устройство и способ для формирования пучков многозарядных ионов

Формула изобретения

1. Устройство для формирования пучков многозарядных ионов, содержащее импульсный источник лазерного излучения и вакуумную камеру с установленными в ней фокусирующим элементом, мишенью и системой формирования ионного пучка, включающей основной и вспомогательный высоковольтные электроды и заземленный электрод, отличающееся тем, что основной электрод выполнен в виде изолированной от вакуумной камеры трубы, один из торцов которой обращен к мишени, а на втором торце со стороны заземленного электрода установлен вспомогательный высоковольтный электрод под тем же потенциалом, что и основной электрод, при этом мишень заземлена.

2. Способ формирования пучков многозарядных ионов посредством устройства по п.1, включающий получение плазмы путем облучения мишени импульсным лазерным излучением и подачу напряжения на высоковольтные электроды, отличающийся тем, что на электроды подают профилированное во времени импульсное напряжение с длительностью не более t=L₂/V_min и с задержкой t = L₁/V_min относительно лазерного импульса, где L₁ - длина дрейфа, L₂ - длина основного электрода, V_min - минимальная скорость плазмы на входе в основной электрод, при этом необходимо выполнение условия

(L₁+L₂)/V_max=L₁/V_min,

где V_max - максимальная скорость разлета плазмы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для формирования высокоэнергичных пучков многозарядных ионов различных элементов в установках для ионной имплантации, а также в качестве инжекторов ускорителей тяжелых ионов.

Известны устройства для формирования пучков многозарядных ионов, использующие электрический разряд в магнитном поле и содержащие разрядную камеру с катодом и антикатодом, помещенных в магнитное поле, и систему экстракции [1] . В реализованном в этом устройстве способе формирования многозарядных ионов электроны, эмиттируемые катодом, в результате столкновений производят многократную ионизацию атомов рабочего вещества в разрядной камере. Образующиеся в разрядной камере многозарядные ионы извлекаются через специальную щель в разрядной камере и затем попадают в систему экстракции, где и происходит формирование ионного пучка.

Недостатком подобных технических решений является значительное снижение ионного тока с ростом зарядности ионов, а также ограничение максимальной зарядности для атомов тяжелых элементов, обусловленные относительно невысокой (порядка нескольких электрон-вольт) температурой плазмы в разряде.

Существенное повышение зарядности ионов происходит при использовании лазерно-плазменных ионных источников.

Известно устройство для формирования пучков многозарядных ионов, содержащее импульсный источник лазерного излучения, вакуумную камеру с установленными в ней фокусирующим элементом, мишенью и системой формирования ионного пучка, включающей основной и вспомогательный высоковольтный электроды и заземленный электрод [2]. Для формирования пучков многозарядных ионов в данном устройстве постоянное высоковольтное напряжение прикладывают к мишени, расположенной в металлической камере, одна из стенок которой является высоковольтным электродом системы формирования ионного пучка. Другой электрод системы формирования находится под земляным потенциалом. При фокусировке лазерного излучения на поверхность мишени образуется плазма, содержащая значительное количество многозарядных ионов, которая при разлете в вакуум попадает в систему формирования, где происходит разделение зарядов с одновременным ускорением ионной компоненты.

Недостатком прототипа является то, что из-за технических трудностей величина постоянного высоковольтного напряжения в подобных системах обычно не превышает нескольких десятков киловольт, что не позволяет получить разделение зарядов при плотности плазмы, превышающей некоторую величину и, соответственно, ограничивает максимальную величину ионного тока по известному закону I~ U^3/2, а также энергию ускоряемых ионов. Для дальнейшего увеличения энергии ионного пучка требуется дополнительная ускоряющая система. Кроме того, наличие в разлетающейся плазме ионов с различными продольными скоростями (для каждой зарядности) приводит к пространственному "размыванию" ионного пучка, которое не может быть скомпенсировано при использовании постоянного напряжения.

Техническим результатом предложенного изобретения является увеличение ионного тока с одновременным увеличением энергии и уменьшением продольного разброса скоростей экстрагируемых ионов.

Этот результат достигается за счет того, что в известном устройстве для формирования пучков многозарядных ионов, содержащем импульсный источник лазерного излучения и вакуумную камеру с установленными в ней фокусирующим элементом, мишенью и системой формирования ионного пучка, включающей основной и вспомогательный высоковольтные электроды и заземленный электрод, предложено мишень заземлить, основной электрод выполнить в виде изолированной от вакуумной камеры трубы, установленной вдоль оси, совпадающей с нормалью к поверхности мишени, один из торцов которой обращен к мишени, а на втором торце со стороны заземленного электрода установить вспомогательный электрод под тем же потенциалом, что и основной электрод. При этом в известном способе формирования пучков многозарядных ионов, включающем получение плазмы путем облучения мишени импульсным лазерным излучением и подачу напряжения на высоковольтные электроды, предложено подавать на высоковольтные электроды профилированное во времени импульсное напряжение с длительностью импульса не более t= ₂/V_min и с задержкой t=L₁/V_min относительно лазерного импульса, где L₁ - длина дрейфа, L₂ - длина основного электрода, V_min - минимальная скорость плазмы на входе в основной электрод, причем (L₁+L₂)/V_max=L₁/V_min, где V_mах - максимальная скорость разлета лазерной плазмы.

Схема предложенного устройства приведена на чертеже.

Устройство содержит импульсный источник лазерного излучения и вакуумную камеру 1 с оптическим окном для ввода лазерного излучения 2, в которой расположены: фокусирующий элемент (зеркало или линза) 3, мишень 4, основной высоковольтный электрод 5, выполненный в виде трубы и закрепленный на проходном изоляторе 6. Перед обращенным к мишени торцом электрода 5 установлена диафрагма 7, а на противоположном торце трубы размещен высоковольтный электрод 8 экстрагирующей системы. В случае использования простейшей двухэлектродной системы экстракции другой ее электрод 9 заземлен.

Способ формирования пучков многозарядных ионов осуществляется следующим образом.

При фокусировке лазерного излучения на поверхности мишени получают плотную высокотемпературную плазму, в составе ионной компоненты которой присутствует большое количество высокозарядных ионов. Зарядовый состав зависит от материала мишени, плотности мощности и длительности греющего лазерного излучения. Плазма расширяется в вакуумный объем со скоростями до 10⁸ см/с, при этом скорости разлета лежат в интервале от V_max до V_min. Диафрагма 7 служит для ограничения углового размера плазменного потока. Диаметр диафрагмы выбирают из условия, чтобы диаметр потока на выходе из трубчатого электрода не превышал внутреннего диаметра последнего. Диафрагма защищает поверхность изолятора 6 от облучения рентгеновским и ультрафиолетовым излучением плазмы, а также и самой разлетающейся плазмой, что предотвращает развитие пробоя по поверхности изолятора. Плазменный поток, пройдя через диафрагму, заполняет внутренний объем трубчатого электрода за время, определяемое максимальной скоростью разлета. Для этого длину дрейфа L₁ и длину электрода L₂ выбирают так, чтобы (L₁+L₂)/V_max=L₁/V_min, где V_max и V_min - максимальная и минимальная скорость разлета плазмы. В момент достижения плазмой выходного торца трубчатого электрода на электрод подают импульс высоковольтного напряжения с задержкой t = L₁/V_min относительно лазерного импульса, и плазма внутри электрода оказывается под соответствующим потенциалом. Из-за наличия направленной скорости плазмы вдоль оси электрода, плазменный сгусток последовательно проходит между электродами 8 и 9 системы формирования, где происходит разделение зарядов и ускорение ионов. Длительность импульса напряжения t выбирают в соответствии с требуемой длительностью ионного тока, равной t=L₂/V_min.

Подача импульсного напряжения, в отличие от постоянного, позволяет, во-первых, существенно увеличить его амплитуду вплоть до нескольких сотен киловольт, основываясь на стандартных схемах высоковольтной импульсной техники, без использования сложных и крупногабаритных изоляторов и специальных источников питания, что дает возможность производить экстракцию ионов при больших плотностях плазмы и, соответственно, при формировании ионного пучка увеличить величину формируемого тока и энергию ионов; во вторых, подача импульса напряжения с задержкой в несколько микросекунд позволяет избежать наиболее вероятного момента пробоя высоковольтного промежутка из-за облучения электродов и остаточного газа рентгеновским излучением из плазмы; в третьих, профилирование импульса приводит к компенсации продольного разброса скоростей для ионного пучка заданной зарядности при известной функции распределения указанных ионов по скоростям. Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является упрощение узла мишени и камеры взаимодействия из-за отсутствия на последней напряжения и связанных с этим технических сложностей по высоковольтной развязке вакуумных насосов, устройства подвижки мишени и т.п.

Источники информации

1. В. В. Симонов, Л.А. Корнилов, А.В. Шашелев, Е.В. Шокин. Оборудование ионной имплантации. М.: Радио и связь, 1988. 184 с.

2. Ю.А. Быковский, В.Н. Неволин. Лазерная масс-спектрометрия. М.: Энергоатомиздат, 1985. 128 с. С. 50-51.