Аберації в сильнострумовій плазмовій лінзі

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

УДК 533.9.004.14 533.9.07

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

АБЕРАЦІЇ В СИЛЬНОСТРУМОВІЙ ПЛАЗМОВІЙ ЛІНЗІ

Фізична електроніка 01.04.04

Добровольський Андрій Миколайович

Київ - 1999

??????????? ? ???????.

Робота виконана в Інституті фізики НАН України.

Науковий керівник: доктор фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник Гончаров Олексій Антонович, Інститут фізики НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти

Доктор фіз.-мат. наук, професор,Кириченко Георгій Сергійович НЦ “ІЯД”, зав. відділом фізики плазми

Кандидат фіз.-мат. наук, доцент,Черняк Валерій Якович Кіївський Національний Університет ім. Тараса Шевченко, доцент кафедри фізичної електроніки

Провідна установа ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут” Інститут плазмової електроніки та нових методів прискорення, м. Харків

Захист відбудеться “24” 02 2000 р. о 14:30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 03650 МСП, 03039, Київ-22, проспект Науки, 46.

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

Автореферат розісланий 24.01.2000.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації

Останнім часом існує стійкий інтерес до проблеми одержання та керування інтенсивними пучками іонів різних елементів. Такі пучки, і перш за все пучки важких іонів, як засіб доставки на значні відстані енергії, імпульсу та маси речовини, стають винятково важливим об'єктом фундаментальних наукових досліджень та, одночасно, невід'ємною частиною сучасних високих технологій, як то: високодозна іонна імплантація та іонна обробка матеріалів (очищення, полірування, нанесення покрить та модифікація властивостей поверхні). Вони знаходять застосування в програмах по дослідженню керованого термоядерного синтезу, в дослідженнях колективних методів прискорення, мас-сепарації ізотопів, прискорювачах заряджених часток та ін. В той же час, такі пучки, що мають значний радіальний перепад потенціалу

_b (_b=I_b/V_b,

де I_b- струм іонного пучка, а V_b- його швидкість), для самого свого існування вимагають створення достатньо щільного, компенсуючого їх об'ємний заряд плазмового середовища. Це середовище (іонно-пучкова плазма) екранує поля традиційних електростатичних вакуумних лінз, що робить їх застосування дуже неефективним. Одночасно, значна енергоємність та зменшення оптичної сили магнітних вакуумних лінз з збільшенням маси часток не дозволяє орієнтуватися на них як на заміну електростатичним.

Таким чином можна стверджувати, що сама поява плазмооптичних пристроїв була викликана труднощами, з якими зустрілися дослідники при спробі використання традиційних пристроїв вакуумної корпускулярної оптики для керування інтенсивними пучками заряджених часток. Хоча спроби використання для цих цілей об'ємного заряду робилися ще на в першій половині століття, лише після появи ідеї використання магнітної ізоляції електронів та еквіпотенціалізації магнітних силових ліній (О.І. Морозов, ДАН СРСР, 1965, 163, с. 1363) для введення об'ємних електричних та магнітних полів в плазмове середовище компенсованого іонного пучка, починається розвиток плазмооптики як самостійного напрямку у фізичній електроніці та фізиці плазми. Пристрої, що були побудовані з її використанням, виявились дуже ефективними. На сьогодні вони представлені великою родиною реалізованих експериментально пристроїв, що все частіше знаходять практичне застосування, і вона продовжує поповнюватися. Власне плазмова лінза (ПЛ) вирізняється серед них своєю відносною простотою, практичною значимістю та можливістю одночасного вивчення властивостей, що визначають плазмооптичні пристрої в цілому. Останнє можливо тому, що в ПЛ найбільш повно та послідовно реалізується головна плазмооптична ідея.

Другим суттєвим моментом є впровадження в наукову та технологічну практику пучків великого початкового діаметру. Відомо, що класична корпускулярна оптика оперує з параксіальними пучками, що відчувають дію прилеглої до вісі частини фокусуючого поля. Через це, використання їх з пучками великого діаметру, навіть за умови проникнення керуючого поля в об'єм пучка, пов'язано з значним впливом на результати фокусування та керування притаманних їм неусувних сферичних аберацій. Другий підхід - створення пристроїв дуже великого діаметру, пов'язаний з неприпустимим рівнем енергозатрат.

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

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

Вивченню особливостей функціонування саме сильнострумової плазмової лінзи (СПЛ), тобто лінзи, для якої радіальний перепад потенціалу пучка, що крізь неї проходить, перевищує максимальний зовнішній потенціал, що прикладений до електродів лінзи, в умовах керування пучком великого початкового діаметру присвячено цю дисертацію. Головна увага приділялась вивченню впливу притаманних СПЛ аберацій (сферичних, моментних та динамічних) на її фокусуючі властивості. При цьому треба відзначити, що вийти на режим сильнострумової ПЛ в експериментах можливо як за рахунок досягнення великих струмів (до 2 А) при середніх (до 30 кеВ) енергіях пучка, так і за рахунок зменьшення енергії пучка (100-500 еВ) при малих струмах (до 50 мА). В роботі було використано обидві можливості. За допомогою джерела газових іонів без магнітного поля з багатоапертурною іонно-оптичною системою отримано пучок іонів водню з струмом до 2 А і енергією до 20 кеВ, а за допомогою вакуумно-дугового джерела з металевими катодами одержано пучки важких іонів(Cu, Mo, Zn, C) струмом до 50 мА та енергією 100-500 еВ. Мета роботи полягає у визначенні особливостей функціонування сильнострумової плазмової лінзи, що керує пучком великого початкового діаметру, та дослідити вплив притаманних їй статичних та динамічних аберацій на фокусування та керування інтенсивним імпульсно періодичним пучком іонів різних елементів середніх та низьких енергій.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами.

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

Наукова новизна одержаних результатів

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

Експериментально реалізовано та досліджено сильнострумову плазмову лінзу з широкоапертурним імпульсно-періодичним пучком іонів різних елементів та енергій.

Встановлено, що статичні та динамічні характеристики такої плазмової лінзи визначаються також і струмом іонного пучка, що проходить.

Показано, що мілкомасштабні турбулентні шуми, що спостерігаються за відсутності сферичних аберацій, залежать від струму пучка, що проходить, та пов'язані з принципово неусувним градієнтом магнітного поля лінзи.

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

Продемонстровано, що за допомогою сферичних аберацій можливо керувати радіальним профілем пучка на мішені.

Експериментально досліджено особливості формування пучків іонів металів енергією менше 500 еВ та струмом до 50 мА та керування ними за допомогою СПЛ.

Наукове та практичне значення одержаних результатів

Наукове та практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

Результати, що отримані, поглиблюють розуміння фізичних механізмів, що визначають процеси функціонування СПЛ, а також керування та фокусування інтенсивних іонних пучків різних елементів та енергій великого початкового діаметру.

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

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

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

Особистий внесок здобувача

Весь експериментальній та теоретичний матеріал було одержано в Інституті фізики НАН України під керівництвом доктора фіз.-мат. наук Гончарова О.А. та при практичній допомозі кандидата фіз.-мат. наук Проценко І.М., який також відігравав ключову роль у розробці та налагоджуванні експериментальних пристроїв та методик вимірювань. За цих умов особистим внеском здобувача є: Автор брав активну участь в постановці експериментальних завдань, виконував експериментальні вимірювання та обробку отриманих результатів. Брав участь в теоретичних дослідженнях та виконував розрахунки на ЕОМ. Брав участь у написанні наукових статей та інтерпретації отриманих результатів, конструюванні експериментальних пристроїв та створенні необхідних вимірювальних вузлів, відпрацюванні методик.

Апробація результатів дисертації

Матеріали, що використані в дисертації доповідалися на XV та XVII Міжнародних симпозіумах з розрядів та електричній ізоляції у вакуумі (Дармштадт, 1992, ФРН та Берклі, 1996, США), V та VI Міжнародних конференціях з джерел іонів (Пекін, 1993, Китай та Вістлер, 1995, Канада), IV Українській конференції з Керованого термоядерного синтезу та фізиці плазми (Харків, 1995, Україна), неодноразово доповідалися на Загальносоюзних семінарах з фізики та техніки інтенсивних джерел іонів та іонних пучків (Київ), а також були опубліковані в наукових журналах (IEEE Transactions on Plasma Science, Review of Scientific Instruments, «Физика плазмы», «ЖТФ»). Крім того, результати дисертації неодноразово обговорювалися на семінарах в Інституті фізики НАН України та в РНЦ “Курчатовський інститут”. Результати отримані з використанням стандартних методик фізики плазми та стандартних промислових вимірювальних приладів. Вони постійно відтворюються в експеріменті та узгоджуються з даними одержаними іншими дослідниками.

Дисертаційна робота містить 152 сторінки, серед них 57 рисунків, список використаних літературних джерел з 52 найменувань та список публікацій автора за темою дисертації з 14 найменувань, з яких 7 в реферованих журналах. Робота складається з вступу, огляду, трьох розділів та заключення.

іонний плазмовий лінза аберація

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі стисло викладено актуальність розглянутого питання в сучасних умовах та загальна характеристика всієї роботи і її зміст.

В огляді стисло викладено головні положення плазмооптики в їх історичному розвитку, наведено історію та сучасний стан досліджень плазмових лінз.

Зазначено, що на кінець 80х років було досліджено головні фізичні механізми, що визначають роботу ПЛ з пучками середніх енергій (десятки кеВ) та струмом до 100 мА. Визначено, що в цих режимах плазмова лінза працює як лінза Габора з об'ємним зарядом за значної перекомпенсації об'ємного заряду пучка. За цих умов і зокрема, коли радіальний перепад потенціалу пучка менше зовнішнього керуючого потенціалу, статичні та динамічні характеристики плазмових лінз практично повністю визначаються законами поведінки електронної хмари в магнітоелектростатичній пастці зі збереженням принципу еквіпотенціалізації магнітних силових ліній. На початок 90х років було детально досліджено статичні та динамічні характеристики роботи ПЛ в цих умовах та визначені режими роботи з максимальним придушенням колективних процесів в електронній хмарі. Поява та впровадження на початку 90х в практику добре сформованих пучків великого початкового діаметру з значним радіальним перепадом потенціалу дозволила вийти на квазінейтральний режим роботи ПЛ та перейти на роботу в режимі сильнострумової плазмової лінзи. Вже перші експерименти з СПЛ вказали на те, що саме в цих умовах чітко виконуються теоретичні положення статичної плазмооптики. Ці ж експерименти продемонстрували, що в нових умовах виконуються головні положення плазмооптики і, водночас, збільшуються можливості застосування плазмових лінз. Наприклад, за рахунок реалізації розсіювальної лінзи. Все це робить актуальним детальне вивчення особливостей керування пучками різних елементів та енергій за допомогою сильнострумової плазмової лінзи.

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

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

В другому розділі викладено результати досліджень фокусуючих властивостей сильнострумової плазмової лінзи та впливу на них сферичної та моментної аберацій. Продемонстровано, що СПЛ мають багато ступенів свободи, що дозволяє змінювати радіальний профіль електричного потенціалу в широких межах, тим самим змінюючи величину сферичних аберацій до її повного усунення. Наведено результати вивчення впливу топографії силових ліній магнітного поля на формування робочого середовища лінзи з заданими параметрами, а також впливу різних параметрів на формування профілю електричного потенціалу в об'ємі СПЛ. Продемонстровано наявність оптимальної топографії магнітного поля, яка забезпечує можливість побудови лінзи без сферичної аберації та наслідки не дотримання такої конфігурації. Показано можливість керування радіальним розподілом потенціалу в об'ємі лінзи шляхом зміни розподілу зовнішнього потенціалу по фіксуючих електродах лінзи, зміни їх форми та кількості за умов оптимального магнітного поля та фіксованій силі струму пучка. Отримані результати дають підстави зробити висновок про можливість встановлення параболічного розподілу потенціалу для фіксованих параметрів іонного пучка шляхом добору розподілу зовнішнього керуючого потенціалу по електродах.

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

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

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

Друга частина розділу присвячена результатам дослідження впливу моментної аберації СПЛ на пучки, що фокусуються. Продемонстровано, що після проходження фокусуючого поля СПЛ, що не має сферичної аберації, пучки важких іонів набувають характерний східчастий радіальний профіль. Одержані дані дозволяють однозначно співставити східчастість профілю пучка з його зарядовим складом. Відсутність сферичної аберації демонструє відсутність змін профілю густини струму пучка однозарядних іонів вуглецю. Розраховано вираз для мінімально можливих радіусів іонного пучка в залежності від кратності заряду іонів. Показано, що найпомітніше моментна аберація впливає на радіальний розподіл густини струму пучка великого діаметру в фокальній площині лінзи. Ця особливість роботи СПЛ з пучками дає змогу використовувати її для аналізу зарядового складу пучка або навіть розділення пучка на зарядові складові.

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

До третього розділу було зібрано результати дослідження динамічних аберацій СПЛ. Показано, що за відсутності сферичної аберації в об'ємі СПЛ присутні мілкомасштабні коливання нерегулярного характеру високої частоти. Наведені криві ілюструють поведінку цих коливань в залежності від параметрів лінзи, характер їх локалізації в об'ємі лінзи та порогові залежності їх виникнення.

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

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

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

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

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

Експериментально реалізована та досліджена сильнострумова плазмова лінза, що керує пучком іонів різних елементів низької та середньої енергії великого початкового діаметру. Продемонстровано, що вона є ефективним інструментом керування такими інтенсивними пучками і має деякі особливості порівняно з режимами вивченими раніше. Так, фокусуючі властивості СПЛ визначаються також і струмом фокусуємого пучка.

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

Для позбавленої сферичної аберації лінзи, експериментально та теоретично розглянуто вплив на якість фокусування пучка моментної аберації. Запропонована формула розрахунку мінімального радіусу фокусуємого пучка з врахуванням моментних аберацій та запропоновано варіант їх використання.

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

Все вище згадане дозволяє стверджувати доцільність використання сильнострумових плазмових лінз для фокусування та керування інтенсивними іонними пучками різних елементів низьких та середніх енергій великого діаметру.

На захист винесено наступні положення:

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

Сферичну аберацію можна використовувати для керування профілем густини струму фокусуємого пучка на мішені без втрат частини його полного струму. Змінюючи характер аберацій можливо отримувати потрібний профіль густини струму пучка на мішені в заданому перетині за лінзою та, зокрема, робити його однорідним.

Статичні характеристики сильнострумової плазмової лінзи визначаються й силою струму іонного пучка, що фокусується.

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

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

СПИСОК НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

Goncharov A.A., Dobrovolsky A.N., Kotsarenko A.N. and Protsenko I.M. High-current plasma lens and focusing of intense ion beams // Rev. Sci. Instrum.-1994-65,№4-pp.1-3.

Гончаров А.А., Добровольский А.Н., Koцаренко А.Н., Морозов А.И., Проценко И.М. Статические и динамические свойства сильноточной плазменной линзы // Физика плазмы-1994-20, №5, С. 499-505

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

A.A.Goncharov, I.M.Protsenko and A.N.Dobrovolsky "Characteristics of low-energy intense ion beam formation and transport" Rev. Sci. Inst. vol.67, no3 March, 1996, pp. 1073-1075

Гончаров А.А., Добровольский А.Н., Задорожный В.Ф. О трансформации радиального профиля интенсивного ионного пучка плазменной линзой//ЖТФ, 67, №8, 1997, стр. 97-99.

A.N.Dobrovolsky,. A.A.Goncharov, I.V.Litovko, I.M.Protsenko , V.F.Zadorodzny Role of aberrations in High-current plasma lenses// IEEE Trans. on Plasma Science-1997 -25, №4-pp. 709-713.

Goncharov A.A., Dobrovolsky A.N., Zatuagan A.V., Protsenko I.M. High-current plasma lens // XVth Intern. Sumposium on Disharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV). Darmstadt, Germany-1992, September-pp. 698-702.

Гончаров А.А., Добровольский А.Н., Затяган А.В., Морозов А.И., Проценко И.М. Исследование сильноточной плазменной линзы // Препринт ИФ АН Украины, Киев-1992, №2- 25 стр.

Goncharov A.A., Dobrovolsky A.N., Kotsarenko A.N., Protsenko I.M. High-current plasma lens and focusing of intense ion beams // 5th Intern. Confer. on Ion Sources. Beijing, China-31.08-4.08, 1993-p.83.

A.A.Goncharov, I.M.Protsenko, A.N.Dobrovolsky "The peculiarities of low-energy intense ion beams formation and transport"// ICIS'95, Book of abstracts, Whistler, Canada-1995, September 10-16, p. 104.

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

Гончаров А.А., Добровольский А.Н., Затяган А.В., Проценко И.М. Исследование процессов в сильноточной плазменной линзе // IX Симпозиум по сильноточной электронике. Россия-Тез. докл.-21-30.07., 1992-С. 97-98.

A.N.Dobrovolsky,. A.A.Goncharov, I.V.Litovko, I.M.Protsenko , V.F.Zadorodzny High-current plasma lens: role of aberrations. Proceedings the XVII-th ISDEIV, Berkeley, California, July 21-26, 1996, p. 570-573.

Анотації

Добровольський А.М. “Аберації в сильнострумовій плазмовій лінзі” - рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. - Інститут фізики НАН України, Київ, 1999.

Дисертацію присвячено дослідженню ефективності управління іонними пучками різних елементів великого початкового діаметру низької та середньої енергій за допомогою сильнострумової плазмової лінзи та впливу на якість фокусування пучка притаманних такій лінзі аберацій. В роботі показано від яких параметрів та як залежить фокусуюча дія такої лінзи. Продемонстровано залежність статичних характеристик лінзи від конфігурації силових ліній магнітного поля, розподілу зовнішнього потенціалу по електродах та їх кількості й сили струму пучка, що фокусується. Показана можливість використання сферичної аберації для управління профілем густини струму пучка на мішені в заданому перерізі вісі Z. Запропонована формула розрахунку радіального профілю потенціалу в тонкій плазмовій лінзі необхідного для одержання однорідного на мішені профілю густини струму пучка. Експериментально показана можливість побудови плазмової лінзи позбавленої сферичної аберації та досліджена дія моментної аберації. Показано вплив моментної аберації на фокусування пучка великого початкового діаметру за відсутності сферичної аберації та можливий спосіб її використання.

Запропонована формула розрахунку мінімального радіусі пучка з урахуванням дії моментної аберації. Досліджено виникаючі в позбавленій сферичної аберації лінзі дрібномасштабні коливання нерегулярного характеру. Вивчено інтегральні характеристики такої динамічної аберації та показано, що вони добре узгоджуються з висновками з запропонованої теорії їх виникнення.

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

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

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

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

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

На защиту вынесены следующие положения:

1. Сферические аберрации СПЛ оказывают значительное влияние на радиальный профиль фокусируемых широкоапертурных слаборасходящихся интенсивных ионных пучков. Меняя конфигурацию силовых линий магнитного поля, количество фиксирующих электродов и распределение на них внешнего потенциала, можно управлять радиальным профилем электрического потенциала в объеме линзы и, в частности, делать его параболическим, лишенным сферической аберрации. 2. Сферические аберрации можно использовать для управления профилем плотности тока фокусируемого пучка на мишени без потери части его полного тока, меняя характер аберраций возможно получать необходимый профиль пучка в заданном сечении за линзой и, в частности, делать его однородным на мишени.

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

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

5. Появление динамических аберраций в СПЛ в отсутствие сферических аберраций определяется током проходящего пучка и приводит к снижению эффективности фокусировки не оказывая заметного воздействия на характеристики самого пучка в фокусе.

Ключевые слова: сильноточная плазменная линза, пучки ионов разных элементов, пучок низкой энергии, пучок средней энергии, широкоапертурный пучок, сферическая аберрация, моментная аберрация, динамическая аберрация.

Dobrovol's'kii A.M. The Aberrations in the High-Current Plasma Lens.- Manuscript.

Thesis is for the candidate of physico-mathematical sciences degree by speciality 01.04.04 - physical electronics.- The Institute of physics of the National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 1999.

The dissertation is devoted to investigation of efficiency manipulating of wide aperture intense ion beam of different elements of low and middle energy by high current plasma lens and effect of lens's aberrations on focus quality. In the thesis is shown what from parameters and as the focusing ability of such lens depends. It is shown, dependence of the lens static characteristics on a configuration of a magnetic field power lines, allocation of an external potential on electrodes and their amount, and also force of a passing ion beam current. The possibility of using of a spherical aberration for handle of the profile of a ion current density on the target in a specific place of an axes Z is shown. The formula of account of the radial profile of a potential in a thin plasma lens necessary for obtaining the homogeneous current density profile of ion beam on the target is offered. Possibility of a construction of a plasma lens without a spherical aberration experimentally is shown and the influence of a momentum aberration is investigated. Is shown as the momentum aberration effect on a wide aperture beam focusing in without the spherical aberration plasma lens and one uses possibility. The formula of account of a beam minimum radius with allowance for momentum aberration is offered. The small-scale oscillations that appearing in absence the spherical aberrations, of an irregular character, the integrated characteristics such dynamical aberration are investigated, and is shown, that the experimental results will be well agreed the outputs of the offered theory of their origin.

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

Размещено на Allbest.ru