Экспериментальная установка для тестирования ВЧ-источников ионов
Разработана экспериментальная установка, позволяющая производить экспрессные измерения полного тока, профиля, массового состава и эмиттанса пучка ВЧ-источников ионов. Реализован индуктивный ВЧ-разряд с внешним магнитным полем (~60 Гс) при 80 Вт вводимой в плазму ВЧ-мощности (fВЧ=27.12 МГц). Плотност...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2003 |
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2003
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111221 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Экспериментальная установка для тестирования вч-источников ионов / В.И. Возный, В.И. Мирошниченко, С.Н. Мордик, В.Е. Сторижко, Д.П. Шульга, Б. Сулкио-Клефф // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 284-287. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-111221 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Возный, В.И. Мирошниченко, В.И. Мордик, С.Н. Сторижко, В.Е. Шульга, Д.П. Сулкио-Клефф, Б. 2017-01-08T19:06:13Z 2017-01-08T19:06:13Z 2003 Экспериментальная установка для тестирования вч-источников ионов / В.И. Возный, В.И. Мирошниченко, С.Н. Мордик, В.Е. Сторижко, Д.П. Шульга, Б. Сулкио-Клефф // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 284-287. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111221 537.534.2 Разработана экспериментальная установка, позволяющая производить экспрессные измерения полного тока, профиля, массового состава и эмиттанса пучка ВЧ-источников ионов. Реализован индуктивный ВЧ-разряд с внешним магнитным полем (~60 Гс) при 80 Вт вводимой в плазму ВЧ-мощности (fВЧ=27.12 МГц). Плотность ионного тока составляла величину 20 мА/см² при диаметре эмиссионного отверстия 0.6 мм. Для реализации режимов работы ВЧ-источника с плотностью плазмы на уровне 6·10¹¹см⁻³ разработана и изготовлена компактная магнитная система с постоянными магнитами (NdFeB) и ферритами кольцевой формы. Реализованы высокояркостные режимы ВЧ-источника аргонового пучка Bn = 5·10¹² A.m⁻².rad⁻². Работа выполнена при частичной поддержке Министерства образования и науки Украины (проект N2M71-2001) и BMBF (Германия), проект UKR 00/003. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Приложения и технологии Экспериментальная установка для тестирования ВЧ-источников ионов Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Экспериментальная установка для тестирования ВЧ-источников ионов |
| spellingShingle |
Экспериментальная установка для тестирования ВЧ-источников ионов Возный, В.И. Мирошниченко, В.И. Мордик, С.Н. Сторижко, В.Е. Шульга, Д.П. Сулкио-Клефф, Б. Приложения и технологии |
| title_short |
Экспериментальная установка для тестирования ВЧ-источников ионов |
| title_full |
Экспериментальная установка для тестирования ВЧ-источников ионов |
| title_fullStr |
Экспериментальная установка для тестирования ВЧ-источников ионов |
| title_full_unstemmed |
Экспериментальная установка для тестирования ВЧ-источников ионов |
| title_sort |
экспериментальная установка для тестирования вч-источников ионов |
| author |
Возный, В.И. Мирошниченко, В.И. Мордик, С.Н. Сторижко, В.Е. Шульга, Д.П. Сулкио-Клефф, Б. |
| author_facet |
Возный, В.И. Мирошниченко, В.И. Мордик, С.Н. Сторижко, В.Е. Шульга, Д.П. Сулкио-Клефф, Б. |
| topic |
Приложения и технологии |
| topic_facet |
Приложения и технологии |
| publishDate |
2003 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| description |
Разработана экспериментальная установка, позволяющая производить экспрессные измерения полного тока, профиля, массового состава и эмиттанса пучка ВЧ-источников ионов. Реализован индуктивный ВЧ-разряд с внешним магнитным полем (~60 Гс) при 80 Вт вводимой в плазму ВЧ-мощности (fВЧ=27.12 МГц). Плотность ионного тока составляла величину 20 мА/см² при диаметре эмиссионного отверстия 0.6 мм. Для реализации режимов работы ВЧ-источника с плотностью плазмы на уровне 6·10¹¹см⁻³ разработана и изготовлена компактная магнитная система с постоянными магнитами (NdFeB) и ферритами кольцевой формы. Реализованы высокояркостные режимы ВЧ-источника аргонового пучка Bn = 5·10¹² A.m⁻².rad⁻².
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111221 |
| citation_txt |
Экспериментальная установка для тестирования вч-источников ионов / В.И. Возный, В.И. Мирошниченко, С.Н. Мордик, В.Е. Сторижко, Д.П. Шульга, Б. Сулкио-Клефф // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 284-287. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT voznyivi éksperimentalʹnaâustanovkadlâtestirovaniâvčistočnikovionov AT mirošničenkovi éksperimentalʹnaâustanovkadlâtestirovaniâvčistočnikovionov AT mordiksn éksperimentalʹnaâustanovkadlâtestirovaniâvčistočnikovionov AT storižkove éksperimentalʹnaâustanovkadlâtestirovaniâvčistočnikovionov AT šulʹgadp éksperimentalʹnaâustanovkadlâtestirovaniâvčistočnikovionov AT sulkiokleffb éksperimentalʹnaâustanovkadlâtestirovaniâvčistočnikovionov |
| first_indexed |
2025-11-25T22:20:28Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:20:28Z |
| _version_ |
1850563009382973440 |
| fulltext |
УДК 537.534.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ВЧ-ИСТОЧНИКОВ ИОНОВ
В.И.Возный1, В.И. Мирошниченко1, С.Н.Мордик1, В.Е.Сторижко1, Д.П.Шульга1, Б.Сул-
кио-Клефф2
1) Институт прикладной физики НАН Украины, Сумы, Украина, vozny@ipflab.sumy.ua
2)Institute of Nuclear Physics, University of Münster, Münster, Germany
Разработана экспериментальная установка, позволяющая производить экспрессные измерения полного
тока, профиля, массового состава и эмиттанса пучка ВЧ-источников ионов. Реализован индуктивный ВЧ-
разряд с внешним магнитным полем (~60 Гс) при 80 Вт вводимой в плазму ВЧ-мощности (fВЧ=27.12 МГц).
Плотность ионного тока составляла величину 20 мА/см2 при диаметре эмиссионного отверстия 0.6 мм. Для
реализации режимов работы ВЧ-источника с плотностью плазмы на уровне 6·1011см-3 разработана и изготов-
лена компактная магнитная система с постоянными магнитами (NdFeB) и ферритами кольцевой формы. Реа-
лизованы высокояркостные режимы ВЧ-источника аргонового пучка Bn = 5·1012 A .m-2.rad-2.
ВВЕДЕНИЕ
Для повышения разрешающей способности
сканирующего ядерного микрозонда (ЯМЗ) следует
использовать источники ионов с наибольшей
яркостью. ВЧ-источник ионов является одним из
наиболее перспективных для использования в ЯМЗ.
Данный тип источника ионов имеет целый ряд дос
тоинств: значительный срок службы (более 1000
часов), ста бильность ионно-оптических параметров,
высокую степень ио низации газа, компактность,
достаточно большой ионный ток (1…100 мкА) и
высокую яркость (Bn ~109-2.1010 Aм-2 рад-2).
Теоретический предел яркости плазменных
ионных источников при известных Те,Ti и ni
приводится в работе [1]:
T
T
nA
n
I
В
i
e
in ==
)(
2
επ
, (1)
где Bn - нормализованная яркость плазменного
источника ионов, ni – плотность плазмы; Te –
температура электронов, Ti – температура ионов, А -
нормировочный коэффициент.
Таким образом, высокояркостные плазменные
ионные источники должны иметь плазму с высокой
ионной плотностью и высокой электронной темпера
турой. В то же время ионная температура должна
быть низкой, чтобы получать ионные пучки с малым
разбросом по импульсу, и малым эмиттансом.
ВЧ-источники ионов, работающие в Е – режиме
(емкостной ВЧ-разряд) имеют плотность плазмы n ~
109…1010 см-3, в Н – режиме (индуктивный ВЧ-
разряд) - плотность n ~1011 см-3. Для сравнения ВЧ-
источники плазмы с магнитным полем, работающие
в W – режиме (индуктивный ВЧ-разряд с
магнитным полем), имеют плотность плазмы
n~1012…5.1013 см-3 [2-4].
Теоретический предел яркости аргонового пучка
при плотности плазмы n ~ 1013 см-3, температурах
электронов Te~5 эВ и ионов Ti~0.1 эВ будет равен
Bn~0.8.1014 Aм-2 рад-2[5].
Данная величина яркости может быть сравнима с
величиной яркости жидкометаллических
источников ионов Bn ~ 1014 Aм-2 рад-2 [6].
Для исследования различных режимов ВЧ-
источников с целью повышения яркости возникает
необходимость в создании специализированной
установки. В ИПФ НАН Украины разработана и
изготовлена экспериментальная установка,
позволяющая производить экспрессные измерения
тока, профиля тока, массового состава пучка и
эмиттанса пучка ионов, извлекаемого из ВЧ-
источника. В данной работе приведено описание
установки и представлены некоторые результаты
измерений основных параметров ВЧ-источника
ионов.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ
УСТАНОВКИ
Установка тестирования ВЧ-источников ионов
(рис.1) состоит из следующих основных частей и си-
стем:
• ВЧ-источник ионов: газоразрядная колба (1),
вытягивающий (3) и фокусирующий (4) элек-
троды;
• высоковольтные блоки питания (5) на 3.0 кВ
и 20 кВ;
• система напуска газа (6);
• ВЧ-система: генератор синусоидальных коле-
баний (8) c частотой 27.12 МГц и мощностью
50 Вт, ВЧ-усилитель (25) с выходной мощно-
стью до 800 Вт, измеритель прямой и отра-
женной мощности (10), система согласования
(9), ВЧ-антенна (7);
• диагностические вакуумные камеры (12, 13);
вакуумная система: турбомолекулярный (15),
диффузионный (16) и форвакуумные насосы;
• масс- сепаратор: фильтр Вина (14);
• система диагностики пучка: объектная
диафрагма(17), цилиндры Фарадея (18,22);
• эмиттансометр (19-21);
• система сбора и обработки данных (23,24).
258 10
1
9
5
15 13
711
17
4
2 3
18
6
12
16
20 22
14 19 21
23
24
Рис.1. Схема экспериментальной установки
ВАКУУМНАЯ СИСТЕМА И СИСТЕМА
НАПУСКА ГАЗА
Диагностические вакуумные камеры (12,13)
установлены на горизонтальной металлической
подставке и соединены между собой ионопроводом.
Ионный источник присоединяется к диагностиче-
ской камере (13), имеющей размеры 200×200×
200 мм. Камера откачивается турбомолекулярным
насосом (Leybold-350, скорость откачки 350 л/с), ра-
ботающем в паре с ротационным насосом. Предель-
ный вакуум в камере – около 5. 610− Торр. В камере
производится визуализация пучка на кварцевую
пластину и измеряется полный ток пучка с помо-
щью цилиндра Фарадея (18) на расстоянии 140 мм
от системы вытягивания источника.
Диагностическая камера (12), в которой произво-
дится измерение профиля и эмиттанса пучка откачи-
вается диффузионным насосом (Varian, скорость
откачки 900 л/сек), обеспечивающим предельный
вакуум порядка 3.10-6 Торр. Предварительный ваку-
ум в камере создается форвакуумным насосом.
Система напуска газа (6) в ионный источник со-
стоит из трех баллонов с рабочим газом (водород,
гелий, аргон), соединенных с общей газовой емко-
стью. Скорость напуска газа регулируется в широ-
ких пределах (0.1...50 атм.см3/ч) с помощью систе-
мы напуска газа СНА-2 («Selmi»).
ВЧ-СИСТЕМА
В традиционных индуктивных ВЧ-источниках
ионов для создания разряда обычно используется
ВЧ-генератор с самовозбуждением (автогенератор).
При этом антенна источника является элементом
LC-контура генератора и определяет частоту генера-
ции, которая выбирается в пределах 10-100 МГц.
При изменении мощности генератора изменяются
параметры разряда. Tак как разряд индуктивно свя-
зан с антенной, то изменяется и частота генерации.
При измерениях уровня вводимой в разряд мощно-
сти необходимо, чтобы частота не зависела от уров-
ня ВЧ-мощности. Это реализуется в ВЧ-системе,
широко применяемой в ВЧ-плазменных технологи-
ческих экспериментах, когда работа введется на раз-
решенной и стабильной частоте (13.56 или
27.12 МГц).
Генератор
27.12 МГц
40Вт, 50 Ом Система согласования
Измеритель
мощности
Усилитель
мощности
800Вт, 50 Ом Антенна
Рис.2 Блок схема ВЧ-системы
ВЧ-система (рис.2) состоит из генератора (8) си-
нусоидальных колебаний частотой 27.12 МГц с ре-
гулируемой мощностью до 40 Вт. Генератор соеди-
нен с усилителем мощности (25) «Acom-1000»,
обеспечивающим выходную мощность до 800 Вт в
непрерывном режиме. Система согласования (9)
позволяет согласовывать выходное сопротивление
усилителя (50 Ом) с очень малым (порядка 1…4 Ом)
активным сопротивлением антенны. Система согла-
сования (рис. ) представляет собой π-схему и состо-
ит из нагрузочного конденсатора (С1) и настроечно-
го конденсатора (С2). Переменная емкость С1 состо-
2
ит из двух воздушных конденсаторов (5 кВ), соеди-
ненных параллельно, с общей максимальной емко-
стью 1000 пФ, а переменная емкость С2 - это два ва-
куумных 5 кВ конденсатора, соединенные парал-
лельно, с общей максимальной емкостью 500 пФ.
Так как антенна источника ионов может находиться
под высоким напряжением вытягивания порядка 3
кВ, то необходимо обеспечить гальваническую раз-
вязку между антенной и усилителем. Для этого ис-
пользуется ВЧ-трансформатор с изоляцией между
обмотками на напряжение до 10 кВ. Трансформатор
представляет собой 50 Ом коаксиальный кабель (10
мм в диаметре и длиной около 70 см), оплетка кото-
рого используется как первичная обмотка, а вну-
тренняя жила - как вторичная.
Конденсаторы и трансформатор системы согла-
сования расположены внутри металлического бокса
(300x250x250) с алюминиевыми стенками для экра-
нирования от ВЧ-излучения.
Измеритель прямой и отраженной мощности
включен между усилителем мощности и системой
согласования. Вращением ручек конденсаторов С1 и
С2 добиваются согласования сопротивлений, когда
уровень отраженной от антенны мощности (реактив-
ной) близок к нулю. В этом случае сопротивление
нагрузки активно и прямая мощность является мощ-
ностью, вводимой в разряд.
МАСС-СЕПАРАТОР
Измерение массового состава пучка ионов осу-
ществляется с помощью фильтра Вина (ExB анали-
затор). Фильтр Вина выполняет две основные функ-
ции: масс-сепарация и фильтрация по энергии.
Фильтр Вина установлен между двумя диагностиче-
скими камерами. Разрешающая способность данно-
го устройства имеет величину Mi/∆M =100. Данный
прибор является классическим фильтром Вина с па-
раллельными полюсами электромагнита. Расстояние
между полюсами магнита равно 8 мм, между пла-
стинами конденсатора - 3 мм. Эффективная длина
электрического и магнитного поля – 100 мм.
ЭМИТТАНСОМЕТР
Эмиттансометр состоит из металлической пла-
стины, размером 50x30x0.5мм, и подвижного верти-
кального проволочного зонда. Пластина из нержаве-
ющей стали имеет ряд горизонтальных отверстий
диаметром 1 мм с расстояниями 2 мм между ними.
Диаметр проволочного вольфрамового зонда равен
0.1мм. Расстояние между пластиной и зондом -
140мм. Зонд перемещается поперек пучка с опреде-
ленной стабильной скоростью посредством управ-
ляемого электрического двигателя. Пластина с от-
верстиями может выводиться из зоны измерений,
что позволяет производить измерения профиля тока
пучка. Расстояние от ионного источника до зонда
равно1000 мм. Ток пучка в этой области измеряется
цилиндром Фарадея (22). Сигнал с проволочного
зонда (детектора) поступает на усилитель постоян-
ного тока (У5-11). АЦП преобразовывает аналого-
вый сигнал в цифровой. Преобразованный сигнал
поступает на персональный компьютер, где обраба-
тывается с помощью программ сбора и обработки
данных. На рис.3 представлен сигнал с эмиттансо-
метра для одного из режимом работы источника (газ
- аргон, ВЧ-мощность – 20 Вт).
Рис. 3 Сигнал с эмиттансометра
Рис. 4 ВЧ-источник ионов
ВЧ-источник ионов
На установке была выполнена серия эксперимен-
тов по измерению параметров ВЧ- источника ионов
ЭСУ. Общий вид источника показан на рис.4. Си-
стема вытягивания имеет следующие размеры: дли-
на канала катода - 3 мм, диаметр канала – 0.6 мм.
Разрядная колба изготовлена из стекла “Duran” и
имеет наружный диаметр 30 мм и длину 260 мм.
Длина колбы увеличена для возможности реализа-
ции геликонового разряда в сильном внешнем маг-
нитном поле. Рабочие газы - аргон, гелий, водород.
В источнике использовалась винтовая антенна из 4
витков (медный провод диаметром 4 мм).
Экспериментальные исследования
ВЧ-источника ионов
В ВЧ-источнике ионов реализован индуктивный
ВЧ-разряд с внешним магнитным полем (~60 Гс), с
плотностью аргоновой плазмы 6·1011 см-3 при 80 Вт
вводимой в плазму ВЧ-мощности (fВЧ=27.12 МГц).
Разработана и изготовлена компактная магнитная
система с постоянными магнитами (NdFeB) и фер-
ритами (600HH) кольцевой формы, позволяющая со-
3
здавать по всей длине ВЧ-антенны магнитное поле
Bz~60 Гс. Величина магнитного поля в разрядной
камере ВЧ-источника определяется позиционирова-
нием магнитной системы относительно ВЧ-антенны.
Плотность плазмы оценивалась по формуле для ве-
личины эмиссионного тока. Плотность тока пучка
аргона составляла величину 20 мА/см2. Нормализо-
ванная яркость пучка для данного оптимизирован-
ного режима работы источника ионов составляла ве-
личину Bn=5·1012 A m-2.rad-2.
Рис.5. Профиль тока пучка ионов водорода
Рис.6. Массовый состав водородного пучка
На рис.5 представлен профиль тока пучка водо-
рода, измеренный профилометром на расстоянии
1 м от эмиссионного отверстия источника при раз-
мере апертуры (17) 1 мм для 80 Вт вводимой в плаз-
му ВЧ-мощности. Напряжение вытягивания равно
0.5 кВ, фокусирования – 14 кВ. По профилю тока
пучка оценочная величина половинного угла расхо-
ждения составляла 1.6 мрад, что свидетельствует о
достаточно высокой степени параксиальности пуч-
ка. Массовый спектр водородного пучка показан на
рис.6.
ВЫВОДЫ
Разработана и изготовлена экспериментальная
установка, позволяющая производить экспрессные
измерения полного тока, профиля, массового соста-
ва и эмиттанса пучка ВЧ-источника ионов. Проведе-
но тестирование ВЧ-источника ионов (рабочий газ-
водород, аргон) в режимах с магнитным и без маг-
нитного поля при уровне вводимой в плазму ВЧ-
мощности 80 Вт (fВЧ=27.12 МГц). Реализованы вы-
сокояркостные режимы ВЧ-источника аргонового
пучка Bn =5·1012 A m-2.rad-2 с плотностью ионного
тока 20 мА/см2 при диаметре эмиссионного отвер-
стия 0.6 мм.
Работа выполнена при частичной поддержке Ми-
нистерства образования и науки Украины (проект
N2M71-2001) и BMBF (Германия), проект UKR
00/003.
ЛИТЕРАТУРА
1. A. van Steenbergen// IEEE Trans. Nucl. Sci. 1965,
р.745.
2. R.W. Boswell, R.K. Porteous // Apll. Phys. Lett.
1987, vol.50, р.1130.
3. F.F. Chen, I.D. Sudit, M. Light // Plasma Sources
Sci. Technol. 1996, No.5 p.173.
4. K.P.Shamrai and V.B. Taranov // Plasma Phys.
Control. Fusion 1994, vol.36, p.1717.
5. V.I. Miroshnichenko, S.M. Mordyk, V.V. Olshans-
ky, K.N. Stepanov, V.E. Storizhko, B.Sulkio-Cleff
and V. Voznyy // Nucl. Instr. And Meth. B201
(2003), p.630.
6. J. Swanson // Nucl. Instr. And Meth. 1983, vol.218,
p.347.
4
УДК 537.534.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ВЧ-ИСТОЧНИКОВ ИОНОВ
2)Institute of Nuclear Physics, University of Münster, Münster, Germany
|