Первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов для ЭСУ «Сокол»
Изучены первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов (ИМИ) такие, как максимальный угол расходимости и разброс ионов по энергии. Показано, что рабочие параметры и характеристики ИМИ соответствуют условиям эксплуатации на ЭСУ «Сокол»....
Saved in:
| Date: | 2010 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17392 |
| 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: | Первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов для ЭСУ «Сокол» / Л.С. Глазунов, А.В. Зац, С.Г. Карпусь, В.В. Кузьменко, В.М. Пистряк // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 5. — С. 130-134. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17392 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-173922025-02-23T20:23:21Z Первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов для ЭСУ «Сокол» Первинні характеристики пучка джерела багатозарядних іонів для ЕСП «Сокіл» Primary ion beam parameters of multiply charged ions sourse for ESA “Sokol” Глазунов, Л.С. Зац, А.В. Карпусь, С.Г. Кузьменко, В.В. Пистряк, В.М. Диагностика и методы исследований Изучены первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов (ИМИ) такие, как максимальный угол расходимости и разброс ионов по энергии. Показано, что рабочие параметры и характеристики ИМИ соответствуют условиям эксплуатации на ЭСУ «Сокол». Досліджено первинні характеристики пучка джерела багатозарядних іонів (ДБІ) такі, як максимальний кут розходження та розподіл іонів по енергії. Показано, що робочі параметри та характеристики ДБІ відповідають умовам експлуатації на електростатичному прискорювачі «Сокіл». Primary ion beam parameters like maximum angle of ion beam divergence and ions energy spread were studied. Shown that works parameters and multiply charged ions sources characteristics are in congruence with ESA “Sokol” exploitations requirements. 2010 Article Первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов для ЭСУ «Сокол» / Л.С. Глазунов, А.В. Зац, С.Г. Карпусь, В.В. Кузьменко, В.М. Пистряк // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 5. — С. 130-134. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17392 621.384.65.038.612 ru application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Диагностика и методы исследований Диагностика и методы исследований |
| spellingShingle |
Диагностика и методы исследований Диагностика и методы исследований Глазунов, Л.С. Зац, А.В. Карпусь, С.Г. Кузьменко, В.В. Пистряк, В.М. Первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов для ЭСУ «Сокол» |
| description |
Изучены первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов (ИМИ) такие, как максимальный угол расходимости и разброс ионов по энергии. Показано, что рабочие параметры и характеристики ИМИ соответствуют условиям эксплуатации на ЭСУ «Сокол». |
| format |
Article |
| author |
Глазунов, Л.С. Зац, А.В. Карпусь, С.Г. Кузьменко, В.В. Пистряк, В.М. |
| author_facet |
Глазунов, Л.С. Зац, А.В. Карпусь, С.Г. Кузьменко, В.В. Пистряк, В.М. |
| author_sort |
Глазунов, Л.С. |
| title |
Первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов для ЭСУ «Сокол» |
| title_short |
Первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов для ЭСУ «Сокол» |
| title_full |
Первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов для ЭСУ «Сокол» |
| title_fullStr |
Первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов для ЭСУ «Сокол» |
| title_full_unstemmed |
Первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов для ЭСУ «Сокол» |
| title_sort |
первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов для эсу «сокол» |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Диагностика и методы исследований |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17392 |
| citation_txt |
Первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов для ЭСУ «Сокол» / Л.С. Глазунов, А.В. Зац, С.Г. Карпусь, В.В. Кузьменко, В.М. Пистряк // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 5. — С. 130-134. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT glazunovls pervičnyeharakteristikipučkaistočnikamnogozarâdnyhionovdlâésusokol AT zacav pervičnyeharakteristikipučkaistočnikamnogozarâdnyhionovdlâésusokol AT karpusʹsg pervičnyeharakteristikipučkaistočnikamnogozarâdnyhionovdlâésusokol AT kuzʹmenkovv pervičnyeharakteristikipučkaistočnikamnogozarâdnyhionovdlâésusokol AT pistrâkvm pervičnyeharakteristikipučkaistočnikamnogozarâdnyhionovdlâésusokol AT glazunovls pervinníharakteristikipučkadžerelabagatozarâdnihíonívdlâespsokíl AT zacav pervinníharakteristikipučkadžerelabagatozarâdnihíonívdlâespsokíl AT karpusʹsg pervinníharakteristikipučkadžerelabagatozarâdnihíonívdlâespsokíl AT kuzʹmenkovv pervinníharakteristikipučkadžerelabagatozarâdnihíonívdlâespsokíl AT pistrâkvm pervinníharakteristikipučkadžerelabagatozarâdnihíonívdlâespsokíl AT glazunovls primaryionbeamparametersofmultiplychargedionssourseforesasokol AT zacav primaryionbeamparametersofmultiplychargedionssourseforesasokol AT karpusʹsg primaryionbeamparametersofmultiplychargedionssourseforesasokol AT kuzʹmenkovv primaryionbeamparametersofmultiplychargedionssourseforesasokol AT pistrâkvm primaryionbeamparametersofmultiplychargedionssourseforesasokol |
| first_indexed |
2025-11-25T04:52:13Z |
| last_indexed |
2025-11-25T04:52:13Z |
| _version_ |
1849736655189049344 |
| fulltext |
УДК 621.384.65.038.612
ПЕРВИЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЧКА ИСТОЧНИКА
МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ ДЛЯ ЭСУ «СОКОЛ»
Л.С. Глазунов, А.В. Зац, С.Г. Карпусь, В.В. Кузьменко, В.М. Пистряк
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
E-mail: karpus@kipt.kharkov.ua
Изучены первичные характеристики пучка источника многозарядных ионов (ИМИ) такие, как
максимальный угол расходимости и разброс ионов по энергии. Показано, что рабочие параметры и
характеристики ИМИ соответствуют условиям эксплуатации на ЭСУ «Сокол».
Для расширения аналитических возможностей
установки «Сокол», а также для увеличения
диапазона энергии ионов канала «Имплантер» [1-4]
разрабатывается источник многозарядных ионов
(ИМИ) типа Пеннинга с холодным катодом и
продольным извлечением ионов [5-6]. Важными
характеристиками пучка ионов ИМИ являются угол
расходимости пучка и энергетический спектр ионов.
Эти данные необходимы для разработки системы
согласования характеристик пучка ионов с ионно-
оптическими свойствами ускорительной трубки.
В данной работе исследовались
• зависимость диаметра (на определенном
расстоянии от отверстия эмиссии) и угла
расходимости пучка ионов от конструкции системы
первичного формирования пучка и вытягивающего
напряжения при оптимальных условиях работы
источника;
• зависимость энергетического спектра ионов
пучка от рабочих параметров источника ионов -
разности потенциалов «анод-катод», величины
напуска рабочего газа, рода рабочего газа.
Для определения диаметра и угла расходимости
пучка ионов проводились измерения профиля пучка
ионов на двух расстояниях от отверстия эмиссии
источника. Профили плотности пучка измерялись
подвижным цилиндром Фарадея с входным
отверстием диаметром 1 мм. На рис. 1а приведена
схема источника, а на рис. 1б – схема измерения
профиля плотности пучка.
Рис. 1а. Схема ИМИ: 1 - полый
цилиндрический анод; 2 – катоды;
3 – катодные фланцы (магнитопровод);
4 - анодный фланец; 5 – корпус;
6 - постоянные магниты;
7 - керамический изолятор
Рис. 1б. Схема измерения профиля пучка:
1 – катодный фланец ИМИ; 2 – вытягивающий
электрод; 3 – диафрагма с отверстием
диаметром 10 мм; 4 – цилиндр Фарадея; 5 – шток;
6а и 6б – плоскости измерения плотности тока пучка
Диафрагма 3 (см. рис. 1б) обрезала часть пучка с
большими углами расходимости. При этом общий
ток пучка уменьшился примерно на 18%.
На рис. 2 показаны системы первичного
формирования пучка ионов. Исследованы четыре
системы.
Система А имела экспандер, а в трех других
системах первичного формирования пучка
экспандера не было, а изменялись такие параметры,
как расстояние между отверстием эмиссии и
вытягивающим электродом и диаметр отверстия в
вытягивающем электроде.
На рис. 3 приведены измеренные на двух
расстояниях от отверстия эмиссии (125 и 274 мм)
распределения плотности тока пучка по радиусу для
системы рис. 2А при разности потенциалов «катод-
экстрактор» 11 кВ. Аналогичные измерения были
выполнены при напряжениях извлечения ионов 8, 5
130
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2010. №5.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (96), с. 130-134.
mailto:karpus@kipt.kharkov.ua
и 2 кВ для всех четырех систем первичного
формирования пучка. Из этих кривых путем
интегрирования можно получить зависимость тока
от радиуса пучка, а построив эти кривые в
относительных единицах (рис. 4) можно определить
радиус пучка для определенной доли тока и
максимальный угол расходимости этой части пучка.
Рис. 2. Системы первичного формирования пучка: 1 – отверстие эмиссии; 2 – экспандер;
3 – вытягивающий электрод; а – диаметр экспандера; b – расстояние между отверстием эмиссии и
вытягивающим электродом; c – диаметр отверстия в вытягивающем электроде
-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0
200
400
600
800
1000
1200 L=125 мм
L=274 мм
j,
нА
/м
м2
r, мм
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
L=125 мм
L=274 мм
I,
но
рм
.
r, мм
На рис. 5 приведена зависимость половинного
угла расходимости пучка от радиуса (кривая 1),
определенная из экспериментальных данных.
Радиус пучка взят на расстоянии 90 мм от отверстия
эмиссии.
Рис. 3. Распределение плотности тока пучка для
системы рис. 2А
Рис. 4. Зависимость тока пучка от радиуса
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
a,
р
ад
.
r, мм
1
2
Рис. 5. Зависимость максимального половинного
угла расходимости пучка от радиуса:
кривая 1 – экспериментальные данные;
кривая 2 – расчетные
Кривая 2 построена из анализа расчетных
траекторий ионов для данной системы
формирования пучка. Соответствие этих кривых
можно считать удовлетворительным, учитывая, что
экспериментальные данные являются
усредненными, так как диаметр входного отверстия
цилиндра Фарадея (ЦФ) равен 1 мм, а расчет
траекторий проводился при задании начальной
координаты ионов с шагом 0,01 мм, угла наклона
начальной траектории к оси пучка с шагом 0,50 и
для моноэнергетического пучка.
Из анализа экспериментальных данных и расчета
траекторий можно сделать следующие выводы:
− угол расходимости пучка и углы
расходимости для отдельных частей пучка являются
примерно одинаковыми для всех исследованных
систем первичного формирования пучка;
− ток извлекаемых ионов для системы с
экспандером был на 10…20% больше по сравнению
с другими системами первичного формирования
пучка.
Энергетический спектр ионов, выходящих из
источника, исследовался с помощью метода
задерживающего потенциала. Схема эксперимента
показана на рис. 6.
131
Рис. 6. Схема эксперимента по измерению энергетического спектра ионов.
1 – ИМИ, 2 – анализатор, 3 – цилиндр Фарадея, 4 – делитель,
5 – источник питания разрядного напряжения
Исследованы энергетические спектры ионов для
двух рабочих газов – неона и гелия.
Для ионов Ne изучены энергетические спектры
при постоянном анодном напряжении (4,3кВ) и
разной величине напуска рабочего газа –
(2,5…8,9)·10-5 (м3·Па)/с. Результаты эксперимента
показаны на рис. 7, а и б. Для ионов He
энергетические спектры исследовались при анодном
напряжении 4,3 кВ и величине напуска газа от
2,2·10-5 до 8,9·10-5 (м3·Па)/с, а также при постоянном
напуске рабочего газа 8,9·10-5 (м3·Па)/с при разных
разрядных напряжениях. Результаты экспериментов
приведены на рис. 8,а, б и 9,а, б.
2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900 4200
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
4
3
2
1
I,
мк
А
U, B
2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900 4200
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
4
3
2
1
E, эВ
|Δ
I /
Δ
U
|
Aа Áб
Рис. 7. Зависимости тока на ЦФ от запирающего потенциала при различных режимах работы ИМИ
для ионов неона, Uа=4,3 кВ. Напуск рабочего газа: 1 – 8,9·10-5 (м3·Па)/с, Iр=1,6 мA; 2 – 7,24·10-5 (м3·Па)/с,
Iр=1,2 мA; 3 – 5·10-5 (м3·Па)/с с, Iр=0,6 мA; 4 – 2,5·10-5 (м3·Па)/с /с, Iр=0,3 мA (а).
Соответствующие им энергетические спектры (б)
1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
0
1
2
3
4
5
6
7
8
4
3
2
1
I,
мк
А
U, B
1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900 4200
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
0.014
0.016
0.018
0.020
0.022
|Δ
I /
Δ
U
|
4
3
2
1
E, эВ
A Á
Рис. 8. Зависимости тока на ЦФ от запирающего потенциала при различных режимах работы ИМИ для
ионов гелия, Uа=4,3 кВ. Напуск рабочего газа: 1 – 8,9·10-5 (м3·Па)/с, Ia=2,8 мA; 2 – 7,24·10-5 (м3·Па)/с,
Ia=2,2 мA; 3 – 5·10-5 (м3·Па)/с, Ia=1,2 мA; 4 – 2,2·10-5 (м3·Па)/с, Ia=0,6 мA (а).
Соответствующие им энергетические спектры (б)
а б
132
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
3
2
1
I,
мк
А
U, B
A
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
3 2 1
IΔ
I /
Δ
U
I
E, эВ
Рис. 9. Зависимости выхода тока на ЦФ от запирающего потенциала при различных режимах работы
ИМИ для ионов гелия при напуске рабочего газа 8,9·10-5 (м3·Па)/с:
1 – Uа=4,3 кВ, Ia=1,6 мA; 2 – Uа=3,5 кВ, Ia=2,2 мA; 3 – Uа=2,8 кВ, Ia=2,1 mA (а).
Соответствующие им энергетические спектры (б)
Таблица 1
Q·10-5 (м3·Па)/с Iр, мА Е0, В Emax, эВ E0 / Ua Emax/Ua ΔE ΔE/Emax, %
НЕОН
8,9 1,6 4300 4217 1 0,98 160 3,8
7,24 1,2 4292 4181 0,998 0,97 182 4,3
5 0,6 4269 4151 0,99 0,96 188 4,4
2,5 0,3 4169 4103 0,97 0,95 144 3,5
ГЕЛИЙ
8,9 2,8 3896 3694 0,92 0,86 250 6,75
7,24 2,2 3818 3662 0,88 0,85 185 5
5 1,2 3755 3599 0,87 0,83 163 4,5
2,2 0,6 3582 3495 0,83 0,81 99 2,8
Таблица 2
Рабочий газ – гелий, Q=8,9·10-5 (м3·Па)/с
Uа, кВ Iр, мА Е0,В Emax, эВ E0/Ua Emax/Ua ΔE ΔE/Emax, %
4,3 2,8 3896 3694 0,92 0,86 250 6,75
3,5 2,2 2586 2312 0,74 0,66 278 12
2,8 2,1 1943 1686 0,69 0,6 241 14,3
В табл. 1 и 2 приведены основные
характеристики распределения ионов по энергии, а
именно: Е0 – значение максимальной энергии
ионов; Emax – значение энергии в максимуме
распределения; ΔE – разброс ионов по энергии
(ширина на полувысоте).
Из этих данных можно сделать следующие
выводы.
1. С увеличением давления в источнике ионов и
соответственно тока разряда максимальная энергия
ионов (Е0) и энергия в максимуме распределения
(Emax) приближаются к анодному напряжению.
2. При работе источника на гелии в области тех
же величин напуска рабочего газа, что и для неона,
величина отношения максимальной энергии ионов
(Е0) и энергии в максимуме распределения (Emax) к
анодному напряжению Ua (т.е. E0/Ua и Emax/Ua)
меньше, чем для неона, хотя ток разряда больше.
3. Ширина энергетического распределения на
полувысоте (∆E) и отношение ∆E/Еmax для ионов
гелия увеличиваются с увеличением напуска газа, а
для ионов неона наблюдается незначительное
изменение этих величин. Это может быть связано с
тем, что при данных условиях работы источника
ионов значение Emax при работе на неоне близко к
Ua.
4. Для ионов гелия при изменении анодного
напряжения при постоянном напуске гелия E0/Ua и
Emax/Ua увеличиваются с увеличением Ua, а ∆E/Еmax
– уменьшается.
ВЫВОДЫ
Изучены первичные характеристики пучка
ионов, а именно – максимальный угол расходимости
и разброс ионов по энергии. Показано, что для
исследованных систем первичного формирования
пучка максимальный угол расходимости
практически не изменяется.
Изучено распределение ионов пучка по энергии
в зависимости от анодного напряжения, рода
рабочего газа и разрядного тока.
Показано, что рабочие параметры и
характеристики ИМИ соответствуют условиям
эксплуатации на ЭСУ «Сокол».
а б
133
ЛИТЕРАТУРА
1. А.Д. Вергунов, Ю.З. Левченко, М.Т. Новиков,
В.М. Пистряк, В.Е. Сторижко, С.Я. Чеканов.
Малогабаритный электростатический ускоритель
на 2 МэВ горизонтального типа (проект) //
Вопросы атомной науки и техники. Серия
«Общая и ядерная физика». 1983, в. 3(24),
с.13-15.
2. Л.П. Батвинов, А.Д. Вергунов, Л.С. Глазунов,
А.В. Зац, Ю.З. Левченко, М.Т. Новиков,
В.М. Пистряк, В.Е. Сторижко, С.Я. Чеканов.
Малогабаритный электростатический ускоритель
на 2 МэВ горизонтального типа (пред-
варительные испытания) // Вопросы атомной
науки и техники. Серия «Техника физического
эксперимента». 1985, в. 1(22), с. 26-28.
3. V.N. Bondarenko, L.S. Glazunov, A.V. Goncharov,
A.V. Zats, V.V. Kuz’menko, V.V. Levenets,
A.P. Omel’nik, V.M. Pistryak, V.I. Suhostavets,
A.A. Shchur, N.P. Usikov. NSC KIPT analytical
nuclear-physics complex «SOKOL» // Current
Problems in Nuclear Physics and Atomic Energy:
Inter. konf.: Proceedings. Kyiv, 2006, p. 847-851.
4. L.S. Glazunov, A.V. Goncharov, A.V. Zats,
S.G. Karpus, V.V. Kuz’menko, V.V. Levenets,
V.M. Pistryak, V.I. Sukhostavets. Channel for ion
irradiation of materials at the accelerator “Sokol” //
Problems of Atomic Science and Technology. Series
«Nuclear Physics Investigations». 2006, №2, р.184-
186.
5. H. Baumann, K. Bethge. PIG ion source with end
extraction for multiply charged ions // NIM. 1974,
№122, p. 517-525.
6. В.М. Пистряк, В.В. Кузьменко, Ю.З. Левченко.
Источник многозарядных ионов газов для
электростатических ускорителей // Вопросы
атомной науки и техники. Серия «Общая и
ядерная физика». 1980, в. 2(12).
Статья поступила в редакцию 03.09.2010 г.
ПЕРВИННІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЧКА ДЖЕРЕЛА БАГАТОЗАРЯДНИХ
ІОНІВ ДЛЯ ЕСП «СОКІЛ»
Л.С. Глазунов, А.В. Зац, С.Г. Карпусь, В.В. Кузьменко, В.М. Пістряк
Досліджено первинні характеристики пучка джерела багатозарядних іонів (ДБІ) такі, як максимальний
кут розходження та розподіл іонів по енергії. Показано, що робочі параметри та характеристики ДБІ
відповідають умовам експлуатації на електростатичному прискорювачі «Сокіл».
PRIMARY ION BEAM PARAMETERS OF MULTIPLY CHARGED
IONS SOURSE FOR ESA “SOKOL”
L.S. Glazunov, A.V. Zats, S.G. Karpus, V.V. Kuz’menko, V.M. Pistryak
Primary ion beam parameters like maximum angle of ion beam divergence and ions energy spread were studied.
Shown that works parameters and multiply charged ions sources characteristics are in congruence with ESA
“Sokol” exploitations requirements.
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
E-mail: karpus@kipt.kharkov.ua
|