Источник пучков ионов с высоким током на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке Российский патент 2020 года по МПК H01J27/18 H01J37/08 

Изобретение относится к области формирования сильноточных пучков многозарядных ионов, а именно к получению подобных пучков 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.). 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 относятся, например, 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.

В настоящее время 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).

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⋅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. - 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 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 «Microwave electron cyclotron electron resonance (ECR) ion source with a large, uniformly distributed, axially symmetric, ECR plasma volume» (МПК H05H 1/10, публ. 09.04.1996 г.). 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 пробки магнитной 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 «Ion beam extraction and acceleration)) (МПК F03H 1/00, H01J 27/02, публ. 29.05.1996 г.) описано устройство для формирования и экстракции пучка, которое 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 повышения плотности плазмы в разряде, что достигается, прежде всего, путем увеличения частоты и мощности СВЧ излучения.

Известен сильноточный источник ионов, описанный в патенте US 8624502 «Particle beam source apparatus, system and method)) (МПК G21G 4/08, H01J 27/18, публ. 07.01.2014 г.). 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.

Одно из наиболее близких к предлагаемому является устройство, описанное в патенте RU 2480858 «Сильноточный источник многозарядных ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке» (МПК H01J 27/16, Н05Н 1/46, публ. 27.04.2013 г.), 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.

Главным отличием данного устройства от других аналогов является то, что благодаря более высокой частоте нагрева реализован газодинамический режим удержания, отличающийся более высокой плотностью потока плазмы (вплоть до нескольких А/см²). 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 при приемлемых с точки зрения величины эмиттанса размерах апертуры в плазменном электроде (на уровне 1 см) эмиссионная способность плазмы позволяет обеспечивать токи на уровне 1 А.

Одним из основных недостатков устройства - аналога с точки зрения формирования пучка ионов является то, что после прохождения через апертуру ускоряющего электрода угол расхождения пучка является достаточно большим. Это связано в первую очередь с тем, что при 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 вследствие высокой величины тока пучка существенно его расплывание в собственных полях.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, описанное в патенте RU 2649911 «Сильноточный источник пучка ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке» (МПК H01J 27/18, Н05Н 1/46, публ. 21.12.2016 г.). Заявленный источник пучков ионов содержит разрядную вакуумную камеру, магнитную систему для создания магнитного поля, достаточного для создания ЭЦР зон, а также систему формирования и экстракции пучка многозарядных ионов из плазмы в виде плазменного электрода и ускоряющего электрода (пуллера), закрепленного на изоляторе. На выходе ускоряющего электрода расположена магнитная ионная линза в виде соленоида. Положительный эффект указанной 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.

Недостатком данного устройства является то, что при высоких плотностях тока в пучке для эффективной фокусировки необходима значительная величина магнитного поля в линзе, достигающая нескольких Тесла (~ 3 Тл). Это особенно важно в условиях непрерывной работы источника ионов. К тому же, при высоких плотностях тока даже в оптимальном случае угол расхождения пучка на выходе из ускоряющего промежутка между плазменным электродом и пуллером может быть достаточно большим. Это приводит к необходимости располагать линзу как можно ближе к ускоряющему промежутку для того, чтобы перехватить как можно большую часть пучка. Как правило, это приводит к необходимости увеличения апертуры линзы, а значит к еще большему росту энергетики поля в линзе. Таким образом, функционирование данного источника ионов в условиях непрерывного режима работы и высоких величин тока в пучке технически трудно реализуемо.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройства, позволяющего формировать из плотной плазмы разряда низкого давления, поддерживаемой 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 расхождения в условиях непрерывной работы источника.

Технический результат в предлагаемом источнике пучков ионов с высоким током на основе плазмы ЭЦР 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 система формирования и экстракции пучка ионов из плазмы дополнительно содержит, по крайней мере, два электрода, расположенных после ускоряющего электрода один за другим: фокусирующий электрод, находящийся под тем же потенциалом, что и плазменный электрод, а затем выходной электрод, находящийся, также как и ускоряющий электрод, под земляным потенциалом.

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.

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 на выходе из ускоряющего электрода, чтобы как можно большая его часть попадала в апертуру третьего электрода, который в данном случае играет роль линзы, только не магнитостатической, как в устройстве - прототипе, а электростатической. Важно отметить, что третий (фокусирующий) электрод находится под тем же потенциалом, что и плазменный, что позволяет для питания линзы использовать источник, ускоряющий ионный пучок между первым и вторым электродом. После этого расстояние между линзой и ускоряющим электродом при фиксированном ускоряющем напряжении подбирается таким образом, чтобы на выходе из линзы формировался практически параллельный или даже сходящийся ионный пучок, что позволяет существенно облегчить его дальнейшую транспортировку до потребителя.

Устройство поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 представлена общая схема источника пучков ионов с высоким током на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке.

На фиг. 2 представлена схема поперечного сечения разработанного источника пучков ионов в области расположения фокусирующего электрода.

Источник пучков ионов с высоким током на основе плазмы ЭЦР 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, находящийся под высоким положительным потенциалом, ускоряющий электрод 5 (пуллер) - под земляным потенциалом, фокусирующий электрод 6, находящийся под тем же потенциалом, что и плазменный электрод 4, и выходной электрод 7 под земляным потенциалом. Плазменный электрод 4 соединен с трубой разрядной вакуумной камеры 1. Ускоряющий электрод 5 через проводящие шпильки 8, вставленные в изолятор 9, соединен с выходным электродом 7, который в свою очередь через дополнительную проводящую шпильку 10 соединен с землей. Фокусирующий электрод 6 соединен сквозь изолятор 9 (как показано на фиг. 2) с разрядной вакуумной камерой 1. Изолятор 9 разделяет находящиеся под высоким потенциалом относительно земли элементы (разрядную вакуумную камеру 1 и фокусирующий электрод 6) с проводящими шпильками 8 (см. фиг. 1 и фиг. 2). Выходной электрод 7 и дополнительная проводящая шпилька 10 соединены с разрядной вакуумной камерой 1 посредством изолятора 9 и дополнительного изолятора 11 соответственно. Разрядная вакуумная камера 1 и фокусирующий электрод 6 подключены к высоковольтному источнику напряжения, что создает на них высокий потенциал относительно земли.

Разработанный источник пучка ионов работает следующим образом.

Разрядную вакуумную камеру 1 предварительно откачивают 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 разрядную вакуумную камеру 1. Образовавшаяся плазма 2 с концентрацией на уровне 10¹³ см^-3 (при использовании частоты 37,5 ГГц) ограничена пробками магнитной ловушки. Пучок ионов извлекают и формируют под действием приложенного между плазменным электродом 4 и ускоряющим электродом 5 высокого напряжения от высоковольтного источника. При этом вся разрядная вакуумная камера 1, плазменный электрод 4 и фокусирующий электрод 6 находятся под высоким потенциалом относительно земли.

Особенностью разработанного источника пучка ионов по сравнению с прототипом является то, что сразу за ускоряющим электродом 5 расположен фокусирующий электрод 6, выступающий в роли электростатической линзы и находящийся под тем же потенциалом, что и плазменный электрод 4. Расстояние между «линзой» (фокусирующим электродом 6) и ускоряющим электродом 5 при фиксированном ускоряющем напряжении подбирается таким образом, чтобы на выходе из «линзы» формировался практически параллельный ионный пучок. В результате после выходного электрода 7, следующего за фокусирующим электродом 6 и находящегося под земляным потенциалом, ионный пучок становится практически параллельным.

Разработанный источник пучков ионов позволяет формировать из плотной плазмы непрерывные пучки ионов с током до 1 Ампера и низкой величиной эмиттанса (благодаря малым размерам апертуры в плазменном электроде 4) вплоть до 0,1 л-мм-мрад в нормализованных единицах.

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 в условиях непрерывного режима работы источника.

Изобретение относится к области формирования непрерывных сильноточных пучков ионов путем их экстракции из плотной плазмы ЭЦР разряда, создаваемой в открытой магнитной ловушке мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн. Устройство 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 и, по крайней мере, два дополнительных электрода, расположенных после ускоряющего электрода один за другим: фокусирующий электрод, находящийся под тем же потенциалом, что и плазменный электрод, а затем выходной электрод, находящийся, также как и ускоряющий электрод, под земляным потенциалом. Технический результат - возможность формировать качественный сильноточный пучок ионов с малой величиной эмиттанса и минимальным углом расхождения в условиях непрерывной работы источника. 2 ил.

Источник пучков ионов с высоким током на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, содержащий 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, отличающийся тем, что система формирования и экстракции пучка ионов из плазмы дополнительно содержит, по крайней мере, два электрода, расположенных после ускоряющего электрода один за другим: фокусирующий электрод, находящийся под тем же потенциалом, что и плазменный электрод, а затем выходной электрод, находящийся, также как и ускоряющий электрод, под земляным потенциалом.