Анотація до роботи:

Возний В.І. Плазмові високочастотні джерела іонів для ядерного мікрозонда. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01–фізика приладів, елементів і систем. –Сумський державний університет. Суми, 2006.

Дисертація присвячена проблемі одержання високояскравих іонних пучків з малим енергетичним розкидом для підвищення роздільної здатності ядерного мікрозонда. Для вимірювання плазмових параметрів ВЧ-джерел і фазових, енергетичних і масових характеристик екстрагованих пучків створена діагностична установка. Проведено комплексне дослідження ВЧ-джерела іонів без зовнішнього магнітного поля. На основі трансформаторної та глобальної моделей розряду розраховано густину аргонової плазми та електронну температуру залежно від ВЧ-потужності, тиску газу та розмірів розряду. Виконано НВЧ інтерферометричне вимірювання густини плазми ВЧ-джерела. При 300 Вт ВЧ-потужності густина іонного струму досягає 75 мА/см², виміряна яскравість дорівнює B_P20 А/рад²м²еВ.

Проведено діагностику іонного пучка (гелій, аргон), екстрагованого з геліконного джерела, що знаходиться у зовнішньому магнітному полі. Густина іонного струму досягає 130 мА/см², яскравість пучка–B_P110±10 А/рад²м²еВ. Підвищення густини плазми внаслідок збудження геліконних хвиль і хвиль Трайвелпіс-Гоулда в плазмі джерела пояснює високі значення густини іонного струму і яскравості екстрагованого пучка.

Для одержання іонних пучків з малим енергетичним розкидом розроблено мультикаспове ВЧ-джерело іонів. Виміряно енергетичний розкид пучка іонів гелію, який дорівнюе DE=8±1 еВ при 200 Вт ВЧ-потужності.

1. Створено діагностичну установку для діагностики як плазмових параметрів іонних ВЧ-джерел, так і фазових, енергетичних і масових характеристик екстрагованих іонних пучків: сили струму і профілю пучка, емітанса і яскравості, енергетичного розкиду іонів і масового складу пучка. Розроблена ВЧ-система з регульованою потужністю 0-700 Вт і частотою 27,12 МГц дозволяє контролювати рівень поглиненої розрядом ВЧ-потужності на відміну від використовуваних автогенераторних ВЧ-систем.

2. Проведене комплексне дослідження індукційного ВЧ-джерела іонів, що працює за відсутності зовнішнього магнітного поля. Застосовано трансформаторну модель ВЧ-розряду, що представляє індукційний розряд як вторинний виток ВЧ-трансформатора. За результатами вимірювання зовнішніх електричних параметрів ВЧ-контуру визначалися внутрішні плазмові параметри розряду: ефективність поглинання ВЧ-потужності, плазмовий струм і плазмова напруга, електричне поле в розряді, електронна частота зіткнень, опір плазми залежно від ВЧ-потужності та тиску газу. Для оцінки густини плазми та електронної температури застосована глобальна модель плазмового розряду. Встановлено, що електронна температура залежить тільки від тиску нейтрального газу в розрядній камері та геометрії розряду і не залежить від ВЧ-потужності, що вводиться в розряд. Густина аргонової плазми лінійно залежить від поглиненої розрядом ВЧ-потужності та монотонно зростає зі збільшенням тиску газу в розрядній камері. Розраховано максимальну густину струму іонів аргону, яку можна екстрагувати з ВЧ-джерела даних розмірів, залежно від тиску газу і ВЧ-потужності. Наведено результати вимірювань густини плазми індукційного ВЧ-джерела, що виконані за допомогою 8 мм НВЧ-інтерферометра. Встановлено, що густина плазми іонного джерела лінійно збільшується із зростанням ВЧ-потужності і монотонно зростає із збільшенням тиску нейтрального газу в розряді. Густина плазми досягає величини n_e=5М10¹⁷ м^-3 для водню та гелію і величини n_e=5М10¹⁸ м^-3 –для аргону при 300 Вт ВЧ-потужності. Відповідність між виміряною та розрахованою за глобальною моделлю густиною плазми свідчить про застосовність даної методики для розрахунку плазмових параметрів іонного ВЧ-джерела. Виконано вимірювання густини екстрагованого іонного струму залежно від витягувальної напруги та ВЧ-потужності при різному тиску газу (водень, гелій, аргон). Густина струму насичення лінійно зростає з ВЧ-потужністю і при Р=100 Вт досягає значення j_i=25 мА/см² (гелій). Максимальне значення виміряної за допомогою емітансометра яскравості гелієвого пучка досягає величини B_P20 А/рад²м²еВ.

3. Проведено діагностику іонного пучка, екстрагованого з геліконного ВЧ-джерела іонів, поміщеного у зовнішнє магнітне поле. Виміряна густина струму гелієвого пучка залежно від витягувальної напруги при величині зовнішнього магнітного поля порядку В₀15 мТл. При Р=340 Вт густина іонного струму досягає значення j_i=130 мА/см². Ця величина густини струму в кілька разів перевищує значення густини струму, яку можна витягти з джерела без зовнішнього магнітного поля. Виміряне значення яскравості пучка становить B_P100 А/рад²м²еВ. Виконано вимірювання густини струму аргонового пучка при малій величині зовнішнього магнітного поля В₀2 мТл. При Р=120 Вт густина струму іонів аргону досягає величини j_i=100 мА/см² і в кілька разів вища від густини струму, що витягується за відсутності магнітного поля. При цьому яскравість пучка іонів аргону дорівнює B_P120 А/рад²м²еВ. Розглянуто фізичні процеси, що відбуваються в геліконному джерелі іонів. Зроблено оцінки значень поздовжнього і поперечного хвильових чисел, які підтверджують можливість збудження геліконних хвиль і хвиль Трайвелпіс-Гоулда у плазмі іонного джерела. Розраховане підвищення густини плазми пояснює отримані високі значення густини іонного струму і яскравості пучка, що екстрагується з геліконного джерела.

4. Для дослідження можливостей генерації іонних пучків з малим енергетичним розкидом створено мультикаспове ВЧ-джерело іонів. Уперше проведені комплексні вимірювання енергетичних характеристик іонного джерела. Вивчено вплив умов роботи джерела на середню енергію й енергетичний розкид екстрагованого іонного пучка. За допомогою сіткового енергоаналізатора виміряно функції розподілу іонів за енергіями гелієвого й аргонового пучків. Визначено середню енергію E₀ і енергетичний розкид іонів DE гелію й аргону. Встановлено, що енергетичний розкид іонів гелію дорівнює DE=8±1 еВ, збільшується із зростанням ВЧ-потужності і не залежить від тиску газу в розрядній камері джерела. Двопікова структура ФРІЕ при низькому тиску нейтрального газу свідчить про наявність паразитного ємнісного зв’язку ВЧ-розряду. Така структура характерна для ФРІЕ, що формується в шарі об’ємного заряду з часовою ВЧ-модуляцією потенціалу шару. Багатопікова структура ФРІЕ при високому тиску свідчить про розсіювання іонів і резонансне перезарядження при проходженні іоном шару об’ємного заряду.

Публікації автора:

1. Возный В.И., Мирошниченко В.И., Мордик С.Н., Сторижко В.Е., Сулкио-Клефф Б., Шульга Д.П. Экспериментальная установка для тестирования ВЧ источников ионов // Problems of Atomic Sciences and Technology. Ser.:Plasma Electronics and New Acceleration Methods.-2003.-№4(3).-С.284-287.

2. Miroshnichenko V.I., Mordyk S.M, Storizhko V.E, Sulkio-Cleff B., Voznyy V.I. Development of a dedicated ion injector for accelerator-based nanoprobe facilities // Vacuum.-2004.-V.73.-P.237-242.

3. Voznyy V.I., Miroshnichenko V.I., Mordyk S.M., Nagornyy A.G., Nagornyy D.A., Storizhko V.E., Shulha D.P. Plasma density measurement of RF ion source // Problems of Atomic Sciences and Technology. Ser.:Plasma Physics.-2005.-№1(10).-P.209-211.

4. Miroshnichenko V.I., Mordik S.N., Olshansky V.V., Stepanov K.N., Storizhko V.E., Sulkio-Cleff B., Voznyy V.I. Possibility to increase RF ion source brightness for nuclear microprobe applications // Nuclear Instruments and Methods in Phys. Research B.-2003.-V.201.-P.630-636.

5. Mordyk S.M., Voznyy V.I., Miroshnichenko V.I., Ponomarev A.G., Storizhko V.E., Sulkio-Cleff B. High brightness RF ion source for accelerator-based microprobe facilities // Review of Scientific Instruments.-2004.-V.75, №5.-P.1922-1924.

6. Нагорный Д.А., Нагорный А.Г., Возный В.И. Сверхвысокочастотный интерферометр для измерения плотности стационарной плазмы // Приборы и техника эксперимента.-2005.-№2.-C.98-100.

7. Нагорный Д.А., Нагорный А.Г., Возный В.И., Воробьев Г.С. Измерение плотности стационарной плазмы источника ионов сверхвысокочастотным интерферометром // Вестник СумГУ.-2004.-№8 (67).-С.123-128.

8. Возний В.I., Мірошниченко В.I., Мордик С.М., Сторiжко В.Ю., Сулкіо-Клефф Б., Шульга Д.П. Високочастотнi плазмовi джерела iонiв ядерного мiкрозонда // Збiрник наукових праць Iнституту ядерних дослiджень.-2004.-№1(12).-С.77-82.

9. Возный В.И., Мирошниченко В.И., Мордик С.Н., Сторижко В.Е., Шульга Д.П., Сулкио-Клефф Б. Энергетический разброс ионов, выходящих из мультикаспового ВЧ-источника // Тезисы докладов ІІІ Конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям.-Харьков.-Украина.-2005.-28 февраля-4 марта.-С.54.

10. Мирошниченко В.И., Мордик С.Н., Ольшанский В.В., Степанов К.Н., Сторижко В.Е., Возный В.И., Сулкио-Клефф Б. Возможности повышения плотности плазмы ВЧ источников ионов // Материалы VIII конференции по ускорителям заряженных частиц. Обнинск.-2002.-1-4 октября.-Т.2.-С.729-734.

11. Mordyk S.M, Voznyy V.I., Miroshnichenko V.I., Ponomarev A.G., Storizhko V.E., Sulkio-Cleff B. Characteristics of a Inductive RF Ion Source with Permanent Magnet System // International Сonference on Physics of Low Temperature Plasma PLTP-03.-Kyiv.-2003.-May 11-15.

12. Miroshnichenko V.I., Mordyk S.M., Storizhko V.E., Sulkio-Cleff B., Voznyy V.I. Development of a Dedicated Ion Injector for Accelerator-Based Nanoprobe Facilities // 8-th European Vacuum Congress EVC-8.-Berlin.-Germany.-2003.-June 23-26.

13. Mordyk S.M., Voznyy V.I., Miroshnichenko V.I., Ponomarev A.G., Storizhko V.E., Sulkio-Cleff B. High Brightness RF Ion Source for Accelerator-based Microprobe Facilities // 10-th International Conference on Ion Source ICIS-2003.-Dubna.-Russia.-2003.-September 8-13.

14. Mordyk S.M, Voznyy V.I., Miroshnichenko V.I., Storizhko V.E., Sulkio-Cleff B., Shulha D.P. Hydrogen/Helium Ion Injector for Accelerator-based Microprobe Facilities // Proceedings of 9-th International Conference on Nuclear Microprobe Technology and Applications.-Cavtat.-Dubrovnik.-Croatia.-2004.-September 13-17.