включающей в себя изолятор 25.

В общем случае согласующий элемент 17 представляет собой плавный в масштабах длины волны СВЧ излучения клин или конус, помещенный внутрь цилиндрической камеры 3. В зависимости от требований, предъявляемых к источнику МЗИ, согласующий элемент 17 может обладать дополнительными характеристиками и особенностями.

В первом частном случае, соответствующем пункту 2 формулы изобретения и представленном на фиг.2, согласующий элемент 17 имеет форму плавного металлического клина и жестко соединен с разрядной вакуумной камерой 3.

Во втором частном случае, соответствующем пункту 3 формулы изобретения и представленном на фиг.3, согласующий элемент 17 имеет форму плавного металлического конуса, закрепленного на одной или более металлических опорах 21 с поперечными размерами, много меньшими длины волны СВЧ излучения.

В третьем частном случае, соответствующем пункту 4 формулы изобретения и представленном на фиг.4, согласующий элемент 17 имеет форму плавного металлического конуса, закрепленного на одной или более диэлектрических опорах 21, а между согласующим элементом 17 и корпусом разрядной камеры 3 приложено регулирующее электрическое напряжение от источника 20.

В четвертом частном случае, соответствующем пункту 5 формулы изобретения и представленном на фиг.5, согласующий элемент 17 имеет форму плавного металлического клина или конуса, а напуск рабочего вещества в газообразной форме осуществляется через канал напуска газа 22, проложенный внутри согласующего элемента 17.

В пятом частном случае, соответствующем пункту 6 формулы изобретения и представленном на фиг.6, согласующий элемент 17 имеет форму плавного металлического клина или конуса, а внутрь согласующего элемента 17 помещен источник 23 паров металла или металлических ионов с низким средним зарядом на основе вакуумно-дугового разряда.

В шестом частном случае, соответствующем пункту 7 формулы изобретения и представленном на фиг.7, согласующий элемент 17 имеет форму плавного металлического конуса или клина, жестко связанного с корпусом разрядной камеры 3 вне магнитной ловушки 7 и соединенного со сменной металлической насадкой 24 цилиндрической формы.

В качестве СВЧ генератора 1 может быть использован, например, гиротрон. Система 4 откачки может быть реализована на базе турбомолекулярного и форвакуумного насосов. В качестве окна 16 ввода СВЧ излучения может быть использовано стандартное вакуумное окно, например, с металлическим уплотнением стандарта CF-F. Система 5 напуска рабочего вещества может быть реализована на базе специального газового клапана или испарителя и может обеспечивать как непрерывный, так и импульсный напуск рабочего вещества.

Источник МЗИ по пункту 1 формулы изобретения, представленный на фиг.1, работает следующим образом.

Разрядную вакуумную камеру 3 предварительно откачивают с помощью системы 4 откачки до давления не хуже 3·10^-6 Торр. Магнитную ловушку 7 с полем простой пробочной конфигурации создают с помощью магнитной системы 6 от отдельного блока питания. Величина магнитного поля должна быть достаточной для возникновения ЭЦР зон 8. СВЧ излучение с частотой, много большей обычно применяемой частоты, например 37,5 ГГц, с поперечным распределением интенсивности в форме гауссова пучка 18 направляют в разрядную вакуумную камеру 3 с помощью узла ввода 2, состоящего из квазиоптической линии передач 15, окна 16 ввода СВЧ излучения и согласующего элемента 17. Под действием СВЧ излучения в условиях ЭЦР электроны приобретают высокую энергию, и в объеме разрядной вакуумной камеры 3 происходит ионизация рабочего вещества, предварительно поданного в камеру системой 5 подачи рабочего вещества. Сформировавшаяся плазма 10 ограничена пробками 9 магнитной ловушки 7. Образование многозарядных ионов происходит в плазме 10 ЭЦР разряда в результате столкновения высокоэнергетичных электронов с ионами плазмы. Пучок МЗИ формируют под действием высокого напряжения от высоковольтного источника 14, приложенного между плазменным электродом 11 и пулером 13. При этом вся разрядная камера 3 находится под высоким потенциалом относительно земли.

Особенностью работы разработанного источника МЗИ по сравнению с прототипом является то, что поскольку транспортировка СВЧ излучения осуществляется с помощью квазиоптической линии передачи 15, то удается применять мощное СВЧ излучение с частотой, намного выше обычно используемой частоты. Поскольку используется мощное коротковолновое СВЧ излучение (например, с частотой 37,5 ГГц и мощностью 200 кВт), то плазма 10 имеет концентрацию электронов 10¹³ см^-3 и выше, а конус потерь электронов заполнен и вынос плазмы из ловушки 7 сквозь пробки 9 вдоль силовых линий магнитного поля происходит с ионно-звуковой скоростью. Поскольку окно 16 ввода СВЧ излучения вынесено за пределы магнитной ловушки 7, а в пробке 9 расположен согласующий элемент 17, использующийся и как уловитель плазмы, то окно 16 ввода СВЧ излучения не подвергается интенсивной ионной бомбардировке, не происходит разрушения окна 16 и не происходит загрязнения рабочего вещества материалом окна 16. Кроме того, поскольку в пробке 9 магнитной ловушки 7 расположен согласующий элемент 17, использующийся и как уловитель плазмы, то не происходит образования плазмы в паразитной ЭЦР зоне 19. Благодаря тому, что согласующий элемент 17 имеет специально подобранную форму и размеры, большая часть мощности (более 90%) СВЧ генератора 1 используется для получения плотной плазмы 10 с высоким средним зарядом ионов. В результате разработанный источник МЗИ позволяет экстрагировать из плотной плазмы 10 пучки многозарядных ионов с током до долей Ампера и с высоким средним зарядом ионов, то есть позволяет решить поставленную задачу.

В зависимости от требований, предъявляемых к источнику МЗИ, согласующий элемент 17 может быть реализован со следующими характеристиками и особенностями.

В первом частном случае реализации разработанного устройства, соответствующем п.2 формулы изобретения и показанном на фиг.2, согласующий элемент 17 имеет форму плавного в масштабе длины волны металлического клина, жестко соединенного с разрядной вакуумной камерой 3, и расположенного в пробке 9 магнитной ловушки 7. В результате такого выполнения узла ввода 2 СВЧ излучения в металлическую разрядную вакуумную камеру 3 СВЧ излучение в форме гауссова пучка 18 с линейной поляризацией эффективно нагревает электроны плазмы 10.

В частном случае, соответствующем п.3 формулы изобретения и показанном на фиг.3, согласующий элемент 17 имеет форму плавного в масштабе длины волны металлического конуса, закрепленного на одной или более металлических опорах с поперечными размерами, много меньшими длины волны СВЧ излучения. В результате такой согласующий элемент 17 эффективен при использовании СВЧ излучения в форме гауссова пучка 18 с произвольной поляризацией, в частности, с круговой поляризацией.

В частном случае, соответствующем п.4 формулы изобретения и показанном на фиг.4, согласующий элемент 17 имеет форму плавного в масштабе длины волны металлического конуса, закрепленного на одной или более диэлектрических опорах 21, а между согласующим элементом 17 и корпусом разрядной камеры 3 приложено регулирующее электрическое напряжение от источника 20. В результате существенно увеличивается порог развития желобковой неустойчивости плазмы 10, обычно наблюдаемой в плазме, удерживаемой в прямой магнитной ловушке 7, что приводит к увеличению стабильности генерации пучка МЗИ из плазмы 10.

В частном случае, соответствующем п.5 формулы изобретения и показанном на фиг.5, согласующий элемент 17 имеет форму плавного в масштабе длины волны металлического клина или конуса, а напуск газообразного рабочего вещества осуществляют через канал 22 напуска газа, проложенный внутри согласующего элемента 17. В результате такой согласующий элемент 17 оказывается особенно перспективным в случае использования короткоживущих изотопов газообразных веществ (например, ⁶He) в качестве рабочего вещества.

В частном случае, соответствующем п.6 формулы изобретения и показанном на фиг.6, согласующий элемент 17 имеет форму плавного в масштабе длины волны металлического клина или конуса, а внутри согласующего элемента 17 помещают источник 23 паров металла или металлических ионов с низким средним зарядом на основе вакуумно-дугового разряда. В результате такой согласующий элемент 17 перспективен для создания пучков МЗИ тугоплавких металлов.

В частном случае, соответствующем п.7 формулы изобретения и показанном на фиг.7, согласующий элемент 17 состоит из плавного в масштабе длины волны металлического конуса или клипа, жестко связанного с корпусом разрядной вакуумной камеры 3 вне магнитной ловушки 7, и сменной металлической насадки 24 цилиндрической формы с длиной, подобранной таким образом, чтобы она заканчивалась вблизи пробки 9 магнитной ловушки 7. В результате такой согласующий элемент 17 может сочетаться со всеми ранее перечисленными вариантами его выполнения и позволяет оптимизировать параметры источника МЗИ в широких пределах.

Изобретение относится к области создания пучков многозарядных ионов (МЗИ) путем их экстракции из плотной плазмы, создаваемой в открытой магнитной ловушке мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн, которые необходимы для формирования сильноточных пучков многозарядных ионов, востребованных в ряде приложений (ускорительной технике, медицине, ионной имплантации, фундаментальных исследованиях и пр.). Технический результат - высокий ток пучков МЗИ при сохранении заданного среднего заряда ионов. Для этого зажигают газовый разряд низкого давления в магнитной ловушке простой пробочной конфигурации с величиной магнитного поля, достаточной для образования зон электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) с помощью СВЧ излучения с частотой, много больше обычно используемых частот, например 37.5 ГГц. При этом СВЧ излучение вводят внутрь разрядного вакуумного объема вдоль магнитного поля с помощью квазиоптической линии передач в форме гауссова пучка, а для предотвращения возникновения и развития разряда в паразитной ЭЦР зоне применяют многофункциональный согласующий элемент. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Сильноточный источник многозарядных ионов (МЭИ) на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного (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, отличающийся тем, что упомянутый 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 полное прохождение СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру.

2. Сильноточный источник по п.1, отличающийся тем, что согласующий элемент имеет форму плавного (по сравнению с длиной волны) металлического клина, жестко соединенного с разрядной вакуумной камерой.

3. Сильноточный источник по п.1, отличающийся тем, что согласующий элемент имеет форму плавного металлического конуса, закрепленного на одной или более металлических опорах с поперечными размерами, много меньшими длины волны СВЧ излучения.

4. Сильноточный источник по п.1, отличающийся тем, что согласующий элемент имеет форму плавного металлического конуса или клина, закрепленного на одной или более диэлектрических опорах, и между ним и корпусом разрядной вакуумной камеры приложено регулирующее электрическое напряжение.

5. Сильноточный источник по п.1, отличающийся тем, что согласующий элемент имеет форму плавного металлического конуса или клина, а напуск газообразного рабочего вещества осуществляется через канал напуска, расположенный внутри согласующего элемента.

6. Сильноточный источник по п.1, отличающийся тем, что согласующий элемент имеет форму плавного металлического конуса или клина, внутрь которого помещен источник рабочего вещества в виде паров металла или металлических ионов с низким средним зарядом.

7. Сильноточный источник по п.1, отличающийся тем, что согласующий элемент состоит из плавного металлического конуса или клина, жестко связанного с корпусом разрядной камеры вне магнитной ловушки и сменной металлической насадки цилиндрической формы с длиной, подобранной таким образом, чтобы она заканчивалась вблизи пробки магнитной ловушки.