Production of multiply charged bismuth ion beams in an ion source based on a vacuum arc with a submicrosecond pulse dura.pdf Введение В ионных источниках на основе вакуумного дугового разряда генерация плазмы осуществляется в так называемых катодных пятнах - квазистационарных плазменных образованиях на поверхности катода микронного размера с наносекундными временами жизни, в которых происходят процессы испарения и ионизации материала катода. Вакуумные дуговые ионные источники способны генерировать импульсные ионные пучки любого твердотельного проводящего материала и находят применение в качестве инжекторов ускорителей тяжелых ионов [1, 2] и технологических имплантеров для модификации поверхности различных материалов [3]. Типичные рабочие параметры таких источников, например ионного источника типа Mevva-V.Ru [4], составляют: амплитуда импульса тока дуги уровня сотен ампер; длительность импульса сотни микросекунд; частота повторения импульсов до десятков импульсов в секунду, при этом амплитуда тока ионного пучка может достигать 1 А при площади поперечного сечения пучка от 10 до 100 см2 и ускоряющем напряжении около 100 кВ. Без специальных мер для повышения зарядовых состояний ионов при таких параметрах ионных источников в зависимости от материала катода зарядовые состояния ионов плазмы и, соответственно, сформированного на ее основе ионного пучка не превышают значение 5+ [5], а средняя зарядность ионов находится в пределах от 1+ для лития и углерода до 3+ для вольфрама [5, 6]. Использование различных методик повышения зарядовых состояний ионов плазмы вакуумной дуги и, соответственно, ионного пучка позволяет расширить технологические возможности вакуумных дуговых ионных источников в двух направлениях. Во-первых, можно кратно увеличить энергию ионов в извлекаемом пучке без соответствующего повышения ускоряющего напряжения, что позволит существенно расширить диапазон энергии ионного пучка источника. Во-вторых, можно получить пучки ионов с требуемой энергией при существенно меньшей величине ускоряющего напряжения, что позволяет сделать ионный источник более компактным, недорогим в изготовлении и радиационно безопасным. Существует большое количество методов увеличения зарядности ионов пучка вакуумного дугового ионного источника, например, создание в катодной области вакуумной дуги сильного магнитного поля, модуляция тока разряда, инжекция в плазму плотного пучка электронов, нагрев плазмы в открытой магнитной ловушке с помощью микроволнового излучения мощного гиротрона и реализация сильноточной дуги с короткой длительностью импульса [7-9]. Последний метод показал наибольшее увеличение зарядности ионов в вакуумной дуговой плазме ионного источника, которое было реализовано в килоамперном диапазоне амплитуды тока при длительности импульса уровня единиц микросекунд [9]. Настоящая работа посвящена развитию метода использования сильноточной дуги при дальнейшем сокращении длительности импульса дуги до субмикросекундного уровня на примере ионов висмута. Было получено рекордное для висмута наиболее вероятное зарядовое состояние ионов 18+ при рекордной средней зарядности ионов около = 18+. Методика и техника эксперимента Схема экспериментальной установки, использованной в этой работе, приведена на рис. 1. Основой установки являлся вакуумный дуговой ионный источник типа Mevva-V.Ru [4, 9] со специальным разработанным катодным узлом для получения пучков многозарядных ионов методом использования сильноточной вакуумной дуги субмикросекундной длительности. Источник размещался на торце вакуумной камеры и был отделен вакуумным затвором. Это было сделано, чтобы не нарушать вакуумные условия в вакуумной камере при необходимости смены катода или других работ с ионным источником. Вакуумная камера имела объем 0.7 м3 и откачивалась криогенным насосом до давления 2∙10-7 Торр. Это было необходимо, чтобы исключить влияние остаточной атмосферы вакуумной камеры и других паразитных примесей на масс-зарядовый состав исследуемого ионного пучка, а также процессов паразитной перезарядки многозарядных ионов материала катода на атомах и ионах газов, приводящей к снижению зарядовых состояний плазмы разряда, а следовательно, и пучка. Рис. 1. Схема экспериментальной установки на основе вакуумной дуги с модернизированным времяпролетным масс-спектрометром для генерации пучков многозарядных ионов висмута На расстоянии 80 см от ионного источника располагался магнитоизолированный цилиндр Фарадея с площадью коллимирующего отверстия 10 см2. Он был предназначен для измерения ионного тока пучка. Для подавления вторичной ионно-электронной эмиссии и потока электронов из пучковой плазмы в цилиндре Фарадея использовалось поперечное магнитное поле индукцией 40 мТл. Постоянно цилиндр Фарадея размещался в шлюзе, перекрытом вакуумным затвором, и выдвигался в объем вакуумной камеры только на время измерений. На другом торце вакуумной камеры, на расстоянии 1.4 м от ионного источника, располагался времяпролетный масс-спектрометр для анализа масс-зарядового состава ионного пучка, состоящий из затвора, трубы дрейфа и цилиндра Фарадея спектрометра [10]. Использовался затвор спектрометра типа Бредбери - Нильсона, который представлял собой пять пар концентрических колец, к которым прикладывался отклоняющий ионы высоковольтный импульс напряжения. В центральной части затвора располагался коллектор, предназначенный для измерения ионного тока, а также предотвращающий прохождение ионного пучка в цилиндр Фарадея спектрометра в отсутствие отклоняющего импульса затвора. Цилиндр Фарадея спектрометра располагался на противоположном конце спектрометра и имел площадь коллимирующего отверстия 10 см2. Расстояние между ним и затвором являлось базой спектрометра, т.е. промежутком, на котором происходит разделение ионов с различным отношением заряда Q к массе M. Для представляемых экспериментов спектрометр был модернизирован для лучшей расшифровки спектров, содержащих высокозарядные ионы с зарядовыми состояниями 15+ и выше. Модернизация заключалась в увеличении пролетной базы спектрометра со стандартной 1 м [10] до 1.5 м и соответствующей перенастройке генератора высоковольтных отклоняющих импульсов затвора спектрометра. Конструкция ионного источника, использованного в экспериментах по генерации пучков многозарядных ионов висмута, приведена на рис. 2. Катод 1 представлял собой стержень диаметром 6.5 мм, выполненный из висмута, расположенный внутри керамической трубки с внешним диаметром 12 мм, на торце которой находился поджигающий электрод 2. Катод и поджигающий электрод были размещены на катододержателе, который представлял собой высоковольтный низкоиндуктивный двухэлектродный вакуумный ввод 3. Ввод 3 был закреплен на конусообразном катодном фланце 4, размеры которого были подобраны таким образом, чтобы рабочая поверхность катода была расположена внутри полого анода 5, при этом расстояние до стенок полого анода составило не менее 5 см. Это было необходимо, чтобы снизить эффект повышения давления в области катода, происходящего за счет десорбции остаточного газа со стенок полого анода во время импульса горения дуги. Таким образом, существенно снижалась вероятность паразитной перезарядки многозарядных ионов висмута на нейтралах и ионах плазмы остаточного газа. Рис. 2. Вакуумно-дуговой источник пучков многозарядных ионов висмута: 1 - катод; 2 - поджигающий электрод; 3 - высоковольтный малоиндуктивный вакуумный ввод; 4 - фланец катода; 5 - анод; 6 - трехэлектродная ускоряющая система; 7 - ионный пучок Ускоряющая система 6 состояла из трех одинаковых электродов диаметром 10 см. Каждый из них был толщиной 4 мм и имел 199 отверстий диаметром 5 мм, причем отверстия во всех электродах были юстированы относительно друг друга. Первый электрод, расположенный на торце полого анода, являлся эмиссионным и через отверстия в нем происходило извлечение ионного пучка 7. Второй электрод был отсекающий, потому что на него подавалось отрицательное напряжение величиной несколько киловольт для подавления вторичных электронов, выбитых с электродов системы извлечения и образующихся в области транспортировки ионного пучка в результате ионно-электронной эмиссии. Формирование ионного пучка происходило при приложении ускоряющего напряжения между эмиссионным и третьим, ускоряющим, электродом, который был заземлен. Схема электропитания экспериментальной установки, адаптированная для получения многозарядных пучков ионов металлов, была расположена на высоковольтной изолированной платформе и питалась от разделительных трансформаторов. Инициирование вакуумной дуги осуществлялось пробоем по поверхности керамики при подаче высоковольтного импульса напряжением 14 кВ и током несколько десятков ампер между катодом и поджигающим электродом. Схема питания вакуумной дуги представляла собой схему удвоения напряжения на базе низкоиндуктивных конденсаторов емкостью 0.22 мкФ, выдающую напряжение 10-14 кВ. На выходе схемы удвоения располагался разрядный низкоиндуктивный конденсатор емкостью 0.1 мкФ, который определял амплитудное значение тока дуги и длительность дугового импульса. Общая индуктивность схемы питания дуги, высоковольтного вакуумного ввода и электродов разрядной системы составляла, по оценкам, около 150 нГн. Это позволило сформировать импульс тока дуги с длительностью на полувысоте менее 0.5 мкс при токе дуги несколько килоампер. Ионный пучок формировался при подаче постоянного ускоряющего напряжения величиной до 60 кВ между эмиссионным и ускоряющим электродами. На отсекающий электрод подавалось постоянное отрицательное напряжение величиной 2 кВ. Генератор отклоняющих импульсов затвора спектрометра формировал отклоняющий импульс напряжения длительностью 100 нс, амплитуда которого регулировалась до 6 кВ. Такая регулировка была необходима для точной фокусировки ионного пучка в центр цилиндра Фарадея спектрометра при изменении длины пролетной базы спектрометра. Экспериментальные результаты Осциллограммы импульса тока разряда при использовании катода, выполненного из висмута, в случае применения для питания дуги конденсатора емкостью 0.1 мкФ, заряженного до напряжения порядка 12 кВ, и соответствующего ему импульса ионного тока пучка, измеренного при ускоряющем напряжении ионного источника 30 кВ, представлены в качестве примера на рис. 3. Рис. 3. Осциллограммы импульса тока дуги (1) и соответствующего ему импульса ионного тока на цилиндр Фарадея (2). Разрядный конденсатор 0.1 мкФ был заряжен до 12 кВ. Ускоряющее напряжение - 30 кВ, катод - висмут, рабочее давление - 2•10-7 Торр В экспериментах было показано, что существуют оптимальные параметры импульса вакуумной дуги, при которых увеличение зарядовых состояний ионов максимально. Причина появления такого оптимума тока дуги связана с двумя противоположно направленными процессами: с одной стороны, с ростом зарядовых состояний ионов плазмы разряда при повышении тока импульса вакуумной дуги и увеличении при этом степени сжатия плазмы собственным магнитным полем разряда и, с другой стороны, со снижением зарядовых состояний ионов при превышении оптимального значения тока дуги, связанным с импульсным нагревом поверхности катода в разряде, при котором испарение с нее тонкого слоя материала катода приводит к уменьшению зарядовых состояний ионов металла за счет снижения температуры плазмы при ионизации атомов материала катода и интенсификации процессов перезарядки высокозарядных ионов металла на них. На рис. 3 представлен именно оптимальный импульс тока дуги для катода из висмута. Длительность импульса тока дуги на полувысоте амплитуды составляла 0.48 мкс при амплитудном значении тока Iдуги = 3.1 кА. При этом напряжение на промежутке равномерно спадает в течение импульса и при достижении пика амплитуды тока все еще составляет около 6 кВ, при этом расчетная импульсная мощность, выделяемая в разряде, может достигать 10 МВт. На рис. 3 также показан импульс тока ионного пучка Iион, измеренный магнитоизолированным цилиндром Фарадея ионного тока площадью 10 см2. Видно, что длительность импульса тока ионного пучка существенно превышает длительность импульса тока дуги и составляет 10 мкс на полувысоте амплитуды. Это связано с тем, что ионы плазмы вакуумной дуги имеют широкое распределение по скоростям и направлениям движения, а также существенной разницей в скоростях тяжелых ионов висмута и более легких ионов остаточных газов. Отметим, что, поскольку апертура цилиндра Фарадея была существенно меньше сечения ионного пучка, он регистрировал только часть тока пучка. Общий ток ионного пучка примерно в 7 раз превышал значение ионного тока на цилиндр Фарадея и для осциллограммы на рис. 3 достигал значения около 0.5 А. Следует отметить, что амплитуда и длительность импульса тока пучка от импульса к импульсу варьировались в пределах 20%, и, таким образом, пучок многозарядных ионов висмута имел удовлетворительную стабильность. Рис. 4. Зарядовые состояния ионов висмута в ионном пучке, измеренные с помощью времяпролетного масс-спектрометра. Ускоряющее напряжение 30 кВ, параметры импульса дуги соответствуют рис. 3 Осциллограмма спектра зарядовых состояний ионов висмута в ионном пучке, полученного с помощью времяпролетного масс-спектрометра при параметрах импульса вакуумной дуги, показанных на рис. 3, т.е. при оптимальной амплитуде импульса тока дуги Iдуги = 3.1 кА, длительности импульса дуги 0.48 мкс, напряжении, приложенном к промежутку 12 кВ, а также при остаточном давлении в вакуумной камере около 2∙10-7 Торр, представлена на рис. 4. Осциллограмма на рис. 4 получена при длине базы времяпролетного спектрометра равной одному метру. Видно, что в спектре присутствуют ионы висмута от Bi16+ до Bi19+, при этом наиболее вероятное зарядовое состояние ионов - Bi18+, а средняя зарядность ионов висмута в пучке достигает значения около = 18+. Полученные в этой работе зарядности ионов висмута в пучке ионного источника на основе вакуумного дугового разряда являются рекордными для исследуемого материала. Заключение Были проведены эксперименты по генерации многозарядных пучков ионов висмута в ионном источнике за счет использования плазмы вакуумно-дугового разряда с килоамперными токами и субмикросекундной длительностью. При оптимальной амплитуде тока дугового разряда 3.1 кА, длительности импульса 0.48 мкс, приложенном напряжении 12 кВ были получены пучки ионов висмута с максимальным зарядовым состоянием Bi19+, наиболее вероятным зарядовым состоянием ионов Bi18+ при средней зарядности ионов висмута в извлеченном пучке около 18+. Полученные результаты являются рекордными для вакуумных дуговых ионных источников с висмутовым катодом с точки зрения наиболее вероятной и средней зарядностей. Рассмотренный метод представляется относительно простым для реализации, достаточно эффективным и перспективным для дальнейшего увеличения зарядностей ионов металлов в ионном источнике на основе вакуумного дугового разряда, поэтому является привлекательным для практического использования и может найти применение при решении различных фундаментальных и прикладных задач.

Скачать электронную версию публикации