Аберрации в сильноточной плазменной линзе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

Добровольський Андрій Миколайович

УДК 533.9.004.14

. 533.9.07

АБЕРАЦІЇ В СИЛЬНОСТРУМОВІЙ ПЛАЗМОВІЙ ЛІНЗІ

Фізична електроніка 01.04.04

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Киїь- |9&9

Дисертацією е рукопис

Робота виконана в Інституті фізики НАН України______________,

Науковий керівник: доктор Фіз.-мзт. наук.

старший науковий співробітник Гончзпов Олексій Антонович.

’ інститут Фізики НА.Н України.

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти

Доктор фіз.-мат. наук, професор,. Кириченко Георгій Сергійович.

НЦ "ІІЗД", зав. відділом фізики плазми

Кандидат фіз.-мат. наук, доцент, ‘ Черняк Валерій Якович

Київський Національний Університет ім. Тараса Шевченко, доцент кафедри фізичної електроніки

Проаідна установа

ННЦ "Харківський фізихо-технічний інстіпут" Інститут плазмової електроніки та нозих методів прискорення, Харків

Захист відбудеться 1)21ЯУ0ъ. о І}_ годині на засіданні спеціалізованої вченої рали Д26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 03650 МСП, 03039. Київ-22, проспект Науки, 46

З дисертаціє».можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики НАН України. 03650 МСП, 03039. Київ-22, проспект Науки, 46 _ '

Автореферат розісланий_ 01 гоюо ______________________________,

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

її

Д;

Іщук В.А.

Актуальність теми дисертації

Останнім часом існує стійкий інтерес до проблеми эдзржання та керування інтенсивними пучками іонів різ-тх елементів. Такі пучки, і пери за все пучки важких іонів, як засіб доставки на значні відстані енергії, імпульсу та маси речовини, стають винятково важливим об'єктом фундаментальних наукових досліджень та, одно-іасно, невід'ємною частиною сучасних високих технологій, як то: високодоэна іонна імплантація та іонна обробка матеріалів (очищення, полірування, нанесення по-;рить та модифікація властивостей поверхні). Вони зна-:одять застосування в програмах по дослідженню керова-юго термоядерного синтезу, в дослідженнях колективних іетодів прискорення, мас-сепарації ізотопів, прискорю-іачах заряджених часток та ін. В той же час, такі пуч-:и, що мають значний радіальний перепад потенціалу ір <рь=Х>./Уь' де Іь- струм іонного пучка, а у - його швид-ість), для самого свого існування вимагають створення остатньо щільного, компенсуючого їх об'ємний заряд лазмового середовища. Це середовище (іонно-пучкова лазма) екрануе поля традиційних електростатичних ваку-мних лінз, що робить їх застосування дуже неефектив-им. Одночасно, значна енергоємність та зменшення оп-ичної сили магнітних вакуумних лінз з збільшенням маси асток не дозволяє орієнтуватися на них як на заміну аектростатичним.

Таким чином можна стверджувати, що сама поява плазмо-ітичних пристроїв була викликана труднощами, з якими .'■стрілися дослідники при спробі використання традицій-їх пристроїв вакуумної корпускулярної оптики для керу-іння інтенсивними пучками заряджених часток. Хоча ¡роби використання для цих цілей об'ємного заряду роїлися ще в першій половині століття, лише після пс-іи ідеї використання магнітної ізоляції електронів та

еквіпотенціалізації магнітних силових ліній (О.Х. Морозов, ДАН СРСР, 1965, 163, с. 1363) для введення об'ємних електричних та магнітних полів в плазмове середовище компенсованого іонного пучка, починається розвиток плазмооптики як самостійного напрямку у фізичній електроніці та фізиці плазми. Пристрої, що були побудовані і іі використанням, виявились дуже ефективними. На сьогодні вони представлені великою родиною реалізованих експериментально пристроїв, що все частіше знаходять практичне застосування, і вона продовжує поповнюватися. Власне плазмова лінза (ПЛ) вирізняється серед них сзоєя відносною простотою, практичною значимістю та можливістю одночасного вивчення властивостей, що визначають плазмооптичні пристрої в цілому. Останнє можливо тому, що в ПЛ найбільш повно та послідовно реалізується головна плазмооптична ідея.

Другим суттєвим моментом є впровадження в наукову та технологічну практику пучків великого початкового діаметру. Відомо, що класична корпускулярна оптика оперує

з параксіальними пучками, що відчувають дію прилеглої до вісі частини фокусуючого поля. Через це, використання їх з пучками великого діаметру, навіть за умови проникнення керуючого поля в об'єм пучка, пов'язано з значним впливом на результати фокусування та керування притаманних їм неусувних сферичних аберацій. Другий підхід - створення пристроїв дуже великого діаметру, пов'язаний з неприпустимим рівнем енергозатрат.

На відміну від всього згаданого вище, плазмова лінза дозволяє керувати сильнострумовими іонними пучками без порушення їх квазінейтральності. Крім того, можливо побудувати таку лінзу без сферичних аберацій і ефективно керувати широкими пучками. Водночас фокусування інтен-"сивних пучків великого діаметру плазмовими лінзами досі було майже не досліджено.

Таким чином, поява в останні десятиріччя добре сфор_ мованих іонних пучків великого початкового діаметру э амперними струмами, власні магнітні поля яких іде суттєво менша зовнішніх, поставило проблему розробки та дослідження плазмооптичних пристроїв нового покоління, до здатні керувати такими пучками. Одночасно, перехід на квазістаціонарні імпульсно-періодичні іонні пучки з великим радіальним перепадом потенціалу, обумовив автоматичний вихід в лабораторному експерименті на квазіней-тральний режим роботи плазмової лінзи з повним дотриманням умов, що задовольняють теоретичним принципам статичної плазмооптики. Враховуючи також, що електростатичні плазмові лінзи на протязі багатьох років демонструють переконливі переваги у порівнянні З тради_ дійними іонно-оптичними пристроями вакуумної оптики та іх використання все частіше переходить з галузі фундаментальних досліджень в площину практичного використання, актуальним стає детальне дослідження роботи лінзи в лих умовах.

Вивченню особливостей функціонування саме сильностру-ювої плазмової лінзи (СПЛ), тобто лінзи, для якої ра-ііальний перепад потенціалу пучка, що крізь неї прохо-іить, перевищує максимальний зовнішній потенціал, що ірикладений до електродів лінзи, в умовах керування іучком великого початкового діаметру присвячено цю ди-:ертацію. Головна увага приділялась вивченню впливу іритаманних СПЛ аберацій (сферичних, моментнмх та дина-іічних) на її фокусуючі властивості. При цьому треба іідзначити, що вийти на режим сильнострумової ПЛ в екс-іериментах можливо як За рахунок досягнення великих трумів (до 2 А) при середніх (до Зё кеВ) енергіях пуча, так і за рахунок змеНьшення енергії пучкз (100-500 В) при малих струмах (до 50 мА). В роботі було виксри-тано обидві можливості. За допомогою джерела газових

іонів без магнітного поля з багатоапертурнога іонно-оптичною системою отримано пучок іонів водню з струмом.до

2 А і енергією до 20 кеВ, а за допомогою вакуумно-дуго-вогс джерела з металевими катодами одержано пучки важких іонів(Cu, Mo, Zn С) струмом до 50 мА та енергією 100-500 еВ-

• Мета роботи полягає у визначенні особливостей функціонування сильнострумовоі плазмової лінзи, що керує пучком .великого початкового діаметру, та дослідити вплив притаманних їй статичних та динамічних аберацій на фокусування та керування інтенсивним імпульсно періодичним пучком іонів різних елементів середніх та низьких енергій.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами.

Експерименти, що були виконані при вирішенні дисертаційних завдань, стали природнім продовженням робіт, що виконувалися у відділі Газової електроніки Інституту фізики НАН України до початку 90х років. Дослідження проводилися за відкритими планами фундаментальних досліджень Інституту і представлені, зокрема, в звітах за тамами "Вивчення фізичних процесів, що визначають можливість оптимізації іонних джбрел та іонних пучків, що призначені для приладів КТС та технологічних цілей" (1991-1995 Р-Р-' Державний per.«№01910008605), "Вивчення нелінійних процесів в пучково-плазмових системах та їх вплив на транспортування пучків" (1996-1998 г.г. шифр темы 1.4.1. 13/26) та інших.

Наукова новизна одержаних результатів

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

^ Експериментально'реалізовано та досліджено сильно-струмову плазмову лінзу з широкоапертурним імпульс.

но-періодичким пучком іонів різних елементів та енергій. • .

2 Встановлено, що статичні та динамічні харакіе^/іотики такої плазмової лінзи визначаються також і струмом іонного пучка, до проходить.

3 Показано, що мілкомасштабні турбулентні щуми, що

спостерігаються за відсутності сферичних аберацій, залежать від струму пучка, що проходить, та пов'язані 3 принципово неусувним градієнтом магнітного поля лінзи. 1

4 Вперше теоретично та експериментально показано, що

за відсутності сферичних аберацій, на фокусуючі властивості СПЛ починають впливати моментні аберації, що пов'язані з азимутальною закруткою іонів пучка в магнітному полі лінзи. .

5 _ Продемонстровано, що за допомогою сферичних аберацій

можливо керувати радіальним профілем пучка на мішені .

Експериментально досліджено особливості формування, пучків іонів металів енергією мение 500 еВ та струмом до 50 мА та керування_ними за допомогою СГШ. Наукове та практичне значення одержаних, результатів Наукове та практичне значення одержаних результатів

юлягає в тому, що:

_ Результати, що отримані, поглиблюють розуміння фізичних механізмів, що визначають'* процеси функцісну,-вання СПЛ, а також керування та фокусування інтен-

■ СИЗНИХ іонних пучків різних елементів та енергій великого початкового діаметру.

2 Продемонстровано вплив сферичних аберацій та можливість їх використання для керування радіальним профілем густини струму пучка на мішані.

3 Вперше продемонстровано вплив моментних аберацій на радіальний профіль густини струму пучка в просторі дрейфу за лінзою в умовах відсутності сферичних аберацій .

^ Досліджено можливість керування інтенсивними іонними пучками важких елементів низьких енергій за допомогою СПЛ. •

Особистий внесок здобувача

Весь експериментальній та теоретичний матеріал було одержано в Інституті фізики НАН України під керівництвом доктора фіз.-мат. наук Гончарова O.A. та при практичній допомозі кандидата фіз.-мат. наук Проценко І.M., який також відігравав ключову роль у розробці та налагоджуванні експериментальних пристроїв та методик вимірювань. За цих умов особистим внеском здобувача «є:

Автор брав активну участь в постановці експериментальних завдань, виконував експериментальні вимірювання та обробку отриманих результатів. Брав участь в теоретичних дослідженнях та виконував розрахунки на ЕОМ.

Брав участь у написанні наукових статей та інтерпретації отриманих результатів, конструюванні експериментальних пристроїв та створенні необхідних вимірювальних вузлів, відпрацюванні методик.

Апробація результатів дисертації Матеріали, що використані в дисертації доповідалися іа XV та XVII Міжнародних симпозіумах з розрядів та ілектричній ізоляції у вакуумі (Дармштадт, 1992, ФРН та :<грклі, 1996, США), у та VI Міжнародних конференціях з ;жерел іонів (Пекін, 1993, Китай та Вістлер, 1995, Ка-:ада) , -¡-у Українській конференції з Керованого тєрмоя-

,ерного синтезу та фізиці плазми (Харків, 1995, Украї-а), неодноразово доповідалися на Загальносоюзних семі-арах з фізики та техніки інтенсивних джерел іонів та онних пучків (Київ), а також були опубліковані в нау-ових журналах (іЕЕЕ Transactions on. Plasma Science, sview of Scientific Instrun0n^9' «Физика плазмы»,

ЖТФ»). Крім того, результати дисертації неодноразово вговорювалися на семінарах в Інституті фізики НАН Ук-аїни та в РНЦ "Курчатовський інститут". Результати от-имані з використанням стандартних методик фізики плазів та стандартних промислових вимірювальних приладів. оки постійно відтворюються в екслеріменті та узгоджу-' гься з даними одержаними іншими дослідниками.

Дисертаційна робота містить 152 сторінки, серед них 7 рисунків, список використаних літературних джерел з

2 найменувань та список публікацій автора За темою ди-зртації з 14 найменувань, З яких 7 в реферованих жур-їлах. Робота складається з вступу, огляду, трьох роз-Ілів та заключения.

У вступі стисло викладено актуальність розглянутого ітання в сучасних умовах та загальна характеристика :ієї. роботи і її зміст .

В огляді стисло викладено головні положення плазмооп-

. J

іки в їх історичному розвитку> наведено історію та су-

існий стан досліджень- плазмових лікз.

Зазначено, ідо на кінець 80х років було досліджено

ловні фізичні механізми, ідо визначають роботу ПЛ з

лучками середніх енергій (десятки кеВ) та струмом до і^ОО Визначено, що в цих режимах плазмова лінза пра-

цює як лінза Габора з об'ємним зарядом за значної пере-компексації об'ємного заряду пучка. За цих умов і зокрема, коли радіальний перепад потенціалу пучка менш« зовнішнього керуючого потенціалу, статичні та динамічні характеристики плазмових лінз практично повністю визначаються законами поведінки електронної хмари в магніто-електростатичній пастці зі збереженням принципу еквіпо-те.чціалізації магнітних силових ліній. На початок 90х років було детально досліджено статичні та динамічні характеристики роботи ПЛ в цих умовах та визначені режими роботи з максимальним придушенням колективних процесів в електронній хмарі..Поява та впровадження на початку 90х в практику добре сформованих пучків великого початкового діаметру з значним радіальним перепадом потенціалу дозволила вийти на кзазінейтральний режим роботи ПЛ та перейти на роботу в режимі сильнострумової плазмової лінзи. Вже перші експерименти з СПЛ вказали ка те, що саме в цих умовах чітко виконуються теоретичні положення статичної плазмооптики. Ці ж експерименти продемонстрували, цо в нових умовах виконуються головні положення плазмооптики і, водночас, збільшуються можливості застосування плазмових лінз. Наприклад, за рахунок реалізації розсіювальної лінзи.

Всё це робить актуальним детальне вивчення особливостей керування пучками різних елементів та енергій за допомогою сильнострумової плазмової лінзи.

В першому розділі наведено детальній опис устаткування, на якому виконувалась дисертація. Подано характеристики та пояснено вибір використаних джерел іонних пучків. Викладено особливості одержання низькоенергетичних пучків великого початкового діаметру важких елементів,

Заведено характеристики та конструктивні особливості . -цосліджуваної плазмової лінзи.

Надійність результатів визначається використанням апробованих методик експериментальних досліджень, наприклад, використовувалися ленгмюрівські та ємнісні зонди, пояси Роговського, магнітні стрілки, магнітні зонди для вимірювання магнітного поля разом зі стандартними веберметрами та промисловими вимірювачами магніт--юї індукції типу Ш1-8 та інших стандартних методик ім-іульсної техніки та фізики плазми. Про це ж свідчить гарна відтворювакість результатів від досліду до досліду та узгодженість з результатами інших авторів.

.В другому розділі викладено результати досліджень фокусуючих властивостей сильнострумової плазмової лінзи га впливу на них сферичної та моментної аберацій. Продемонстровано ,. ідо СПЛ мають багато ступенів свободи, що їозволяе Змінювати радіальний профіль електричного потенціалу в широких межах, тим самим змінюючи величину сферичних аберацій до її повного усунення.. Назедено результати вивчення впливу топографії силових ліній маг-іітного поля на формування робочого середовища лінзи з іаданими параметрами, а також впливу різних параметрів іа формування профілю електричного потенціалу в об'ємі :ПЛ. Продемонстровано наявність оптимальної топографії іагнітного поля, яка забезпечує можливість побудови іінзи без сферичної аберації та ндслідки не дотримання ■акої конфігурації. Показано можливість, корування раді-ільним розподілом потенціалу в об'ємі лінзи шляхом змі-и розподілу зовнішнього потенціалу по фіксуючих елект-юдах лінзи, зміни їх форми та кількості за умов опти-¡ального магнітного поля та фіксованій силі струму пуча. Отримані результати даготь підстави зробити висновок ро можливість встановлення параболічного розподілу ло-енціалу для Фіксованих параметрів іонного пучка пи:

добору розподілу зовнішнього керуючого потенціалу ГІО електродах.

Крім того, наведено результати, що дозволяють зробите висновок про суттєвий вплив сили струму пучка, що проходить лінзу, на іі статичні характеристики. Вплив сили струму на радіальний та об'ємний розподіл потенціалу в лінзі недвозначно говорить про можливість керувати ним силою струму пучка.

Наведені результати говорять не тільки про можливість усунення сферичної аберації, але й про можливість 11 використання для одержання потрібних профілів густини струму пучка ка мішені. Як помітно з одержаних даних, наявність сферичних аберацій помітно "розмиває" фокус, а отже, суттєвий їх вплив ца якість фокусування пучків великого початкового діаметру є особливістю роботи СПЛ

з такими пучками.

Використовуючи диферєнційне рівняння ..отримане вперше в роботі Гончарова O.A. та співавторів (Goncharov А А., Zatuagan A.V., Protsenko I.М. Focusing and Control of Multiaperture Ion Beams by Plasma lens// IEEE Trans, on Plasma Sc.-1993.-21.-N5-p. 578-581)' що пов'язує профіль пучка на вході в тонку лінзу з радіальним розподілом потенціалу в лінзі та однорідним радіальним розподілом густини струму на заданій-відстані z від лінзі за нею, теоретично показано, що можливо отримувати однорідні профілі густини струму пучка в наперед визначеному перерізі вісі 2• Це Дає змогу аналітичними методами визначати необхідні радіальні розподіли потенціалу в лінзі. ’

Друга частина розділу присвячена результатам дослідження впливу моментної аберації СПЛ на пучки, що фокусуються. Продемонстровано, що після проходження фокусуючого поля СІ1Л, що не має сферичної аберації, пучки важких іонів набувають характерний східчастий радіаль-

ний профіль. Одержані дані дозволяють однозначно співставити східчастість профілю пучка з його Зарядовим складом. Відсутність сферичної аберації демонструє відсутність змін профілю густини струму пучка однозарядних хонів вуглецю. Розраховано вираз для мінімально можливих радіусів іонного пучка в залежності від кратності заряду іонів. Показано, що найпомітніше моментна аберація впливає на радіальний розподіл густини струму пучка великого діаметру в фокальній площині лінзи. Ця особливість роботи СПЛ з пучками дає змогу використовувати її для аналізу зарядового складу пучка або навіть розділення пучка на зарядові складові.

Таким чином, всі наведені результати дозволяють стверджувати, що СПЛ є ефективним пристроєм керування інтенсивними іонними потоками великоі'о діаметру. Отримані результати узгоджуються з даними отриманими раніше та розповсюджують попередні уявлення на випадок сильно-струмовиїс добра сформованих пучків великого діаметру. Адекватне реагування потенціалу в об'ємі лінзи на розподіл зовнішнього потенціалу по електродах лінзи та їх геометрію переконливо свідчить про дотримання принципу еквіпотенціалізації в досліджуваних умовах. В той же час, суттєвою особливістю є чутливість статичних характеристик лінзи до сили струму пучка, що проходить, та необхідність ретельного дотримання певної топографії магнітного поля. Важливою є необхідність враховувати вплив моментної аберації та можливість використання статичних аберацій для керування радіальним профілем пучка на мішені. ^

До третього розділу було зібрано результати дослідження динамічних аберацій СПЛ. Показано, що за відсутності сферичної аберації в об'ємі СПЛ присутні мілко-масштабні коливання нерегулярного характеру високої частоти. Наведені криві ілюструють поведінку цих коли-

вань в залежності від параметрів лінзи, характер їх локалізації в'об'ємі лінзи та порогові Залежності їх виникнення . ■ -

Отримані результати демонструють жорсткий зв'язок спостерігаємих коливань з силою струму пучка, до проходить , а також гарну відповідність експериментально одержаних результатів з теоретичними висновками з запропонованого механізму їх виникнення. Шуми можуть бути пояснені збудженням дрібнохвильових електронних коливань через притаманний аксиальній компоненті Н-поля лінзи принципово неусувний радіальний градієнт в напрямку фокусування пучка. _

З гідродинамічного розгляду стійкості лінійних коливань плазмового середовища, що обумовлені просторовою неоднорідністю Н-поля, одержано дисперсійне рівняння малих коливань такої системи та виконано чисельний аналіз його-розз'язків . <■

Отже, наведені результати дозволяють зробити висно-. вок, що ці коливання не,впливають•на якість іонного пучка. Вони збурюють плазмове середовище лінзи і тим роблять внесок в викривлення потенціального рельєфу в її об'ємі та збільшують електронні втрати на електроди лінзи. Одержані інтегральні залежності поведінки амплітуди коливань від параметрів лінзи добре узгоджуються з висновками Запропонованого механізму їх виникнення. .

В висновках викладено головні результати досліджень фокусуючих властивостей сильнострумової плазмової лінзи та впливу на них аберацій за умов керування інтенсивними іонними пучками різних елементів малої та середньої енергії великого діаметру.

Таким чином, під час виконання дисертаційної роботи були отримані■наступні результати.

Експериментально реалізована та досліджена сильно-струмова плазмова лінза, що керує пучком іонів різних

13 .

елементів низької та середньої енергії великого початкового діаметру. Продемонстровано, що вона е ефективним інструментом керування такими інтенсивними пучками і має деякі особливості порівняно з режимами вивченими раніше. Так, фокусуючі властивості СПЛ визначаються також і струмом фокусуємого пучка. і

Експериментально та теоретично розглянуто вплив на фокусування пучка притаманних лінзам аберацій. Продемонстровано можливість побудови СПЛ без сферичної аберації і показана можливість керування радіальним профілем пучка на мішені шляхом внесення керованої сферичної аберації. Наведено аналітичну формулу, що дозволяє розрахувати профіль потенціалу з тонкій СПЛ необхідний для отримання однорідного профілю густини струму пучка на мішені в заданому перерізі вісі %

Для позбавленої сферичної аберації лінзи, експериментально та теоретично розглянуто вплив на якість фокусування пучка моментної аберації. Запропонована формула розрахунку мінімального рддіусу фокусуємого пучка З . ■-

врахуванням моментних аберацій та запропоновано варіант їх використання.

Експериментально та теоретично розглянуто присутні в СПЛ за (відсутності сферичної аберації дрібномасштабні турбулентні шуми. Показано,- що втрати електронного струму на електроди лінзи обмежують межу електричного поля, що може бути встановлено, та пов'язані з принципово неусувним градієнтом магнітного поля. Коливання мають близьку до порогової залежність їх виникнення від струму пучка та можуть бути використані для діагностики розподілу електричного поля в лінзі. Вони не мйють помітного впливу на загсільні характеристики пучка а лиш© зменшують ефективність дії СПЛ.

Все вище згадане дозволяє стверджувати доцільність використання сильнострумових плазмових лінз для фокусу-

вання та керування інтенсивними іонними пучками різних елементів низьких та середніх енергій великого діаметру . ■

На Захист винесено наступні положення:

X_ Сферичні аберації СПЛ мають значний вплив на радіальний профіль жирокоапертурних добре сформованих інтенсивних іонних пучків. Зміною конфігурації силових ліній магнітного поля, кількості фіксуючих електродів та розподілу на них зовнішнього потенціалу, можна керувати радіальним профілем електричного потенціалу в об'ємі лінзи та робити його позбавленим сферичної аберації . . •

2 _ Сферичну аберацію можна використовувати для керу- ■

вання профілем густини струму фокусуємого пучка на мішені без втрат частини його полного струму. Змінюючи характер аберацій можливо отримувати потрібний профіль густини струму пучка на мішені в заданому перетині за с лінзою та, зокрема, робити його однорідним. ‘

3 _ Статичні характеристики сильнострумової плазмової

лінзи визначаються й силою струму іонного пучка, що фокусується. ' ,

4 _ Характерною особливістю СПЛ є вплив на іі фокусуючі властивості аберацій більш високого ступеня, зокрема, моментних. Вони проявляються найбільш чітко за відсутності сферичної аберації та можуть, зокрема, призводити до перерозподілу Зарядів у пучку.

Поява динамічних аберацій в СПЛ за відсутності сферичної аберації визначається струмом пучка, що проходить , та призводить до зниження ефективності фокусування не впливаючи помітно на характеристики самого пучка в фокусі.

15 .

★СПИСОК НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Goncharov A.A., Dobrovolsky A.N., Zatuagan A.V., Protsenko I.M. High-current plasma lens // IEEE Trans, on Plasma Science-1993-21^ №5-pp. 573-577.

2 . Goncharov A.A., Dobrovolsky A.N., Kotsarenko A.N. and

Protsenko I.M. High-current plasma lens and focusing of intense ion beams // Rev. Sci. Instrum.-1994-£5,№4-pp.l-3.

3 Гончаров А.А., Добровольский A.H., Коцарекко A.H., Морозов А.И., Проценко И.М. Статические и динамические свойства сильноточной плазменной линзы // Физика плазмы-1994~20/ №5, С. 4 99-505

4. A.A.Goncharov, A.N.Dobrovolsky, I.V.Litovko, I.M.Protsenko and V.F.Zadorodzny "High-current plasma lens: new results and applications"//Rev.Sci. Inst, vol.67, no3, March, 1996, pp. 1155-1157. . '

5 . A.A.Goncharov, I.M.Protsenko and A.N.Dobrovolsky "Characteristics of low-energy intense ion beam

Г. - •

formation and transport" Rev. Sci. Inst..vol.67, no3 March, 1996, pp. 1073-1075 .

g Гончаров A.A., Доброзольский A.H., Задорожный В.Ф. О трансформации радиального профиля интенсивного ионного пучха плазменной линзой//ЖТФ, 57 №8, 1997,

стр. 97-99. " .

7 . А.N.Dobrovolsky,. А-А.Goncharov, I.V.Litovko,

I.М. Protsenko , V.F.Zadorodzny Role of aberrations in High-current plasma lenses// IEEE Trans. on Plasma Sciertce-1997 -25' »4-pp. 709_713-

8. Goncharov A.A., Dobrovolsky A.N., Zatuagan A.V. ,

Protsenko’ I.M. High-current plasma lens // XV^

Intern. Sumpos-ium on Disharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV). Darmstadt, Germany-

1992, September-pp. 698-702. .

g Гончаров A.A., Добровольский A.H., Затяган A.B.,' Морозов A.И., Проценко И.M. Исследование сильноточной плазменной линзы // Препринт ИФ АН Украины, Киев-1992, №2- 25 стр.

10.Goncharov A.A., Dobrovolsky A.N., Kotsarenko A.N.,

Protsenko I.M. High-current plasma lens and focusing

of intense ion beams // 5^^ Intern. Confer, on Ion

Sources. Beijing, China-31.08-4.08, 1993-p.83.

11.A.A.Goncharov, I,M. Protsenko, A.N.Dobrovolsky "The peculiarities of low-energy intense ion beams

' formation and transport"// ICIS'95, Book of

abstracts, Whistler, Canada-1995, September 10-16, p 104 .

12.A.A.Goncharov, A.N.Dobrovolsky, I.V.Litovko, ■

I .M. Protsenko, V..F. Zadorodzny "High-current plasma lens: new results and applications"// ICIS'95, Book cf abstracts, Whistler, Canada-1995, September 10-16 p. 127.

13 Гончаров A.A., Добровольский A.H., Затяган A.B., Проценко И.M. Исследование процессов в сильноточной плазменной линзе // IX Симпозиум по сильноточной эле ктронике. Россйя-Тез. докл.-21-30.07., 1992-С. 97-98

14.А.N.Dobrovolsky,. A.A.Goncharov, I.V.Litovko,

I.М.Protsenko , V.F.Zadorodzny High-current plasma lens: role of aberrations. Proceedings the XVII-th ISDEIV, Berkeley, California, July 21-2-6, 1996, p. 570-573.

Анотація

Добровольськпй A.M. "Аберації' в сильнострумовін плазмовій лінзі’- -рукопис.

Дисертація на здобуття наукового сту пеня кандидата фізико-математнчних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. - Інститут фізики НАН України, Київ, 1999. '

Дисертацію присвячено дослідженню ефективності управління іонними пучками різних елементів великого початкового діаметру низької та середньої енергій за допомогою сильнострумової плазмової лінзи та впливу на якість фокусування пучка притаманних такій лінзі аберацій. В роботі показано від яких параметрів та як залежить фокусуюча дія такої лінзи. Продемонстровано залежність статичних характеристик лінзи від конфігурації силових ліній магнітного поля, розподілу зовнішнього потенціалу по електродах та їх кількості й сили струму пучка, що фокусується. Показана можливість використання сферичної аберації для управління профілем густини струму пучка на мішені в заданому перерізі вісі Z. Запропонована формула розрахунку радіального профілю потенціалу в тонкій плазмовій лінзі необхідного для одержання однорідного на мішені профілю густини струму пучка. Експериментально показана можливість побудови плазмової лінзи позбавленої сферичної аберації та досліджена дія моментної аберації. Показано вплив моментної аберації на.фокусування пучка великого початкового діаметру за відсутності сферичної аберації та можливий спосіб її використання. Запропонована формула розрахуй-ку мінімального радіусі пучка з урахуванням дії моментної аберації. Досліджено виникаючі в позбавленій сферичної аберації лінзі дрібномасштабні коливання нерегулярного характеру. Вивчено інтегральні характеристики такої динамічної аберації та показано, що вони добре узгоджуються з висновками з запропонованої теорії їх виникнення. 4 '

Ключові слова: сильнострумода плазмова лінза, пучки іонів різних елементів, пучок низької енергії, пучок середньої енергії, пучок великого початкового діаметру, сферична аберація, моментна аберація, динамічна аберація.

Добровольский А.Н. «Аберрации в сильноточной плазменной линзе» -рукопись. •

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 - физическая электроника. - Институт физики ИАН Украины, Киев, 1999.

Диссертация посвящена изучению эффективности управления широкоапертурным пучками ионов разных элементов низких и средних энергии с помощью сильноточной плазменной линзы и влияния на качество фокусировки пучка присущих такой лише аберраций. В работе экспериментально реализована и исследована сильноточная плазменная линза с широкоапертурным импульсно-периодическим пучком ионов разных элементов и энергий. Экспериментально исследованы особенности формирования пучков ионов металла с энергиями меньше 500 эВ и токами до 50 мА и управления ими с помощью сильноточной плазменной линзы. В результате исследований установлено, что статические и динамические характеристики такой плазменной линзы в существенной степени зависят от тока проходящего ионного пучка. Продемонстрирована зависимость статических характеристик линзы от конфигурации силовых линий магнитного поля, распределения внешнего потенциала по электродам >!■ их количества, а также силы тока проходящего пучка. Показана возможность использования сферической аберрации для управления профи- с лем плотности тока пучка на мишени в заданном сечении оси 1Предложена формула расчета радиального профиля потенциала в тонкой плазменной линзе необходимого для получения однородного на мишени профиля плотности тока пучка. Экспериментально показана возможности создания плазменной линзы без сферической аберрации и исследовано влияние моментной аберрации связанной с азимутальной закруткой ионов пучка в магнитном поле линзы. Показано как влияет на фокусировку широкоапертурного ионного пучка в отсутствии сферической аберрации моментная аберрация и продемонстрирована возможность ее использований. Предложена формула расчета минимального радиуса пучка с учетом моментной аберрации. Изучены появляющиеся в отсутствии сферической аберрации мелкомасштабные колебания нерегулярного характера. Исследованы интегральные характеристики этой динамической аберрации, и показано, что экспериментальные результаты хорошо согласуются с выводами вытекающими из предложенного механизма их раскачки. .

Таким образом, результаты, полученные в исследованиях, углубляют понимание физических механизмов, определяющих пропессы функционирования СПЛ. а так же управления и фокусировки интенсивных широкоапертурных ионных пучков разных элементов и энергий, демонстрируют влияние сферических аберрации и возможности их использования для управления радиальным профилем плотности тока пучка на мишени и возможность управлять плазменной линзой интенсивными пучками тяжелых элементов низких энергии. В роботе впервые продемонстрировано влияние моменгных аберраций на радиальный профиль плотности тока пучка в пространстве дрейфа за линзой в условиях'Отсутствия сферических аберраций.

На защиту вынесены следующие положения:

1. Сферические аберрации СПЛ оказывают значительное влияние на радиальный профиль фокусируемых широкоаиертурныхслаборасходхщнхся интенсивных ионных пучков. Меняя конфигурацию силовых линий магнитного поля, количество фиксирующих электродов и распределение на них внешнего потенциала, можно управлять радиальным профилем электрического потенциала в объеме линзы 1!, в частности, делать его параболическим, лишенным сферической аберрации.

2’. Сферические аберрации можно использовать для управления профилем плотности тока фокусируемого пучка на мишени без потери части его полного тока, меняя характер аберраций возможно получать необходимый профиль пучка в заданном сечении за линзой и, в частности, делать его однородным . ¡и мишени. • ' .

3. Статические характеристики сильноточной плазменной линзы в значительной степени определяются силон тока проходящего ионного пучка.

Характерной особенностью СПЛ является влияние на ее фокусирующие характеристики аберраций-более высокого порядка, в частности, моменгных аберраций. Они проявляются особенно четко в отсутствие сферической абер-эации и, в частности, могут приводить к разделению зарядов в пучке.

5. Появление динамических аберраций в СПЛ в отсутствие сферических (берраций определяется током проходящего пучка и приводит к снижению (ффективности фокусировки не оказывая заметного воздействия на характе-жстикн самого пучка в фокусу.

ключевые слова: сильноточная плазменная линза, пучки ионов разных элементов, пучок низкой энергии, лучок средней энергии, широкоапертурный ■ 1учок, сферическая аберрация, моментная аберрация, динамическая юеррация.

Summary

Dobrovol Vkii A.M. The Aberrations in the High-Current Plasma Lens.*

Manuscript. .

Thesis is for the candidate of physico-mathematicai sciences degree by speciality

Oi .04.04 - physical electronics.- The Institute of physics of the National Academy

of Science of Ukraine, Kyiv, 1999.

The dissertation is devoted to investigation of efficiency manipulating of

wide aperture intense ion beam of different elements of low and middle energy by

high current plasma lens and effect of lens’s aberrations on focus quality. In the

thesis is shown what from parameters and as the focusing ability of such lens

depends. It is shown, dependence of the lens static characteristics on a

configuration of a magnetic field power lines, allocation of an external potential on

clectrodes and their -amount, and also force of a passing ion beam current. The

possibility of using of a spherical aberration for handle of the profile of a ion

current density on the target in a specific place of an axes Z is shown. The formula

of'account of the radial profile of a potential in a thin plasma lens necessary for

obtaining the homogeneous current density profile of ion. beam on the target isc

offered Possibility of a construction of a plasma lens without a spherical aberration

experimentally is shown and the influence of a momentum aberration is

investigated. Is shown as the momentum aberration effect on a wide aperture beam w 8

focusing in without the spherical aberration plasma lens -aid one uses possibility. The formula of account of a beam minimum radius with allowance for momentum aberration is offered. The small-scale oscillations that appearing in absence the spherical aberrations, of an irregular character, the integrated characteristics such dynamical aberration are investigated,-and is shown, that the experimental results wi.'l be well agreed the outputs of the offered theory of their origin.

Key words: high current plasma lens, ion beam of different elements, wide aperture ion beam, low energy ion beam, middle energy ion beam, intense ion beam, spherical abemtion, momentum aberration, dynamical aberration. .

Добровольський Андрій Миколайович

АБЕРАЦІЇ В СИЛЬНОСТРУМОВІЙ ПЛАЗМОВІЙ ЛІНЗІ

(Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-матемзтичних наук)

Підп. до друку 0(. 1-1.99. Формат паперу 60x84/16. Офсетний друк. Ум. друк. арк. 1,1. Обл. вид. арк. 0,85. Тираж 100 прим. Замовлення № 40. Безкоштовно.

03650 МСП, 03039, Інституту фізики НЛН України, ВИТІ, Киїа-22, проспект Науки, 46