WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 6 02;12 Экспериментальное исследование влияния процессов в области распространения ионного пучка на результаты электрических измерений тока пучка © Н.В. Гаврилов, А.С. Каменецких Институт электрофизики УрО РАН, 620016 Екатеринбург, Россия e-mail: gavrilov@iep.uran.ru (Поступило в Редакцию 4 мая 2005 г.) Предложен метод раздельного измерения токов медленных ионов перезарядки и ионов, возникающих в результате ионизации газа ионами пучка и быстрыми вторичными электронами в области распространения пучка, а также определения значений коэффициента ионно-электронной эмиссии коллектора ионов и сечения перезарядки ускоренных ионов, основанный на анализе распределений токов по электродам модифицированного цилиндра Фарадея с неэквипотенциальными электродами. Рассмотрено применение метода для контроля тока пучка ионов аргона с энергией ионов от единиц до десятков keV и исследования процессов в области его распространения при давлениях от 0.03 до 0.15 Pa.

PACS: 41.75.-i, 84.37.+q Введение сительно заземленного коллектора подается невысокое (несколько десятков вольт) напряжение различной поВзаимодействие ионного пучка с газом и электродами лярности. С использованием баланса токов на электроды приводит к появлению вторичных заряженных частиц, такого цилиндра с неэквипотенциальными электродами исследовано влияние процессов перезарядки, ионизации что увеличивает погрешность измерений тока пучка электрическими методами [1]. При пониженных давле- быстрыми вторичными электронами и ионами пучка, ниях газа расхождение между током источника уско- вторичной электронной эмиссии коллектора пучка и ускоряющего электрода на результаты измерений тока ряющего напряжения и результатами измерения тока в пучка в широком диапазоне давлений газа и определены цепи коллектора пучка обусловлено, главным образом, характеристики этих элементарных процессов для услоионно-электронной эмиссией коллектора и устраняется вий эксперимента.

использованием цилиндров Фарадея с отсечкой вторичных электронов. При повышении давления газа возрастает интенсивность процессов резонансной перезарядки Методика эксперимента ускоренных ионов на атомах газа и ионизации газа вторичными электронами и ионами пучка. В результате Абсолютная величина тока, измеряемого в цепи колразделения потоков вторичных заряженных частиц на лектора ионного пучка, зависит от энергии ионов, длины поверхности, имеющие различный потенциал, возникает области распространения пучка, давления газа, типа дополнительный источник погрешности измерений. В заионов, материала коллектора и других факторов. Для висимости от параметров пучка и условий в объеме и на получения широких пучков ионов аргона, существенно границах области распространения пучка величина тока, различающихся по энергии, в экспериментах использоизмеряемого в цепи коллектора, может значительно вались два различных ионных источника с холодным отличаться от тока источника ускоряющего напряжения, катодом: высокоэнергетичный (30 keV) ионный источник причем как в сторону уменьшения, так и увеличения с электродной системой типа обращенный магнетрон [3] тока [2]. Уход медленных ионов из пучковой плазмы и низкоэнергетичный (5keV) с сетчатым плазменным кана отрицательно смещенный относительно коллектора тодом, в анодной ступени которого установлен магнитпучка ускоряющий электрод ионной оптики и появление ный мультиполь [4]. В обоих случаях широкий ионный в его цепи значительных токов делает невозможным пучок формировался двухэлектродными многоапертурконтроль потерь тока пучка на электродах оптики и ными ионно-оптическими системами. Причина выбора недостоверной оценку тока пучка по току источника двухэлектродных систем для проведения исследований высокого напряжения.

заключается в том, что отсутствие заземленного третьеВ данной статье предложен метод измерений, осно- го электрода упрощает измерение распределений тока ванный на использовании аналога цилиндра Фарадея, вторичных частиц между электродами и анализ провходным электродом которого является ускоряющий цессов в пучковой плазме. Использование двух ионных электрод ионного источника, на который подано напря- источников с различной геометрией ионно-оптических жение отсечки вторичных электронов, а на стенки отно- систем обусловлено необходимостью полностью исклюЭкспериментальное исследование влияния процессов в области распространения ионного пучка... бирались таким образом, чтобы исключить попадание ускоренных ионов на стенки, обеспечить требуемую скорость вакуумной откачки области распространения пучка и уменьшить потери заряженных частиц из плазмы через зазоры между электродами.

В обоих случаях потенциал стенок относительно заземленного коллектора составлял Uw =+30, 0 и -30 V.

Величина Uw должна быть небольшой, чтобы минимизировать изменение условий ионизации газа вторичными электронами при смене полярности стенок, но достаточной для надежной отсечки плазменных электронов или ионов. В экспериментах измерялись токи на экранный электрод ионно-оптической системы Is, ток источника высокого напряжения Ib, ток в цепи ускоряющего электрода Ia, ток на коллектор пучка Ic и ток на стенки Iw.

Давление газа в области дрейфа пучка изменялось в пределах 0.04-0.15 Pa в высоковольтной и 0.03-0.06 Pa в низковольтной системе.

Особенностью формирования пучка в ионных источРис. 1. Схема эксперимента.

никах на основе тлеющего разряда является наличие у экранного приэлектродного слоя пространственного заряда с регулируемым падением напряжения Us, который оказывает существенное влияние на отбор ионов чить потери ускоренных ионов на электродах ионнои формирование пучка [6]. В низкоэнергетичном исоптической системы при существенно различающихся точнике падение потенциала на слое поддерживалось значениях энергии ионов, для каждой из которых необпостоянным и равным Us = 150 V, ток пучка составходимо обеспечить оптимальные значения нормированлял 6 mA. Математическое моделирование, проведенное ного на единичное отверстие первеанса пучка [5], что, с использованием программы BeamCad [7] показало, как описано ниже, достигается соответствующим выбочто при изменении плотности тока пучка в пределах ром диаметра отверстий и длины ускоряющего зазора 0.5-5 mA/cm2 потери пучка на ускоряющем электроде ионно-оптических систем.

такой системы практически отсутствуют. Выбор тока Схема расположения электродов ионной оптики и пучка ионов аргона с энергией 30 keV, равным 30 mA, электродов, ограничивающих область распространения также был сделан по результатам компьютерного мопучка и в совокупности представляющих модифицироделирования системы формирования с приэлектродным ванный цилиндр Фарадея, показана на рис. 1. Размер падением потенциала Us = 500 V. В таких системах отверстий в контактирующем с плазмой ионного источэнергия ускоренных ионов на выходе ионной оптики ника экранном электроде 1 и ускоряющем электроде определяется суммой величин ускоряющего напряжения ионно-оптической системы для формирования пучка с Ub, и приэлектродного падения потенциала Us, предваэнергией ионов 30 keV составлял d = 12 mm, длина рительно ускоряющего ионы. Для определения условий, ускоряющего зазора l = 40 mm. Начальный диаметр пучобеспечивающих минимальную угловую расходимость ка составлял 120 mm, расстояние между ускоряющим ионного пучка, проводились измерения поперечного электродом и коллектором пучка L = 120 mm, диаметр профиля пучка в плоскости коллектора.

электрода 4D = 220 mm. Ускоряющее напряжение Ub Изменение давления влияет не только на процессы в прикладывалось между экранным электродом 1 и заземобласти распространения пучка, но и на интенсивность ленным коллектором пучка 3. Отрицательное напряжеионизационных процессов в плазме ионного источниние отсечки вторичных электронов Ua прикладывалось ка, что проявляется в немонотонной зависимости тока между ускоряющим электродом 2 и коллектором 3 и ионного пучка от давления при постоянных параметрах составляло 0.5 kV для низкоэнергетичного и 1 kV для разряда и неизменном ускоряющем напряжении [4].

высокоэнергетичного источника. Размер отверстий в Для сохранения постоянства тока ионного пучка при электродах низковольтной оптики составлял d = 4 mm, изменении давления в экспериментах поддерживался длина ускоряющего зазора l = 3 mm. Диаметр ионно- постоянным ток источника ускоряющего напряжения Ib.

го пучка с энергией 5 keV на выходе ионной опти- Потенциал пучковой плазмы измерялся с использоваки составлял 30 mm, расстояние до коллектора пуч- нием цилиндрического собирающего зонда длиной 5 mm ка L = 40 mm, диаметр цилиндрического электрода 4 и диаметром 0.3 mm, который располагался вдоль оси составлял D = 90 mm. Материал всех электродов — пучка и был экранирован от прямого попадания усконержавеющая сталь. Диаметр цилиндрических стенок, ренных ионов. При используемых повышенных давлерасстояние до коллектора пучка и его диаметр вы- ниях газа потенциал плазмы был выше потенциала 3 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 34 Н.В. Гаврилов, А.С. Каменецких положительного электрода (коллектора или стенок) на k2Iii ионов, образовавшихся в результате ионизации газа несколько вольт. быстрыми вторичными электронами и ионами пучка I+ = Ii0 - Iic + 1Ii0 + k1Iic + k2Iii, (2) c Процессы в области распространения причем для упрощения анализа принимается, что kпучка и k2 — постоянные, не зависящие от давления газа.

Суммарный ток на электроды цилиндра Фарадея с Оставшаяся часть медленных ионов уходит на имеющий электрически разделенными плоским коллектором, от- отрицательный потенциал Ua ускоряющий электрод, секающим электродом и цилиндрическими стенками соотношение для тока на который имеет вид должен быть равен току ионов Ii0, инжектируемых в обI+ =[(1 - k1)Iic +(1 - k2)Iii](1 + 2). (3) ласть распространения пучка. Резонансная перезарядка a приводит к тому, что ток ускоренных ионов по мере Коэффициент (1 + 2) учитывает ток ионно-электронной удаления от ионно-оптической системы уменьшается в эмиссии с этого электрода.

соответствии с соотношением Электронный ток на имеющие положительный потенциал стенки I+ включает токи вторичных электронов с Ii = Ii0 exp(-cen0), (1) w коллектора и ускоряющего электрода, а также полный где ce — сечение резонансной перезарядки, n0 — кон- ток плазменных электронов центрация нейтралов, — расстояние от точки измере-I+ = 1Ii0 + 2/(1 + 2)I+ + Iei. (4) ния до ускоряющего электрода ионной оптики. Бомбарw a дировка коллектора ионами приводит к появлению втоСумма тока в цепи коллектора I+ и ионного тока на ричных электронов, ток которых пропорционален коэфc ускоряющий электрод имеет вид фициенту ионно-электронной эмиссии. Величина зависит от материала коллектора и состояния его поверхI+ = I+/(1 + 2) =Ii0(1 + 1) +Iii. (5) c a ности, вида и энергии ионов [8,9]. К появлению вторичных электронов приводит и бомбардировка коллектора Сумма токов (2)–(4) дает значение тока ионного быстрыми нейтралами, возникающими при резонансной пучка на выходе ионно-оптической системы Ii0.

перезарядке, поэтому соотношение для тока вторичных При отрицательном потенциале стенок все электроны электронов с коллектора в рассматриваемом диапазоне уходят на коллектор, соотношение для тока на который энергий быстрых частиц (единицы–десятки keV) можно будет иметь вид приближенно записать в виде 1Ii0 [8]. При этом, однако, следует иметь в виду, что вследствие нелинейного харакI- = Ii0 - Iic - Iei - [2/(1 + 2)]I-. (6) c a тера зависимости величины коэффициента от энергии быстрых частиц эффективная величина 1 в условиях Ток на стенки состоит из долей токов медленных перезарядки в результате размножения числа быстрых ионов перезарядки k3Iic и ионов, образовавшихся в речастиц может быть выше, чем соответствующие тазультате ионизации газа, k4Iii, где k3 и k4 — постоянные, бличные значения для ионов с энергией, определяне зависящие от давления газа:

емой величиной ускоряющего напряжения. Медленные плазменные ионы, уходящие из плазмы на ускоряющий I- = k3Iic + k4Iii. (7) w электрод, предварительно ускоряются в приэлектродном слое пространственного заряда. В результате ионноВкладом тока вторичных электронов со стенок ввиду электронной эмиссии появляются вторичные электроны, малости потенциала стенок пренебрегаем.

которые также ускоряются в слое до энергии, опреТок на ускоряющий электрод по аналогии с (3) можно деляемой приложенным напряжением отсечки Ua. При представить в виде повышенном давлении газа эти электроны наряду с ускоренными ионами пучка ионизируют газ в области I- =[(1 - k3)Iic +(1 - k4)Iii](1 + 2). (8) a распространения ионного пучка. Ток медленных ионов, возникающих в области дрейфа пучка, состоит из тока Тогда сумма тока ионов на стенки (7) и ионной медленных ионов перезарядки Iic и тока ионов Iii, составляющей тока ускоряющего электрода (8) будет образованных ионизацией газа. Поскольку частицы, возравна полному току плазменных ионов:

никающие в результате ионизации, являются парными, ток плазменных электронов Iei равен току ионов Iii.

I- + I-/(1 + 2) =Iic + Iii. (9) w a При положительном потенциале стенок ток коллектора I+ включает ток ускоренных ионов Ii0-Iic, ток Сумма токов (6)–(8), как и в случае положительного c ионно-электронной эмиссии коллектора 1Ii0, а также потенциала стенок, дает величину Ii0, что свидетельствудоли тока k1Iic медленных ионов перезарядки и тока ет о правильности проведенного анализа.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Экспериментальное исследование влияния процессов в области распространения ионного пучка... Если предположить, что изменение потенциала стенок меняется во всем диапазоне давлений. Электронный не приводит к существенному изменению интенсивности ток на положительные стенки (кривая 3) в 1.5-2 раза ионизации, то разность токов (9) и (5) даст зависимость превышает начальный ток ионного пучка.

тока медленных ионов перезарядки от давления:

На рис. 4 приведены полученные при положительном потенциале стенок зависимости от давления суммы тока Iic = Ii0(1 + 1) +I- - I+ +(I- - I+)/(1 + 2). (10) w c a a в цепи коллектора и ионного тока на ускоряющий электрод (кривая 1, соответствующая соотношению (5)) Учитывая, что полный ток ионов перезарядки опреи суммы токов на все электроды (кривая 2), которая деляется соотношением (1), в котором расстояние составляет Ii0 31 ± 1 mA. Экстраполяция кривой равно длине области дрейфа пучка L, из (10) можно до пересечения с осью ординат позволяет опредеполучить уравнение, описывающее связь результатов лить величину Ii0(1 + 1) и рассчитать коэффициент измерений и характеристик процессов перезарядки и ионно-электронной эмиссии коллектора:

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.