Источник интенсивных пучков ионов на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке

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 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 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., KitagawaA., 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.

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 (GellerR., «Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas» Institute of Physics, Bristol, 1996).

Формирование пучков ионов в ЭЦР источниках осуществляется путем их извлечения 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. 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.

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 «Ion beam extraction and acceleration» (МПК F03H 1/00, H01J 27/02, публ. 29.05.1996 г.) устройство для формирования и экстракции пучка представляет собой трехэлектродную сеточную систему. Недостатком такой системы является требование к однородности потока плазмы на больших масштабах и большая величина эмиттанса. Поэтому в ЭЦР источниках ионов такие системы формирования и экстракции пучка не используются.

Наиболее перспективным способом увеличения тока пучка является повышение плотности плазмы в разряде, что достигается, прежде всего, за счет увеличения частоты и мощности СВЧ излучения. 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, публ. 25.09.2013 г.) описано устройство для увеличения тока извлекаемых ионных пучков. Но увеличение тока 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). При этом существенным оказывается конструкция и расположение системы формирования и экстракции пучка ионов из плазмы (так называемого «экстрактора»).

В патенте US 8624502 «Particle beam source apparatus, system and method», публ. 07.01.2014 г. описан сильноточный источник ионов. 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.

Недостатком описанного 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 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 не более 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, публ. 09.07.2018 г.). Устройство - прототип 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. 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. Изменяемое положение плазменного электрода позволяет, двигая 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 устройство - прототип может обеспечивать эффективную экстракцию ионов из плотной плазмы ЭЦР разряда и формирование сильноточных пучков ионов с низким эмиттансом (менее 0,25 π⋅мм⋅мрад).

Недостатком устройства - прототипа является то, что электроды выполнены в плоской или конической «квазипирсовой» геометрии. Формирование пучка ионов с малой угловой расходимостью в условиях большой плотности тока (более 2 А/см²) практически невозможно, так как это требует величин ускоряющего напряжения существенно превышающих электропрочность системы. Это значит, что формирование очень ярких пучков с током на уровне 0,5 А и величиной нормализованного эмиттанса на уровне сотых долей π⋅мм⋅мрад с помощью указанной системы практически невозможно.

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 интенсивный пучок ионов с крайне малой величиной эмиттанса и минимальным углом расхождения в условиях извлечения ионов из плазмы с очень высокой эмиссионной способностью (обеспечивающей плотность потока ионов на уровне нескольких А/см²).

Технический результат в предлагаемом источнике интенсивных пучков ионов 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 является то, что плазменный электрод выполнен в форме воронки, широкой частью обращенной к магнитной ловушке, а узкой частью направленной к ускоряющему электроду, причем ось воронки совпадает с осью системы.

В первом частном случае реализации разработанного источника интенсивных пучков ионов на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, ускоряющий электрод имеет форму полого прямого кругового цилиндра.

Во втором частном случае реализации разработанного источника интенсивных пучков ионов на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, целесообразно ускоряющий электрод выполнить в виде полого прямого кругового цилиндра, причем торец ускоряющего электрода, обращенный к плазменному электроду, имеет вид усеченного конуса.

В третьем частном случае реализации разработанного источника интенсивных пучков ионов на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, ускоряющий электрод имеет форму полого прямого кругового цилиндра, причем торец ускоряющего электрода, обращенный к плазменному электроду, выполнен в виде части сферы, выгнутой в направлении ускорения пучка ионов.

Краткое описание фигур, поясняющих конструкцию разработанного устройства.

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

На фиг. 2 представлены возможные варианты системы формирования пучка с разными типами ускоряющего электрода в соответствии с пунктами 2-4 формулы изобретения.

Источник интенсивных пучков ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, согласно п. 1 формулы 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 пучка ионов. Основными элементами системы формирования и экстракции пучка ионов являются плазменный электрод 4 и ускоряющий электрод 5. Плазменный электрод 4 соединен с трубой вакуумной камеры 1. Ускоряющий электрод 5 через свою систему крепления и изолятор соединен с системой крепления плазменного электрода 4. При этом плазменный электрод 4 и ускоряющий электрод 5 соосны между собой и к ним подключен высоковольтный источник напряжения 6.

Заявляемый 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 от отдельного блока питания. Величина магнитного поля должна быть достаточной для возникновения ЭЦР зон. В разрядную вакуумную камеру 1 направляют СВЧ излучение с поперечным распределением интенсивности в форме гауссова пучка с частотой (например, 37,5 ГГц) много большей обычно применяемой частоты. 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 1 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 6, приложенного между плазменным электродом 4 и ускоряющим электродом 5. При этом вся разрядная камера 1, как и плазменный электрод 4, находится под высоким потенциалом относительно земли.

Особенностью работы заявленного источника ионов по сравнению с прототипом является то, что плазменный электрод 4 выполнен в форме воронки, широкой частью обращенной к магнитной ловушке, а узкой частью направленной к ускоряющему электроду 5, причем ось воронки совпадает с осью системы (см. фиг. 1). Благодаря этому максимальная величина напряженности поля вблизи отверстия в плазменном электроде 4 оказывается существенно выше, чем в случае плоских электродов, применяемых в устройстве-прототипе, при прочих равных параметрах (например, при той же величине ускоряющего напряжения). Это существенно снижает влияние объемного заряда пучка ионов на самой важной начальной стадии ускорения и позволяет существенно повысить плотность потока плазмы 2, из которой можно извлечь и сформировать пучок с минимальным углом расхождения. Расчеты показывают, что в данном случае возможно формирование пучка с рекордной эмиттанс нормализованной яркостью на уровне 1,5 кА/(π⋅мм⋅мрад).

Ускоряющий электрод 5 был выполнен в нескольких вариантах согласно пунктам 2-4 формулы.

В первом частном случае реализации разработанного источника интенсивных пучков ионов на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, ускоряющий электрод 5 имеет форму полого прямого кругового цилиндра (см. фиг. 2 а). Данная конструкция применима в случае, когда даже при оптимальных параметрах системы формирования пучка его угол расхождения недостаточно мал. Использование такой формы ускоряющего электрода 5 позволяет избежать попадания ионного пучка на внешнюю по отношению к направлению ускорения поверхность ускоряющего электрода 5 и, соответственно, препятствует возникновению паразитной (нежелательной) электрической дуги.

Во другом частном случае реализации разработанного источника интенсивных пучков ионов на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, ускоряющий электрод 5 имеет форму полого прямого кругового цилиндра, причем торец ускоряющего электрода 5, обращенный к плазменному электроду 4, выполнен в виде усеченного конуса (см. фиг. 2 б), причем сужающаяся часть его расположена ближе к плазменному электроду 4. Подобная форма позволяет при сохранении топологии эквипотенциальных поверхностей между электродами расположить боковые стенки ускоряющего электрода 5 как можно дальше от оси системы. Тем самым избегают попадания на них ионного пучка, в случае если угол его расхождения после области ускорения не слишком мал, или если ток пучка достаточно велик для расплывания его в поле собственного заряда.

В третьем частном случае реализации разработанного источника интенсивных пучков ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, авторами предлагается ускоряющий электрод 5 выполнить в форме полого прямого кругового цилиндра, причем торец ускоряющего электрода 5, обращенный к плазменному электроду 4, имеет вид части сферы, выгнутой в направлении ускорения пучка ионов (см. фиг. 2 в). Использование ускоряющего электрода 5, выполненного согласно п. 4 формулы, позволяет добиться наиболее оптимальной формы эквипотенциальных поверхностей и получить минимальный угол расхождения пучка при прочих равных.

Таким образом, предложенная авторами конструкция электродов значительно снижает влияние объемного заряда пучка ионов на поперечное расплывание пучка и позволяет существенно повысить плотность потока плазмы. Это, в конечном счете, позволяет сформировать пучок с минимальным углом расхождения.