Источник ионов на основе вакуумного дугового разряда
Назначение и особенности применения
Источники ионов на основе вакуумного дугового разряда Mevva-V.Ru предназначены для генерации импульсных широкоапертурных пучков ионов твердотельных проводящих веществ, а также гибридных пучков, состоящих из ионов газов и металлов. Источники могут использоваться для исследований по ионной имплантации и ионной модификации поверхности с целью улучшения её функциональных свойств. Например, для увеличения микротвердости, коррозионной стойкости поверхности, изменения свойств кристаллов, контролируемого увеличения проводимости диэлектриков. Созданные источники ионов используются в ряде отечественных и зарубежных научных организаций.
Принцип работы и особенности
Формирование широкоапертурного ионного пучка осуществляется за счет извлечения из плазмы вакуумного дугового разряда ионов и их ускорения в ионной оптической системе с общим диаметром 10 см. Для генерация пучков ионов используется разряд субмилисекундной длительности импульса с амплитудой тока уровня 100-500 А при остаточном давлении газа в вакуумной камере уровня (0,1 - 1) × 106 Торр. Постоянное ускоряющее ионы напряжение составляет от 20 до 60 кВ. Создание в разрядной системе источника импульсного квазистационарного магнитного поля уровня 1 Тесла позволяет увеличить среднюю зарядность ионов металлов в плазме в 1,5 - 2 раза и тем самым повысить энергию ионов пучка без увеличения ускоряющего напряжения. Напуск в разрядную систему рабочего газа до давления 105 - 5 × 104 Торр в совокупности с магнитным полем позволяет осуществить генерацию гибридных пучков, состоящих из газа и металла, доли которых в пучке могут регулироваться как давлением, так и величиной магнитного поля. Использование дейтерированных катодов позволяет осуществить генерацию пучков ионов этого изотопа водорода. Использование вакуумного дугового разряда с меньшей, субмикросекундной, длительностью импульса при амплитудном значении тока в единицы килоампер обеспечивает генерацию пучков ионов тяжелых металлов с высокими зарядовыми состояниями, например, для ионов висмута вплоть до Bi20+. При этом энергия этих ионов в пучке при максимальном ускоряющем напряжении 60 кВ превышает 1 МэВ.
Основные параметры источника в стандартной комплектации
| Режим работы | импульсный |
| Ускоряющее напряжение | 20 - 60 кВ |
| Ток вакуумной дуги | 100 - 500 А |
| Длительность импульса | 300 мкс |
| Частота следования импульсов | до 10 Гц |
| Ток ионного пучка | до 300 мА |
| Диаметр ионного пучка | 10 см |
| Тип ионов | Ионы любых проводящих твердотельных веществ, в том числе многокомпонентных |
| Рабочее давление в вакуумной камере | (0,1 - 1) × 10-6 Торр |
| Время набора экспозиционной дозы 1017 ионов/см2 в поверхность | Около 100 мин. |
| Период технического обслуживания | 40 часов |
Публикации
- Патент от 11.04.05, RU № 48105 U1, H 01J 27/18 A: "Вакуумно-дуговой источник ионов металлов", Николаев А.Г., Окс Е.М., Савкин К.П., Юшков Г.Ю., Браун Я., МакГилл Р., ИСЭ СО РАН.
- A.G. Nikolaev, E.M. Oks, K.P. Savkin, G.Yu. Yushkov, and I.G. Brown Upgraded vacuum arc ion source for metal ion implantation // Review of Scientific Instruments, 2012, V. 83, No 2, p. 02A501 (1-3).
- Николаев А.Г., Окс Е.М., Юшков Г.Ю. Влияние остаточного газа на зарядовое распределение ионов в плазме вакуумного дугового разряда. // ЖТФ, 1998, T. 68, № 9, С. 24-28.
- George Yu. Yushkov, Robert A. MacGill, and Ian G. Brown. Mevva ion source operated in purely gaseous mode // Rev. Sci. Instrum. Vol. 75, no. 5, pp. 1582-1585, 2004.
- Масс-зарядовый состав плазмы вакуумной дуги с катодом из циркония, насыщенного дейтерием /Г.Ю. Юшков, А.Г. Николаев, В.П. Фролова, Е.М. Окс, Г.С. Румянцев, С.А. Баренгольц // Письма в ЖТФ. 2014, Том 40, Вып. 23, с. 74-81.
- G.Y. Yushkov, V.P. Frolova, A.G. Nikolaev, and E.M. Oks High-Charge-State Ion Beam Generation in a High-Current Pulsed Vacuum Arc Source // IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, V. 47, No 8, p. 3586-3589.
- V.P. Frolova, A.G. Nikolaev, E.M. Oks, and G.Yu. Yushkov Deuterium ions in vacuum arc plasma with composite gas-saturated zirconium cathode in a magnetic field // Plasma Sources Sci. Technol., 2019, V. 28, p. 075015 (1-8).
