Плазменная струя дугового источника ионов: Исследования и приложения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Баткин, Владимир Ильич

• Баткин, Владимир Ильич
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Баткин, Владимир Ильич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ПЛАЗМЕННАЯ СТРУЯ КАК КОМПЕНСИРОВАННЫЙ ПУЧОК НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИОНОВ

1.1. Адиабатическое охлаждение плазменной струи.

1.2. Скорость ионов плазменной струи дугового источника.

1.3. Влияние потенциалов на границе плазмы на скорость ионов.

1.4. Методика измерений продольной скорости ионов и потенциала плазменной струи.

Измерение продольных скоростей ионов.

Метод возмущающих зондов.

В Ы В 0 Д Ы.

Глава 2. ПЛАЗМЕННАЯ СТРУЯ В СЛАБОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

2.1. Исследования плазменной струи в продольном магнитном поле.

2.2. Фокусировка плазменной струи продольным мгнитным полем: феноменология.

2.3. Данные о механизме квадратичной и линейной по магнитному полю фокусировки плазменной струи.

2.4. Фокусировка плазменной струи и температура ионов.

2.5. Модели и оценки.

Диссипативная модель.

Динаничееская модель.

Усвершенствованная динамическая модель.

Пропорциональная фокусировка плазменной струи в средних магнитных полях.

2.6. Плазменная струя в поперечном магнитном поле.

ВЫВОД Ы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Плазменная струя дугового источника ионов: Исследования и приложения»

Ионные источники в настоящее время широко используются в ускорителях заряженных частиц, в термоядерных установках, в реактивных движителях, в разнообразных технологических процессах. Соответственно применению различаются требования, предъявляемые к источникам. Ионный источник в ускорителе должен создать первичный пучок, обладающий малым поперечным фазовым объемом, заданным конструкцией ускорителя током и однородной плотностью. Кроме того, его поперечный размер и угол разлета должны быть согласованы с трактом ускорителя, принимающем этот пучок. Если источник предназначен для создания пучка быстрых атомов для нагрева плазмы, то на первое место выходят требования величины потока ионов, энергетической и газовой эффективности и однородной плотности тока в большой апертуре. Если плазма, вырабатываемая газоразрядным прибором, предназначена для технологического применения, то важна энергетическая эффективность прибора, спектр ионных и электронных энергий, плотность плазмы в рабочей зоне и размер облучаемых поверхностей.

Еще в ранних работах по газоразрядным источникам ионов 11,2] измерялось энергетическое распределение ионов и было известно, что "проникающая" плазма, выходящая из отверстия газоразрядного прибора во внешнее пространство, движется в целом со скоростью большей или порядка тепловых скоростей ионов [3]. Движение плазмы связано, в частности, с действием амбиполярного электрического поля, вызванного падением плотности плазмы при удалении от генератора плазмы. Можно сказать, что газоразрядные генераторы плазмы низкого давления или вакуумные, в которых плазма расширяется из отверстия в электроде, создают плазменную струю. Первоначально этому факту не придавалось значения. Пучки ионов для ускорителей, которые создавались с помощью таких приборов, извлекались одноапертурной системой электродов непосредственно из отверстия в электроде или из небольшого экспандера (4 1. В этих источниках ионов основным фактором, определяющим качество пучка, была форма открытой границы плазмы. Дальнейшее развитие ускорительной техники и решение задач термоядерного синтеза потребовали создания пучков ионов с током от единиц ампер до сотен ампер. Такие пучки не могут быть получены малоапертурными системами формирования пучка. Плотность тока ионного эмиттера э связана с падением потенциала между электродами формирующей системы законом

2/3

Чальда-Ленгмюра V ~ э и ограниченная электрическая прочность промежутков между электродами не позволяет делать j больше некоторого предела. Принято 15] таким пределом считать величину 0.5 А/см2. Для ускорителей прецизионных пучков с малым поперечным фазовым объемом и малыми аберрациями плотность j может быть существенно ниже. Для увеличения тока ионов при ограниченной плотности тока необходимо увеличить апертуру эмиттера ионов. В источнике линейного ускорителя И-100 [6] при переходе от ионного тока 60 мА к 640 мА диаметр эмиттера ионов был увеличен с 3 мм до 8 см. Для стабилизации развитой границы плазмы потребовалось ввести в экспандер сетки, разделяющие его на короткие секции. В семидесятые годы получила интенсивное развитие техника мощных ионных пучков для инжекции быстрых атомов в термоядерные ловушки. В Окридже [5] был разработан дуопигатрон - источник ионов, в котором к разрядной камере дуоплазматрона [11 был добавлен объемный экспандер со стенками под потенциалом, частью, анода, частью антикатода. Осцилляция электронов вблизи анода значительно увеличивала выход ионов из анодного отверстия, а многократное расширение плазменного потока и многоапертурная система формирования пучка позволили получить ионный пучок с током % 100 А. Альтернативой такому решению было создание объемного газового разряда 17].

В ИЯФ СО АН СССР эта задача решалась путем создания компактного генератора плазменной струи и последующего расширения струи в экспандере, снабженном в ряде случаев магнитными стенками [8,9-14]. В ходе экспериментальной работы по оптимизации экспандера складывалось представление о плазме в экспандере как о бесстолкновительной плазменной струе. Было обнаружено [8], что две плазменные струи проходят друг через друга почти не взаимодействуя. Измерения плотности ионного потока 115] и низкая температура ионов 0.2 эВ £16] также указывали на линейный разлет невзаимодействующих ионов. В это же время В ИХКиГ проводилась работа, направленная на создание яркого источника ионов для линейного ускорителя. Генератор плазмы был заимствован в ИЯФ из инжектора ДИНА 1 (8]. Требования к поперечному фазовому объему пучка были более жесткие, чем предъявлялись к диагностическому источнику, а требования к току - ниже. Генератор плазмы давал поток ионов до 3 А с высокой яркостью % 10° А/см2рад2 вблизи анодного отверстия. На первом этапе достаточно было тока пучка 100 мА. Проблему составляло необходимое для дальнейшего ускорения пучка увеличение его апертуры до % 40 мм. Для того, чтобы получить высокую яркость пучка при его низкой плотности, необходима низкая поперечная температура ионов. В 1981 г были поставлены эксперименты по формированию низкотемпературного эмиттера ионов из разлетающейся из анодного отверстия плазменной струи. На расстоянии 65 мм от анода при вытягивающем напряжении и = 4.7 кВ была получена поперечная температура ионов Т^ = 24 мэВ 117]. Экстраполяция функции Т (и) в точку и = 0 давала величину еще меньше % 12 мэВ. Сопоставление ее с температурой ионов внутри анодного отверстия 2-3 эВ [17] показывает, что плазменная струя разлетается практически сохраняя поперечный фазовый объем ионов. Это означает, что при малом напуске газа в объем достижим компромисс, когда на расстояниях > 0.5 см от анода нет существенного рассеяния ионов на газе и нет сопутствующего недостатку газа возрастания шумов в плазме. Для сравнения можно привести опыт увеличения апертуры эмиттера инжектора И-100 [61: при переходе от апертуры 3 мм к 80 мм поперечная температура ионов на эмиттере сохранилась около 0.25 эВ, а фазовый объем пучка увеличился с 1.5 10~7 до 40 10~7 м рад. Кроме низкой поперечной температуры т ионов эксперименты [171 с плазменной струей дали большие регулярные радиальные скорости ионов, отвечающие их энергии > 30 эВ, много большей т . Таким образом работа [17], с которой начинается диссертация, дала яркую демонстрацию бесстолкновительной плазменной струи и послужила пониманию того, что происходит в экспандере газоразрядного источника ионов. В настоящее время способ получения яркого эмиттера ионов из расходящейся плазменной струи утвердился широко [16,18].

Создаваемая дуговым генератором плазмы бесстолкновительная плазменная струя содержит не только пучок низкоэнергетичных ионов, но и поток электронов, выбрасываемых из анодного отверстия. Поток инжектируемых в плазму относительно быстрых электронов, наряду с ионами и относительно холодной релаксировавшей в объеме плазменной струи электронной компонентой плазмы, составляет баланс зарядов. Такая структура плазменной струи ярко проявляется в слабом < 100 Гс магнитном поле. Фокусирующее действие продольного магнитного поля оказывается в десятки раз более сильным, чем непосредственный результат силы Лоренца, прикладываемой к ионам. Значительное, в 3 - 4 раза, увеличение осевой плотности плазмы в магнитном поле десятки Гс делает эффект фокусировки практически полезным. Используя данный эффект, можно удалить эмиттер ионов от анодного отверстия, управлять током ионов. Кроме того, при эксплуатации эмиттеров ионов, использующих плазменную струю, необходимо знать влияние на эмиттер рассеянных магнитных полей. Все сказанное стимулировало подробное исследование поведения бесстолкновительной плазменной струи как в продольном, так и в поперечном магнитном поле. В результате этой включенной в диссертацию работы был вскрыт механизм фокусировки ионов в продольном магнитном поле. Магнитное поле действует на инжектируемые в плазму электроны - затем это воздействие через амбиполярное электрическое поле передается ионам. Наиболее просто фокусирующая ионы сила связана со слабым магнитным полем при отсутствии "холодной" электронной компоненты. Тогда при малоподвижных ионах сила Лоренца, действующая на выходящие из малого осевого анодного отверстия электроны, должна компенсироваться электрическим полем. В результате параксиальный потенциал и фокусирующего ионы поля локально связан с магнитным полем В: и(г,г) = е/8т )Б(г)2г2. е

Фокусировка ионов электрическим полем пространственного заряда электронов, находящихся под действием магнитного поля глубоко изучена когда электроны замагничены и механизмом фокусировки является выстраивание эквипотенциалей вдоль силовых линий магнитного поля 119]. Такая техника фокусировки ионных пучков получила название "плазмооптика". Имеются сообщения о применении плазмооптических устройств в настоящее время [20,70]. Отличие явления фокусировки, которое изучается в диссертации, от явлений, относящихся к плазмооптике состоит в том, что здесь плазма не замагничена и распределение потенциала определяется динамикой "быстрых" электронов в магнитном поле, а не внешними потенциалами, переносимыми в объем плазменной струи анизотропно проводящей средой.

Опыт создания бесстолкновительной плазменной струи с относительно высокой продольной скоростью ионов и практически отсутствующими поперечными скоростями открывает возможность использования плазменной струи непосредственно, без извлечения ионов из плазмы и их ускорения. По сути, такая плазменная струя представляет собой интенсивный компенсированный пучок ионов с энергией десятки эВ. Эффектным применением плазменных струй в качестве пучков ионов или атомов могла бы быть установка с пересекающимися пучками [21]. Высокая интенсивность потоков резко повышает вероятность реакций между атомами или ионами, попорциональную квадрату плотности реагентов. Менее эффектным, но более подготовленным применением плазменной струи была бы обработка и дианостика поверхности. Технология плазменной обработки поверхности твердого тела - область наиболее активного применения плазмы газового разряда и ионных пучков [22]. Для того, чтобы оценить перспективы использования плазменной струи дугового генератора плазмы, проведем краткий обзор технологических источников плазмы, обращая особое внимание на энергию ионов, разброс энергий ионов и плотность плазмы.

Для обработки поверхности используются как ионы относительно высоких энергий О.1 - 100 кэВ ( ионная имплантация, распыление), так и ионы с энергией 5-100 эВ (ионное осаждение, активация поверхности). Применяется, также, комбинация пучков высокой и низкой энергии [23]. Широкие пучки низкоэнергетических ионов с плотностью тока порядка 1 мА/см2 получаются при помощи источника Кауфмана с одноэлектродным экстрактором 122,23]. Используется схема ускорение-торможение. Находят применение и потоки ускоренной плазмы от торцевого ускорителя 123]. В статье Л 24] предлагается примененить для распыления материалов плазменную струю дуоплазматрона. Наиболее широко в современной литературе представлены предложения источников плазмы разного рода высокочастотного разряда: емкостного, индукционного, СВЧ. Используется электронный циклотронный резонанс (ЭЦР). Достоинство этих источников - отсутствие электродов, подвергающихся эррозии, высокая энергетическая эффективность и большая апертура. Как правило, обсуждается два параметра: плотность плазмы, обычно 10±о - 1012 см 3, и электронная температура % 10 эВ. Такой критический параметр процесса, как энергия ионов, обычно опускается. Предполагается, что энергия ионов задается отрицательным смещением на проводящей поверхности или это смещение устанавливается в результате баланса электронного и ионного потоков. Не всегда можно управлять поверхностным потенциалом и эффективность такого управления зависит от разброса энергий ионов в плазме. Ряд работ содержит сведения о распределении ионов по полной энергии. Это распределение получается при помощи электростатического анализатора, в который ионы попадают через отверстие в электроде, имитирующем обрабатываемую деталь. 0 потенциале плазмы при этом не упоминается. Как правило, разброс энергий ионов больше 10 эВ и порядка самой энергии. Характерные энергетические распределения ионов дуоплазматрона и дуопигатрона приведены в (25,26]. Для ионов дейтерия в первом случае энергетический разброс ионов >30 эВ, во втором случае 25-30 эВ. Ток ионов соответственно составлял ^ 200 и % 300 мА. В работе [27] создается двухмодовый разряд: одна мода - СВЧ поле частотой 2.45 ГГц, вторая - создаваемое с помощью находящегося под переменным напряжением диска электрическое поле частотой 13.56 МГц. На диске, изолированном по постоянному току, энергичными электронами создается смещение и средняя энергия бомбардирующих поверхность диска ионов увеличивается до величины 93 - 280 эВ в зависимости от амплитуды переменного напряжения. Разброс энергий при этом составляет 10-20 эВ. Авторы статьи

28] обращают внимание на то, что в высокочастотном разряде (13.56 МГц) кроме ионов со средней энергией 30 эВ и разбросом энергий >10 эВ имеются быстрые электроны. В работе

29] утверждается, что характерная для высокочастотного разряда температура электронов Те=10 эВ создает помехи в ряде технологических процессов и предлагается генератор плазмы с мультипольной антенной, работающей на частоте 560

МГц. Антенна расположена на одном торце разрядной камеры. На другой торец, благодаря высокой локализации возбуждающего разряд поля, поступает спокойная однородная плазма с т < 2 эВ. Давление газа % 0.5 Па. Плотность плазмы п % 1010 см 3.

Позднее сообщается [30], что в подобном источнике получена температура ионов Аг+ 66 мэВ. В ЭЦР источнике 131] получен исключительно узкий спектр энергий ионов. При давлении Аг

0. 15 Па минимальный разброс энергий ионов составлял 5 эВ.

Энергия максимума спектра от 18 эВ (при мощности СВЧ 160 Вт) до 25 эВ (200 Вт). Плотность ионного тока 10 мА/см2, т % 10 е эВ. Приведенная в статье средняя энергия электронов 8-10 эВ дает представление о потенциале плазмы. Газовый разряд происходит в мультипольном магнитном поле, созданном на периферии дискового разрядного объема постоянными магнитами с максимальной индукцией 0.35 Тл. Разрядный объем создан кварцевым стаканом внутри цилиндрического резонатора, возбуждаемого на частоте 2.45 ГГц.

В диссертации были проведены исследования распределения продольных скоростей ионов плазменных струй, полученных из дуговго разряда в разных газах при разных потенциалах на электродах. Особенностью выполненых измерений является то, что в них определялась не полная энергия ионов, как это делалось в других работах, а кинетическая энергия. Полная энергия ионов относительно анода генератора плазмы была близка к нулю. Кинетическая энергия важна, если использовать или анализировать ионы в объеме плазменной струи. Но и при облучении ионами поверхности потенциал поверхности привязан к потенциалу плазмы, а не к потенциалу анода. В результате усовершенствования конструкции экспандера была достигнута регулировка кинетической энергии ионов в пределах от 4 до 55 эВ [32]. При этом разброс энергий, определенный на уровне 0.5 от максимума спектра, менялся соответственно от 5 эВ до 14 эВ. Полученный в настоящей работе разброс энергий ионов не во всех режимах самый маленький, но другие источники плазмы не дают сочетания относительно низкого разброса энергии и глубокой ее регулировки. Возможности монохроматизации ионного потока не исчерпаны. Очевидным способом является сепарация ионов по продольной скорости поперечным магнитным полем вблизи анодного отверстия. Достоинством плазменной струи является достижимая низкая около 2 эВ температура электронов. Большой ресурс дугового генератора плазмы - интенсивность ионного потока. С помощью мощных дуговых генераторов [8 ] она может быть доведена до 2 десятков А/см . Таким образом, плазменная струя дугового генератора является перспективным технологическим инструментом.

Одна из возможностей, которую дает применение плазменной струи - это возможность наблюдать ионы, рассеянные на поверхности или эмиттированные ею при облучении. Наличие у ионов достаточно большой кинетической энергии в объеме плазмы позволяет поддерживать на мишени потенциал, не запирающий ионы, которые с нее идут, а малый разброс скоростей ионов при отсутствии столкновений позволяют выделять ионы с мишени по скорости их движения. Таким образом, можно контролировать поверхность при ее облучении. Эта возможность была экспериментально испытана в настоящей работе.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и четырех приложений.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Баткин, Владимир Ильич

ВЫВОДЫ

1. Создана установка, позволяющая облучать поверхность металла плазменной струей и контролировать состояние поверхности, анализируя рассеянные мишенью и десорбированные ею ионы. Ионы, идущие с мишени, выделяются из падающего на мишень ионного потока по продольной скорости движения и анализируются по массам. Методика апробована в экспериментах.

2. С помщью импульсного пучка быстрых атомов водорода с низкой поперечной температурой исследовано рассеяние атомов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Включенные в диссертацию экспериментальные результаты дают представление о том, насколько бесстолкновительная плазменная струя импульсного дугового генератора представляет собой компенсированный пучок низкоэнергетических ионов, и насколько это плазма.

1. Как пучок плазменная струя предстала в экспериментах раздела 1.1, где было показано, что извлечение ионов из плазменного эмиттера подобно доускорению пучка ионов с энергией 30 эВ до более высокой энергии: на участке дрейфа перед диодным экстрактором ионы движутся сохраняя свой поперечный фазовый объем с относительно большой скоростью. Полученная в результате рекордно низкая поперечная температура 24 мэВ свидетельствует о том, насколько точен применяемый к плазменной струе образ пучка. Условием достижения такого результата является относительно малый 2.5 мм диаметр анодного отверстия и относительно малое время напуска водорода в разрядную камеру, когда разряд горит устойчиво, а заполнение экспандера газом незначительно.

Для измерения столь низкой поперечной температуры ионов была применена довольно сложная методика, включающая перезарядку экстрагированных ионов в пучок быстрых атомов водорода и анализ фазового объема пучка с угловым 4 разрешением % 10 рад.

2. В практике находят применение не только пучки ускоренных до высокой энергии ионов, но и низкоэнергетические ионы с энергией < 100 эВ. Проблемой является ускорить или замедлить ионы до столь низкой энергии сохранив значительной плотность их пучка. Экспериментальная работа, составившая разделы 1.2 и 1.3, показывают качества плазменной струи применительно к тем технологическим задачам, которые решают пучки низких энергий. Такими качествами являются диапазон регулировки энергии ионов и разброс энергий. После усовершенствования конструкции экспандера, сделавшей управляемым потенциал на границе плазменной струи внутри анодного отверстия, диапазон регулирования кинетической энергии ионов удалось расширить до пределов 4 эВ снизу и 56 эВ сверху. Ширина спектра энергий на уровне 0. 5 составила 5 эВ при энергии до 8 эВ. При большей энергии спектр расширяется при примерно

О 5 постоянном разбросе скоростей % 1 эВ При таких кинематических параметрах плазменная струя может конкурировать с имеющимися ионными потоками низких энергий.

Были измеряны "плазменные" параметры плазменной струи: распределение объемного потенциала, электронная температура, плотность плазмы. При помощи возмущающих зондов создавалось ионно-звуковая волна. Особенностью ее проявления было то, что скорость среды, по которой она распространялась, была значительно выше скорости ионного звука.

Результаты экспериментов следующие:

В сопоставимых условиях кинетические энергии ионов плазменной струи и плотность плазмы слабо зависят от массы ионов.

Полная энергия ионов близка к потенциалу анода: ионы рождаются вблизи анода и ускоряются падением потенциала между анодом и плазменной струей.

Эксраполяция продольного распределения потенциала внутрь анодного отверстия говорит о том, что в отличие от ситуации при большом анодном отверстии [15], при отверстии 3 мм энергия ионов оказывается примерно в два раза больше, чем амбиполярное падение потенциала. Это указывает на наличие скачка потенциала внутри анодного отверстия, сопровождающего ранее наблюдавшееся там [9] скачкообразное падение плотности плазмы.

По показаниям зондовых измерений в плазменной струе имеются две фракции электронов: относительно "быстрые" электроны из анодного отверстия с температурой 4.5 эВ и "медленные" электроны с температурой 2 эВ. "Медленные" электроны, вероятно, это испытавшие столкновения, захваченные в потенциальную ловушку, созданную плазменной струей, и релаксировавшие в ней "быстрые" электроны. Замещение одних электронов другими происходит на расстоянии 1-2 см от анода.

Был обнаружен новый эффект - изоляция плазменной струи от конического электрода, находящегося под положительным потенциалом относительно плазмы. По отношению к удаленным от анода стенкам экспандера плазменная струя ведет себя нормально: при повышении потенциала последних потенциал плазмы тоже повышается, оставаясь, вплоть до развития неустойчивости, выше потенциала стенок. По отношению коническому электроду внутри анода плазма ведет себя иначе: при его потенциале выше критического уровня % -8 В свойства плазменной струи перестают зависеть от этого потенциала.

3. Предложены и испытаны методы диагностики плазменной струи: определение распределения продольных скоростей ионов путем экстракции ионов в поперечном направлении электродами, не создающими продольного поля, и измерения углового разлета ускоренных ионов; определение потенциала плазмы по минимуму возмущения.

Метод измерения скорости эффективен при отсутствии столкновений ионов: сохраняя основной поток ионов для его использования, он позволяет контролировать как ионы из анодного отверстия, так и ионы, рассеянные от препятсятвий. Отличие его в том, что измеряется не полная энергия ионов как это делается другими электростатическими методами, а кинетическая энергия. Достоинство метода - высокое разрешение и малый отбор ионов, не создающий проблемы пространственного заряда.

Метод измерения потенциала в отличие от его определения по <321/сШ2 использует первую производную экспериментальной зависимости и менее чувствителен к временной нестабильности плазмы, действию магнитного поля, анизотропии плазмы. Конструкция прогреваемого цилиндрического зонда упрощается вследствие отсутствия надобности в экранировке.

Прозрачный образ плазменной струи теряется в присутствии магнитного поля. Это уже не пучок ионов, а по крайней мере трехкомпонентная система, содержащая ионы, неравновесную фракцию электронов, инжектируемую в плазму из анодного отверстия и равновесную фракцию относительно низкотемпературных электронов.

4. Экспериментально исследовано и феноменологически описано действие магнитного поля в диапазоне О - 100 Гс на плазменную струю дугового генератора плазмы.

Получены следующие результаты.

Имеется две выделенные области: область внутри анодного отверстия на глубине 3 мм, в которой магнитное поле управляет полным током ионов в плазменной струе и область снаружи отверстия с центром на расстоянии 10 мм в которой магнитное поле фокусирует ионный поток, увеличивая его осевую плотность. Внутрианодное действие магнитного поля известно [8,12], а фокусировка ионов представляет новый эффект. Фокусирующее действие магнитного поля в десятки раз превышает его непосредственное действие на ионы.

Фокусировка ионов вблизи анода наблюдается только при отборе электронного тока из плазменной струи. Расположение источника тока значения не имеет.

Дополнительно может происходить фокусировка ионов локальной плазменной линзой вне окрестности анода при условии создания там радиального электронного тока и магнитного поля, но оптическая сила этой линзы существенно меньше чем прианодной.

Магнитное поле пробочной конфигурации, возрастающее к ионному экстрактору, сильно влияет на профиль плотности ионов на эмиттере вплоть до образования трубчатого пучка.

Результаты, раскрывающие механизм фокусировки.

Имеется независимая от плотности плазмы связь между фокусирующей ионы силой и отношением электронного тока в плазменной струе к ионному.

При магнитном поле меньше 10 Гс на расстоянии от анода больше 1 см фокусирующая ионы сила пропорциональна квадрату магнитного поля, причем имеется локальная связь силы Р в точке Ъ и поля В(г): Р(г) ~ В(г)2.

При магнитном поле больше 10 Гс скачком происходит переход к режиму фокусировки когда Р ~ В, а локальная связь между Р и В отсутствует.

Предложена модель сильной фокусировки когда плазменная струя состоит из ионов и бесстолкновительно разлетающихся из анодного отверстия электронов. В этом случае сила Р представляет собой силу электрического поля, компенсирующего действие силы Лоренца на электроны. Параксиальный потенциал этого поля <р(х,2) (е/2те) ( В ( Ъ ) г/2 ) ?

При наличии фракции "медленных" электронов, запертых в объеме плазменной струи, происходит компенсация возмущения плотности "быстрых" электронов "медленными", сопровождающаяся электрическим полем с потенциалом меньшим, чем <р( г, г ).

Режим фокусировки Р ~ В связывается с развитием слабой ленгмюровской турбулентности когда спектр азимутальных скоростей, образованный вращающимися "быстрыми" и неподвижными "медленными" электронами, становится немонотонным.

Экспериментально установлено, что поведение плазменной струи в поперечном магнитном поле описывается моделью проводящей жидкости.

5. Создана установка, позволяющая облучать поверхность металла плазменной струей и контролировать состояние поверхности, анализируя рассеянные мишенью и десорбированные ею ионы. Ионы, идущие с мишени, выделяются из падающего на мишень ионного потока по продольной скорости движения и анализируются по массам. Методика апробована в экспериментах.

6. С помщью импульсного пучка быстрых атомов водорода с низкой поперечной температурой исследовано рассеяние атомов водорода с энергией 5 - 13 кэВ на газовых мишенях Н2, 02, Не, Аг. Получены новые результаты по рассеянию атомов водорода в атомы без перезарядки и с промежуточным заряженным состоянием. Осуществлено управление током пучка ускорителя при помощи продольного магнитного поля, модуляция пучка сеточным электродом в экспандере источника ионов.

Перспективы развития работ, составивших диссертацию.

1. При использовании низкотемпературного эмиттера ионов необходимы ионно-оптические системы с низким рассеянием ионов.

2. При использовании плазменной струи в качестве низкоэнергетического ионного пучка перспективы связаны с уменьшением разброса энергий ионов и расширения диапазона энергий. Первичный разброс энергий ионов составляет 5 эВ. Его рост с энергией связан, вероятно, с нестабильностью двойного слоя, в котором ионы ускоряются. Требуется найти форму анода и другие условия, обеспечиающие наибольшую стабильность. Очевидный способ сужения спектра энергий -использование магнитного сепаратора вблизи анода.

При использовании плазменной струи для ионного осаждения важным рубежом является способность ионного потока осадить за один импульс 101в частиц/см2. При длительности импульса 1 мс для этого требуется плотность тока % 1 А/см2. При импульсной работе источника для обработки значительных поверхностей нужно повысить интенсивность ионного потока. Для этого нужно найти компомисс между усовершенствованиями [8,12-14], позволившими форсировать дуговой генератор и требованиями, предъявляемыми к энергии ионов.

3. Фокусировка плазменной струи может использоваться для регулирования плотности тока на ионном эмиттере, для увеличения расстояния между анодом и ионным экстрактором. При технологическом использовании плазменной струи фокусировка ионов позволит транспортировать ионы и концентрировать их на поверхности. Для этого нужно решить задачу удаления из плазмы релаксировавших "медленных" электронов и насыщения ее инжектированными электронами.

При контроле поверхности по потоку рассеянных ионов, требующем небольших потенциалов мишени относительно плазмы, необходимо решить поблему ограничения электронного тока на мишень. Полезно систему диагностики ионов дополнить анализатором продольной скорости ионов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Баткин, Владимир Ильич, 1998 год

1. Ardenne М. Das duoplasmatron als ionen-oder electronen spritze extrem hoker emissionsstrom dichte. //Techn. der Phys. - 1961. - V.9, N5.- P.227-235.

2. Габович M. Д. , Ронанюк Л. И. , Лозовая Е.А. Проникновение плазмы из источника с осцилляцией электронов в вакуумную область с магнитным полем // Журнал технической физики.-1964. -Т.34, N. 3. -С.488-495.

3. Габович М. Д. Плазменные источники ионов. Киев: Наукова думка, 1964. - 224 с.

4. Габович М. Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М. : Атомиздат, 1972. - 304 с.

5. Инжекторы быстрых атомов водорода/ Семашко H.H., Владимиров А.Н. , Кузнецов В.В. и др. М. : Энергоиздат, 1981. - 168 с.

6. Нижегородцев В. В. Форинжектор линейного ускорителя И-100// Тр. V Всес. совещ. по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 5-7 октября 1976 г. М. : Наука, 1977, -Т.1. - С. 368-370.

7. Кулыгин В.М. , Панасенков A.A. , Семашко H.H. Чухин И. А. Ионный источник без внешнего магнитного поля ИБМ-5 //Журнал технической физики. 1979. -Т.42. - С.169-172.

8. Димов Г.И., Росляков Г.В. Развитие атомарных инжекторов для нагрева и диагностики плазмы в ИЯФ СО АН СССР. Вопросы атомной науки и техники Сер.: Термоядерный синтез. 1984. - Вып. 3/16. - С. 3-15.

9. Димов Г. И. , Кононенко Ю. Г. , Савченко О.Я. , Шамовский

10. В. Г. Получение интенсивных пучков ионов водорода// Журнал технической физики -1968. -Т.38, N6. -С.997-1004.

11. Савченко О.Я. Сеточное формирование мощных пучков ионов водорода // Тр. II Всесоюзн. совещ. по ускорителям заряженных частиц. М.: Наука, 1972. N 1. - С. 128-129.

12. Димов Г.И. , Савченко 0. Я. Увеличение интенсивости пучков отрицательных ионов и атомов водорода от импульсного ионного источника // Журнал технической физики. -1968. -Т.38, N11. С.2002-2004.

13. Давыденко В.И. , Димов Г. И. , Морозов И. И. , Росляков Г.В. Многоамперный импульсный источник протонов// Журнал техничееской физики. -1983. -Т. 53, N2. С.258-263.

14. Давыденко Р. И. , Морозов И.И. , Росляков Г.В. , Савкин В.Я. Протонный источник инжектора атомов установки АМБАЛ // //Приборы и техника эксперимента, 1986. N6. -С.39-42

15. Давыденко В. И. , Димов Г.И. , Морозов И.И., Савкин В.Я. Развитие ионных источников для инжекторов АМБАЛ-М. Новосибирск, 1989. 11с. (Препринт/Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 89-163).

16. Росляков Г.В. Датчик для измерения поперечных скоростей ионов плазменного эмиттера // Приборы и техника эксперимента. 1981. - N2. - С. 167-169.

17. Давыденко В. И. , Димов Г. И. , Росляков Г. В. Получение прецизионных ионных и атомных пучков высокой интенсивности // Доклады Академии наук СССР. 1983. -Т. 271, N6. -С. 1380-1383.

18. Баткин И.И., Гетманов В.Н., Савченко 0.Я.,Хусаинов P.A. Диагностика плазменной струи сеточными электродами

19. Журнал прикладной механики и технической физики. -1982. -N6. С.30-36.

20. Ogawa Kenzo, Sakae Takgi,Yamamoto Takanory Uozumi Yusuke Nothuomi,Akuhiro Matoka Hazary. Plasma jet emitter. Simulation model for the plasma in small ion source. JAERI-conf. 1995. - N95-021 - P.52-54

21. Морозов А.И. , Лебедев С.В. Плазмооптика //Вопросы теории плазмы. М. : Атомиздат, 1974. - Вып. 8. - С.247-381

22. Goncharov A.A., Dobrovolsky A.N., Kotsarenko A.N., Protsenko I.М. High current plasma lens and focusing of intence ion beams //Rev. Sci. Instrum. 1994. - V65, N4. P. 1428-1431

23. Физика ион-ионных и электрон-ионных столкновений/ Под ред. Ф. Бруйара и Дж. Мак-Гоуэна М. : Мир, 1986. - 432 с.

24. Габович М. Д. , Плешивцев Н.В. , Семашко Н.Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М. :Энергоатомиздат, 1986. - 249 с.

25. Ensinger W. Ion sourse for ion beam assisted thin-film deposition//Rev. Sci. Instrum. 1992. - V.63, N.ll.- P.5217-5233.

26. Badley J.W., Forder D.A. The emerging plasma beam from a duoplasmatron source and the potential for material sputtering//Plasma Sourse Sci. and Technol.- 1995. V.4, N.4 - P.516-526.

27. F.H. Bacon Gas Discharge Ion Sourse. I. Duoplasmatron //Rev. Sci. Instr. 1978. -V49, N.4. - P.427-434.

28. F.M. Bacon Gas Discharge Ion Sourse. II. Duopigatron //Rev. Sci. Instr. 1978. - V49, N.4. - P.435-439.

29. Peike P., Burequ S., Kemberg-Sapieka J.E., Martinu L. Ion energy distribution in dual and single mode microwave (radio freaquancy) plasma.//J. Appl. Phys.- 1995. V.78, N8. - P.4855-4858.

30. Смирнов А.С. , Уставщиков А.Ю. , Фролов К.С. Распределение по энергиям электронов и ионов, бомбардирующих электрод в высокочаститном разряде// Журнал технической физики.- 1994. Т.65, N. 8. - С.38-50.

31. Seiji Samukawa, Yukito Nakagawa, Tsutomu Tsukada, Hiroyuki Veyama et al Low-temperature, uniform, and high-density plasma prodused by a new ultra-high-freaquancy discharge with a spokewise antenna//Appl. Phys. Lett. 1995. - V.67, N10.- P.1414-1416.

32. Seiji Samukawa, Toshiki Nakano New ultra high-freaquancy plasma discharge for large-scale etching processes// NEC Res. and Dev. 1996. - V.37, N.3. - P.317-324.

33. Srivastava A.K., Sze E.C., Asmussen J. Discharge characteristics of a 5 cm multipolar electron syclotron resonance ion source// Rev. Sci. Instr. -1994.- V.65, N.5. P.1749-1752 .

34. Баткин В.И., Савченко О.Я. Поток моноэнергетических ионов из дугового разряда/Сб.тр. Всерос. научн. тех. конф. "Современная электротехнология в машиностроении." Тула, 3-4 июня 1997г. Тула:ТулГу, 1997. - С.211-214.

35. Баткин В.И., Кухарук С.П., Савченко О.Я. Отклонениеплазменной струи в поперечном магнитном поле// Журнал прикладной механики и технической физики -1985.- N3. С.6-8.

36. Баткин В.И., Савченко О.Я. Использование магнитного поля в экспандере источника ионов для управления токоми профилем пучка//Приборы и техника эксперимента. -1989. N3. - С.139-142.

37. Баткин В.И., Савченко О.Я. Времяпролетное зондирование плазменной струи в магнитном поле//

38. Журнал прикладной механики и технической физики. -1991.- N1. С.8-11.

39. Баткин В.И. Фокусировка плазменной струи дугового генератора плазмы продольным магнитным полем// Журнал прикладной механики и технической физики.- 1991. N5. - С.11-14.

40. Баткин В. И. Скорость ионов плазменной струи дугового источника//Журнал технической физики. 1996. - Т.66, N.3. - С.37-42.

41. Баткин В.И. Модуляция пучка сеточным электродом в экспандере источника ионов/Х1 Всесоюз. семинар по линейным ускорителям заряженных частиц. Аннот. докл.- Харьков:ХГФТИ АН УССР, 1989. С.79.

42. Баткин В.И., Савченко О. Я. Использование возмущающих зондов для диагностики плазменной струи//Журнал технической физики. 1997. - Т.67, N7. - С.24-27.

43. Баткин В.И., Гетманов В.Н., Икрянов И.М., Савченко О.Я. Источник протонов с регулируемым током для электростатического ускорителя//Вопросы атомной науки итехники. Сер. Техн. физич. эксперин. 198 5. - Вып. 1(22) . - С.36-41.

44. Баткин В.И., Савченко О. Я. Использование плазменной струи для наблюдения десорбции ионов с поверхности металла//Прикладная механика и техническая физика. 1995. -Т.36, N6. С.35-36.

45. Баткин В.И., Гетманов В.Н., Савченко О.Я. Рассеяние пучка быстрых атомов водорода на газовых мишенях//Журнал прикладной механики и технической физики. 1990. - N3.- С.3-7.

46. Баткин В.И., Гетманов В.Н., Икрянов И.М., Савченко О.Я. Импульсный ускоритель протонов с регулируемым током// Приборы и техника эксперимента. 1991. - N2. -С.27-31.

47. Баткин В.И., Гетманов В.Н., Савченко О.Я. Измерение тока и профиля нейтральной и заряженной компоненты пучка ионов водорода//Приборы и техника эксперимента. 1987.- N2. С.26-30.

48. Баткин В.И., Гетманов В.Н. Аналого-цифровой интерфейс и оперативное измерение фазового объема пучка на Э. В. М. "Электроника-100И"//Приборы и техника эксперимента. 1983. N5. - С.72-75.

49. Wittkover A.B., Gilbody H.B. A study of the charge+ +neutralization of fast Ne, Ar and Kr ions during through gaseous targets.//Proc. Phis. Soc. 1967.- V.90. p. 343-351.

50. Баткин В.И., Гетманов В. H. , Савченко 0. Я. Повышение яркости пучка дугового источника протонов//Приборы и техника эксперимента. 1984. - N1. - С. 44-47.

51. Dudnikov V.G. H beam based projection microlithography: A conseptual study of the beam parameters//Rev. Sei. Instrum. 1992. -V.65, N5. - P.1745-1748.

52. Алексеев Б. В. , Котельников В. А. Зондовый метод диагностики плазмы М. : Энергоатомиздат, 1988. - 240 с.

53. Шунько Е.В. Определение параметров плазмы по электронной ветви экспериментальной вольт-амперной характеристики ленгмюровского зонда. Новосибирск: 1983. - 42с. (Препр./ АН СССР, Сиб. отд-ние. Институт ядерной физики: N136).

54. Диагностика плазмы/Под ред. Халлдстоуна Р. , Леонарда С. М. : Мир, 1967. - 515с.

55. Арцимович Л. А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М. : Атомиздат, 1979. 315 с.

56. Бортничук Н.И., Прудовский Г.П., Хотин В.А., Хотина A.B. Моделирование электронно-оптических систем с плазменным змиттером//Журнал технической физики. 1977. - т.47, N9. - С. 1894-1903.

57. Гетманов В.Н. , Савченко О.Я. Влияние слабого магнитного поля на интенсивность плазменной струи дугового источника протонов//Журнал прикладной механики итехнической физики. 1987. -N3. - С.9-16.

58. Оке Е.М. , Юшков Г. Ю. Эмиссия ионов из плазмы дуговогоразряда//Известия ВУЗов. Физика. 1994. - т.37, N3. -С.24-33.

59. Молоковский С. И., Суппсов А. Д. Интенсивные электронные и ионные пучки М. : Энергоатомиздат, 1991. - 303 с.

60. Райзер Ю. П. Физика газового разряда М.: Наука, 1987.591 с.

61. Ишимару С. Основные принципы физики плазмы М.: Атомиздат, 1975. - 288 с.

62. Михайловский А. Б. Теория плазменных неустойчивостей. Т.1 Неустойчивости однородной плазмы М. : Атомиздат, 1975.- 235 с.

63. Кадомцев Б. Б. Турбулентность плазмы//Вопросы теории плазмы М. : Атомиздат, 1964. - Вып.4. - С.188-339.

64. Allison S.K. Experimental results on charge-changing collisions of hidrogen and helium atoms and ions at kinetic energies above 0"2 keV//Rev. Mod. Phys. -1958.- V.30, N4. P.1137-1149.

65. Стародубцев С.В., Романов A.M. Прохождение заряженных частиц через вещество. Ташкент: Изд-во АН УзССР, 1962.- 256 с.

66. Федоренко Н.В. Потеря и захват электронов атомами, протонами и отрицательными ионами водорода при их столкновениях с атомами и молекулами. Экспериментальные данные о сечениях//Журнал технической физики. 1970.- Т. 40, N12. С. 2481-2490.

67. Tawara Н., Russek A. Charge-changing processes in hidrogen beams//Rev. Mod. Phys. 1973 -V.45, N2.- P.178-190.

68. A. с. 14494840 СССР МКИ4Н05 H9/02. Импульсный линейный ускоритель протонов/Гетманов В.Н., Савченко О.Я. (СССР).- N 4174185/24-21; Заявлено 06.01.87; Опубл. 07.06.90. Бюл. N 21//Открытия. Изобретения. 1990. -N21. -С.295.

69. Росляков Г. В. , Савкин В. Я. Получение модулированногопучка атомов водорода с энергией 3-15 кэВ. Приборы и техника эксперимента. 1978, N1. - С.148-151.

70. Гуров Г.Г., Нижегородцев В. В. Модуляция тока ионного источника// Тр. V Всес. совещ. по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 5-7 октября 1976 г. М. : Наука, 1977, - Т.1. - С. 371-372.

71. Давыденко В.И., Крейтер A.A. Получение диагностического субмикросекундного пучка быстрых атомов с использованием сеточного модулятора//Физика плазмы. 1996. - Т22, N11. - С. 1067-1069.

72. Гуревич A.B. , Питаевский Л.П. Нелинейная динамика разреженной плазмы и ионосферная аэродинамика. Вопросы теории плазмы /Под ред. М. А. Леонтовича. - М. : Атомиздат, 1980. - вып.10. -С.3 - 87.

73. Бугрова А. И. , Морозов А. И. , Попков Г. Б. , Харчевников В.К. Исследование характеристик плазменной линзы//Журнал технической физики. 1986. -Т.56, N2. - С.307-311.

74. Справочник по специальным функцям/Под ред. М. Абрамовица, И. Стиган. М.: Наука, 1979. - 786 с.

75. Морозов А.И. Объемные электростатические поля в плазме -В кн. Плазменные ускорители и ионные инжекторы/

76. Под. ред. Н.П. Козлова, А. И. Морозова. М. : Наука, 1984. - С. 82-106.