RU2697186C1

RU2697186C1 - High-current ion source based on a dense plasma of ecr discharge, kept in an open magnetic trap

Info

Publication number: RU2697186C1
Application number: RU2018146097A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Голубев; Григорий Геннадьевич Денисов; Иван Владимирович Изотов; Сергей Владимирович Разин; Александр Васильевич Сидоров; Вадим Александрович Скалыга; Дмитрий Игоревич Соболев
Priority date: 2018-12-25
Filing date: 2018-12-25
Publication date: 2019-08-13

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to creation of continuous ion beams by their extraction from dense plasma created in open magnetic trap by powerful radiation of millimetre range of wavelengths. Device comprises a generator of continuous microwave radiation with frequency much higher than commonly used frequencies, for example, 28 GHz. Radiation from the generator successively passes the microwave radiation mode converter into a Gaussian beam, a quasioptical transmission line and a Gaussian beam converter into the mode of a circular waveguide which enters the discharge vacuum chamber. Use of the quasi-optical transmission line enables to electrically isolate the powerful gyrotron from the discharge vacuum chamber at high potential (up to 100 kV).EFFECT: high current of ion beams while maintaining a given average ion charge.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области создания непрерывных пучков одно- и многозарядных ионов (МЗИ) путем их экстракции из плотной плазмы, создаваемой в открытой магнитной ловушке мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн. Подобные источники необходимы для формирования сильноточных пучков ионов, востребованных в ряде приложений: ускорительной технике, медицине, ионной имплантации, фундаментальных исследованиях по взаимодействию ионных пучков с мишенями и пр.The invention relates to the field of creating continuous beams of single and multiply charged ions (MLM) by extraction from a dense plasma created in an open magnetic trap by powerful radiation of the millimeter wavelength range. Such sources are necessary for the formation of high-current ion beams that are in demand in a number of applications: accelerator technology, medicine, ion implantation, basic research on the interaction of ion beams with targets, etc.

В последнее время наблюдается быстрое развитие технологий, связанных с применением ионных пучков. К этим технологиям, например, относятся: обработка и модификация поверхностей полупроводников (Hirvones J.K., Nastasi М., Hirvonen J.K., Mayer J.W. «Ion-solid Interactions: Fundamentals and Applications)) Cambridge Univ. Pr., 1996), ионно-лучевая эпитаксия и имплантация (Rabalais J.W., Al-Bayati A.H., Boyd K.J., Marton D., Kulik J., Zhang Z., Chu W.K. «Ion-energy effect in silicon ion-beam epitaxy» Physical Review B, V.53, P. 10781, 1996), воздействие на раковые опухоли (Muramatsu М, Kitagawa A., Sato S., Sato Y., Yamada S., Hattori Т., Shibuya S. «Development of the compact electron cyclotron resonance ion source for heavy-ion therapy» Review of Scientific Instruments, V.71, P. 984, 2000) и т.д. Кроме того, ионные пучки широко используются в научных исследованиях, например, в исследованиях в области ядерной физики, в частности, для синтеза новых элементов таблицы Менделеева и т.д.Recently, there has been a rapid development of technologies associated with the use of ion beams. These technologies include, for example: surface treatment and modification of semiconductor surfaces (Hirvones J.K., Nastasi M., Hirvonen J.K., Mayer J.W. “Ion-solid Interactions: Fundamentals and Applications)) Cambridge Univ. Pr., 1996), ion beam epitaxy and implantation (Rabalais JW, Al-Bayati AH, Boyd KJ, Marton D., Kulik J., Zhang Z., Chu WK “Ion-energy effect in silicon ion-beam epitaxy” Physical Review B, V.53, P. 10781, 1996), effect on cancerous tumors (Muramatsu M, Kitagawa A., Sato S., Sato Y., Yamada S., Hattori T., Shibuya S. “Development of the compact electron cyclotron resonance ion source for heavy-ion therapy "Review of Scientific Instruments, V.71, P. 984, 2000), etc. In addition, ion beams are widely used in scientific research, for example, in research in the field of nuclear physics, in particular, for the synthesis of new elements of the periodic table, etc.

К настоящему времени существует несколько типов ионных источников, различающихся как способом создания плазмы, так и параметрами производимых пучков («Физика и техника источников ионов» // под ред. Я. Брауна, М.: Мир, 1998). Одной из актуальных задач остается создание источников многозарядных ионов (МЗИ), которые обладают существенными преимуществами по сравнению с однозарядными ионами. Это связано с тем, что энергия ускоряемых ионов растет пропорционально заряду в линейных и пропорционально квадрату заряда в циклотронных ускорителях, т.е. использование МЗИ позволяет при тех же ускоряющих напряжениях получить существенно большие энергии ионов или, соответственно, понизить ускоряющее напряжение при сохранении энергии частиц.To date, there are several types of ion sources that differ both in the method of creating the plasma and in the parameters of the produced beams (“Physics and Technique of Ion Sources” // edited by Y. Braun, M .: Mir, 1998). One of the urgent tasks remains the creation of sources of multiply charged ions (MLM), which have significant advantages compared to singly charged ions. This is due to the fact that the energy of accelerated ions increases proportionally to the charge in linear and proportionally to the square of the charge in cyclotron accelerators, i.e. the use of MLM makes it possible to obtain substantially higher ion energies at the same accelerating voltages or, accordingly, to lower the accelerating voltage while maintaining the particle energy.

Среди источников МЗИ наибольшее распространение получили источники на основе разряда низкого давления, поддерживаемого в открытой магнитной ловушке СВЧ излучением в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР). ЭЦР источники выгодно отличаются от источников других типов в тех случаях, когда требуется умеренно высокий средний заряд ионов (например, 7-9 для аргона) при достаточно большом токе пучка (~100 мкА). ЭЦР источники имеют большой ресурс работы и высокую стабильность и позволяют легко менять рабочее вещество (Geller R. «Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas» Institute of Physics, Bristol, 1996).Among the sources of MLM, the most widespread are sources based on a low-pressure discharge maintained in an open magnetic trap by microwave radiation under conditions of electron-cyclotron resonance (ECR). ECR sources differ favorably from sources of other types in those cases when a moderately high average ion charge (for example, 7–9 for argon) is required at a sufficiently high beam current (~ 100 μA). ECR sources have a long service life and high stability and make it easy to change the working substance (Geller R. "Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas" Institute of Physics, Bristol, 1996).

Формирование пучков МЗИ в ЭЦР источниках осуществляется путем их экстракции из плазмы, удерживаемой в открытой магнитной ловушке. Температура электронов в плазме должна быть достаточной для многократной ионизации (50-500 эВ в зависимости от требуемого среднего заряда), а время удержания плазмы - достаточным для образования ионов с требуемым средним зарядом. Ключевым фактором, определяющим средний заряд ионов в плазме, является параметр удержания N⋅τ,The formation of MLM beams in ECR sources is carried out by their extraction from plasma held in an open magnetic trap. The electron temperature in the plasma should be sufficient for multiple ionization (50-500 eV depending on the required average charge), and the plasma retention time should be sufficient for the formation of ions with the required average charge. The key factor determining the average charge of ions in a plasma is the retention parameter N⋅τ,

где N - средняя концентрация плазмы, а τ - время удержания ионов в ловушке. Параметр удержания N⋅τ должен быть достаточным для достижения ионами требуемого заряда в процессе ступенчатой ионизации.where N is the average plasma concentration, and τ is the ion retention time in the trap. The retention parameter N⋅τ should be sufficient for the ions to reach the required charge in the process of stepwise ionization.

В классических источниках МЗИ плотность плазмы относительно невелика, а ее нагрев осуществляется СВЧ излучением относительно небольшой частоты (до 18 ГГц), что и ограничивает плотность плазмы на уровне критической плотности для используемой частоты (3*10¹² см^-3 для частоты излучения 18 ГГц). Время удержания плазмы в магнитной ловушке определяется скоростью заполнения электронами конуса потерь в результате электрон-ионных столкновений и может достигать нескольких десятков миллисекунд. Для поддержания плазмы достаточно небольшой СВЧ мощности (100 Вт - 1 кВт). Ввод СВЧ излучения с такими параметрами традиционно осуществляется с помощью стандартных волноводных или коаксиальных линий передач (Geller R. «Electron cyclotron resonance sources: Historical review and future prospects» // Review of Scientific Instruments, V. 69, N. 3, 1998).In classical MLM sources, the plasma density is relatively low, and its heating is carried out by microwave radiation of a relatively low frequency (up to 18 GHz), which limits the plasma density at the critical density level for the frequency used (3 * 10 ¹² cm ^-3 for the radiation frequency of 18 GHz) . The plasma confinement time in a magnetic trap is determined by the rate of electron filling of the loss cone as a result of electron-ion collisions and can reach several tens of milliseconds. To maintain the plasma, a sufficiently small microwave power (100 W - 1 kW) is sufficient. The input of microwave radiation with such parameters is traditionally carried out using standard waveguide or coaxial transmission lines (Geller R. "Electron cyclotron resonance sources: Historical review and future prospects" // Review of Scientific Instruments, V. 69, N. 3, 1998).

В настоящее время, по всей видимости, возможности для увеличения параметра удержания N⋅τ за счет увеличения времени удержания τ ионов практически исчерпаны. Почти во всех существующих в настоящее время источниках МЗИ применяются ловушки с магнитной конфигурацией «минимум В». Такая конфигурация создается комбинацией продольного поля простой магнитной ловушки и поперечным полем многополюсной (обычно шестиполюсной) магнитной системы.At present, most likely, the possibilities for increasing the retention parameter N⋅τ by increasing the retention time of τ ions are practically exhausted. Almost all current MLM sources use traps with a magnetic configuration of “minimum B”. This configuration is created by combining the longitudinal field of a simple magnetic trap and the transverse field of a multipolar (usually six-pole) magnetic system.

Классический ЭЦР источник МЗИ описан в патенте США US 5506475, МПК Н05Н 1/10, публ. 09.04.1996 г. Устройство аналог состоит из вакуумной плазменной камеры, системы подачи рабочего вещества, системы экстракции ионного пучка, системы создания простой магнитной ловушки, системы создания поперечного магнитного поля с конфигурацией «минимум В», устройства ввода в вакуумную камеру СВЧ излучения с рабочей частотой 2,45 ГГц или 14 ГГц. Для ввода СВЧ излучения применяется волновод прямоугольного сечения. Система создания поперечного магнитного поля включает в себя от 4 до 24 постоянных магнитов. Система экстракции ионного пучка состоит из двух электродов и расположена вблизи второй пробки магнитной ловушки.The classic ECR source of MLM is described in US Pat. No. 5,504,575, IPC H05H 1/10, publ. 04/09/1996, The analog device consists of a vacuum plasma chamber, a working substance supply system, an ion beam extraction system, a simple magnetic trap creation system, a transverse magnetic field creation system with a “minimum B” configuration, a microwave radiation input device with a working 2.45 GHz or 14 GHz frequency. To input microwave radiation, a rectangular waveguide is used. The system for creating a transverse magnetic field includes from 4 to 24 permanent magnets. The ion beam extraction system consists of two electrodes and is located near the second stopper of the magnetic trap.

Недостатком устройства аналога является невысокий ток МЗИ, ограниченный максимально достижимой плотность плазмы, которая не может превышать критическую плотность для используемой частоты (Geller R. «Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas» Institute of Physics, Bristol, 1996). Другим недостатком аналога является ограниченная электропрочность соединения волновода и вакуумной разрядной камеры, находящейся под высоким потенциалом.A disadvantage of the analogue device is the low MLM current limited by the maximum attainable plasma density, which cannot exceed the critical density for the frequency used (Geller R. "Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas" Institute of Physics, Bristol, 1996). Another disadvantage of the analogue is the limited electrical strength of the connection of the waveguide and the vacuum discharge chamber, which is at high potential.

В другом устройстве аналоге, описанном в патенте США US 5350974 (МПК Н01J 7/24, публ. 27.09.1994 г.), предложен ЭЦР источник МЗИ, отличающийся другим способом ввода СВЧ излучения в плазму. Как и в предыдущем рассмотренном случае устройство аналог состоит из вакуумной плазменной камеры, системы подачи рабочего вещества, системы экстракции ионного пучка, системы создания магнитного поля с конфигурацией «минимум В», системы ввода в вакуумную камеру СВЧ излучения с рабочей частотой 2,45 ГГц или 14 ГГц. В устройстве аналоге ввод СВЧ излучения осуществляется по коаксиальной линии передач, расположенной вдоль оси магнитной системы. Подача рабочего вещества осуществляется через центральный электрод коаксиальной линии передач, оканчивающейся вблизи пробки магнитной ловушки. Недостатком устройства аналога, как и в предыдущем случае, является невысокий ток МЗИ.In another device analogue described in US patent US 5350974 (IPC H01J 7/24, publ. 09/27/1994), an ECR source of MLM is proposed, which differs in another way of introducing microwave radiation into the plasma. As in the previous case, the analog device consists of a vacuum plasma chamber, a working substance supply system, an ion beam extraction system, a magnetic field generation system with a “minimum B” configuration, a system for introducing microwave radiation into the vacuum chamber with an operating frequency of 2.45 GHz or 14 GHz. In an analog device, microwave radiation is input through a coaxial transmission line located along the axis of the magnetic system. The supply of the working substance is carried out through the central electrode of the coaxial transmission line ending near the stopper of the magnetic trap. The disadvantage of the analog device, as in the previous case, is the low current of the MLM.

Наиболее перспективным способом увеличения тока МЗИ является повышение плотности плазмы в разряде, что достигается, прежде всего, за счет увеличения частоты и мощности СВЧ излучения.The most promising way to increase the MLM current is to increase the plasma density in the discharge, which is achieved, first of all, by increasing the frequency and power of microwave radiation.

Сильноточный источник многозарядных ионов описан в заявке WO 2010132068 публ. 18.11.2010 г. Устройство аналог состоит из вакуумной плазменной камеры, СВЧ генератора, работающего на частоте 18 ГГц, системы ввода СВЧ излучения в вакуумную камеру, системы подачи рабочего вещества, системы экстракции ионного пучка, системы создания простой магнитной ловушки, системы создания поперечного магнитного поля с конфигурацией «минимум В». Для ввода СВЧ излучения используется волноводная линия передач, оканчивающаяся рупором. Система создания поперечного магнитного поля выполнена на основе системы соленоидов, расположенных в центральной части магнитной ловушки. Система экстракции ионного пучка состоит из двух электродов и расположена вблизи второй пробки магнитной ловушки. В результате устройство аналог позволяет создавать пучки ионов с током до 50 мА, что показано в патенте на примере двукратно ионизованного гелия.A high current source of multiply charged ions is described in WO 2010132068 publ. November 18, 2010. An analog device consists of a vacuum plasma chamber, a microwave generator operating at a frequency of 18 GHz, a microwave radiation input system into a vacuum chamber, a working substance supply system, an ion beam extraction system, a simple magnetic trap system, a transverse magnetic system fields with a configuration of "minimum B". To input microwave radiation, a waveguide transmission line ending in a horn is used. The system for creating a transverse magnetic field is based on a system of solenoids located in the central part of the magnetic trap. The ion beam extraction system consists of two electrodes and is located near the second stopper of the magnetic trap. As a result, the analog device allows you to create ion beams with a current of up to 50 mA, which is shown in the patent on the example of doubly ionized helium.

Основным недостатком устройства аналога является ограниченная величина тока пучка ионов. Для дальнейшего увеличения тока необходимо повышать частоту СВЧ излучения. Это приводит к необходимости увеличивать напряженность магнитного поля для выполнения условия ЭЦР.The main disadvantage of the analog device is the limited current of the ion beam. To further increase the current, it is necessary to increase the frequency of microwave radiation. This makes it necessary to increase the magnetic field strength in order to fulfill the ECR condition.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является источник, предложенный в патенте RU 2480858, МПК H01J 27/16, Н05Н 1/46. В нем описан сильноточный источник многозарядных ионов на основе плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, содержащий СВЧ генератор, узел ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру, систему откачки, систему подачи рабочего вещества, магнитную систему для создания магнитного поля пробочной конфигурации с напряженностью, достаточной для возникновения внутри разрядной вакуумной камеры ЭЦР зон, систему формирования и экстракции пучка многозарядных ионов из плазмы. При этом узел ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру включает в себя квазиоптическую линию передачи СВЧ излучения в форме гауссова пучка, окно ввода СВЧ излучения, вынесенное за пределы магнитной ловушки, и согласующий элемент, расположенный в пробке магнитной ловушки и использующийся также и как уловитель плазмы. При этом геометрические размеры и форма согласующего элемента подобраны таким образом, что обеспечивают практически полное прохождение СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру. Благодаря тому, что излучение вводится в разрядную камеру квазиоптически, удается электрически развязать источник СВЧ излучения, в качестве которого используется гиротрон, и разрядную камеру, на которую подается высоковольтное напряжение, ускоряющее ионы. Важным недостатком такой системы ввода СВЧ излучения является то, что она способна согласовать только излучение в виде гауссова пучка, в то время как на выходе современных технологических гиротронов, работающих в непрерывном режиме генерации СВЧ, излучение представляет собой не гауссов пучок, а моду волновода. Обычно, в таких случаях для ввода СВЧ излучения используют волновод, который при этом отделяют от разрядной камеры, находящейся под высоким напряжением, изолятором, что ухудшает электропрочность системы по сравнению с квазиоптическим вводом СВЧ излучения в камеру.The closest in technical essence to the proposed device is the source proposed in the patent RU 2480858, IPC H01J 27/16, H05H 1/46. It describes a high-current source of multiply charged ions based on an ECR discharge plasma held in an open magnetic trap, containing a microwave generator, an input unit for microwave radiation into a vacuum discharge chamber, a pumping system, a working substance supply system, and a magnetic system for creating a magnetic field of a tube configuration with intensity sufficient for the appearance of ECR zones inside the discharge vacuum chamber, a system for the formation and extraction of a beam of multiply charged ions from plasma. In this case, the node for introducing microwave radiation into the vacuum discharge chamber includes a quasi-optical transmission line of microwave radiation in the form of a Gaussian beam, a window for introducing microwave radiation outside the magnetic trap, and a matching element located in the plug of the magnetic trap and also used as a plasma trap . In this case, the geometric dimensions and shape of the matching element are selected in such a way that they ensure almost complete passage of microwave radiation into the discharge vacuum chamber. Due to the fact that the radiation is introduced quasi-optically into the discharge chamber, it is possible to electrically decouple the microwave radiation source, which is used as a gyrotron, and the discharge chamber, which is supplied with a high-voltage voltage that accelerates ions. An important drawback of such a system for introducing microwave radiation is that it is able to match only radiation in the form of a Gaussian beam, while at the output of modern technological gyrotrons operating in the continuous mode of microwave generation, the radiation is not a Gaussian beam, but a waveguide mode. Usually, in such cases, a waveguide is used to input microwave radiation, which is separated from the discharge chamber, which is under high voltage, by an insulator, which impairs the electrical strength of the system compared to the quasi-optical input of microwave radiation into the camera.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка сильноточного, с током большим, чем в устройстве прототипе, источника ионов на основе разряда низкого давления, поддерживаемого в открытой магнитной ловушке СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн в условиях электронно-циклотронного резонанса, в котором СВЧ излучение получают от мощного СВЧ генератора с частотой, намного выше обычно используемой, и при этом транспортировку этого СВЧ излучения осуществляют в основном квазиоптически.The problem to which the present invention is directed, is the development of a high-current, with a current greater than in the prototype device, ion source based on a low pressure discharge, supported in an open magnetic trap by microwave radiation of the millimeter wavelength range in electron-cyclotron resonance conditions, in which Microwave radiation is obtained from a powerful microwave generator with a frequency much higher than that commonly used, and the transportation of this microwave radiation is carried out mainly quasi-optically.

Технический результат в разрабатываемом устройстве достигается тем, что разрабатываемое устройство, так же как и устройство-прототип, содержит СВЧ генератор, узел ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру, систему откачки, систему подачи рабочего вещества, магнитную систему для создания магнитного поля пробочной конфигурации с напряженностью, достаточной для возникновения внутри разрядной вакуумной камеры ЭЦР зон, систему формирования и экстракции пучка ионов из плазмы. При этом узел ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру включает в себя квазиоптическую линию передачи СВЧ излучения в форме гауссова пучка, окно ввода СВЧ излучения, вынесенное за пределы магнитной ловушки и согласующий элемент, расположенный в пробке магнитной ловушки и использующийся также как уловитель плазмы. При этом геометрические размеры и форма согласующего элемента подобраны таким образом, что обеспечивают полное прохождение СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру.The technical result in the developed device is achieved by the fact that the developed device, like the prototype device, contains a microwave generator, a microwave radiation input unit in a vacuum discharge chamber, a pumping system, a working substance supply system, a magnetic system for creating a magnetic field of a plug configuration with the intensity sufficient for the appearance of ECR zones inside the discharge vacuum chamber, the system of formation and extraction of the ion beam from the plasma. In this case, the node for introducing microwave radiation into the vacuum discharge chamber includes a quasi-optical transmission line of microwave radiation in the form of a Gaussian beam, a microwave input window, placed outside the magnetic trap and a matching element located in the magnetic trap plug and also used as a plasma trap. In this case, the geometric dimensions and shape of the matching element are selected in such a way that they ensure the complete passage of microwave radiation into the discharge vacuum chamber.

Новым в разработанном устройстве является то, что узел ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру дополнительно включает в себя расположенный после СВЧ генератора преобразователь моды СВЧ излучения в гауссов пучок и расположенный перед окном ввода СВЧ излучения преобразователь гауссова пучка в моду круглого волновода. При этом между двумя вышеупомянутыми преобразователями располагают квазиоптическую линию передачи СВЧ излучения в форме гауссова пучка. Геометрические размеры и форма преобразователей подобраны таким образом, чтобы обеспечить почти 100% преобразование «мода гиротрона - гауссов пучок - мода круглого волновода». Геометрические размеры упомянутого согласующего элемента подобраны таким образом, что обеспечивается полное прохождение моды круглого волновода СВЧ излучения в плазму, удерживаемую в магнитной ловушке, и предотвращается возникновение плазмы в паразитной ЭЦР зоне. А форма и характеристики согласующего элемента выбираются в зависимости от конкретной решаемой задачи. Как правило, согласующий элемент имеет форму плавного металлического конуса или клина, закрепленного на одной или более опорах.New in the developed device is that the node for introducing microwave radiation into the vacuum discharge chamber additionally includes a converter of the microwave radiation mode into a Gaussian beam located after the microwave generator and a Gaussian beam-to-circular waveguide converter located in front of the microwave input window. In this case, between the two aforementioned converters, a quasi-optical transmission line of microwave radiation in the form of a Gaussian beam is arranged. The geometric dimensions and shape of the transducers are selected in such a way as to ensure almost 100% conversion "gyrotron mode - Gaussian beam - round waveguide mode". The geometric dimensions of the said matching element are selected in such a way that the full passage of the mode of the round waveguide of microwave radiation into the plasma held in a magnetic trap is ensured and the occurrence of plasma in the parasitic ECR zone is prevented. And the form and characteristics of the matching element are selected depending on the specific problem being solved. As a rule, the matching element has the form of a smooth metal cone or wedge mounted on one or more supports.

Положительный эффект разработанного источника ионов можно объяснить следующим образом. Поскольку используется преобразователь моды гиротрона в гауссов пучок, можно применять технологические гиротроны, генерирующие мощное непрерывное излучение, осуществляя при этом транспортировку излучения в основном квазиоптически. Так как транспортировка СВЧ излучения осуществляется в основном с помощью квазиоптической линии передач, то удается применять мощное СВЧ излучение с частотой намного выше обычно используемой частоты. Благодаря тому, что перед входным окном имеется преобразователь излучения из гауссова пучка в моду круглого волновода, а согласующий элемент имеет специально подобранную форму и размеры, большая часть мощности (более 95%) непрерывного СВЧ генератора используется для получения плотной плазмы с высоким средним зарядом ионов. В результате разработанный источник ионов позволяет экстрагировать из плотной плазмы непрерывные пучки многозарядных ионов с током до долей Ампера и с высоким средним зарядом ионов.The positive effect of the developed ion source can be explained as follows. Since a gyrotron-to-Gaussian beam mode converter is used, technological gyrotrons that generate powerful continuous radiation can be used, while the radiation is transported mainly quasi-optically. Since the transportation of microwave radiation is carried out mainly using a quasi-optical transmission line, it is possible to use powerful microwave radiation with a frequency much higher than the commonly used frequency. Due to the fact that there is a radiation converter from the Gaussian beam to the circular waveguide mode in front of the input window, and the matching element has a specially selected shape and size, most of the power (more than 95%) of the continuous microwave generator is used to obtain a dense plasma with a high average ion charge. As a result, the developed ion source makes it possible to extract continuous beams of multiply charged ions from a dense plasma with a current up to fractions of Ampere and with a high average ion charge.

На фиг. 1 представлена схема сильноточного источника ионов на основе плотной плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке.In FIG. Figure 1 shows a diagram of a high-current ion source based on a dense ECR discharge plasma held in an open magnetic trap.

Сильноточный источник многозарядных ионов, представленный на фиг. 1, содержит СВЧ генератор 1, узел ввода 2 СВЧ излучения в металлическую разрядную вакуумную камеру 3, состоящий из преобразователя моды СВЧ излучения в гауссов пучок 4 (далее преобразователь 4) с системой согласующих зеркал 5, преобразователя гауссова пучка в моду круглого волновода 6 (далее преобразователь 6), выполненного в виде волноводного рупора, и согласующего элемента 7. Кроме того сильноточный источник многозарядных ионов содержит разрядную вакуумную камеру 3 с магнитной системой 8 пробочного типа, систему формирования и экстракции пучка ионов 9, изолятор 10 и камеру расширения 11, а также систему откачки 12 и систему подачи рабочего вещества 13. Магнитная система 8 состоит из нескольких (не менее двух) соленоидов, закрепленных вдоль оси разрядной вакуумной камеры 3 и создает магнитную ловушку с полем пробочной конфигурации с напряженностью, достаточной для возникновения зон электронно-циклотронного резонанса. Излучение на выходе из СВЧ генератора 1 преобразуется с помощью преобразователя 4 в волновой гауссов пучок, который системой согласующих зеркал 5 передается квазиоптически на вход преобразователя гауссова пучка в моду круглого волновода 6. После чего излучение вводится в разрядную вакуумную камеру 3 через окно на выходе преобразователя 6, которое вынесено за пределы магнитной ловушки.The high current source of multiply charged ions shown in FIG. 1, contains a microwave generator 1, an input unit 2 of microwave radiation into a metal discharge vacuum chamber 3, consisting of a microwave radiation mode converter into a Gaussian beam 4 (hereinafter referred to as converter 4) with a system of matching mirrors 5, a Gaussian beam-to-circular waveguide mode converter 6 (hereinafter a transducer 6), made in the form of a waveguide horn, and a matching element 7. In addition, a high-current source of multiply charged ions contains a discharge vacuum chamber 3 with a magnetic system 8 of a plug type, a beam formation and extraction system and ions 9, the insulator 10 and the expansion chamber 11, as well as the pumping system 12 and the working substance supply system 13. The magnetic system 8 consists of several (at least two) solenoids fixed along the axis of the discharge vacuum chamber 3 and creates a magnetic trap with a cork field configurations with an intensity sufficient for the appearance of electron-cyclotron resonance zones. The radiation at the output of the microwave generator 1 is converted using a transducer 4 into a Gaussian wave beam, which is transmitted quasi-optically to the input of the Gaussian beam transducer by a system of matching mirrors 5 into the mode of a circular waveguide 6. Then the radiation is introduced into the discharge vacuum chamber 3 through a window at the output of the transducer 6 which is carried outside the magnetic trap.

После окна СВЧ излучение, представляющее собой моду цилиндрического волновода ТЕ₁₁, проходит через согласующий элемент 7, осуществляющий сопряжение СВЧ излучения с разрядной вакуумной камерой 3. Возникающая в разрядном объеме камеры 3 плазма ограничена пробками магнитной ловушки. Система формирования и экстракции пучка ионов 9 состоит из плазменного электрода, ускоряющего электрода (пуллера), закрепленного на изоляторе 10, и источника высокого напряжения. При этом разрядная вакуумная камера 3 находится под высоким положительным потенциалом относительно земли.After the window, the microwave radiation, which is the mode of the cylindrical waveguide TE ₁₁ , passes through the matching element 7, which couples the microwave radiation to the discharge vacuum chamber 3. The plasma arising in the discharge volume of the chamber 3 is limited by the magnetic trap plugs. The system of formation and extraction of the ion beam 9 consists of a plasma electrode, an accelerating electrode (puller), mounted on the insulator 10, and a high voltage source. In this case, the discharge vacuum chamber 3 is at a high positive potential relative to the ground.

В общем случае согласующий элемент 7 представляет собой плавный в масштабах длины волны СВЧ излучения клин или конус, помещенный внутрь цилиндрической разрядной вакуумной камеры 3.In the general case, the matching element 7 is a wedge or cone that is smooth on the wavelength of microwave radiation and is placed inside a cylindrical discharge vacuum chamber 3.

Сильноточный источник ионов на основе плотной плазмы электронно-циклотронного резонансного (ЭЦР) разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, представленный на фиг. 1, работает следующим образом. Разрядную вакуумную камеру 3 предварительно откачивают с помощью системы откачки 12 до давления не хуже 3⋅10^-6 Торр. Магнитную ловушку с полем простой пробочной конфигурации создают с помощью магнитной системы 8 от отдельного блока питания. Величина магнитного поля должна быть достаточной для возникновения ЭЦР зон. Непрерывное СВЧ излучение с частотой, много большей обычно применяемой частоты, например 28 ГГц, направляют в разрядную вакуумную камеру 3 с помощью узла ввода 2 СВЧ излучения, состоящего из преобразователя 4 с системой согласующих зеркал 5, приемного рупора (преобразователя 6), преобразующего волновой пучок в волну ТЕ₁₁ цилиндрического волновода и согласующего элемента 7. Под действием СВЧ излучения в условиях электронно-циклотронного резонанса электроны приобретают высокую энергию, и в объеме разрядной вакуумной камеры 3 происходит ионизация рабочего вещества, предварительно поданного в камеру 3 системой подачи рабочего вещества 13. Образовавшаяся плазма ограничена пробками магнитной ловушки. Магнитная ловушка удерживает плазму от быстрого разлета, а наличие ЭЦР зон обеспечивает эффективный набор электронами энергии в поле СВЧ волны. Пучок ионов формируют под действием высокого напряжения от высоковольтного источника, приложенного между плазменным электродом и пулером. При этом вся разрядная вакуумная камера 3 находится под высоким потенциалом относительно земли.A high-current ion source based on a dense plasma electron-cyclotron resonance (ECR) discharge held in an open magnetic trap, shown in FIG. 1, works as follows. The discharge vacuum chamber 3 is pre-pumped using a pumping system 12 to a pressure not worse than 3⋅10 ^-6 Torr. A magnetic trap with a simple plug configuration field is created using a magnetic system 8 from a separate power supply. The magnitude of the magnetic field should be sufficient for the occurrence of ECR zones. Continuous microwave radiation with a frequency much higher than the commonly used frequency, for example 28 GHz, is sent to the discharge vacuum chamber 3 using the input unit 2 of microwave radiation, consisting of a transducer 4 with a system of matching mirrors 5, a receiving horn (transducer 6) that converts the wave beam into the TE ₁₁ wave of the cylindrical waveguide and matching element 7. Under the influence of microwave radiation under conditions of electron-cyclotron resonance, the electrons acquire high energy, and ionization occurs in the volume of the discharge vacuum chamber 3 tion of the working substance previously supplied to the chamber 3 by the working substance supply system 13. The resulting plasma is limited by the magnetic trap plugs. A magnetic trap keeps the plasma from rapidly expanding, and the presence of ECR zones provides an efficient collection of energy by electrons in the microwave field. The ion beam is formed under the action of a high voltage from a high voltage source applied between the plasma electrode and the puller. In this case, the entire discharge vacuum chamber 3 is at high potential relative to the ground.

Поскольку используется преобразователь моды СВЧ излучения в гауссов пучок 4, можно применять в качестве СВЧ генератора 1 технологические гиротроны, генерирующие мощное непрерывное излучение, осуществляя при этом транспортировку излучения в основном квазиоптически. Так как транспортировка СВЧ излучения осуществляется в основном с помощью квазиоптической линии передач (системы согласующих зеркал 5), то удается применять мощное СВЧ излучение с частотой, намного выше обычно используемой частоты. Ввиду того, что транспортировка СВЧ излучения осуществляется в основном с помощью квазиоптической линии передач, СВЧ генератор 1 оказывается электрически изолированным от разрядной вакуумной камеры 3, находящейся под высоким (до 100 кВ) потенциалом, ускоряющим ионы. Поскольку используется мощное коротковолновое СВЧ излучение (например, с частотой 28 ГГц и мощностью 10 кВт), то плазма имеет концентрацию электронов 10¹³ см^-3 и выше, а конус потерь электронов заполнен, и вынос плазмы из ловушки вдоль силовых линий магнитного поля происходит с ионно-звуковой скоростью. Поскольку окно ввода СВЧ излучения вынесено за пределы магнитной ловушки, а в пробке расположен согласующий элемент 7, использующийся и как уловитель плазмы, то окно не подвергается интенсивной ионной бомбардировке, не происходит разрушения окна и не происходит загрязнения рабочего вещества материалом окна. Кроме того, поскольку в пробке магнитной ловушки расположен согласующий элемент 7, использующийся и как уловитель плазмы, то не происходит образование плазмы в паразитной ЭЦР зоне. Благодаря тому, что перед входным окном имеется преобразователь 6 излучения из гауссова пучка в моду ТЕ₁₁, а согласующий элемент 7 имеет специально подобранную форму и размеры, большая часть мощности (более 95%) непрерывного СВЧ генератора 1 используется для получения плотной плазмы с высоким средним зарядом ионов. В результате разработанный источник ионов позволяет экстрагировать из плотной плазмы непрерывные пучки многозарядных ионов с током до долей Ампера и с высоким средним зарядом ионов.Since a microwave-to-Gaussian beam mode converter is used, technological gyrotrons generating high-power continuous radiation can be used as a microwave generator 1, while transporting radiation mainly quasi-optically. Since the transportation of microwave radiation is carried out mainly using a quasi-optical transmission line (matching mirror system 5), it is possible to use powerful microwave radiation with a frequency much higher than the commonly used frequency. Due to the fact that the transportation of microwave radiation is carried out mainly using a quasi-optical transmission line, the microwave generator 1 is electrically isolated from the discharge vacuum chamber 3, which has a high (up to 100 kV) potential, accelerating ions. Since high-power short-wave microwave radiation is used (for example, with a frequency of 28 GHz and a power of 10 kW), the plasma has an electron concentration of 10 ¹³ cm ^-3 and higher, and the electron loss cone is filled, and the plasma is removed from the trap along the magnetic field lines with ion-sound speed. Since the microwave input window is outside the magnetic trap, and the matching element 7 is located in the plug, which is also used as a plasma trap, the window does not undergo intensive ion bombardment, the window does not break, and the working substance does not become contaminated with the window material. In addition, since a matching element 7 is located in the plug of the magnetic trap, which is also used as a plasma trap, plasma does not form in the parasitic ECR zone. Due to the fact that in front of the input window there is a radiation converter 6 from a Gaussian beam to TE ₁₁ mode, and the matching element 7 has a specially selected shape and size, most of the power (more than 95%) of the continuous microwave generator 1 is used to obtain a dense plasma with a high average charge of ions. As a result, the developed ion source makes it possible to extract continuous beams of multiply charged ions from a dense plasma with a current up to fractions of Ampere and with a high average ion charge.

Таким образом, в разработанном устройстве в качестве СВЧ генератора используют мощный технологический гиротрон, работающий в непрерывном режиме генерации СВЧ, излучение которого представляет собой не гауссов пучок, а моду волновода. А использование преобразователя моды СВЧ излучения в гауссов пучок и преобразователя гауссова пучка в моду круглого волновода в узле ввода СВЧ излучения в разрядную вакуумную камеру позволяет осуществлять транспортировку этого СВЧ излучения в том числе квазиоптически. Наличие квазиоптической линии передачи позволяет электрически изолировать (создать DC break) мощный гиротрон от разрядной вакуумной камеры, находящейся под высоким потенциалом (до 100 кВ). Таким образом, разработанный сильноточный источник ионов на основе плотной плазмы электронно-циклотронного резонансного (ЭЦР) разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке, позволяет получить непрерывные пучки многозарядных ионов с током до долей Ампера и с высоким средним зарядом ионов.Thus, in the developed device, a powerful technological gyrotron operating in the continuous mode of microwave generation, the radiation of which is not a Gaussian beam, but a waveguide mode, is used as a microwave generator. And the use of a mode converter of microwave radiation into a Gaussian beam and a converter of a Gaussian beam into a circular waveguide mode in a node for introducing microwave radiation into a vacuum discharge chamber allows the transportation of this microwave radiation, including quasi-optics. The presence of a quasi-optical transmission line makes it possible to electrically isolate (create a DC break) a powerful gyrotron from a discharge vacuum chamber at high potential (up to 100 kV). Thus, the developed high-current ion source based on a dense plasma of an electron cyclotron resonance (ECR) discharge held in an open magnetic trap allows one to obtain continuous beams of multiply charged ions with a current up to fractions of an ampere and with a high average ion charge.

Claims

A high-current ion source based on a dense plasma of an electron cyclotron resonance (ECR) discharge held in an open magnetic trap, containing a microwave generator, a microwave radiation input unit for a vacuum discharge chamber, a pumping system, a working substance supply system, and a magnetic system for creating a magnetic field configurations with an intensity sufficient for the appearance of ECR zones inside the discharge vacuum chamber, a system for the formation and extraction of an ion beam from the plasma, and the site for introducing microwave radiation into the discharge The bottom of the vacuum chamber includes a quasi-optical transmission line of microwave radiation in the form of a Gaussian beam, an input window of microwave radiation, placed outside the magnetic trap and a matching element located in the tube of the magnetic trap and also used as a plasma trap, with the geometric dimensions and shape of the matching element selected in such a way that ensure the complete passage of microwave radiation into the discharge vacuum chamber, characterized in that the said node input microwave radiation into the discharge vacuum chamber up to It additionally includes a Gaussian beam mode converter located after the microwave generator and a Gaussian beam mode converter in front of the microwave input window, with a quasi-optical Gaussian beam transmission line in the form of a Gaussian beam located between the two aforementioned converters, and geometric dimensions and the shape of the aforementioned transducers is selected in such a way as to ensure complete transmission of microwave radiation into the discharge vacuum chamber.