Źródło jonów typu ECR

ECRIS – Electron Cyclotron Resonance Ion Source

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 101000 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 omega_C = 2 pi* 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 mu = Ptr^2/B musi być zachowany ( Ppr – składowa pędu prostopadła do kierunku pola magnetycznego), zatem, gdy indukcja pola magnetycznego B wzrasta ku końcom pułapki, składowa pędu Ppr wzrasta do wielkości maksymalnej Ptot . 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 S^(+7) ).

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 10^(-7) 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. C^(+5) ) 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.