Enhanced physicochemical and biological properties of ion-implanted Titanium using Electron Cyclotron Resonance ion sources

The surface properties of metallic implants play an important role in their clinical success. Improving upon the inherent shortcomings of Ti implants, such as poor bioactivity, is imperative for achieving clinical use. In this study, we have developed a Ti implant modified with Ca or dual Ca + Si ions on the surface using an electron cyclotron resonance ion source (ECRIS). The physicochemical and biological properties of ion-implanted Ti surfaces were analyzed using various analytical techniques, such as surface analyses, potentiodynamic polarization and cell culture. Experimental results indicated that a rough morphology was observed on the Ti substrate surface modified by ECRIS plasma ions. The in vitro electrochemical measurement results also indicated that the Ca + Si ion-implanted surface had a more beneficial and desired behavior than the pristine Ti substrate. Compared to the pristine Ti substrate, all ion-implanted samples had a lower hemolysis ratio. MG63 cells cultured on the high Ca and dual Ca + Si ion-implanted surfaces revealed significantly greater cell viability in comparison to the pristine Ti substrate. In conclusion, surface modification by electron cyclotron resonance Ca and Si ion sources could be an effective method for Ti implants

Blocking effect on transmission of Ne7+ ions through nanocapillaries

L

Plazmafizikai kutatások ECR ionforrással = Plasma physics research by ECR ion source

Az ATOMKI eredetileg nagytöltésű nehézionok előállítására készült elektron-ciklotronrezonanciás (ECR) ionforrásában fullerén (C60) plazmákat állítottunk elő. Magát az ionforrást is jelentősen átalakítottuk, így a világon eddig publikált legmagasabb intenzitású fullerénion nyalábokat kaptuk: (C60+)-ból 500 nA, (C60++)-ból 1500 nA. C60+Fe és C60+N keverékplazmákat tanulmányoztunk, a kivont ionnyalábban a normál fullerénnél nagyobb tömegű részecskéket detektáltunk. Nyalábspektrum-analízisek, ESR és TEM vizsgálatok kimutatták, hogy e részecskék között olyan molekulák is vannak, melyben N, ill. Fe kapcsolódik különbözőképpen C58, C59 és C60 széngömbökhöz. Az ECR-plazma tehát alkalmas fullerének és más anyagok szintézisére. Ar, Xe és Fe plazmákról röntgenfelvétel sorozatokat készítettünk, a plazma ionjainak tér- és energiaeloszlását vizsgáltuk. Hagyományos és emissziós Langmuir-szondákkal a plazma helytől függő paramétereit (sűrűség, potenciál) vizsgáltuk. Kifejlesztettünk egy programcsomagot (TrapCAD), mellyel igen nagyszámú (pl. 10^5) elektron mozgása és energiaváltozása tanulmányozható és követhető grafikusan is az ECR és hasonló ionforrásokban. Az ECR ionforrást jelentősen átalakítottuk, mostantól két különböző üzemmódban használható. Alapkiépítésben a berendezés továbbra is kisméretű, magas ionizáltsági fokú nehézionplazmákat állít elő, melyből nagytöltésű ionnyalábok vonhatók ki. Az új elrendezésben nagyméretű, de kevésbé lefosztott plazmákat kapunk. Ekkor a berendezés elsősorban anyagkutatásra, plazma-felület kölcsönhatások tanulmányozására alkalmas. A világon ez az első ilyen kétfunkciós ECR-berendezés. | C60 plasmas were produced in the ATOMKI electron cyclotron resonance (ECR) ion source which was originally constructed for the production of highly charged heavy ions. After significant modifications the ever published highest intensities of fullerene ion beams were recorded: 500 nA of (C60)+ and 1500 nA of (C60)++. C60+Fe and C60+N mixture plasmas were studied, in the extracted beam spectra heavier particles than the normal fullerenes, were detected. Beam spectra analysis, ESR and TEM investigations showed that among these particles there were molecules in which N, or Fe were connected by different ways to C58, C59 and C60 carbon balls. This proved that the ECR plasma is suitable to synthesize fullerenes with other materials. X-ray photos were made of Ar, Xe and Fe plasmas and the spatial and energy distribution of the plasma ions were studied. Some local plasma parameters (density, potential) were investigated by traditional and emission-type Langmuir-probes. We developed a code (TrapCAD) to simulate and follow graphically the movement and energy evolution of large number (e.g. 10^5) of electrons in ECR and similar ion sources. The ECR ion source was significantly transformed and from now it can be used in two different working modes. In basic configuration the facility delivers the usual small size, highly charged heavy ion plasmas from which highly charged ion beams can be extracted. In the new arrangement large size, but less ionized plasmas are obtained. This mode is convenient for material research and for plasma-surface investigations. This is the first ECR facility in the world with such two functions

Conductivity mechanism probed by ion transmission through nanocapillaries during the discharging process

L

Ionok ütközése atomokkal, molekulákkal és felületekkel: magasabbrendű folyamatok = Collisions of ions with atoms molecules and surfaces: Higher-order processes

Ionok és atomok illetve molekulák ütközéseiben megmutattuk, hogy kis (1-100 keV/nukleon) ionenergiákon a többszörös elektronszórási folyamat (az un. Fermi-shuttle mechanizmus) járuléka elérheti a teljes elektron-emisszió 5-10 százalékát, és a nagyenergiás elektronok ki-bocsátásában ez a folyamat meghatározó lehet. A hidrogénmolekula ionizációjában magasabb rendben fellépő interferenciajelenségek közül pontosan megmértük a másodrendű folyamat járulékának szögeloszlását. Találtunk egy magasabb frekvenciájú komponenst is, melynek értelmezése egyenlőre nyitott kérdés. Ion-molekula ütközésekben megmértük a kilépő molekula-fragmentumok szög és energia-eloszlását, és értelmeztük annak anizotróp jellegét. Az ion-felület kölcsönhatások területén a szigetelő fóliákban kialakított nanokapillárisok un. ionterelő hatását vizsgálatuk. Felépítettük az ehhez szükséges mérőberendezést, majd elsőként kimutattuk és megmértük alumíniumoxid nanokapilláris minták ionterelő képességét. Elemeztük a lítiumszerű lövedékionokon végbemenő kételektronos, un. transzfer-loss folyamatot. Megmutattuk, hogy egy metastabil kvartett állapot keltési hatáskeresztmetszetét a lövedék magasabb héjaira befogódó elektronok teljes hozama szabja meg, amivel megmagyaráztuk egy anomálisan nagynak tekintett hatáskeresztmetszet eredetét. | It has been shown in collisions of ions with atoms and molecules that at low ion energies (1-100 keV/u), the contribution of the multiple electron scattering sequences (the so called Fermi-shuttle mechanism) may amount of 5-10% of the total electron emission. Morover, this process can be dominant in the emission of high energy electrons. Studying the higher order interference effects in the ionization of the hydrogen molecule, we accurately measured the angular distribution of the second order component. A higher frequency contribution has also been found, which has no evident interpretation yet. We measured the angular and energy distribution of molecular fragments in ion-molecule collisions, and provided an interpretation for its anisotropic properties. In the field of ion-surface interaction, we studied the ion-guiding ability of the nanocapillaries formed in foils of isolating materials. We have constructed the measuring apparatus. We determined first time the ion guiding properties of capillary samples formed in anodic alumina. We analyzed the transfer-loss process (a two-electron transition) on lithium like projectile ions. We have shown that the production cross section of a metastable quartet state is deter-mined by the capture yield to all the higher n shells of the projectile. This fact explained the anomaly of a ?too large? measured cross section

Electron cyclotron resonance ion source plasma characterization by energy dispersive x-ray imaging

Pinhole and CCD based quasi-optical x-ray imaging technique was applied to investigate the plasma of an electron cyclotron resonance ion source (ECRIS). Spectrally integrated and energy resolved images were taken from an axial perspective. The comparison of integrated images taken of argon plasma highlights the structural changes affected by some ECRIS setting parameters, like strength of the axial magnetic confinement, RF frequency and microwave power. Photon counting analysis gives precise intensity distribution of the x-ray emitted by the argon plasma and by the plasma chamber walls. This advanced technique points out that the spatial positions of the electron losses are strongly determined by the kinetic energy of the electrons themselves to be lost and also shows evidences how strongly the plasma distribution is affected by slight changes in the RF frequency. © 2017 IOP Publishing Ltd

Egzotikus atomfizikai folyamatok plazmákban és szilárdtestek felületén = Exotic Atomic Processes in Plasmas and on Solid Surfaces

Kutatási eredményeink többsége a debreceni elektron-ciklotronrezonanciás (ECR) plazma- és ionforrás folyamatos fejlesztésén és többcélú, a plazmafizikától az asztrofizikáig, a nanotechnológiától az orvostudományig terjedő alkalmazásán alapul. A kísérleti elrendezések függvényében vizsgáltuk az előállított nagytöltésű nehézionok, plazmák, ionnyalábok (Ne1+-8+, Ar1+-16+, Xe1+-24+, C601+-3+, ....) paramétereit (ionizációs összetétel, sűrűség, röntgenspektrumok, potenciális és kinetikai energia) és azokat összehasonlítottuk más plazmafizikai kutatások adataival, elősegítve a kozmikus vizsgálatok eredményeinek a teljesebb megértését is. A nagytöltésű ionok és a bizonyos speciális szilárdtestek (funkcionális amorf kalkogenid alapú félvezető rétegek, kapillárisokat tartalmazó polimer rétegek, titán implantátumok, stb.) kölcsönhatásainak specifikus, mikro- és nanoskálán jelentkező tulajdonságait és mechanizmusát kutattuk, különös tekintettel az ionok töltése által keltett átalakulásokra Se, AsSe rétegekben, Ti felületen, valamint mikrokapillárisok belsejében. Ezek alapján céloztuk meg a vizsgált ionnyalábok potenciális alkalmazásait felületi félvezető mikro- és nanostruktúrák in situ előállítására, biokompatibilis implantátumok felületi módosítására, ionnyaláb fókuszáló, irányító mikroeszközök kialakítására. Eredményeink többsége az ECR ionforrás alkalmazására épülő új kutatási-fejlesztési témákat (pl. funkcionizált biokompatibilis anyagok, integrált ionoptika) alapoz meg. | Majority of our research results base on continuous development of the Electron Cyclotron Resonance (ECR) plasma and ion source and its multipurpose application from plasma physics to astrophysics and from nanotechnology to medical sciences. The parameters (composition, density, X-ray spectra, potential and kinetic energy) of the generated highly charged heavy ions (Ne1+-8+, Ar1+-16+, Xe1+-24+, C601+-3+, ....) have been investigated in dependence from the experimental conditions and the results were compared with data of other plasma physics research which enabled understanding more deeply some cosmic phenomena. The specific characteristics and mechanisms of interaction of highly charged ions with solid surfaces (functional amorphous chalcogenide-based semiconductor layers, polymer layers with capillaries, titanium implants, etc.) at micro- and nano-scale dimensions were investigated with a special attention to ion-charge induced transformations in Se, AsSe layers and on Ti surfaces, as well as to the ion transport inside the micro-capillaries. It was the basis of our targeted research on the possibilities of applications of these ion beams for the in situ creation of surface micro- and nanostructures on given semiconductors, for surface modification of biocompatible implants, as well as for development of micro-tools for guiding and focusing ion beams. Most of our results serve a good basis for new ECR-based R&D themes like new biocompatible materials, integrated ion optics