Plasma density measurement of RF ion source
For a radiofrequency (27.12 MHz) inductively coupled ion source (3 cm diameter, 7 cm long, without external magnetic field, working gas-hydrogen, helium, argon), measurements of the average plasma density were made using an 8 mm microwave interferometer. The range of neutral gas pressure is 2-30 mTo...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2005 |
| Автори: | , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2005
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79152 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Plasma density measurement of RF ion source / V.I. Voznyy, V.I. Miroshnichenko, S.M. Mordyk, A.G. Nagornyy, D.A. Nagornyy, V.E. Storizhko, D.P. Shulha // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 1. — С. 209-211. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860267813583716352 |
|---|---|
| author | Voznyy, V.I. Miroshnichenko, V.I. Mordyk, S.M. Nagornyy, A.G. Nagornyy, D.A. Storizhko, V.E. Shulha, D.P. |
| author_facet | Voznyy, V.I. Miroshnichenko, V.I. Mordyk, S.M. Nagornyy, A.G. Nagornyy, D.A. Storizhko, V.E. Shulha, D.P. |
| citation_txt | Plasma density measurement of RF ion source / V.I. Voznyy, V.I. Miroshnichenko, S.M. Mordyk, A.G. Nagornyy, D.A. Nagornyy, V.E. Storizhko, D.P. Shulha // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 1. — С. 209-211. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | For a radiofrequency (27.12 MHz) inductively coupled ion source (3 cm diameter, 7 cm long, without external magnetic field, working gas-hydrogen, helium, argon), measurements of the average plasma density were made using an 8 mm microwave interferometer. The range of neutral gas pressure is 2-30 mTorr and RF-power is in the range 20-400 W. It is found that the plasma density increases with increased gas pressure and RF-power. A global discharge model is applied to relate the electron densities and the electron temperature in an argon plasma to the pressure and input power ranges of interest. The model calculations are compared to measured plasma density, showing fair agreement.
Для високочастотного (27.12 МГц) індуктивного джерела іонів (3 см у діаметрі і довжиною 7 см, без зовнішнього магнітного поля, робочий газ - водень, гелій, аргон) були виконані виміри середньої щільності плазми за допомогою 8-ми міліметрового інтерферометра. Тиск робочого газу змінювався в діапазоні 2-30 мТорр, ВЧ-потужність - в діапазоні 20-400 Вт. Встановлено, що щільність плазми росте зі збільшенням робочого тиску і вхідної ВЧ-потужності. Щоб розрахувати електронну щільність і електронну температуру аргонової плазми в цікавлячому нас діапазоні тисків і ВЧ-потужності, була застосована глобальна модель плазменного розряду. Обчислена по глобальній моделі щільність плазми знаходиться у гарний згоді з експериментально обмірюваною величиною.
Для высокочастотного (27.12 МГц) индуктивного источника ионов (3 см в диаметре и длиной 7 см, без внешнего магнитного поля, рабочий газ - водород, гелий, аргон) были выполнены измерения средней плотности плазмы с помощью 8-ми миллиметрового интерферометра. Давление рабочего газа изменялось в диапазоне 2-30 мТорр, ВЧ-мощность - в диапазоне 20-400 Ватт. Установлено, что плотность плазмы растет с увеличением рабочего давления и входной ВЧ-мощности. Чтобы рассчитать электронную плотность и электронную температуру аргоновой плазмы в интересующем нас диапазоне давлений и ВЧ-мощности, была применена глобальная модель плазменного разряда. Вычисленная по глобальной модели плотность плазмы находится в хорошем согласии с экспериментально измеренной величиной.
|
| first_indexed | 2025-12-07T19:02:42Z |
| format | Article |
| fulltext |
PLASMA DENSITY MEASUREMENT OF RF ION SOURCE
V.I.Voznyy, V.I.Miroshnichenko, S.M.Mordyk, A.G.Nagornyy, D.A. Nagornyy,
V.E.Storizhko, D.P.Shulha
Institute of Applied Physics, National Academy of Sciences of the Ukraine, Sumy, Ukraine,
E-mail: vozny@ipflab.sumy.ua
For a radiofrequency (27.12 MHz) inductively coupled ion source (3 cm diameter, 7 cm long, without external
magnetic field, working gas-hydrogen, helium, argon), measurements of the average plasma density were made using an
8 mm microwave interferometer. The range of neutral gas pressure is 2-30 mTorr and RF-power is in the range 20-400
W. It is found that the plasma density increases with increased gas pressure and RF-power. A global discharge model is
applied to relate the electron densities and the electron temperature in an argon plasma to the pressure and input power
ranges of interest. The model calculations are compared to measured plasma density, showing fair agreement.
PACS: 52.70.Gw, 52.50.Dg
1. INTRODUCTION
Radiofrequency inductively coupled ion sources are
widely used for the nuclear microprobe applications. High
beam brightness of these ion sources can be achieved by
extracting the beam with high current density which is
proportional to plasma density and square root of the
electron temperature [1]. To measure the average plasma
density in different operational ion source conditions, 8
millimeter wave interferometry technique is applied as
unperturbing method for plasma diagnostics.
For analyzing RF discharge and quick prediction of
the plasma parameters, a global model [2] of an argon
discharge was employed. In a global model the space-
average particle and energy balance equations are solved
simultaneously. The average values of the plasma density
and of the electron temperature are obtained.
In this paper we present the results of the plasma
density measurements, using 8 mm wave interferometer.
The values of the electron density of argon plasma
obtained from interferometer measurements are compared
with global model calculations.
2. 8 MM MICROWAVE INTERFEROMETER
To measure average plasma density of a RF ion
source, 8 mm (37.5 GHz) microwave interferometer has
been developed. The interferometer works on the Mach-
Zehnder principle in which the plasma is in one arm of the
two-beam interferometer. In low pressure discharge
where the wave frequency is much greater than the plasma
and collision frequency, only phase change between two
arms are needed for a density measurements and a linear
relationship exists between the average plasma density
and the phase difference.
A homodyne conversion of the frequency is realized
due to sawtooth frequency modulation of a microwave
generator and use an unequal-path bridge hybrid. To form
a reference signal of an intermediate frequency, the
patented device on the basis of a cavity resonator is
applied. The intermediate frequency is 20 kHz. In
comparison with the traditionally used for this purpose a
reference unequal-path bridge hybrid [3], the
interferometer scheme becomes simpler and more
compact with the high stability of an initial difference of
phases. The minimum measured phase shift makes 1.5
degree, that corresponds to the plasma density of 3·1010
cm-3. The maximum definitely measured phase shift 360є
corresponds to the plasma density of 9·1012 cm-3.
3. EXPERIMENTAL SETUP
The schematic of the experimental setup is shown in
Fig.1. and was reported elsewhere [4]. The ion source
(without external magnetic field) consists of the discharge
quartz tube (3 cm in diam and 7 cm long), surrounded by
a helical copper antenna (4 coils). A 27.12 MHz, 40 W
oscillator and 800 W RF power amplifier (Acom 1000)
are connected to the antenna through matching box.
Fig.1. Schematic of the experimental setup
The forward and reflected RF power is controlled by
SWR meter. Input RF power is varied up to 400 W. The
ion source is connected to two beam diagnostic chambers
and whole system is evacuated by a turbo-pump and
mechanical pump to a basic pressure of about 10-6 Torr.
Hydrogen, helium and argon gases were utilized for
plasma generation, and the operational pressure range was
from 2 to 30 mTorr.
Problems of Atomic Science and Technology. 2005. № 1. Series: Plasma Physics (10). P. 209-211 209
mailto:vozny@ipflab.sumy.ua
4. GLOBAL MODEL [2]
The characteristics of the argon plasma are determined
by the particle and power balance within the discharge.
The global discharge model assumes all densities to be
volume averaged. The electron temperature can be
determined by equating the total volume ionization to the
surface particle loss to obtain
K iz T e
u B T e
= 1
ng d eff
, where
d eff=
1
2
RL
RhLLhR
(1)
is an effective plasma size, hL and hR are geometrical
factors relating the plasma density at the sheath edge to
that in the bulk
h L=0 .863 . 0 L
2λ i
−1/2
,
hR=0 . 8 4 .0 R
λi
−1/2
(2)
The ion mean free path is taken to be λ i=
1
n g σ i
, where
σi≈10-18 m2 is the ion-atom scattering cross-section for low
energy argon ions. The neutral gas density ng=3.25⋅1019⋅p
(m-3), where p is gas pressure (mTorr). Solving equation
(1) using the ionization rate constant for argon gives an
estimate of the electron temperature for different values of
gas pressure.
All supplied power is assumed to be absorbed by the
plasma and its loss is modeled as follows: part of the
power is used in creating electron-ion pairs and this loss
represents both elastic and inelastic electron collision
processes, while the remaining part is lost as kinetic
energy of both ions and electrons as they leave the
plasma. For a single electron-ion pair lost at the wall the
total energy loss ET is defined by
ET=EewE iwEc
(3)
where the electron kinetic energy Eew and ion kinetic
energy Eiw at the wall are defined by
Eew=2T e and E iw=V sT e /2
(4)
Here Te is the electron temperature expressed in units of
volts, and Vs is the sheath voltage. For argon
V s≈4 . 7Te , thus ions have average kinetic energy at
the wall E iw≈5 . 2Te . Ec is the collision energy loss
per electron-ion pair created [2]
Ec=E iz∑
i
Eex , i
K ex , i
K iz
K el
K iz
2m e
M
3Te
2
(5)
where Eiz=15.76 V is the ionization energy for argon, Eex,i
is the energy for the i-th excitation process, Kiz is the
ionization rate constant, Kex,i is the rate constant for the i-
th excited state and Kel is the elastic rate constant In the
steady state, supplied and lost power must be balance and
the plasma density is predicted
n0=
P abs
euB Aeff ET
(6)
where Pabs is the power supplied, n0 is the center (bulk)
electron density, u B is the Bohm velocity. For a
cylindrical plasma chamber, with radius R and length L,
the expression for the effective area is
Aeff =2πR LhRRhL
(7)
5. EXPERIMENTAL RESULTS
The plasma of RF ion source was initiated in the
capacitive E-mode and subsequently it was transformed
to the inductive H-mode by increasing the RF power.
Hysteresis is seen. The E-H transition occurred
approximately at 60 W power. The plasma density
measurements were made for H-mode only. The position
of antenna horns is about 1 cm from the RF antenna.
Measurements of average electron density as a function
of RF power are presented in figure 2 for hydrogen,
helium and argon. Figure 3 shows the global model
calculations of electron temperature Te and argon ion
current density ji which can be extracted from the ion
source.
210
Fig.2. Experimental points and calculated global model
curves (solid) for electron density n0 versus RF power for
H2 ,He and Ar at different pressure
Fig.3. Calculated curve for electron temperature Te and
ion current density ji (for 100 W RF power) versus argon
pressure
CONCLUSION
A 8 mm microwave interferometer has been developed to
measure average plasma density in hydrogen, helium and
argon discharge of a inductively coupled RF ion source.
The range of neutral gas pressure is 2-30 mTorr and RF
power is in the range of 20-400 W. The interferometer
measurements indicate that the plasma density increases
monotonically with gas pressure and linearly with RF
power and reaches the values of 5·1011 cm-3 for H2 , He
and 5·1012 cm-3 for Ar at 300 W RF power.
A global discharge model is applied to relate the
electron densities and the electron temperature in an argon
plasma. The electron temperature calculated using this
model only depends on the neutral gas pressure and
geometry of the discharge (Fig.3). The argon ion current
density that could be extracted from this ion source is
about 60 mA/cm2 for 300 W RF power at the pressure of
5 mTorr and decreases with increase of the pressure.
The global model calculations are compared to
measured plasma density and a reasonably good
agreement is found.
REFERENCES
1. V.I. Miroshnichenko, S.M. Mordyk et al. Possibilities
To Increase RF Ion Source Brightness For Nuclear
Microprobe Applications // Nucl. Instr. and Meth.
2003, B201, p.630.
2. M.A. Lieberman and A.J. Lichtenberg Principles of
Plasma Discharges and Materials Processing. New
York: Wiley.1994.
3. N.I. Malyh, E.S. Yampolskiy et al. Three-Channel 2
mm Wave Interferometer For Plasma Density
Measurement // Pribory I Technika Experimenta,
1983, N5, p.144 (In Russian).
4. V.I. Voznyy, V.I. Miroshnichenko et al. Experimental
Setup For RF Ion Sources Testing //Problems Of
Atomic Sciences And Technology. Ser.:Plasma
Electronics And New Acceleration Methods (3). 2003,
N4, p.284 (In Russian).
ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПЛАЗМЫ ВЧ-ИСТОЧНИКА ИОНОВ
В.И. Возный, В.И. Мирошниченко, С.Н. Мордик, А.Г. Нагорный, Д.А. Нагорный, В.Е. Сторижко,
Д.П.Шульга
Для высокочастотного (27.12 МГц) индуктивного источника ионов (3 см в диаметре и длиной 7 см, без
внешнего магнитного поля, рабочий газ - водород, гелий, аргон) были выполнены измерения средней плотности
плазмы с помощью 8-ми миллиметрового интерферометра. Давление рабочего газа изменялось в диапазоне 2-30
мТорр, ВЧ-мощность - в диапазоне 20-400 Ватт. Установлено, что плотность плазмы растет с увеличением
рабочего давления и входной ВЧ-мощности. Чтобы рассчитать электронную плотность и электронную
температуру аргоновой плазмы в интересующем нас диапазоне давлений и ВЧ-мощности, была применена
глобальная модель плазменного разряда. Вычисленная по глобальной модели плотность плазмы находится в
хорошем согласии с экспериментально измеренной величиной.
ВИМІРЮВАННЯ ЩІЛЬНОСТІ ПЛАЗМИ ВЧ-ДЖЕРЕЛА ІОНІВ
В.І. Возний, В.І.Мірошниченко, С.М. Мордик, А.Г. Нагорний, Д.А. Нагорний, В.Ю. Сторіжко, Д.П.Шульга
Для високочастотного (27.12 МГц) індуктивного джерела іонів (3 см у діаметрі і довжиною 7 см, без
зовнішнього магнітного поля, робочий газ - водень, гелій, аргон) були виконані виміри середньої щільності
плазми за допомогою 8-ми міліметрового інтерферометра. Тиск робочого газу змінювався в діапазоні 2-30
211
мТорр, ВЧ-потужність - в діапазоні 20-400 Вт. Встановлено, що щільність плазми росте зі збільшенням
робочого тиску і вхідної ВЧ-потужності. Щоб розрахувати електронну щільність і електронну температуру
аргонової плазми в цікавлячому нас діапазоні тисків і ВЧ-потужності, була застосована глобальна модель
плазменного розряду. Обчислена по глобальній моделі щільність плазми знаходиться у гарний згоді з
експериментально обмірюваною величиною.
212
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79152 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T19:02:42Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Voznyy, V.I. Miroshnichenko, V.I. Mordyk, S.M. Nagornyy, A.G. Nagornyy, D.A. Storizhko, V.E. Shulha, D.P. 2015-03-26T18:02:29Z 2015-03-26T18:02:29Z 2005 Plasma density measurement of RF ion source / V.I. Voznyy, V.I. Miroshnichenko, S.M. Mordyk, A.G. Nagornyy, D.A. Nagornyy, V.E. Storizhko, D.P. Shulha // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 1. — С. 209-211. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.70.Gw, 52.50.Dg https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79152 For a radiofrequency (27.12 MHz) inductively coupled ion source (3 cm diameter, 7 cm long, without external magnetic field, working gas-hydrogen, helium, argon), measurements of the average plasma density were made using an 8 mm microwave interferometer. The range of neutral gas pressure is 2-30 mTorr and RF-power is in the range 20-400 W. It is found that the plasma density increases with increased gas pressure and RF-power. A global discharge model is applied to relate the electron densities and the electron temperature in an argon plasma to the pressure and input power ranges of interest. The model calculations are compared to measured plasma density, showing fair agreement. Для високочастотного (27.12 МГц) індуктивного джерела іонів (3 см у діаметрі і довжиною 7 см, без зовнішнього магнітного поля, робочий газ - водень, гелій, аргон) були виконані виміри середньої щільності плазми за допомогою 8-ми міліметрового інтерферометра. Тиск робочого газу змінювався в діапазоні 2-30 мТорр, ВЧ-потужність - в діапазоні 20-400 Вт. Встановлено, що щільність плазми росте зі збільшенням робочого тиску і вхідної ВЧ-потужності. Щоб розрахувати електронну щільність і електронну температуру аргонової плазми в цікавлячому нас діапазоні тисків і ВЧ-потужності, була застосована глобальна модель плазменного розряду. Обчислена по глобальній моделі щільність плазми знаходиться у гарний згоді з експериментально обмірюваною величиною. Для высокочастотного (27.12 МГц) индуктивного источника ионов (3 см в диаметре и длиной 7 см, без внешнего магнитного поля, рабочий газ - водород, гелий, аргон) были выполнены измерения средней плотности плазмы с помощью 8-ми миллиметрового интерферометра. Давление рабочего газа изменялось в диапазоне 2-30 мТорр, ВЧ-мощность - в диапазоне 20-400 Ватт. Установлено, что плотность плазмы растет с увеличением рабочего давления и входной ВЧ-мощности. Чтобы рассчитать электронную плотность и электронную температуру аргоновой плазмы в интересующем нас диапазоне давлений и ВЧ-мощности, была применена глобальная модель плазменного разряда. Вычисленная по глобальной модели плотность плазмы находится в хорошем согласии с экспериментально измеренной величиной. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Plasma diagnostics Plasma density measurement of RF ion source Вимірювання щільності плазми ВЧ-джерела іонів Измерение плотности плазмы ВЧ-источника ионов Article published earlier |
| spellingShingle | Plasma density measurement of RF ion source Voznyy, V.I. Miroshnichenko, V.I. Mordyk, S.M. Nagornyy, A.G. Nagornyy, D.A. Storizhko, V.E. Shulha, D.P. Plasma diagnostics |
| title | Plasma density measurement of RF ion source |
| title_alt | Вимірювання щільності плазми ВЧ-джерела іонів Измерение плотности плазмы ВЧ-источника ионов |
| title_full | Plasma density measurement of RF ion source |
| title_fullStr | Plasma density measurement of RF ion source |
| title_full_unstemmed | Plasma density measurement of RF ion source |
| title_short | Plasma density measurement of RF ion source |
| title_sort | plasma density measurement of rf ion source |
| topic | Plasma diagnostics |
| topic_facet | Plasma diagnostics |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79152 |
| work_keys_str_mv | AT voznyyvi plasmadensitymeasurementofrfionsource AT miroshnichenkovi plasmadensitymeasurementofrfionsource AT mordyksm plasmadensitymeasurementofrfionsource AT nagornyyag plasmadensitymeasurementofrfionsource AT nagornyyda plasmadensitymeasurementofrfionsource AT storizhkove plasmadensitymeasurementofrfionsource AT shulhadp plasmadensitymeasurementofrfionsource AT voznyyvi vimírûvannâŝílʹnostíplazmivčdžerelaíonív AT miroshnichenkovi vimírûvannâŝílʹnostíplazmivčdžerelaíonív AT mordyksm vimírûvannâŝílʹnostíplazmivčdžerelaíonív AT nagornyyag vimírûvannâŝílʹnostíplazmivčdžerelaíonív AT nagornyyda vimírûvannâŝílʹnostíplazmivčdžerelaíonív AT storizhkove vimírûvannâŝílʹnostíplazmivčdžerelaíonív AT shulhadp vimírûvannâŝílʹnostíplazmivčdžerelaíonív AT voznyyvi izmerenieplotnostiplazmyvčistočnikaionov AT miroshnichenkovi izmerenieplotnostiplazmyvčistočnikaionov AT mordyksm izmerenieplotnostiplazmyvčistočnikaionov AT nagornyyag izmerenieplotnostiplazmyvčistočnikaionov AT nagornyyda izmerenieplotnostiplazmyvčistočnikaionov AT storizhkove izmerenieplotnostiplazmyvčistočnikaionov AT shulhadp izmerenieplotnostiplazmyvčistočnikaionov |