Сильноточный непрерывный источник ионных пучков на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке Российский патент 2023 года по МПК H01J27/16 H01J37/08 

Изобретение относится к области формирования сильноточных пучков ионов путем их извлечения из плотной плазмы ЭЦР разряда, создаваемой в открытой магнитной ловушке мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн. Подобные пучки ионов востребованы в ряде приложений (ускорительной технике, медицине, ионной имплантации, фундаментальных исследованиях по взаимодействию ионных пучков с мишенями и пр.).

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 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 В, 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).

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).

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).

Ключевым фактором, определяющим средний заряд ионов в плазме, является параметр удержания N⋅τ, где N - средняя концентрация плазмы, а τ - время удержания ионов в ловушке. В настоящее время, по всей видимости, возможности для увеличения параметра удержания N⋅τ за счет увеличения времени удержания ионов практически исчерпаны. Почти во всех существующих в настоящее время источниках многозарядных ионов применяются ловушки с магнитной конфигурацией «минимум В». Такая конфигурация создается комбинацией продольного поля простой магнитной ловушки и поперечным полем многополюсной (обычно шестиполюсной) магнитной системы. На величину тока ЭЦР источника оказывает влияние также конструкция и расположение системы формирования и экстракции пучка ионов из плазмы.

Классический ЭЦР источник описан, например, в патенте US 5506475 «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 магнитной пробки ловушки и сильное магнитное поле оказывает негативное влияние на величину эмиттанса формируемого пучка.

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 «Apparatus of electron cyclotron resonance ion source and method for increasing current drawn therefrom» (МПК H01J 37/08, H01J 27/02, H01J 27/18 публ. 25.09.2013 г.). Но это приводит к необходимости увеличивать магнитное поле в ловушке, а сильное магнитное поле оказывает негативное влияние на качество пучка.

Так, в сильноточном источнике ионов, описанном в заявке WO 2010132068 (МПК G21G 4/08, H01J 27/18, H01J 37/08, Н05Н 1/18, публ. 18.11.2010 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 и систему экстракции пучка ионов из плазмы, состоящую из двух электродов, расположенных вблизи пробки магнитной ловушки. Более высокая плотность потока плазмы позволила обеспечить достаточно высокую величину тока формируемого пучка ионов. Недостатком известного аналога является то, что система формирования и экстракции пучка ионов работает в условиях больших магнитных полей, что плохо влияет на качество пучка. Конструкция устройства не позволяет регулировать плотность потока плазмы на электрод, не меняя параметров плазмы в источнике. В результате величины тока и эмиттанса формируемого пучка оказываются меньше, чем потенциально могли бы быть, и устройство аналог позволяет создавать пучки ионов (в примере патента, двукратно ионизованного гелия) с током до 50 мА.

Из числа известных технических решений наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство, предложенное в патенте RU 2660677 «Сильноточный источник пучков ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке» (МПК H01J 27/16, Н05Н 1/46, публ. 25.07.2017 г.). 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. Основным недостатком устройства-прототипа является то, что оно способно работать только в импульсном режиме. При непрерывном режиме работы (с постоянным магнитным полем в ловушке и постоянным ускоряющим напряжением) между ускоряющим электродом и стенкой разрядной камеры загорается паразитный разряд по типу Пеннинга. Дело в том, что для формирования качественного пучка требуются достаточно высокие ускоряющие напряжения (от 20 кВ и выше) между стенками камеры и ускоряющим электродом. В то же время система формирования пучка находится в магнитном поле, создаваемом источником плазмы. Хотя величина этого поля существенно меньше (на уровне 0,1 Т), чем величина магнитной индукции в пробке ловушки (единицы Тесла), этого поля оказывается достаточно, чтобы между пуллером и стенкой камеры загорался разряд в скрещенных сильных электрическом и магнитном полях. В импульсном режиме работы разряд не успевает развиваться. При непрерывном режиме работы разряд развивается, причем соответствующий ему ток может достигать десятков и сотен мА, что нарушает работу источника ионов.

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 непрерывный сильноточный пучок ионов с током на уровне 1 А и выше и снижающего вероятность электрического пробоя и образования разряда в скрещенных сильных электрическом и магнитном полях между стенкой разрядной камеры и заземленным ускоряющим электродом.

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, автономную систему формирования и экстракции пучка ионов из плазмы, содержащую подвижные плазменный электрод и ускоряющий электрод.

Новым в разработанном устройстве является то, что часть внутренней поверхности трубы разрядной вакуумной камеры, обращенная к ускоряющему электроду, покрыта диэлектрическим материалом.

В частном случае поверхность плазменного электрода, обращенная к ускоряющему электроду, также покрыта диэлектрическим материалом за исключением зоны, непосредственно примыкающей к области ускорения ионного пучка около отверстия.

Изобретение поясняется следующей фигурой, на которой представлена схема сильноточного непрерывного источника пучков ионов на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке.

Сильноточный непрерывный источник пучков ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, изготовленный в соответствии с п. 1 ф-лы, 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. Основными элементами системы формирования и экстракции пучка ионов являются плазменный 4 и ускоряющий 5 электроды. Ускоряющий электрод 5 через систему крепления 6 и изолятор 7 соединен с трубой разрядной камеры 1. К электродам 4 и 5 подключен высоковольтный источник напряжения 8. Внутренняя поверхность трубы разрядной вакуумной камеры 1, обращенная к ускоряющему электроду 5, покрыта диэлектрическим материалом 9. В частном случае по п. 2 ф-лы поверхность плазменного электрода 4, обращенная к ускоряющему электроду 5, также покрыта диэлектрическим материалом 10 за исключением зоны непосредственно примыкающей к области ускорения ионного пучка около отверстия (см. фиг.).

Разработанный источник ионов работает следующим образом.

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 (на электромагнитах или постоянных магнитах). 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 8, 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.

При непрерывном режиме работы известных устройств возникает паразитный разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях между ускоряющим электродом 5 и разрядной камерой 1. Кроме того, велика вероятность электрического пробоя между стенкой разрядной камеры 1, находящейся под высоким потенциалом, и заземленным ускоряющим электродом 5. Стоит отметить, что в отличие от разряда в скрещенных полях пробой сопровождается гораздо большими величинами тока и падением высокого напряжения на плазменном электроде 4, так как источник высокого напряжения 8 не может поддерживать таких величин токов. Такого рода пробои со временем приводят к снижению ресурса системы формирования пучка, а значит и самого источника ионов.

Особенностью предлагаемого источника ионов по сравнению с прототипом является то, что часть внутренней поверхности трубы разрядной камеры 1, обращенная к ускоряющему электроду 5, покрыта диэлектриком 9. Снижение величины напряженности электрического поля между ускоряющим электродом 5 и разрядной камерой 1 позволяет избавиться от негативного влияния паразитного разряда в скрещенных полях, так как при такой величине поля он либо не загорается, либо ток этого разряда существенно падает (до единиц микроампер) по сравнению с разрядом, возникающем в устройстве без диэлектрической вставки при непрерывном режиме работы. В случае покрытия диэлектрическим материалом 10 также поверхности плазменного электрода 4, обращенной к ускоряющему электроду 5, за исключением зоны, непосредственно примыкающей к области ускорения ионного пучка около отверстия, напряженность электрического поля между ускоряющим электродом 5 и разрядной камерой 1 еще больше снижается. При этом напряженность поля в области ускорения пучка остается неизменной, так как зона плазменного электрода 4, непосредственно примыкающая к области ускорения ионного пучка около отверстия, не покрывается изолятором (диэлектрическим материалом).

Помимо того, что наличие диэлектрической вставки позволяет избавиться от негативного влияние разряда в скрещенных полях, она в целом повышает электропрочность системы формирования пучка и снижает вероятность электрического пробоя.

Чаще всего в конкретных реализациях предлагаемого сильноточного непрерывного источника ионов диаметр ускоряющего электрода составляет 5 мм, плазменного электрода - 1 мм. Покрытие диэлектрическим материалом 9 и 10 на практике было выполнено в виде диэлектрической вставки в трубу разрядной камеры 1. Разработанный источник ионов, как получено авторами в эксперименте, позволяет формировать из плотной плазмы пучки ионов с током до долей Ампера и величиной эмиттанса вплоть до 0,25 π мм⋅мрад в нормализованных единицах в условиях непрерывной работы источника ионов.

Таким образом, разработанное устройство позволяет получить качественный непрерывный сильноточный пучок ионов с током на уровне 1 А и выше, при этом покрытие диэлектрическим материалом части внутренней поверхности вакуумной камеры и части поверхности плазменного электрода снижает вероятность электрического пробоя и образования разряда в скрещенных сильных электрическом и магнитном полях между стенкой разрядной камеры и заземленным ускоряющим электродом.

Изобретение относится к области формирования сильноточных непрерывных пучков ионов путем их экстракции из плотной плазмы ЭЦР разряда, создаваемой в открытой магнитной ловушке мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн. Технический результат - возможность работы источника в непрерывном режиме, снижая вероятность электрического пробоя и негативного влияния паразитного разряда между трубой разрядной камеры и ускоряющим электродом системы формирования ионного пучка. Это достигается добавлением вставки из диэлектрического материала, изолирующего большую часть трубы разрядной камеры, находящуюся в непосредственной близости от ускоряющего электрода, и часть поверхности плазменного электрода за исключением зоны, непосредственно примыкающей к области ускорения ионного пучка около отверстия. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сильноточный источник пучков ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного 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, автономную систему формирования и экстракции пучка ионов из плазмы, содержащую подвижные плазменный электрод и ускоряющий электрод, отличающийся тем, что часть внутренней поверхности трубы разрядной вакуумной камеры, обращенная к ускоряющему электроду, покрыта диэлектрическим материалом.

2. Сильноточный источник пучков ионов по п. 1, отличающийся тем, что поверхность плазменного электрода, обращенная к ускоряющему электроду, покрыта диэлектрическим материалом за исключением зоны, непосредственно примыкающей к области ускорения ионного пучка около отверстия.