Źródło jonów typu ECR
ECRIS - Electron Cyclotron Resonance Ion Source
Zasada działania - co to jest ECR?
Źródło jonów typu ECR w ŚLCJ
Przykładowe zastosowania źródeł jonów typu ECR
Dostarczanie wiązek jonów do cyklotronu
Wykorzystanie w fizyce atomowej i fizyce ciała stałego
Zasada działania - co to jest
ECR?
Wyładowanie elektryczne w gazach rozrzedzonych było często
wykorzystywane do uzyskiwania zjonizowanych atomów w źródłach jonów
stosowanych w cyklotronach. Powstawaniu wieloładunkowych
jonów przeszkadzały niskie temperatury elektronowe plazmy oraz rekombinacja
jonów na ściankach komory lub w wyniku napotykania elektronów w gęstej
plaźmie. W źródłach nowej generacji plazmę nagrzewa się za pomocą mikrofal
dzięki elektronowemu rezonansowi cyklotronowemu (ECR).
Strumień promieniowania mikrofalowego o częstotliwości f = 6
18
GHz i mocy ciągłej 10 1000 W wprowadzany
jest do komory wyładowań umieszczonej
w polu magnetycznym o indukcji B pozwalającej na spełnienie warunku rezonansu:
f [GHz] = 2.8 B [kGs]. Jednocześnie pole magnetyczne jest tak ukształtowane,
aby stanowiło rodzaj pułapki magnetycznej - zwykle zwanej butelką.
Elektrony poruszające się po spiralach (zaznaczonych na rysunku 1)
wzdłuż linii sił pola magnetycznego wirują z częstotliwością rezonansową
= 2
f, osiągając w
rezultacie wysoką temperaturę. Uzyskiwane w ten sposób wysokie temperatury
elektronowe plazmy, rzędu kilkudziesięciu keV (~100 mln K), zapewniają
jonizację nawet głębokich powłok atomowych, nie pozwalając jednocześnie na
rekombinację jonów.
Ponadto wysoka temperatura elektronowa zapobiega nagrzewaniu
jonów, gdyż przekrój czynny na rozpraszanie elektronów na jonach jest odwrotnie
proporcjonalny do kwadratu energii elektronu. Jony pozostają więc zimne (~1
eV, 10000 K), co wydłuża ich czas przebywania w komorze wyładowań i wpływa
korzystnie na jakość wiązki wyprowadzanej ze źródła.
Rys. 1. Uproszczony schemat źródła jonów typu ECR.
Ponieważ magnetyczny moment dipolowy wynikający z ruchu elektronu
musi być zachowany ( - składowa
pędu prostopadła do kierunku pola magnetycznego), zatem, gdy indukcja pola
magnetycznego B wzrasta ku końcom pułapki, składowa pędu
wzrasta do wielkości maksymalnej .
W wyniku tego mechanizmu
elektrony zostają skierowane ku centrum pułapki i mogą być ponownie odbite od
przeciwległego jej końca. Dodatkowo, dla zapewnienia stabilności plazmy
jonowej pod względem hydrodynamicznym, na pole magnetyczne "butelki - pułapki"
wytworzone przez solenoidy (patrz rysunek 2), nakłada się pole multipolowe
(zwykle heksapolowe) uzyskiwane dzięki układowi segmentów magnesów
trwałych.
Źródło jonów typu ECR w ŚLCJ
W przedstawionym na rysunku 2 źródle pole magnetyczne wytwarzane
jest za pomocą uzwojeń (1) oraz magnesów trwałych (2) otaczających komorę
wyładowań (3). Odcinek linii transmisyjnej (4), przekazującej strumień
mikrofal do komory wyładowań, sprzężony jest z falowodem prostokątnym (6) za
pośrednictwem transformatora (5). Od strony wyjścia komora zamknięta jest
diafragmą (7), która wraz z układem soczewek elektrostatycznych (8) formuje
wiązkę jonów.
Rys. 2. Schemat źródła jonów zbudowanego w ŚLCJ.
Tabela 1. Wartości prądów wiązek (w
eµA)
jonów uzyskiwanych ze źródła zbudowanego w ŚLCJ.
Ion/q |
+1 |
+2 |
+3 |
+4 |
+5 |
+6 |
+7 |
+8 |
+9 |
+10 |
+11 |
+12 |
+13 |
4He |
220 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10B |
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11B |
|
47 |
57 |
21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12C |
|
100 |
120 |
55 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
14N |
|
160 |
180 |
130 |
75 |
|
|
|
|
|
|
|
|
16O |
|
|
190 |
180 |
85 |
32 |
|
|
|
|
|
|
|
18O |
|
|
45 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
19F |
|
|
65 |
80 |
47 |
22 |
10 |
2 |
|
|
|
|
|
20Ne |
|
|
150 |
145 |
115 |
90 |
49 |
5 |
|
|
|
|
|
22Ne |
|
|
|
120 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
32S |
|
|
|
|
109 |
|
118 |
56 |
16 |
6 |
|
|
|
40Ar |
|
|
|
|
|
90 |
65 |
58 |
15 |
|
5 |
|
|
84Kr |
|
|
|
|
|
|
30 |
32 |
27 |
20 |
14 |
|
4 |
Rys. 3. Rozkład stanów ładunkowych jonów siarki emitowanych
ze źródła (optymalizacja na ).
Przykładowe zastosowania źródeł
jonów typu ECR
Dostarczanie wiązek jonów do cyklotronu
Źródło połączone jest z centrum cyklotronu za pomocą tzw. linii
injekcyjnej - rysunek 4. Wiązka jonów wytwarzana w źródle (1) jest
ogniskowana przez soczewki: elektrostatyczną i magnetyczną (2), które są
umieszczone na wejściu do elektromagnesu (3). Elektromagnes ten odgrywa
jednocześnie rolę elementu ochylającego i analizującego. Odgięta wiązka
kierowana jest następnie do centrum cyklotronu, za pomocą soczewek
magnetycznych (4). Dalej w obszar akceleracji wiązkę wprowadza tzw. inflektor
zwierciadlany (5). Próżnię
mbar, niezbędną do prowadzenia wiązki wysoko naładowanych jonów, zapewnia
kombinacja pomp kriogenicznych i turbomolekularnych (6).
Rys. 4. Idea wprowadzania wiązki za pomocą inflektora w
obszar akceleracji cyklotronu, obok schemat linii injekcyjnej zbudowanej
w ŚLCJ.
Wykorzystanie źródła jonów typu ECR w fizyce atomowej i fizyce ciała stałego
Źródło jonów typu ECR, oprócz dostarczania do cyklotronu wiązek
wysoko zjonizowanych atomów, może służyć także do wielorakich badań z zakresu
fizyki atomowej czy fizyki ciała stałego (rysunek 5). Wiele ośrodków
wykorzystuje takie źródła, gdy cyklotron jest wyłączony, albo wręcz instaluje
je do tych celów oddzielnie.
Rys. 5. Zastosowania źródła jonów typu ECR (w żółtych polach).
Obecnie budowane źródła wytwarzają zarówno wiązki jonów
pierwiastków gazowych, jak i ciał stałych, np. O, S, Ar, Kr, Ni, Au, itd.
Natężenia wiązek wynoszą od kilku do kilkudziesięciu
dla małych źródeł i do kilkuset
dla dużych. Wiązka jonów emitowana
ze źródła ECR posiada zwykle energię
10-20 keV/q (gdzie q jest ładunkiem jonów, wynoszącym zazwyczaj kilka do
kilkunastu jednostek). Wiązkę tę można odpowiednio przygotować w zależności od
eksperymentu, np. spowolnić do kilkudziesięciu eV, albo przyspieszyć za pomocą
niewielkiego boostera (wnęki rezonansowej) do 1-2 MeV.
Rysunek 6 ilustruje jedno z zastosowań źródeł typu ECR w fizyce
atomowej. Wysoko zjonizowane atomy (np.
) mają nie zapełnione
wewnętrzne powłoki (K lub L). Rekombinacja przebiega poprzez wzbudzone stany
atomu. Elektrony przeskakując z zewnętrznych do wewnętrznych powłok pozbywają
się nadmiaru energii. W procesie tym emitowane jest promieniowanie
rentgenowskie lub emitowany są elektrony - tzw. elektrony Auger'a.
Eksperymenty takie mogą służyć do badań materiałowych lub do badań własności
powłok elektronowych w atomach.
Rys. 6. Przykład zastosowania wiązek jonów w fizyce atomowej.
Ostatnio źródło typu ECR pracujące w ŚLCJ wykorzystano m.in. do
prac nad implantowaniem membran polimerowych, które mogą być używane w
aparaturze medycznej lub przemysłowej.
Więcej informacji na temat ECR może udzielić dr Krzysztof
Sudlitz
-
k.sudlitz@inetia.pl.
Wersja tego tekstu w formacie
PostScript.
|