Оптимизационные исследования ионного источникаи сканирующей системы ядерного микрозонда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

СУМСЬКИМ ДЕРЖАВНИИ УНІВЕРСИТЕТ

5 од

На правах рукопису

МОРДИК СЕРГІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

ОПТИМІЗАЦІЙНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ІОННОГО ДЖЕРЕЛА ТА СКАНУЮЧОЇ СИСТЕМИ ЯДЕРНОГО МІКРОЗОНДУ

пеціальність 01.04.04 - фізична електроніка • 01.04.01 - фізика приладів,

елементів і систем

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

7

АВТОРЕФЕРАТ

Суми - 199'/

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті прикладної фізики Національної Академії наук України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних науі-

Лебідь Сер.гій Олексійович Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

Провідна організація: НТЦ Харківський фізико-техніч-

ний інститут

о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К22.01.01 при Сумському Державному університеті за адресою: 2440СР, м.Суми, зул. Римського-

3 дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Сумського державного університету. '

Автореферат розісланий " // "р.

професор Куліш Володимир Васильович кандидат фізико-математичних наук, професор Муратов Володимир Іванович

Захист дисертації відбудеться "2,X”ю/ьгъё/с.я, 1997 р.

Корсакова, 2, ауд. 216 корп. ЕТ.

Вчений секретар спеціалізованої рченої ради кандидат фізико-математичш к

доцент

Опанасюк А.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми даної роботи зобумовлюється тим,- шс скануючий ядерний мікрозонд (ЯМЗ)( завдяки поєднанню високої просторової роздільної здатності (50 нм - 5 мкм), високої чутливості (О.і - 1 ррш) з можливістю здійснення локального керуйнуючого аналізу структури та елементного складу матеріальних мікрооб'єктів, є одним з найбільш перспективних аналітичних інструментів як для мікроаналітичних досліджень в різних галузях людської діяльності, так і для сприяння розвитку сучасних іонно-пучкових техно-логій. Зокрема поєднання таких діагностичних методик ЯМЗ, як рентгенівське випромінювання збуджених часток (РІХЕї для вимірювання концентрації неорганічних елементів зворотнього Резерфордівського розсіювання і'РШЗ) для дослідження органічної матриці та скануючої трансмісійної іонної мікроскопії (.БТІМ) для отримання інформації про густину та структуру зразку, дозволило проводити комплексні дослідження як твердих тіл, так і біооб'єктів. Основною необхідною умовою для проведення більшості мікроаналітічних досліджень є забезпечення струму пучка на мішені ЯМЗ не нижче ІООпА. Це приводить до того, що більшість дослідницьких колективів світу, які використовують ЯМЗ для проведення комплексного аналізу (зокрема РІХЕ аналізу), змушені обмежувати роздільну здатність приладу (розміри іонного лучка іа мішені) на рівні 1-5 мкм. З зв'язку з цим актуальними :тают1 оптимізаційні дослідження систем ЯМЗ з метою підвищення роздільної здатності та струму пучка на мішені ЯМЗ. )днйм з перспективних напрямків вирішення цієї задачі є ттимізаці ч традиційних та розробка нових високояскравих [жерел іонів, оскільки яскравість та енергетична роздільна

здатність іонного джерела є одними з основних факторів, які обмежують просторову роздільну здатність ЯМЗ. При експлуатації сучасних скан',іг>чих ЯМЗ і гну є також пробкам; збільшення геометричних розмірів лучка на мішені при скануванні за рахунок неоднорідності керуючих полів скануючої системи, що приводить до погіршення роздільної здатності прибору. Тому задача оптимізації скануючої системи з точкк зо^у підвищення роздільної здатності ЯМЗ є також однією з актуальних тем для дослідження.

Метою даної роботи було на основі оптимізаційних досліджень джерела іонів та скануючої системи- ЯМЗ з'ясувати можливості підвищення роздільної здатності та струму пучка на мішені ЯМЗ.

Досягнення цієї мети потребувало вирішення таких задач:

- моделювання та розробка високояскравих ВЧ-джерел іонхв для ЯМЗ;

- розробка автоматизованої вимірювальної системи іон-но^-'бптичних характеристик іонного дж&рэла т^. иканухчої системи;

- проведення оптимізаційних досліджень традиційного та модернізованого на його основі ВЧ-джерела іонів;

- розробка та дослідження феромагнітної скануючої системи ЯМЗ.

Наукова новизна та практична цінність дисертації:

Розроблена, розрахована за допомогою ЕОМ та реалізована в ВЧ-джерелі іонів нова еффективна конфігурація маг-

нітного поля "дзеркального" типуЗастосування даної конфігурації традиційному ВЧ-джерелі іонів дозволило значно ( більш ніж в 3 рази) підвищити яскравість протонного пучка. Дане модернізоване ВЧ-джерело іонів може бути використане як інжектор ЯМЗ для подолання бар'єру 100 пА струму протонного пучка на мішені при роздільній здатності 1 мкм.

Проведені оптимізаційні дослідження традіційного та модернізованого ВЧ-джерела іонів з метою пошуку стабільних високояскравих режимів, для послідуючого іх використання в ЯМЗ.

Розроблена нова високошвидкісна феромагнітна скануюча система ЯМЗ з підвищеною однорідністю керуючого магнітного поля. Застосування даної системи в ЯМЗ дозволить покращити роздільну здатність приладу при скануванні пучка протонів по мішені.

Розроблена, виготовлена та введена в дію автоматизована вимірювальна система іонно-оптичних характеристик джерег,' іонів та скануючої системи. Дана система дозволяє проводити експресне тестування джерел іонів, які використовуються в ядерних мікрозондах та прискорювачах іонів.

На захист виносяться такі положення:

- модернізоване ВЧ-джерело іонів з підвищеною яскравістю пучка;

- результати оптимізаційних досліджень високояскравих зежимів роботи традиційного та модернізозанного ВЧ-джерел Іоні в;

- високошвидкісна феромагнітна скануюча система ЯМЗ;

- автоматизована вимірювальна система іонно-оптичних :арактеристик іонного джерела та скануючої системи ЯМЗ,

Основні результати роботи апробовані на: Міжнародній

нараді MATATE по токамакам (Відень, 1988), Конференції пс інженерним проблемам термоядерних реакторів (Ленінград, 1Í389) , 10 нараді по ЭСУ (Обнінськ, 1991), Науково-техніч-

нйГ конференції "Техника и физика электронних систем и устройств" (Суми, 1995), Міжнародній конференції по технології та використанню ЯМЗ ICNMTA’96 (Альбукерк, 1996).

Особистий внесок дисертанта полягає в постановці, проведенні та обговоренні результатів оптимізаційних досліджень ВЧ-джерела іонів з "магнітною пасткою", високо-швидкісної феромагнітної скануючої системи ЯМЗ, в розробці автоматизованої вимірювальної системи іонно-оптичних характеристик іонного джерела та скануючої системи ЯМЗ.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано б наукових праць.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох глав, заключения і переліку літератури (147 стор., 17 рис., 2 табл., 113 найм, цит. літ.).

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ РОБОТИ

У першій главі на основі огляду теоретичних та експериментальних робіт по ядерно-мікрозондовій тематиці проведено аналіз вимог до іонного джерела тг скануючої системи

ЯМЗ. . ... . - ..

В 1-му параграфі розглянуті фактори, які визначають просторову роздільну здатність ЯМЗ. Існує багато факторів, які визначають просторову роздільну здатність ЯМЗ:

- колімація пучка;

- оптичні властивості фокусуючої системи (коефіцієнти зменшення, хроматичні, сферичні, паразитичні аберації);

- характеристики іонного джерела та прискорювальної техніки (обмеження по яскравості та енергетичній роз-діль-ній здатності прискорювача) ;

- стабільності електротехнічних параметрів прискорювача в часі, точності виготовлення констр'/кції.

У випадку, коли відсутні втрати яскравості пучка по тракту прискорення основним параметром, який визначає просторову роздільну здатність та величину струму пучка на мішені ЯМЗ є яскравість іонного джерела. При заданному ак-септансі фокусуючої системи А та енергії пучка Е, підвищення яскравості В в даному випадку приводить до пропорційного підвищення струму на мішені ЯМЗ 1= В А Е. Для зменшення розмірів пучка на мішені (підвищення роздільної здатності) в 10 разів потрібно підвищити яскравість в 10п разів (2 < п < 4), в залежності від вкладу в розширення

пучка тієї чи іншої аберації. Так наприклад, при

реалізації проекту нового Гейдельбергського ЯМЗ виникла проблема малоі яскравості (В< 0.2 А-м-2■рад~2•еВ~^)

іонного джерела (джерела Пеннінга) . Не зважаючи нҐа те, що даний ЯМЗ в режимі БТІМ має просторову роздільну здатність на рівні 0.5x0.5 мкм^, в режимі РІХЕ аналізу при струмі протонного пучка 100 пА вдається реалізувати роздільну здатність тільки на рівні 3x3 мкм^. Просторову роздільну здатність на рівні 1.1x0.9 мкм2 реа-

лізовано при струмі пучка 1.5 пА. Таким чином реалізації роздільної здатності 1 мкм в режимі РІ> аналізу, необхідно підвищувати яскравість джерела іоні для цього ЯМЗ як мінімум в 60 разів.

В 2-му параграфі розглянута можливість підвищень просторової роздільної здатності ЯМЗ за рахунок підвк щення яскравості іонного джерела. Як інжектори спектре статичних прискорювачів (ЕСП) в існуючих ЯМЗ найбіль часто використовуються ВЧ-джерела іонів. Цей тип джерел іонів має цілий ряд достоїнств: значний термін вико

ристання (більше 500 годин), стабільність іонно-оптични

параметрів, високий ступінь іонізації газу (до 8 5%) компактність. Сучасні ВЧ-джерела мають яскравість В= 1 -8 А-м-2•рад_2•еВ~1. За допомогою таких стандартни (комерційних) ВЧ-джерел іонів, які працюють в режимі В= А-м~2-рад~2.еВ~1 в сучасному ЯМЗ можна отримат:

Протонний пучок на мішені діаметром 1 мкм при струмі 10 пА. Існують реальні можливості підвищення яскравості ВЧ джерела, оскільки теоретична межа яскравості прі оптимальних параметрах джерела становить величину В= 451 А-м"2.рад-2.еВ'1, що на два порядки вище макси-мально: експериментально виміряної яскравості данного джерел; іонів. Теоретична межа яскравості зумовлена тим, що прі напрузі витягуючого електрода 2.5 кВ зростаюті

нестабільності плазми та зі зменшенням прискорюючогс проміжка зростає ризик електричного пробою. Втраті' яскравості ВЧ-джерела обумовлені високим рівнем втрат і перезарядкою іонів в області витягуючого електрода та станок розрядної камери. Ці втрати можна значно знизити за допомогою модернізації існуючих ВЧ-джерел іонів ЯМЗ за рахунок використання в них спеціальних магнітних систем.

Задачу підвищення просторової розділеної здатності ЯМЗ ложна-- також вирішувати за допомогою оптиміаовакних сучасних стандартних ВЧ-джерел іонів (критерій зптимальності - максимальна яскравість пучка іонів для стабільних режимів роботи джерела). Пошук високояскравих режимі? роботи стандартного ВЧ-джерела може бути здійснений за допомогою установок для тестування джерел ^онів. Просторову роздільну здатність ЯМЗ можна підвищити за рахунок зниження енергетичної роздільної здатності їжерела іонів ЯМЗ (для ЕСП з великою стабільністю ірискорюючої напруги Ди /и ~ 10~5) .

В 3-му параграфі на основі принципів високошвидкісно-'о збору та обробки інформації розгляну'і перспективні :д;:рямки розвитку скануючих систем ЯМЗ. Визначені можли-ості підвищення просторової роздільної здатності ЯМЗ за ахунок вдосконалення системі-: сканування. Специфікою вико-истання скануючих систем в ЯМЗ є те, що із-за малої відс-ані між останньою лінзою фокусуючої системи та мішенню М3.(іь - 20 см) , для забезпечений розміру кадра сканува-ия (на рівні 1x1 мм2) протонного пучка з енергією ~2.5 еВ, потрібні сильні однорідні магнітні чи електричні поя. Неоднорідність керуючого пучком поля приводить до по-іршення просторової роздільної здатності ЯМЗ. Одним.із айбільш перспективних напрямків розвитку скануючих систем 43 є розвиток феромагнітних скануючих систем (ФМСС). ФМСС ають ряд переваг перед альтернативними магнітними систе-ами з "повітряними" осердями, електростатичними та меха-Ічними системами. ФМСС, завдяки сильному керуючому пучком ігнітному полю, забезпечують розмір кадра сканування мв ;нше ніж 1x1 мм2 Та частоту сканування від 1 Гц до 5 кГц ївидкє сканування зводить до мінімуму теплове пошкодження

. 10

зразку). При цьому ФМСС можуть розміщуватися після останньої лінзи фокусуючої системи ЯМЗ (завдяки малим лінійним по осі 1 розмірам).

У другій главі приведені результати оптимізаційних досліджень одного з стандартних ВЧ джерел іонів, яке використовується як інжектор ЕСП ЕГ-2.5 (м.Обнінськ) в області МЄВ енергій.

В 1-му параграфі описана установка для тестування джерел іонів, яка дозволяє здійснювати експресні вимірюваная яскравості, енергетичної роздільної здатності, масового складу пучка іонів, який витягується із іонного джерела. Дана установка дозволяє проводити тестування джерел іонів, які використовуються в ЯМЗ, прискорювачах іонів, літографах. Дана установка дозволяє, зокрема, вирішувати задачу вибору найбільш перспективних для ЯМЗ високо'тскра-вих режимів роботи ВЧ-джерела іонів, який традиційно використовується як інжектор ЕСП ЯМЗ. -

В 2-му параграфі описана автоматизована вимірювальна система емітансу пучка (АВСЕП), яка є однією з основних складових частин установки для тестування джерел іонів. Розроблена АВСЕП має ряд переваг перед альтернативними вимірювальними системами іонно-оптичних характеристик луїк?. Дана система, завдяки автоматизованому збору і обробці даних та простоті конструкції емітансометра, дозволяє проводити експресні (за проміжок часу менший ніж 10-сек) вимірювання фазових характеристик, профілю струму, кутового розходження, емітансу та яскравості пучка іонів, який витягнутий з джерела іонів. Автоматичне інтегрування по У та У частинок дротяним детектором, розгляд відносно малої кількості пікселей (640) поперечного січення пучка в поєднанні з автоматизованим збором та обробкою даних дозволя-

■ 11 ють оперативно визначати емітанс та-яскравість пучка.

. . -- -В 3-му'параграфі розглянута методика визначення емі-танса та яскравості. Емітансні вимірювання проведено у відповідності з добре відомою методикою визначення емітан-са пучка. У цьому випадку нормалізований емітанс є2п визначається як:

е2п= (у/с){1-(у/с)2}-1/2з , м рад (1)

де V - швидкість пучка іонів;

с - швидкість світла:

~ - площа перерізу фазового об'єму, який зайнятий частками пучка.

Тоді нормалізована яскравість Вп визначається як:

В|~і= 21 /( Є2п )2 , А • м~2 . рад-2 . ев -1 (2 )

де 1 - 85,6% повного іонного струму пучка.

Для іонного пучка, який рухається в 2-напрямку з постійною нерелятивістською швидкістю, можна використовувати такі визначення енергетично нормалізованої яскравості В та енергетично нормалізованого емітансу:

В=2І / (£р хєП у ), А-м"2 .рад-2 . ец-1і (3)

єп х= к х х* Е1/2 и єп у= л у у1 д-м_2 . рад“2. еВ_1, (4)

В літературі В і Єп для простоти звичайно називають

"яскравістю" та "емітансом". Таким чином нормалізована яскравість Bn відрізняється віл енергетичне нормалізованої яскравості В на константу 1/2 тс2, де m -маса іона. '

Площа перерізу фазового об'єму, який я.айнятий чле^кг.-ми S (а точніше проекції фазового об'єму пучка на площину XX', для випадку аксіально-симетричного пучка) визначалася методом діафрагмування з частковим інтегруванням (методом вимірювання емітансу з

багатощільовою діафрагмою та дротяним зондом).

В 4-му параграфі описані результати досліджень стандартного ВЧ-джерела іонів. Експериментальні

дослідження стандартного ВЧ-джерела, що проведені за допомогою описа-ної вище АВСЕП, показали, що існують слабострумні (1-10 мкА) стабільні високояскраві режими роботи стандартного ВЧ-джерела іонів з величиною енергетично нормалізованої яскравості протонного пучка В=

1 - 5.6 А-м-2-рад~2.ев_1. Очевидно, що такі слабострумні режими роботи ВЧ-джерела мають певні переваги як більш економічні при роботі прискорювача в режимі ЯМЗ, коли на мішені необхідно зформувати мікропучок іонів з повним струмом 100 пА. На рис. 1а наведена емітачена д±?:г-ра.>'а одного з таких режимів: Bn= 2.64-103 А-м~2.рад-2, в=

5.6 А-м~2 .рад“2. еВ-1 при є 2п= 3.4- 10~8 м-рад, 1= 3.3 мкА,

V= 10 кВ, Ve= 1.5 кВ, Н+, р~ 5-10~3 Topp, Рвч~ 40 Вт (де р - тиск робочого газу в колбі, Ve- потенціал витягуючого електрода, Рвч- випромінювана ЕЧ-потуж-ніг>гь генератора). Даний режим був реалізований в стандартному ВЧ-джерелі в результаті попереднього one-

ціального .тренування та " оптимі'заційногс пошуку значень величин І, V, Ме, р, Рвч, що варіювалися.

В третій главі описані результати оптнмізаційних досліджень ВЧ-джерела з магнітною "дзеркальною пасткою".

В 1-му параграфі приведені результати моделювання, розрахунків на ЕОМ і реалізації у ВЧ-джерелі іонів спеціальної конфігурації магнітного поля "дзеркального" типу. Пропонується підвищувати яскравість ВЧ-джерела за допомогою введення магнітної пастки ("дзеркального" типу) всередині розрядної камери джерела і створення спеціальної форми магнітних силових ліній в області зитягуючого електрода (дие . рис. 16). Конфігурація магн: -г-,:ого -_оля розрахована тата чином, щоб основна частина магнітних силових ліній, що проходять через центральний меридіональний переріз індуктора, входила в апертуру витягуючого електрода. Така конфігурація магнітного поля була промодельозана і розрахована на ЕОМ. За результатами розрахунків була запроектована та виготовлена спеціальна магнітна система (див. рис. 1а, поз.2) для застосування в стандартному ВЧ-джерелі. Згадана система реалізована на основі чотирьох самарій-ко-бальтових магнітів і двох феритів кільцевої форми.

В 2-му параграфі описані результати експериментальних досліджень модернізованого ВЧ-джерела іонів з магнітною "дзеркальною пасткою". Основні випробування модерні гоаанс -го ВЧ-джерела (див. рис.1а, поз. ], 2) були проведені в

режимах відносно малих ловниу. іонних струмів (І- 1-10

мкА). Було встановлено, що існує деяке оптимальне положення мг.гнітної системи відносно витягуючого електрода, при якому яскравість лучка має значення, близьке до максимального. На рис. 26 наведена емі^ансн-; діаграма для одного з оптн-іізованих режимів роботи ВЧ-джерела з оптимальним роз-

а)

1 (МП?

Рисунок 1

----- --------15

міщенням магнітної системи: Вп=' 9.5-109 А-м~2-рад~2,

В=20 А-м-2 • рад~2. еВ_1 при £2п== 3.2'10~8 м-рад, з 1= 5.54

мхА, V=9 kB, Ve=2 .1 kB, Н+, р- 3-Ю-- Topp, Рвч- 40 Вт). Результати досліджень показали, що модернізоване ВЧ-джерело для режимів стабільної роботи при відносно малих повних струмах (1-10 мкА) є більш прийнятним^ для використання в ЯМЗ, оскільки у нього вища яскравість (більш ніж у 3 рази) , ніж у стандартного ВЧ-джерела при тих же умовах експлуатації.

В 3-параграфі розглянуте багатокомпонентне ВЧ-джерело іонів з магнітною "дзеркальною пасткою", як можливий варіант подальшого розвитку високояскравих джерел іонів.

Завдяки введенню в ВЧ-джерело іонів з магнітною "дзеркальною пасткою" багатоканальної системи дозованої подачі газів (СДГ) та системи керування частотою, фазами і амплітудою ВЧ-поля (СУВЧ), можуть бути розширені його функціональні можливості в напрямку створення багатокомпонентних іонних пучків з регульованою яскравістю пучка та розбігу по імпульсу Др/р іонів пучка за рахунок збудження в магнітній пастці джерела альфвеновських та іонно-циклот-роних резонансних коливань для відповідної компоненти плазми.

В четвертій главі описані результати оптимізаціиних достг’ ттжень високошвідкісної ФМСС ЯМЗ з підвищеною однорідністю керуючого магнітного поля.

В 1-му параграфі приведені результати моделювання і реалізації ї ФМСС. Завдяки конструктивним особливостям запропонованої ФМСС (спеціальної форми магнітопроводу, місцю розташування "робочого" отвору в феритових кільцях, формі "робочого" .отвору, способу намотування та з'єднання коту-

шок зі струмом), вдається реалізувати ефект додавання магнітних потоків в магнітопроводі осердя, а також ефект підсилення напруженості магнітного поля всередині циліндричного зазора осердя. За рахунок підсилення центрального керуючого пучком магнітного поля за допомогою феромагнітного матеріалу забезпечується задане {не менше ніж 1 мм) відхилення пучка на мішені у варіанті реалізації післялінзової ФМСС. Матеріалом магнітопроводу вибраний ферит, оскільки у нього висока частота передачі струмних сигналів і висока магнітна індукція насичення (~ 0.3 Тл).

В 2-му параграфі описана експериментальна техніка, яка використовувалася для тестування ФМСС. Ступінь однорідності керуючого пучком магнітного поля ФМСС був досліджений за допомогою модифікованої установки для тестування джерел іонів. Після модифікації вище згадана установка дозволяє вимірювати основні іонно-оптичні параметри не тільки джерел іонів, але і систем сканування. Вимірювання розсіяних магнітних полів проводились за допомогою добре відбмого магніто-зондового методу, амплітудні та фазочастотні характеристики за допомогою стандартних методик.

В 3-му параграфі описані результати експериментальних досліджень ФМСС. За допомогою вище згаданої установки були проведені вимірювання залежностей величини керованого відхилення сіХІ та с!Х2 двох протонних пучків, які були вирізані із основного пучка за допомогою цільової діафрагми, від величини струму в котушках ФМСС. .По цим залежностям визначалися величина індукції В та ступінь однорідності керуючого пучком магнітного поля и.

и= (В - Во ) / (Во • х2 ) = (<3X2-СІХ 1) / (сіХІ • х2) ,

(5)

- - ■ де-х2відстань між центрами пучків на вході в ФМСС.

Як показали результати вимірювання, в зазорі цилінд-

ричної форми феритового осердя (г= 5 мм) вдається отримати величину магнітного поля на рівні 0.04 - 0.1 Тл. Встановлено, що використання в ФМСС циліндричного зазору та маг-нітопроводу з фериту спеціальної форми дозволило знизити по відношенню до альтернативних ФМСС розсіяні магнітні поля по осі розповсюдження пучка не менш ніж 90%/мм та підвищити однорідність центрального керуючого пучком поЯя не менш ніж 0.1%/мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЯ

В дисертації отримані слідуючі основні результати.

1 Розроблене високояскраве ВЧ-джерело іонів з магнітною " дзеркальною пасткою" для використання в ЯМЗ:

- розрахована на ЕОМ і реалізована у ВЧ-джерелі іонів нова, ефективна конфігурація магнітного поля, яка реалізує всередині розрядної камери ВЧ-джерела іонов магнітну пастку "дзеркального" типу, забезпечує мінімальну взаємодію замагнічених іонів, витягнутих з плазми, з витягуючим та прискорюючим електродом іонно-оптичної системи ВЧ-джерела, а також контрагування плазми в області витягуючого электрода ;

- встановлено, що використання даної конфігурації в стандартному ВЧ- джерелі іонів дозволило значно (більш"ніж у 3 рази) підвищити яскравість протонного пучка;

- встановлено, що ВЧ-джерело іонів з магнітною "дзеркальною пасткою" може бути використане в якості інжектора ЯМЗ для здолання бар'єру 100 пА струму протонного пучка при роздільній здатності 1 мкм;

и

- запропоновано до розгляду багатокомпонентне БЧ-дже-рело іонів з магнітною " дзеркальною пасткою", як можливий варіант подальшого розвитку високояскравих джерел іонів : регульованою яскравістю та енергетичною роздільною здатністю.

2 Проведені оптимізаційні експериментальні дослідження стандартного та модернізованого на його основі ВЧ-дже-рела іонів з магнітною " дзеркальною пасткою":

- визначені слабострумні (1-10 мкА) стабільні висо-кодскраві режими роботи модернізованого ВЧ-джерела іонів з величиною енергетично нормалізованної яскравості протонного пучка В= 1 - 20 А-м_2.рад~2.ев~1;

- визначені слабострумні (1-10 мкА) стабільні висо-

кояскраві режими роботи стандартного ВЧ-джерела іонів з величиною енергетично нормалізованної яскравості протонного пучка В= 1 - 5.6 А-м~2•рад_2.еВ~1; '

- визначені основні іонно-оптичні характеристики стандартного та модернізованого ВЧ-джерела іонов, які необхідні для розрахунку оптимального узгодження систем ЯМЗ.

3 Проведені оптимізаційні дослідження високошвідкіс-ної феромагнітної скануючої системи ЯМЗ з підвищеною однорідністю керуючого магнітного поля:

- встановлено, що використання в ФМСС циліндричного зазору та магнітопроводу із ферита спеціальної форми дозволяє суттєво знизити розсіяні магнітні поля по осі розповсюдження пучка та підвищити однорідність центрального керуючого пучком магнітного поля.

- встановлено, что розроблена ФМСС задовольняє основним вимогам, які ставляться до післялінзових скануючих систем ЯМЗ (забезпечує потрібний розмір кадру сканування (не менше ніж 1024x1024 пікселей); частоту сканування мік-

ропучка від 1._Гц - до 5- кГц; можливість отримання потрібного закону відхилення мікропучка на мишені у відповідності з принципами високошвидкісного збору та обробки експериментальних даних ЯМЗ).

4 Розроблена, виготовлена та налагоджена автоматизована вимірювальна система емітансу пучка, яка дозволяє проводити експресні (за проміжок часу менший ніж 10 сек) вимірювання фазових характеристик, профіля струму, кутового розходження, емітансу та яскравості пучка іонів.

Отримані результати можуть бут;-: використані при проектуванні скануючих ядерних мікрозондів з роздільною здатністю на рівні 1 мкм.

Головні результати дисертаційної роботи опубліковані у таких роботах:

1. Kalinichenko A.G., Khomenko V.G., Lebed S.A.,

Mordik S.N., Vozni3 V.l. Optimization of a RF ion source

for production of a high-energy ion microbeam// Nuclear Instrument and Methods in Physics Research - 1997. - B122.

- P. 274 - 277. .

. 2. Возний В.І., Калініченко О.Г., Лебідь C.A., Мордик

C.M., Хоменко В.Г.. Оптимізоване ВЧ-джерело іонів для ядерного мікрозонда// УФЖ. - 1997. - Т.42 ,N2. - С. 250 -253.

3. Киров А.Д., Ручко Л.Ф., Мордик С.Е. и др. ТМР-то-

камак для исследования альфвеновского нагрева и ВЧ-поддер-жания тока// ВАНТ.- Сер. Термоядерный синтез. - 1989. -

вып.*. - С. 12 - 19.

4. Бражник В.A., Дымников А.Д., Лебедь C.A., Мордик

С.Н., Хоменко В.А., Сторижко В.Е.. Програмко совместны;-, исследований Сумского (Украина) и Мельбурнского (Австралия) микроаналитических центров//Труды X совещания по эл.&ктростатическим ускорителям, 26-28 ноября 1991 г. - 06-нинск,1992. - С. 98 - 106.

5. Возный В.И., Калиниченко А.Г., Лебедь С.А., Мордик

С.Н., Хоменко В.А.. Установка для тестирования и модернизации источников ионов//Тез. докл. н.-т. конф."Техника и физика электронных систем и устройств", 19 мая 1995г. -

Суми, 1995. - С. 107 - 109.

6. Заявка N ВЗВ07536/02/2104 України, МПК5 Н0Ы27/16, Високочастотне джерело іонів/С.О.Лебідь, С.М.Мордик (Укра-

- N 93007625; Заявлено 28.12.93; Пріоритет 28.12.93.

Роботу виконано при фінансовій підтримці ДКН' України, грант № 6.7.3.

АННОТАЦИЯ

Мордик С.Н. Оптимизационные исследовалия ионного источника и сканирующей системы ядерного микрозонда. На правах рукописи. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 - физическая электроника, 01.04.01 -физика

приборов, элементов и систем. Сумской государственный университет, г.Сумы,1997.

Ка основе оптимизационных исследований источника ионов и сканирующей системы ЯМЗ определены и реализованы некоторые возможности усовершенствования существующих ВЧ-ис-

точников и ферромагнитных■сканирующих систем, позволяющие повысить разрешающую способность и ток пучка на мишени 7КЗ. Рассчитана■ на ЭВМ и реализована в ЗЧ-ист?чн:'ч\' исков новая, эффективная специальная конфигурация магнитного поля, реализующая внутри разрядной камеры ВЧ-источника ионов магнитную ловушку "зеркального" типа. Установлено, что применение данной конфигурации в стандартном ВЧ- источнике ионов позволило значительно (более чем в 3 раза ) повысить яркость протонного пучка. Установлено, что ВЧ-источник ионов с магнитной "зеркальной ловушкой" можс; быть использован в качестве инжектора ЯМЗ для преодоления барьера 100 пА тока протонного пучка при разрешающей способности 1 мкм. Проведены оптимизационные исследования стандартного и модернизированного на его основе ВЧ-источника ионов с магнитной "зеркальной ловушкой", с целью поиска стабильных высокояркостных режимов, для последующего их использования в ЯГ^. Проведены оптимизационные исследования высокоскоростной ферромагнитной сканирующей системы ЯМЗ с повышенной однородностью управляющего магнитного поля с целью увеличения разрешающей способности сканирующего ядерного >>>:'<розонда. Разработана, изготовлена и отлажена аБхюмати-зированная измерительная система эмиттанса пучка, позволяющая производить экспрессные измерения фазовых характеристик, профиля тока, угловой расходимости, эмиттанса и яркости пучка ионов, извлекаемого из источника ионов.

ABSTRACT

Mordik S.N. Optimization research of the ion source and scanning system of the nuclear microprobe. Thesis for a Candidate's degree of Physical and Mathematical Sciences

on speciality 01.04.04 - physical electronics. Sumy State University, Sumy, 1997.

A magnet system. ("mirror" type) consisting of permanent magnet and ferrite materials has been used in the modified RF ion source. Standard and modified RF ion sources have been investigated and optiraizied. It ha? De^r. established that the addition of a mirror magnet system to the, standard RF ion source provides a considerable (more than 3 times) increase in brightness. The modified RF ion source may be used in nuclear MP to overcome the barrier of 100 pA of proton current at 1 цm resolution. Ferrit-cored magnetic scanning system with increased uniformi' of the controlling magnetic field and small fringii ma^petic fields has been developed and tested. Using FM! of the proposed design allows MP resolution to 1 increased. A digitally controlled emittance measuremei device has been designed, implemented and used expressly і determine emittances and brightness of the ion Ьег extracted from an ion source. This device has been used fc investigation of the main ion optical characteristics с standard and modified RF ion sources and scanning system.

КЛЮЧОВІ СЛОВА

Ядерний мікрозонд, ВЧ-джерело іонів, ■ феромагнітна скануюча система, яскравість, емітанс, емітансометр, магг-нітна пастка.