Исследование ионного диода с Br - магнитным полем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат наук Степанов, Андрей Владимирович

• Степанов, Андрей Владимирович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Степанов, Андрей Владимирович

Введение

Глава 1. Диодные системы для формирования импульсных мощных

ионных пучков

1.1 Отражательные диоды

1.2 Пинч - диодные системы

1.3 Магнитно-изолированные ионные диоды

1.3.1 Ионные диоды с Вг - магнитным полем и пассивным анодом

1.3.2 Ионные диоды с Вг - магнитным полем и активным анодом

1.3.3 Ионный диод полоскового типа с двухимпульсным

режимом работы

1.3.4 Требования к магнитному полю ионного диода с

Вг - магнитным полем

Выводы

Постановка задачи

Глава 2 Аппаратура и методика проведения исследований

2.1 Сильноточный импульсный ионный ускоритель «ТЕМП»

2.2 Источник питания катушек магнитного поля

2.3 Диагностическое обеспечение ускорителя

2.3.1 Метод измерения магнитного поля в

ускоряющем зазоре

2.3.2 Метод измерения импульсного давления

Глава 3. Исследование ионного диода с Вг - магнитным полем

3.1 Конструкция ионного диода с Вг- магнитным полем

и пассивным анодом

3.2 Влияние магнитного поля на параметры ионного диода с

Вг - магнитным полем

3.3 Режимы работы ионного диода с Вг - магнитным полем

3.4 Исследование ионного диода с Вг - магнитным полем

в двухимпульсном режиме

3.5 Сравнительный анализ параметров ионного диода с

Вг - магнитным полем

Выводы

Глава 4. Короткоимпульсный имплантер

4.1 Исследование ресурса эмиссионного покрытия анода

4.2 Ограничение частоты следования импульсов при

Газоотделении

4.3 Короткоимпульсная имплантация ионов углерода

в кремниевую мишень

Выводы

Заключение

Список литературы

Ь-

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование ионного диода с Br - магнитным полем»

Введение

Актуальность темы. Взаимодействие мощных ионных пучков заряженных частиц с твёрдым телом активно исследуется на протяжении более трех десятилетий. Активно развиваются методы короткоимпульсной имплантации ионов. Особенность данного метода состоит в том, что наряду с имплантацией определенных ионов происходит и отжиг дефектов, образование которых сопровождает ионную имплантацию. Это происходит за счет нагрева поверхностного слоя током переносимым импульсным ионным пучком и быстрого охлаждения [1]. Наряду с имплантацией в полупроводниковые материалы [2] этот подход может использоваться и для короткоимпульсной имплантации в металлические материалы, также с отжигом дефектов [3]. Данный режим был использован для синтеза наноразмерных частиц на основе углерода: наноалмазов и карбида кремния [4]. Это направление по модифицированию - изменению свойств материалов МИП представляется важным для практического применения источников мощных ионных пучков (МИП).

Использование метода короткоимпульсной имплантации для реализации прикладных исследований предъявляет определенные требования к параметрам мощных ионных пучков:

- Величина потока энергии переносимой МИП должна лежать в диапазоне 106-И О7 Вт/см2;

- Частота повторения импульсов МИП 1-И 0 имп/с;

- Максимальный разброс энергии и плотности тока МИП должен быть в пределах 10-И 5%;

- Ресурс работы диодной системы не менее 104 последовательных импульсов тока.

Наиболее эффективными источниками МИП, применяемыми в методах короткоимпульсной имплантации, являются ионные диоды с Вг - магнитным

полем. В связи с этим, представляет научный и практический интерес исследование параметров ионного диода с Вг - магнитным полем с точки зрения определения факторов влияющих на увеличение стабильности параметров МИП и повышения ресурса работы диодной системы и частоты следования импульсов МИП.

Цель работы и задачи исследования.

Исследование параметров ионного диода с Вг - магнитным полем направленное на установление основных факторов, приводящих к увеличению частоты следования импульсов тока МИП, повышению эффективности работы ионного диода и повышению стабильности параметров МИП и ресурса работы анодного покрытия.

Для достижения поставленной цели было необходимо решение следующих задач:

1. Экспериментальное исследование влияния конфигурации изолирующего магнитного поля в ускоряющем зазоре ионного диода с Вг - магнитным полем на параметры тока МИП.

2. Экспериментальное установление факторов, ограничивающих частоту следования импульсов тока МИП в диоде с Вг - магнитным полем и пассивным анодом, определение предельной частоты следования импульсов для диапазона рабочих давлений.

3. Исследование параметров ионного диода с Вг - магнитным полем и предварительной наработкой плазмы на анодной поверхности за счет дополнительного отрицательного импульса напряжения, предшествующего основному в диоде с диэлектрическим покрытием.

4. Апробация разработанной диодной системы при короткоимпульсной имплантации ионов углерода в кремниевую мишень. Исследование возможности синтеза наноразмерных частиц на основе углерода.

Научная новизна работы

1. Впервые реализован двухимпульсный режим работы ионного диода с Вг - магнитным полем и диэлектрическим покрытием анода, обеспечивающий генерацию ионного пучка из плазмы созданной первым плазмообразующим импульсом.

2. Установлено что, при длительности паузы 500±50 не между передними фронтами плазмообразующего и ускоряющего импульсов напряжения, реализуется режим работы плазмонаполненного диода.

3. Определена предельная величина давления остаточных газов в рабочей камере МО"3 мм. рт. ст. при которой сохраняется генерация МИП ионным диодом с Вг - магнитным полем и диэлектрическим покрытием анода.

4. Путем оптимизации параметров диодной системы и снижения удельного сопротивления покрытия анода, на основе эпоксидного компаунда достигнут ресурс работы данного покрытия 104 импульсов при изменении энергии ионного пучка в пределах 15%.

5. Впервые реализован синтез наноразмерных частиц карбидов кремния и наноалмазов при воздействии на кремниевую мишень последовательной серии из более 100 импульсов тока мощного пучка ионов углерода и протонов, с плотностью тока и паузой между импульсами тока не приводящих к образованию расплава поверхности мишени.

Практическая значимость заключается в том, что определена и доказана возможность работы диодной системы с Вг - магнитным полем при пониженном давлении остаточного газа в области диода достигающая величины 10' мм. рт. ст. Это является важным фактором практического использования импульсных источников МИП. В результате выполнения научно-исследовательской работы разработан ионный диод с Вг - магнитным полем, с помощью которого реализован синтез наноразмерных частиц на

основе углерода в поверхностном слое кремния при короткоимпульсной имплантации ионов углерода.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. В двухимпульсном режиме работы ионного диода с Вг - магнитным полем, с длительностью паузы между импульсами 500±50 не, реализуется режим плазмонаполненного диода с растущим импедансом характерным для данного типа диодов.

2. Максимальный разброс плотности тока ионного пучка и энергии для ионного диода с Вг - магнитным полем и диэлектрическим анодом в диапазоне давлений остаточных газов от 2-10^ до Ы0~3 мм. рт. ст. лежит в пределах 15 %.

3. Максимальная частота следования импульсов тока МИЛ в диапазоне давлений остаточных газов (2-10~4-Н-1СГ3) мм. рт. ст. определяется отношением скорости газовыделения с поверхности диэлектрического покрытия анода к скорости откачки объема рабочей камеры.

4. Ресурс работы диэлектрического покрытия на основе проводящего компаунда достигает 104 импульсов тока ионного пучка при энергии, переносимой ионным пучком < 50 Дж и значении удельного сопротивления анодного покрытия < 2 - Ю10 Ом-м.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научном семинаре Института физики высоких технологий ТПУ, а также на международных конференциях по сильноточным пучкам заряженных частиц BEAMS'08 (Xi'an, China, 2008 год), на 11-ой конференции по радиационной физике и сильноточной электронике (Томск, Россия, 2006 год), на 15-ой конференции по сильноточной электронике (Томск, Россия, 2008 год), на конференции Rusnanotech (Москва, Россия, 2009 год) и конгрессе ТПУ (Томск, Россия, 2012 год).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 17 печатных работах, из которых - 7 статей в научных реферируемых журналах рекомендованных ВАК, 2 патента, 8 статей в сборниках трудов международных научных конференций и симпозиумов.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, список литературы из 90 наименований. Работа изложена на 103 страницах, включает 43 рисунков и 4 таблицы.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи работы, научная новизна, практическая значимость и основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются работы, посвященные методам формирования мощных ионных пучков и их параметрам. Проводится обзор типов диодных систем, их конструктивных особенностей и механизмов работы. Проводится обзор основных требований к магнитному полю для обеспечения магнитной изоляции диодных систем.

Во второй главе описываются конструкции и характеристики технологического ускорителя мощных импульсных ионных пучков «ТЕМП» и источника питания катушек магнитного поля, используемых для проведения исследований. Обоснован выбор параметров источника питания катушек магнитного поля диодной системы. Описаны методика измерения магнитного поля в анод - катодном (А-К) зазоре ионного диода с Вг - магнитным полем и методика измерения импульсного давления в вакуумной камере с помощью ионизационного преобразователя ПМИ -51.

В третьей главе представлено описание ионного диода с Вг - магнитным полем, его конструктивных особенностей и характеристик. Выполнены исследования формирования магнитного поля в А-К зазоре и проанализировано влияние его параметров на работу ионного диода с Вг -магнитным полем. Так же выполнены исследования режима работы ионного диода с Вг - магнитным полем при предварительном формировании плазмы в А-К зазоре биполярными импульсами напряжения наносекундной длительности с целью увеличения эффективности работы диода.

В четвертой главе выполнено экспериментальное исследование факторов, ограничивающих частоту следования импульсов тока МИП в диоде с Вг - магнитным полем и пассивным анодом. Определена предельная частота следования импульсов тока МИП для диапазона рабочих давлений. Проведены экспериментальные исследования ресурса эмиссионных покрытий. Сделана апробация исследуемой диодной системы при короткоимпульсной имплантации ионов углерода в кремниевую мишень.

В заключении приводятся основные результаты работы. Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Установлено, что нарушение равномерного распределения индукции магнитного поля вдоль поверхности анода приводит к рассогласованию импедансов диода и ускорителя, и снижению ресурса работы диэлектрического покрытия;

2. Показано что нарушение равномерного распределения индукции магнитного поля вдоль поверхности анода приводит к снижению эффективности ионного диода с 60% до 14%;

3. Установлено, что основным источником газоотделения в ионном диоде с Вг - магнитным полем является диэлектрическое покрытие анода;

4. Максимальная частота повторения импульсов ионного диода с Вг -магнитным полем определяется максимальным давлением, при котором параметры МИП сохраняются или меняются в пределах 15%, и соотношением скорости откачки и скорости газовыделения в А-К зазоре;

5. В двухимпульсном режиме работы ионного диода с Вг - магнитным полем и диэлектрическим покрытием анода, при длительности паузы 500±50 не между передними фронтами плазмообразующего и ускоряющего импульсов напряжения, реализуется режим работы плазмонаполненного диода;

6. Показано, что в сравнении с ионным диодом с «пассивным» анодом использование дополнительного импульса напряжения отрицательной полярности для наработки плазмы позволяет увеличить эффективность диода до 65%;

7. Установлено, что предельная величина давления в вакуумной камере при которой параметры МИП сохраняют стабильность на уровне 15% составляет 1-10"3 мм. рт. ст.;

8. Использование разработанного диода для короткоимпульсной имплантации ионов углерода МИП в кремниевые мишени в режиме без оплавления поверхности обеспечивает образование наноразмерных частиц в поверхностном слое кремния.

Глава 1. Диодные системы для формирования мощных импульсных пучков (МИП)

Под мощными ионными пучками понимают импульсные пучки ионов с

7 7

потоком энергии более 10 Вт/см и длительностью импульса, как правило, 10" 6+Т0'8 с [5]. Методы генерации импульсных мощных ионных пучков разрабатывались с середины 70х годов XX века [5]. Первоначально МИП использовались для моделирования воздействия мощных нейтронных потоков на материалы, радиационных испытаний. Впоследствии они широко использовались в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу, накачке лазеров, модифицированию материалов, импульсному осаждению пленок из абляционной плазмы.

Формирование МИП заключается в преобразовании электрической энергии, которая запасается в емкостных накопителях, в кинетическую энергию ионов при помощи диодных систем. Основными условиями генерации МИП в диодных системах является:

- обеспечение необходимой эмиссионной способности плазмы на аноде;

- увеличение времени дрейфа или времени нахождения электронов в

межэлектродном зазоре [5].

Последнее достигается несколькими способами. В отражательных (или рефлексных) диодах многократные прохождения (осцилляции) электронов через анодную сетку, диэлектрическую или металлическую фольгу приводят к увеличению времени нахождения электронов в А-К зазоре [5]. В диодах с линчеванием электронного пучка (пинч - диодах) длина пути электронов от катода до анода увеличивается за счет искривления траектории в магнитном поле примерно в гк/с1 раз, где гк - радиус катода, ё - величина А-К зазора. В магнитно-изолированных диодах (МИД) поток электронов, который воздействует на анод, подавляется собственным, либо внешним магнитным полем. Ниже рассмотрим основные типы диодных систем для генерации МИП.

1.1 Отражательные диоды

Конструктивно отражательные диодные системы [6] состоят из плоского анода, который размещается между двумя катодами (рис. 1а), либо перед одним из них (рис. 16, в).

Катод Анод Анодная (ф=0) (У0) ^ плазма

Катод

Катод Анод ВК

Л

е-

(

—-г )

/1

Катод

е~

ВК

еш

Анод1 Анод2

а) б) в)

Рис. 1 Конфигурация отражательного триода (а), симметричного отражательного триода (б), тетрод (в)

Анод изготавливается из достаточно прозрачной сетки, тонких водородсодержащих пленок (толщиной единицы - десятки микрометров) либо металлической фольги, толщина которой значительно меньше длины пробега электронов в ней -10-50 мкм. В случае использования металлических и диэлектрических пленок, они, как правило, разрушаются после каждого импульса тока МИП.

Основная особенность работы отражательных систем состоит в следующем. При подаче на анод (как правило, с максимально возможной прозрачностью для электронов) импульса положительной полярности, эмитируемые с катодов электроны, ускоряются в сторону анода и совершают колебания между катодами, многократно проходя через анод, разогревая его и образуя пароплазменное облако. При этом формируются два МИП, вытягиваемых из анодной плазмы в стороны катодов (рис. 1а). Для уменьшения расходимости ионного потока, необходимо прикладывать

достаточно сильное продольное магнитное поле, которое снижает «уход» электронов из диода за счет рассеяния на аноде, при наличии лишь одного реального катода, с обратной стороны возникает виртуальный катод (ВК), формируемый пространственным зарядом осциллирующих электронов (рис. 16). Благодаря высокой прозрачности анода электроны совершают большое число колебаний (как правило, более 5-^-7 колебаний), и соответственно увеличивается время их пребывания в А-К зазоре. Увеличенная плотность электронов вблизи анода позволяет существенно увеличить плотность ионного тока, эмитируемого плазмой за счет компенсации пространственного заряда ионов. Максимальные величины ионных и электронных токов протекающих в данных системах определяются законом Чайлда - Ленгмюра для биполярного потока.

Симметричные отражательные системы характеризуются резким уменьшением (коллапсом) импеданса [5] при достижении критического значения числа пересечений анода осциллирующими электронами. В реальных импульсных сильноточных ускорителях с конечным внутренним сопротивлением генератора, уменьшение импеданса отражательного триода вызывает его рассогласование с генератором (формирующими линиями) ускорителей и снижение ускоряющего напряжения. В результате этого уменьшается среднее число пересечений анодной фольги, и отражательный триод выходит на уровень меньших токов и увеличение импеданса. В экспериментах значение ¡¡/.[¡ч.л., гДе Ъ ~ ток ионного пучка, ¡¡ч.л. - ток рассчитанный по закону Чайлда - Ленгмюра, существенно больше единицы и растет с уменьшением импеданса генератора и увеличением напряжения на диодной системе. Например, в экспериментах [5] на импульсном сильноточном ускорителе с внутренним сопротивлением < 1 Ом при увеличении числа пересечений анодной фольги, значение 1Дч.л. достигало 50, в то время как в экспериментах [7] на сильноточном ускорителе с внутренним сопротивлением около 10 Ом это значение не превышало 10. При генерации

МИП в асимметричных отражательных триодах и тетродах (рис. 1в) не наблюдается резкого уменьшения их импеданса [7]. Соответствующие значения токов МИП оказываются в 2^3 раза меньше, чем в триодном режиме.

Отражательные системы позволяют генерировать МИП [8] с энергией частиц от 100 кэВ до > 1 МэВ, током МИП в диапазоне от 0,1 кА до < 1 МА и с длительностями импульсов тока в несколько десятков наносекунд. Наибольшие значения эффективности генерации МИП отражательными системами, по оценке авторов [9], достигают 40% для симметричных и 70% для асимметричных триодов или тетродов, рис. 16.

Практическое использование отражательных систем затруднялось рядом недостатков. Ресурс пленочных анодов отражательных систем рассчитан на десятки пересечений осциллирующими электронами с начальной энергией в диапазоне от -100 кэВ до 1 МэВ. Следовательно, режим работы отражательных триодов ограничен одиночными импульсами. Образование плазмы из материала анода с использованием осциллирующих электронов требовало значительного вклада энергии в анод, лежащего на уровне 1 кДж/г.

1.2 Пинч - диодные системы

Для генерации МИП пинч - диодами используется сильное радиальное сжатие потока электронов к оси диода под действием собственного магнитного поля. Этот эффект называется линчеванием пучка. Минимальный ток электронного пучка должен превосходить величину критического тока 1кр, создающего на периферии электронного пучка в диоде магнитное поле, достаточное для поворота электронов к оси диода. При этом увеличивается время нахождения электронов в А-К зазоре примерно в г^/с! раз [5] по сравнению с «ламинарным» потоком электронов, рис. 2. В радиально сходящемся потоке электронов и при достаточно больших соотношениях гк/с1, отношение тока ионов к току электронного пучка ¡¡/¡е превосходит единицу, а

значение ионного тока I; при этом составляет более половины полного тока диода.

Рис. 2 Квазистационарные потоки электронов и ионов в пинч - диоде:

1 - анод, 2 - катод

В реальных пинч - диодах соотношение rk/d»10, как правило, радиус rk >10 см, а значение d определяемое длительностью импульса и скоростью перекрытия плазмой А-К зазора составляет единицы и доли сантиметра.

Появлению потока ионов из материала анода в пинч - диоде предшествует формирование анодного плазменного слоя. Согласно результатам экспериментов с пинч - диодом на ускорителе NEREUS [7] появление анодной плазмы с плотностью 5-Ю15 см"3 наступает спустя 30 не после приложения высоковольтного импульса ускоряющего напряжения. При этом удельное поглощение энергии в аноде, соответствующее появлению анодной плазмы, лежит в диапазоне 0,3-4 кДж/г при соответствующем нагреве поверхностного слоя в течении нескольких десятков наносекунд до температуры плавления и испарения вещества анода. Эффективные удельные потери энергии электронов в веществе анода растут с увеличением атомного номера вещества. В экспериментах [10] с пинч - диодом на ускорителе Питон

d

2

1

при напряжении 2 МВ плотность тока на аноде составляет > 10 кА/см2 и амплитуда 1 МА, что соответствует эффективности 60%.

При использовании тонкого анода, прозрачного для электронов соответствующей энергии в пинч - рефлексной схеме (рис. 3), выход ионов значительно увеличился.

d

Рис. 3 Схема пинч - рефлексного триода, 1 - катод, 2 - тонкая пленка прозрачная для МИП, 3 - анодная диэлектрическая водородсодержащая пленка толщиной 200 мкм, прозрачная для электронов, 4 - анод

Это обусловлено уменьшением потерь пучка электронов в тонком аноде и результирующим увеличением плотности пространственного заряда электронов в диоде. Из-за осцилляций электронов при их движении к оси анода увеличивалось время их нахождения в А-К зазоре диода.

Эффективность данной схемы превышала 50%, при этом максимальное значение тока ионов I¡ составило 0,5 МА при полном токе диода 0,9 МА. Однако основным недостатком подобной схемы является ограниченный

ресурс работы диодной системы: как правило, один или несколько импульсов тока. В дальнейших экспериментах с пинч - рефлексными диодами, выполненных на более мощных низкоимпедансных генераторах были получены пучки протонов с эффективностью генерации 70%.

Фактически пинч - диодные системы являются разновидностью ионных диодов с магнитной самоизоляцией, в них не требуется наложение внешнего магнитного поля. Пинч - диодные системы обладают высокой эффективностью, приближаясь к МИД, их эффективность работы тем выше, чем ниже импеданс генератора.

1.3 Магнитно-изолированные ионные диоды

МИД до настоящего времени являются наиболее изученными экспериментально и теоретически. Первоначально их развитие было связано с программой исследований по управляемому термоядерному синтезу при использованию микромишеней [11, 12]. Высокая повторяемость характеристик МИП, возможность использования диода в широком -диапазоне выходного импеданса генератора импульсов высоковольтного напряжения и высокая плотность энергии МИП - обусловили развитие этого класса диодов для прикладных исследований. Ниже рассмотрены характерные диодные системы.

1.3.1 Ионные диоды с Вг — магнитным полем и пассивным анодом

Как отмечалось выше, образование плазмы в отражательных системах и пинч - диодах требует значительного удельного вклада энергии в поверхностный слой анода для генерации плотной анодной плазмы (-5-1015 см" ). В настоящее время предпочтительным является использование поверхностного пробоя массивного диэлектрического анода для

17 18 3

формирования тонкого слоя плотной плазмы 10 -40 см' на фронте высоковольтного импульса. Данный подход реализован в нескольких ионных ускорителях на основе МИД [10, 13, 14]. В этом случае генерация МИП

начинается значительно раньше, чем при разогреве анода осциллирующими электронами, и лежит в пределах единиц наносекунд. Кроме того, в отличие от триодных систем, в МИД движение анодной плазмы, приводящей к снижению импеданса диода, а в конечном итоге и к замыканию А-К зазора, происходит поперек магнитного поля. Наложение магнитного поля на А-К зазор МИД влияет на скорость движения анодной плазмы, уменьшая её до 0,3+0,5 см/мкс. Это обеспечивает возможность генерации МИП с микросекундными длительностями, поскольку типичное значение А-К зазора ~1 см не успевает перекрыться плазмой.

Эмиссионная способность анода МИД определяется параметрами плазмы на поверхности анода. В работе [15] авторы выделяют несколько основных требований к анодной плазме. Для получения требуемых величин токов МИП

17 18 3 *

плотность плазмы должна соответствовать значениям 10 -г 10 см" . Плазменный слой должен быть однородным в течении времени действия ускоряющего импульса напряжения и повторять форму поверхности анода. Сокращение А-К зазора за счет расширения плазмы не должно превышать приблизительно 10%, что позволяет сохранять импеданс диода практически постоянным. Это означает, что для ускорителей с низким импедансом и значением А-К зазора 5+10 мм сокращение ускоряющего зазора должно быть не более 0,5+1 мм. Ионы, эмитируемые с поверхности плазменного слоя должны обладать низкой поперечной кинетической энергией, определяющей расходимость ионного пучка, т. е. ионная температура плазмы должна быть по возможности низкой.

В МИД с внешним магнитным полем различают пассивные и активные источники плазмы по способу формирования плазменного слоя. Наиболее широко в качестве пассивных источников плазмы с поверхностным пробоем использовались аноды с диэлектрическими водородосодержащими покрытиями [16, 17, 18]. В первых экспериментах для формирования плазмы использовались диэлектрические аноды в виде нитей [5], на поверхности

которых за счет емкостного деления на фронте импульса напряжения развивались электрические поля высокой напряженности, приводящие к поверхностному пробою вдоль нитей. Это предполагало использование импульсных генераторов с короткой длительностью фронта ускоряющего напряжения — единицы наносекунд. В дальнейшем в качестве пассивных источников плазмы наиболее широко получили распространение аноды с водородсодержащими включениями (эпоксидный компаунд или полиэтилен) [19]. В подобных системах наработка плазмы на поверхности анода осуществляется за счет поверхностного пробоя на фронте высоковольтного импульса напряжения, поэтому существует задержка эмиссии ионного тока относительно переднего фронта ускоряющего напряжения. Согласно результатам работы [16] длительность времени задержки составляет от 10-К20 не.

В работе [20] использовались аноды большой площади (более 0,1 м2) с равномерно распределенными по поверхности иглами, залитыми эпоксидным компаундом. Данной конструкцией обеспечивалась генерация достаточно однородной плазмы плотностью 1016 - 1017 см" . Аналогичные результаты [21] были получены и при использовании анодов, выполненных из полиэтилена, на поверхности которого создавали центры концентрации напряжений (сетка царапин, малые отверстия), либо при покрытии поверхности анода бархатом, который обеспечивал генерацию плазмы большой плотности.

Одним из примеров подобных систем [22] является анод в виде тора намотанного лентами алюминия и полиэстера (СюНзО^ толщиной 0,3 мм и 0,75 мм соответственно, и впаянного в медное основание, рис. 4. Анод выполнен в виде кольцевой поверхности состоящей из двадцати сферических витков и имеет площадь 100 см2. МИД с данным анодом при ускоряющем напряжении 0,6 МВ, длительности импульса 60 не и полном токе диода 200 кА, обеспечивал генерацию МИП с током 120 кА. Доля протонов в пучке составляла 70-^80 %.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Степанов, Андрей Владимирович, 2014 год

Список литературы

1) Комаров Ф. Ф., Новиков А. П. Физические основы лазерной и пучковой технологии // Итоги науки и техники. - 1989. -Т.5. С. 113-161.

2) Hodson R. Т., J. Baglin Е. Е., Pal R. et al. // Applied Physics Letters. - 1980. -Vol. 37.-№2.-P. 187-189.

3) Иванов IO. Ф., Опекунов M. С., Пузыревич А. Г., Ремнёв Г. Е. Дефектообразование в стали при однократном и периодическом воздействии мощных импульсных ионных пучков // Письма в журнал технической физики. - 1995. - Т. 21. - В. 24. - С. 60-65.

4) Ремнёв Г.Е., Иванов Ю.Ф., Найден Е.П., Степанов A.B. и др. Формирование наноразмерных частиц карбида кремния и алмазов в поверхностном слое кремниевой мишени при короткоимпульсной имплантации ионов углерода // Журнал технической физики. -2009. - Т. 7. - Вып. 4. - С. 156-158.

5) Быстрицкий В. М., Диденко А. Н. Мощные ионные пучки / М., Энергоатомиздат. - 1988. - С. 152

6) Миллер Р.Б. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц. /М.: Мир, - 1984.-432 С.

7) В. М. Быстрицкий, Я. Е. Красик, В. И. Подкатов // ЖТФ - 1979. - т. 49. - С. 2417.

8) Pasour J. A., Mahaffey R. A., Golden J., Kapetanakos С. A.// NRL Memo Rep. 4103. Washington, D. C., 1979

9) C. Okada, K. Kamada, H. Ishizuka, N. Nemoto, Y. Kubota // J. Appl. Phys. -1976,-V. 15.-P. 1885

10) S. A. Goldstein // Proc. Cieos. - San Diego. - 1980.

11) Mehlhorn T. A. INTENSE ION-BEAMS FOR INERTIAL CONFINEMENT FUSION //IEEE transactions on plasma science. - 1997. - Vol. 25. - № 6. - P. 1336.

12) Welch D. R., Cuneo M. E., Olson C. L., Mehlhorn T. A. Gas breakdown effects in the generation and transport of light ion beams for fusion // Phys. Plasmas. 1996.-Vol.3-P. 2113

13) Greenspan M. A., Hammer D. A., Sudan R. N. Production of intense focused ion beams in a spherical magnetically insulated diode // J. Appl. Phys. - 1979. -Vol. 50.-P. 3031.

14) Volkov S. N., et al., Investigation of High Power Ion Beam Generation in B-Applied Diode With Plasma Source At The Anode // Proc 8th International Conference on High Power Praticle Beams. - Russia, Novosibirsk. - 1990. -Vol. 1 - P. 529-534.

15) Bluhm H., Grether D., Hoppë P. et al. Status and perspectives of high power

th

ion diode // The 8 international conference on high-power particle beams. -Russia, Novosibirsk. - 1990,-Vol. 1.-P.104-115

16) Johnson D. J., Quintenz J. P., et all Anode plasma behavior in a magnetically insulated ion diode// J. Appl. Phys. - 1985. - Vol. 52. - P. 168.

17) Shulov V. A., Nochovnaya N. A., Remnev G. E., Pellerin F., and Monge-Cadet P. High Power Ion Beam Treatment application for Properties Modification of refractory alloys // J. Surface and Coatings Technology. - 1998. - Vol. 99. - P. 7481.

18) Yoshiro Nakagava Generation of an intense metal-ion beam by a pulsed ion diode//Rev. Sci. Instrum. - 1990. - Vol. 61. -№1.-P. 529-531.

19) Stephen A., David B. Magnetic insulation of extraction Applied-B ion diodes // J. Appl. Phys. - 1986. - Vol. 59. - P. 2685.

20) Greenspan M., Humphries S., Maenchen J., Sudan R. N. // Phys. Rev. Lett., 1977, v. 39, p. 24.

21) Johnson D. J., Kuswa G. W., Leeper R. J., Humphries S. Jr. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 1978.-Vol. 25.-P. 418

22) Deichuli P. P., Fedorov V. M. Intense ion beams generation in MID with Hr -field// The 8th international conference on high-power particle beams. -Russia,

Novosibirsk. - 1990. - Vol. 1. - P.469-474

23) Timothy J. Renk et al. // IEEE, - 2004. - Vol. 92, P. 785

24) Быстрицкий В. M., Бойко В. И., Красик Я. Е. и др. Генерация и фокусировка мощного ионного пучка в магнитоизолированном диоде // Физика плазмы. - 1989. - Т.15. - вып. 11. - С. 1337.

25) Быстрицкий В. М., Бойко В. И., Красик Я. Е. Генерация и фокусировка мощного ионного пучка в магнитоизолированном диоде 5

26) В. М. Быстрицкий, А. Н. Диденко Сильноточные ионные пучки // Успехи физических наук. - 1980. - Т. 132 - вып. 9. - С. 91-122.

27) Takahashi Т., Horioka К., Hijikawa М., Urai A., and Kasuya К. Pulsed ion beam generation_with cryogenic-anode diode // J. Appl. Phys. - 1983. - Vol. 54. - P. 4269

28) Maenchen J. E., Woodworth J. R., Mehlhorn T. A. et al. Extreme-ultraviolet illumination effects on the PBFA-I magnetically insulated ion diode // J. Appl. Phys. - 1989.-Vol. 65.-P. 448.

29) Rondeau G. D. in Status and Perspectives of High Power Ion Diodes in Extractor Geometry // Thesis, Cornell University, 1989

30) Lockner T. R., Humphries S. Experiments on the Acceleration and Transport of Ion Beams // IEEE Trans. Nucl. Set, - 1981. - Vol. 28, Pp. 3407-3409.

31) Greenly J. В., et al. magnetically insulated ion diode with a gas-breakdown plasma anode // J. Appl. Phys. - 1988. - Vol. 63. - P. 1872-1876

32) Ueda M., Greenly J. В., Hammer D. A. Intense ion beam from a magnetically insulated diode with magnetically controlled gas-breakdown ion source

// Laser Part. Beams. - 1994. - Vol. 12. - P. 585-614.

33) Lamppa К. P., Stinnett R. W., Greenly J. B. et all Active plasma source formation in the MAP diode// 9th IEEE Int. Pulsed Power Conf. - 1995. - Vol. 1. -P. 649-654.

34) Timothy J. Renk, Somuri V. Prasad, Anatoliy S. Shlapakovski, Anatoly V. Petrov. Materials Modification Using Intense Ion Beams // IEEE. - 2004, Vol. 92, N7, Pp 1057-1081

35) Greenly J. В., et al., Magnetically Insulated Ion Diode with a Gas-Breakdown Plasma Anode // Proc. 6th Intl. Conf. on High Power Particle Beams. - Osaka, Japan. - 1986.-P. 196-199.

36) Petrov A., Polkovnikova N., Tolmacheva V., Matvienko V., and Shlapakovski A. Formation of high power ion beams in the magnetically insulated diode with the induction gas breakdown based anode plasma source // The 6th Int. Conf. Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. - Russia. -Tomsk. - 2002.

37) Bitteker L. J., Wood B. P., Davis H. A., and Waganaar W. J. Development of the Los Alamos continuous high average - power microsecond pulser ion accelerator // Rev. Sci. Instrum. - 2000. - Vol. 71. - № 10. - P. 3677 - 3683.

38) Welch D. R., Olson C. L., Mehlhorn T. A. Gas breakdown effects in the generation and transport of light ion beams for fusion // Phys. Plasmas. - 1996. -Vol.3. - №5.-P. 2113-2121.

39) Remnev G. E., Isakov I. F., Lopatin V. S., et al. High Power Ion Beam Sources for Industrial Application // Surface and Coatings Technology - 1997. - Vol. 96. -№1. - P. 103-109.

40) Логачев Е.И., Ремнев Г. E., Усов Ю.П. Авторское свидетельство SU 852149А. ГенераТорр ианосекундиых импульсов. /Опубликовано 07.04.1983 Бил. №13.

41) Морозов А. И. Введение в плазмодинамику / Физматлит. - 2008. - С. 614.

42) Крейндель Ю. Е. Плазменные источники электронов / М: Атомиздат. -1977.-С. 144

43) Greenspan M. A., Hammer D. A. An applied-5 0 magnetically insulated ion diode // Appl. Phys. Lett. - 1980. - Vol. 37. - P. 248

44) Desjarlais M. P., et al. Evolution and Control of Ion-Beam Divergence in Applied-B Diodes //Phys. Rev. Letters. - 1991. - Vol. 67. - P. 3094.

45) Quintenz J. P., Desjarlais M. P., Krall N. A., et all. Theory of applied-B ion diodes // The 8th international conference on high-power particle beams. -Russia, Novosibirsk. - 1990. - Vol. 1. - P.469-474.

46) Werner Z., Piekoszenski J., Szymczyk W. Application of high intensity pulsed ion and plasma beams in modification of materials // Vacuum. — 2001. -Vol. 63.-P. 701-708.

47) Slutz S. A., David B. Magnetic insulation of extraction applied B-ion diodes // J. Appl. Phys. - 1986. - Vol. 59. - №8. - P. 2685-2688.

48) Pointon T. D., Desjarlais M. P., Seidel D. B., Slutz S. A. et all Three-dimensional particle-in-cell simulations of applied-5 ion diodes // Plasmas Phys. -1994.-Vol. 1.-P.429.

49) Fedorov V. M., Deichuli P. P. The limitation of the ion current density in high power magnetically insulated diodes // The 8th international conference on highpower particle beams. -Russia, Novosibirsk. - 1990. - Vol. 1. - P.215-222

50) M. A. Tiunov // Preprint 82-59, Institute of Nuclear Phys., Novosibirsk, -1982.

51) Humphries S., et al. Pulsed plasma guns for intense ion beam injectors // Rev. Sci. Instrum. - 1981. - Vol.52. - №2. - P. 162-171.

52) Desjarlais M. P. Theory of applied - B ion diodes // Phys. Fluids. - 1989. - Vol. 1. -№8.-P. 1709-1720.

53) Miller P. A., Mendel C. W. Analytic model of Applied-B ion diode impedance behavior//J. Appl. Phys. - 1987. - Vol. 61, P. 529.

54) P. P. Deichuli, V. M. Fedorov // The 6th Symp. on High Current Electronics.-1986.-Vol.-P.166.

55) Fedorov V. M. 11 Proc. of Int .Workshop on Power Opening Switches. - Russia, Novosibirsk. - 1989.-P. 131.

56) Johnson D. J., Quintenz J. P., Sweeney M. A. Electron and ion kinetics and anode plasma formation in two applied Br field ion diodes // J. Appl. Phys. - 1985. -Vol. 57.-№3.-P. 794-805.

57) Usov Yu. P. The development and application of charged particle high power

• • » th •

beam accelerators in nuclear physics institute, Tomsk // The 8 international

conference on high-power particle beams. -Russia, Novosibirsk. - 1990. - Vol. 1. -P.264-271.

58) Davis H. A., Remnev G. E., Stinnett R. W., and K. Yatsui Intense Ion-Beam Treatment of Materials // Mater. Res. Bull. - 1996. - Vol.21. - №8. - P. 58

59) Нестеренко В. П., Ремнев Г. Е., Арефьев К. П., Исаков И. Ф., Тарбоков В. А. Влияние импульсной обработки твердых сплавов мощным ионным пучком на процесс нанесения износостойких покрытий // Физика и химия обработки материалов. - 2000. - №3. - С. 39-44.

60) Ремнев Г. Е., Погребняк А. Д. Применение мощных ионных пучков для технологических целей // Новости науки и техники. - 1990. - вып.2. - С. 30.

61) Isakov I. F., Matvienko V. М., Opekunov М. S., Remnev G. Е. et all. Sources of High Power Ion Beams for Technological Applications // Vacuum. - 1991. - Vol. 42.-№ 1/2.-P. 159-162.

62) Усов Ю. П., Логачев E. И., Ремнев Г. Е. Ускорение ионов из взрывоэмиссионной плазмы // Письма в журнал технической физики. - 1980. -Т. 6.-В. 22.-С. 1404-1406.

63) Усов Ю. П., Логачев Е. И., Ремнев Г. Е. Ускоритель тяжелых ионов // Приборы и техника эксперимента. - 1983. - № 1. - С. 21-23.

64) Исаков И. Ф., Лопатин В. С., Пушкарев А. И., Ремнев Г. Е. Модифицированный источник мощных ионных пучков «Темп» // Труды IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. - Россия, Томск - 1996. - С. 105-106.

65) Фурман Э. Г., Степанов А. В., Макеев В. А. Импульсная система питания катушек магнитного поля ионного диода // Приборы и техника эксперимента. -2007.-№2.-С. 107-111.

66) Степанов А. В., Ремнев Г. Е. Влияние конфигурации магнитного поля ионного диода на параметры ионного пучка // Приборы и техника эксперимента. - 2009. - №4. - С. 1-5.

67) Златин Н. А. Физика быстропротекающих процессов / III, Мир: 1971. -том З.-С. 360.

68) Ремнев Г. Е., Фурман Э. Г., Тарбоков В. А.Степанов А. В. и др. Патент на изобретение № 2288553 RU, МПК 8Н05Н15/00. Ионный диод с внешней магнитной изоляцией / Заявлено 26.04.2004. Опубликовано 20.10.2005, Бюл.№33.

69) Фурман Э. Г., Степанов А. В., Фурман И. Ж. Ионный диод // Журнал технической физики. - 2007. - Т. 77. - №5. - С. 86-95.

70) Stepanov А. V., Remnev G. Е. The magnetic field distribution in acceleration gap of magnetically insulated ion diode // 17th International Conference on HighPower Particle Beams. - Xi'an, China - 2008. - P. 423-426.

71) Фурман Э.Г., Лопатин В. С., Степанов А. В., Ремнев Г.Е., Макеев В.А. Ионный диод с внешней магнитной изоляцией // Приборы и техника эксперимента. - 2004. - №4. - С. 70-75.

72) Архипов Б. А., Гниздор Р. Ю., Масленников Н. А., Морозов А. И. // Физика плазмы, - 1992.-Т. 18.-С. 1241 - 1244.

73) Greenspan М. A., Pal R., Hammer D. A., Humphries S., An applied-Bo magnetically insulated ion diode // Jr. Appl. Phys. Lett. - 1980. - Vol. 37. - P. 248.

74) Bergeron K. D. // Phys. Fluids. - 1977. - V. 20. - P. 688.

75) Yoshikawa Т., Masugata К., M. Ito, Matsui M., Yatsui K. Planar-type self-magnetically insulated diode as a new source of intense pulsed light-ion beam //J. Appl. Phys. - 1984.-Vol.56. -№11.-P. 3137

76) Быстрицкий В. М., Диденко А. Н., Сулакшин С. С, Подкатов В. И. // Письма ЖТФ, - 1980, - т. 6, с. 991.

77) Степанов А. В., Ремнев Г. Е., Лопатин В. С. Исследование ионного диода с Вг - магнитным полем и диэлектрическим анодом // Изв. вузов Физика 6/2. -2012.-Т. 55.-С. 76-81.

78) Ремнев Г. Е., Исаков И. Ф., Лопатин В. С. Быстрый токовый размыкатель на основе коаксиального плазмонаполненного диода // Физика плазмы. - 1987. -Т.13.-вып. 11. - С. 1358-1363.

79) Ремнев Г. Е., Исаков И. Ф., Опекунов М. С., Матвиенко В. М. Источники мощных ионных пучков для практического применения // Изв. вузов Физика. -1998. - №4.-С. 92-110.

80) Степанов А. В., Ремнев Г. Е., Пушкарев А. И., Фурман Э. Г., Лопатин В. С. Источник импульсных электронных и ионных пучков на основе наносекундного генератора напряжения с согласующим трансформатором // Изв. Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. - № 2. - С. 8893.

81) Пушкарев А.И., Фурман Э.Г., Ремнев Г. Е. Согласование двойной формирующей линии с взрывоэмиссионным диодом// Письма в Журнал технической физики. - 2004. - Т.30. - вып. 14. - С. 63-67.

82) Stepanov А. V., Lopatin V.S., Remnev G. Е. Study of magnetically isolated diode with dielectric anode at repetitive rate operation mode // 17th International Conference on High-Power Particle Beams - Xi'an, China - 2008. - P. 87-90.

83) Ремнев Г. E., Фурман Э. Г., Пушкарев А. И., Карпузов С. Б. Импульсный сильноточный ускоритель с согласующим трансформаТорром // Приборы и техника эксперимента. - 2004. - № 3. - С. 130-134.

84) Lopatin V. S., Furman Е. G., Remnev G. Е. / Beams 2003

85) Лебедев А.А., Зеленин В.В., Абрамов П.Л. и др. Исследование толстых эпитаксиальных слоев 3C-SiC, полученных методом сублимации на подложках 6H-SiC // Физика и техника полупроводников. - 2007. - № 41. - С. 273

86) Иванов П. А., Левннштейн М. Е. Мнацаканов Т. Т. и др. Мощный биполярные приборы на основе карбида кремния // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Т. 39. - Вып. 8. - С. 897-898.

87) Баталов Р.И., Баязитов P.M., Нурутдинов P.M. Формирование и свойства тонкоплёночных полупроводниковых соединений на основе кремния на кремнии с использованием ионной имплантации и импульсных воздействий// Изв. вузов. Материалы электронной техники. - 2006. - № 1. - С. 28-34.

88) Li N.S., Wu Х.Н., Liao L.S., Bao X.M. Raman scattering of porous structure formed on C+-implanted silicon// Applied Physics Letters . - 1996. - Vol. 68. - № 15.-P. 2091-2093.

89) Canham L.T., Barraclough K.G., Robbins D.J. 1.3pm light-emitting diode from silicon electron irradiated at its damage threshold // Appl. Phys. Lett. - 1987. - Vol. 51.-P. 1509-1511.

90) Ремнев Г. E., Степанов А. В., Салтымаков M. С. Патент на изобретение № 2393989 RU, МПК С01В31/06, В82ВЗ/00. Способ синтеза наноалмазов и наноразмерных частиц карбида кремния в поверхностном слое кремния / Заявлено 02.03.2009. Опубликовано 10.07.2007.

У