Исследование процессов генерации отрицательных ионов водорода в разряде с кольцом горячих электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГ6 О

2 1 г.1 ^ №

ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

На правах рукописи

САНТОС МА ТОРГА РАМИРО

уда 621.3:038.612

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ'ГЕНЕРАЦИИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ . ВОДОРОДА В РАЗРЯДЕ С КОЛЬЦОМ ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНОВ

(01.04.03 - радиофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Москва - 1994

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Российского Университета дружбы народов

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук, доцент В.Д.Дугар-2аСон

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук И.А.Коссый, кандидат физико-математических наук Г.Л.Хораеанов

Ведущая организация -

Лаборатория ядерных реакций СМИ (г.Дубна)

Защита диссертаций состоится "25." <¿/^ртС/^-1994 г. в час. ¿2/2. мин- 113 заседании специализированного совета

K053.22.0I в Российском Университете дружбы народов по адресу: I17302, г. Москва, ул. Орджоникидзе, 3, зал N I.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского Университета дружбы народов по адресу: 117198, г.Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6.

Автореферат разослан "

г

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук,

доцент Ю.И.Запарованный

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность теш. Несмотря на то, что разряды низкого давления, удерживаемые в зеркальных магнитных ловушках и нагреваемые в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), нашли широкое применение в технике источников высоких заряд-ностей и во многих технологических процессах, например, ионной имплантации, формирования алмазных и алмазоподобвых покрытий, пленок аморфного кремния и т.д., физика ЗЯР-разрядов, особенно в сильно неоднородных полях, остается слабо изученной. Важность исследования процессов и особенностей, имеющих место в ЭЦР-разрядах, обусловлена не только чисто познавательными соображениями, зачастую имеющими принципиальное значение, но также и требованиями практики современных технологий.

Задача изучения ЗЦР-плазмы, будучи нетривиальной как с теоретической, так и экспериментальной точек зрения, значительно усложнена в сильно неоднородных полях, которые являются причиной дополнительных нелинейных эффектов.

Одним из практических применений ЭЦР-плазмы является ее использование для получения пучков отрицательных ионов, что дает по сравнению с традиционными методами, использующие нагреваемые электроды, такие преимущества как высокая газовая эффективность, низкая стоимость ионов., стабильность параметров пучков, неограниченный срок непрерывного действия.

Находясь фактически на начальной стадии развития и использования, ЭЦР-разряды имеют широкие перспективы и возможность для их применения в различных научных и технологических разработ-ботках.

Цель работы. Целью диссертационной работы является последовательное экспериментальное исследование плазмы ЭЦР-разряда в зеркальной магнитной ловушке, начатое в лаборатории физики плазмы УДН два десятилетия тому назад, нахождение параметров и характерных особенностей плазмы в условиях одновременного нагрева на четырех гармониках циклотронной частоты, нахождение условий генерации отрицательных ионов и выяснение механизма их образования.

Разработка методики регистрации рентгеновских квантов и восстановление • функции распределения электронов по энергиям позволяет иметь более обоснованное представление об .особенностях ЭЦР- нагрева. . ,

Научная новизна. На защиту выносятся следующие основные положения', определяющие научную новизну полученных в диссертационной работе результатов. , .....

1.'Впервые проведено последовательное исследование свойств ЭЦР:-разряда в короткой зеркальной ловушке с сильно неоднородным магнитным полем как в продольном, так и поперечном направлениях.' ... ...

2. Показано и дано объяснение существованию разряда в трех отличающихся состояниях." ^

3. Обнаружена многослойная пространственная структура разряда, обязанная резонансам на гармониках циклотронной частоты. Зарегистрировано дрейфовое движение кольцевых зон нагрева.

' 4.'Показано, что существующие теории ЭЦР- взаимодействия в зеркальных ловушках не дают удовлетворительного объяснения наблюдаемому ускорению электронов до аномально высоких энергий.

5. Разработана методика восстановления функций распределения энергетичшх электронов пб'спектру тормозного излучения.

6. Найдены условия эффективной генерации отрицательных ионов в плазме с кольцом горячих электронов.

7. Построена расчетная модель образования отрицательных ионов водорода по • каналу колебательного возбуждения молекул в разрядном объеме и прилипательной диссоциации молекул в слое электронов вторичной эмиссии на поверхности первого электрода системы экстракции.

Научная и практическая ценность. Результаты диссертационной работы мбгут использоваться как для дальнейших теоретических и экспериментальных исследований по физике ЭЦР-взаимодействия электромагнитных нолей с плазмой, теории и практики получения пучков отрицательных ионов водорода, так и для практического применения в таких областях науки и техники как ускорительная техника, Ose - спектроскоия и в программе ИТЗР.

Апробация работа. Материалы, изложенные з диссертации, были представлены на XVII Научной Конференции факультета физико-математических и естественных наук УДЯ (1991г.), XXй Международной конференции по явлениям в ионизированных газах, 1Э91г, Пиза, Италия, IV Международной конференции по ионным источникам, 1991 г., Бенсхейм, Германия, Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитного излучения с веществом, 1Э91г, Душанбе.

Публикация. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в пяти работах, список которых приведен в конце автореферата .

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, четырех глав осповоного токста, заключения и списка литературы. Диссертация содержит ^^ страниц машинописного текста, рисунков, библиография ///наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении содерзкится краткий оозор описанных в литературе способов образования устойчивых ионов с избыточным электроном на внешней оболочке, включая процессы трансформации положительно заряженных ионов в отрицательные ионы. Дана сводка эффективности различных каналов образования ионов Н~. Рассматриваются источники,'использующие явление ЭЦР для получения пучков ионов Н~. Обсуждается актуальность изучаемой проблемы, формулируется цель и основные задачи диссертации, а также дает ся структура диссертационной работы.

В первой главе, состоящей из двух разделов, представлено полное описание конструкции экспериментальной установки, пред назначенной для изучения условий образования отрицательных ионов водорода. Установка, названная ГЕЛИ0С-2Н, состоит из вакуумной системы, магнитного блока, системы формирования и ре гистрации ионного пучка, системы защиты от жесткого рентгеновского излучения. Принципиальная схема установки дана ка рис.1. Основным элементом установки является цилиндрическая разрядная камера диаметром 130 мм и длиной 80 мм, которая одновременно представляет собой одномодовый ТЕ1П резонатор, запиты -

3

рис.1. Пркнцяпиалная схема установки МИОС-гй,

ваемый от магнетронного генератора мощностью 215 Вт на частоте 2,45 ГГц. Магнитное поле зеркальной конфигурации формировалось дисковыми магнитами с индукцией на поверхности 3,4 кГс. Картина линий равного поля дана на рис,.2, откуда видно, что внутри разрядной камеры резонанс осуществлялся не только на основной циклотронной частоте ш (r,z) - е»в (r,z)/mo = и (где и - частота микроволны), но и на гармониках, которые образуют резонансные поверхности в (r,z) = в /п, где п = 2,3,4. Дан расчет предельного вакуума в разрядной камере и обоснован выбор материала, из которого была изготовлена камера. Вытяжка иоков и фокусировка производилась двухэлектродной системой экстракции и трехэлектродной электростатической линзой.

Представлено описание и обоснование методов диагностки плазмы, а также методика оценки времени жизни частиц в разрядном объеме.

Вторая глава, составленная из двух параграфов, посвящена методике регистрации рентгеновских квантов и выводу интегрального уравнения Фредгольма первого ряда, которое позволяет при помо!Щ1"Метода'р9гуляризац5С8"А-.-Н.Тихонова"во'сстанавливатБ' функцию распределения по энергиям горячих электронов.

В третей главе даются экспериментальные результаты, касающиеся параметров и структуры ЭЦР-разряда, и их обсуждение. Показано, что в неоднородном магнитном поле разряд существует в трех, сильно отличающихся по своим свойствам, состояниях, причем такое разделение наиболее ярко проявлется при изменении давления если микроволновая мощность, поступающая в плазму, превышает 150 Вт, как следует из рис.3. Наиболее интересным с позиции получения отрицательных ионов является промежуточный М-режим разряда, в котором электроны резонансно ускоряются до энергий порядка 100-400 кэВ, а разряд сохраняет устойчивость. Показано, что эффективная перекачка энергии от электромагнитного поля электронам имеет место в узких кольцевых зонах в окрестностях линии пересечения резонансных поверхностей с медианной поверхностью ловушки, что согласуется с известной теорией ЗЦР-взаимодайствия в магнитных ловушках. Однако ускорение электронов до аномально высоких энергии не укладывается ни в одну из существующих релятивистких теорий ЭЦР-нагрева. Показа-

5

Х-КАХ ТШКСОРК

! РИСНАВСЕ СНАМШ (ТЕ^ ,-СШТУ)

о = Ю /4 ШЕ

\ \ I' ' . ✓

|

! I М .(

щсшше РОМ = и /5 ыш:

ч = ы /г 1,1?ге

и - ы 11МЕ

0.2 ¡.2 2.2

ВКСНАЙСВ -СНАМВЕВ: ЕТЛМЪТЕК - 13 от ЦЖШ - а от

БшСо''МАСЫт: В1АМ£т'- 5.5 СП в5иг*асе = кС МЮйрИАУЕ: РКВ}!Ш0У - £.45 СНг

ромен - гоо и

рис..2 Карбида линий равного магнитного поля

б

рис. 3; Иллюстация к определению состояний плазмы (Р = 150 Вт).

Зависимости:' а - плотности'плазмы; б - температуры холодных электронов-; в - интенсивности рентгеновского излучения; г ^ интенсивности плазменных шумов. (t"=DjE = О) - медианная плоскость разрядной камеры

но, что возникающие кольцевые зоны, в которых происходит интенсивный нагрев электронов, ответственны за устойчивость плазмы в М- и Т- режимах разряда. Даны оценки времени жизни частиц и энергетическое.время шзяи.

В четвертой главе изучаются условия и обосновывается механизм генерации отрицательных ионов водорода. Показано, что для получения интенсивных пучков ионов Н~ необходимо выполегоге двух условий: во-первых, ЭЦР-разряд должен находится в М-сос-тоянии с четко выраженной кольцевой структурой и температурой холодных электронов 50-60 эВ. 'Во-вторых, внешнее кольцо, соответствующее резонансу ю д(г,г) = и/4, должно касаться поверхности первого электрода системы вытяжки, захватывая и отверстие экстракции.

Совокупность экспериментальных результатов, связанных с зависимостью тока отрицательных ионов Н~ от параметров плазмы, расположения внешнего кольца по отношению к поверхности первого электрода вытяжки, и оценки скорости образования ионов ЬГ в объеме-разрядной'камеры привели к выводу,-что генерация ионов Н~ обязана колебательному возбуждению молекул водорода до уровней V ^ 6 в объеме плазмы при оптимальных для этого электронных температурах и их пршшпательной диссоциации при соударениях с низкоэнергетичными электронами вторичной эмиссии вблизи поверхности первого электрода системы вытяжки. Поверхностный слой электронов вторичной эмиссии образуется благодаря бомбардировке первого электрода системы экстракции горячими электронами внешнего кольца и изолирующим свойствам магнитного поля ловушки, направленного вдоль поверхности этого электрода.

Реакция образования Н~ протекает в два этапа: а) Колебательное возбуждение Н^ с промежуточным электронным возбуждением н*

с

в + н (х12ч, г>=о,1)------е- + н*(в'2+,г>'; С1П ,г» )

2 к г и' ' и

1МХ12+, V '»1) + т> (1) £ в

Я^Х^У; С1П .V)

2 и* и

б)и последующей прилипательной диссоциацией в приповерхностном слое

Н2(Х12^, г'1'=6-14) + ев ------т Н~ - Н + Н. (2)

Оценка скорости генерации ионов Н~ производится с помощью уравнения баланса

с1п (II- 4

2 {п„.п(Нг(у)).7а.ота(^)} (3)

где п(Н2(г>)) - плотность молекул в колебательном состоянии г>, орг) - сечение реакции' прилипательной диссоциации, -скорость вторичных элктронов в слое. Плотность п находится из выражения

п§ = 0,5-^. (4)

где 711йп}1- средняя скорость и плотность горячих электронов во внешнем кольце, б - коэффициент вторичной эмиссии, т;ь и рь - ларморовские период и радиус вторичных электронов, а плотность колебательно возбужденных в разряде молекул п(Н2(V)) из соотношения '•'•■•

п(Н2(г>) )■ =пт'Пс«<аг,(и)»уо>-7|'К'У~1 ' (5)

где пт - плотность невозбужденных молекул, <>с«о(у)> -усредненное по энергиям холодных электронов сечение колебательного возбуждения по :схеме (1), й - линейный размер камеры, т) - количество соударений молекул со стенками камеры без потери колебательной энергии.

Получено достаточно хорошее согласие между экспериментальными данными и результатами расчетов (до 30%). Найдено, что при напряжении экстракции 4,5 кВ ток через апертуру диаметром 4 мм достигает 800 мкА, что соответствует плотности тока 6,8 тА/см2.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ.

1. ЭЦР-разряд низкого давления в сильно неоднородном магнитном поле зеркальной конфигурации- с зонами резонанса на основной и трех последующих гармониках циклотронной частоты обладает сложной структурой с кольцеобразными слоями, находящимися в азимутальном дрейфовом движении.

2. Область зффективного нагрева электронов не захватывает полностью резонансные поверхности wcn(r,z) = u/n, (где n = I, 2,3, 4), а сссредаточена в узких зонах вблизи пересечения этих поверхностей с поверхностью минимума магнитного поля на силовых линиях, что согласуется с теорией ЭЦР-взаимодействия. Однако существующие релятивисткие теории ЭЦР -нагрева в зеркальных ловушках не дают удовлетворительного количественного согласия с экспериментально наблюдаемым ускорением электронов до аномально высоких энергий.

3. В зависимости от давления рабочего газа и микроволновой мощности ЭЦР-разряд может находится в трех состояних с резко различающимися свойствами. Интенсивная генерация отрицательных ионовводорода наблюдается лишь в М-состоянии.

4. Генерация отрицательных ионов происходит путем сильного колебательного возбуждения (до уровней v ? 6) водородных молекул с последующей их прилипательной диссоциацией в слое вторичных электронов в окрестности отверстия вытяжки первого электрода системы экстракции. Слой пизкоэнергвтичных'- электронов формируется благодаря бомбардировке горячими электронами внешнего кольца поверхности электрода вытяжки и эффекту магнитной изоляции вторичных электронов полем ловушки.

Ь. Предложена модель, позволяющая рассчитывать токи отрицательных ионов водорода, пригодная как для чисто объемного, так идля объемно-поверхностного способа создания ионов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

I. Дугар-Жабон В.Д., Резников Д.В., Сантос Майорга P. ECR heating efficiency on the resonance surface in a magnetic mirror trap. //Proceedings of the XX Int. Coni. on Phenom. in Ionised Gases, Pisa, July. 1-991.- N 5.- P.1061-1066. 10

2. Дугар-Жабон В.Д., Резников Д.В., Сантос Майорга P. Negative Hydrogen Ions ECR Source. //Proceedings of the 4th Int. Conf. on Ion Sources (Abstracts), Bensheim, Gemany, Sept.1991.- P.41.

3. Дугар-Жабон В.Д., Резников Д.В., Сантос Майорга Р. Об эффективности ЭЦР-нагрева в короткой зеркальной ловушке. // Тезисы

Докл. vi Конф. по взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой.-Изд.ТРУ.- Душанбе, 1991.- С. 87.

4. Дугар-Жабон В.Д., Резников Д.В., Сантос Майорга P. Negative Hydrogen Ions ВСЯ Source. // Rev. Sci. Instrum.- 63(4).-1992 P. 2529-2531.

5. Дугар-Жабон В.Д., Резников Д.В., Сантос Майорга Р. Об объемно поверхностном механизме генерации отрицательных ионов водорода в плазме с горячими электронами. // Вестник РУДН.-No I.- 1993.- С.91-96.

R. Santos Mayorga.

Investigation of negative hydrogen ion generation in a discharge with hot electron ring.

ABSTRACT

The hydrogen discharge in a short magnetic mirror trap was studied. The complicated struoture of plasma consisted of four narrow ring layers of hot electrons was found. The production of negative hydrogen ions was demonstrated to take place at M-regime of discharge and at the conditions of bombardment of the firBt electrode surface by hot electrons of outer ring. Measurement showed that the way in which the negative ions are produced is by capture of low energy electrons of the secondary emission by vibrationally exoited in plasma volume molecules. A method for determination of hot electron distribution function from experimentally measured X-ray bremsstrahlung spectrum was proposed.