Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing

This paper describes the intrinsic capability of ion systems with reversed magnetic beam focusing for impurities mass-separation. Numerical calculation of the ion trajectory deviation with taking into account the experimental ion energy distribution function for hydrogen-oxygen gas mixture was carried out. It is demonstrated that O⁺ impurities which are present in the beam are separated and form the circle with a diameter of ≈6 mm. Therefore, the central part of the spot is free of impurities due to magnetic separation. As a result, the source generates steady-state hydrogen ion beam, which irradiates the surface with high heat and particle fluxes, which approach the upper limit for the flux range expected in a fusion reactor.Исследованы особенности масс-сепарации примесей в ионно-пучковых системах с реверсивной магнитной фокусировкой пучка. Численно рассчитаны отклонения траекторий ионов с учетом экспериментально измеренной функции распределения энергии ионов для водородно-кислородной газовой смеси. Показано, что примеси О⁺ в пучке сепарируются и формируют кольцо диаметром ≈ 6 мм. Таким образом, центральная часть пучка чиста от примесей вследствие магнитной сепарации. В результате источник генерирует стационарные мощные потоки тепла и ионов водорода, которые близки по своим параметрам к потокам, ожидаемым на материалы стенки термоядерного реактора.Досліджено можливість мас-сепарації домішок в іонно-пучкових системах з реверсивним магнітним фокусуванням пучка. Чисельно розраховано відхилення траєкторій іонів з урахуванням експериментально зміненої функції розподілу енергії іонів для воднево-кисневої газової суміші. Показано, що домішки О⁺ в пучку сепаруються та формують кільце діаметром ≈ 6 мм. Таким чином, центральна частина пучка є чистою від домішок унаслідок магнітної сепарації. В результаті джерело генерує стаціонарні потужні потоки тепла і іонів водню, які близькі за своїми параметрами до потоків, очікуваних на матеріали стінки термоядерного реактора

Charged particles accumulation in drift space of warm electron beam during non-stationary virtual cathod existence

In this paper, the properties and the formation of collective electromagnetic trap for electron beam that propagates in a conducting cylinder are described. It is shown that the electron beam provides the development of an electrostatic instability in the above-mentioned conditions. The instability leads to the appearance of a non-stationary virtual cathode and the formation of electrostatic potential trap. This phenomenon takes place in the central region of the drive space where the amplitude of the electrostatic potential has two maxima. The trap confines electrons during its formation and keeps them inside the drift tube. Once seized in the trap, electrons have rather low temperature and are unstable to diocotron oscillations. During the evolution of diocotron instability the spatial charge redistribution takes place in the cross-section of the beam, which is probably connected with the drift of electrons in longitudinal magnetic field. This process is accompanied not only by azimuthal redistribution of the beam density, but also by radial transfer of electrons across magnetic field, which leads to the increase of the radial beam dimensions and to the injection of electrons onto the walls of the drift chamber. The variations of the radial beam dimensions, and, hence, the spatial charge redistribution in longitudinal direction lead to the corresponding variation of the longitudinal distribution of electric potential, and appearance of self-consistent field of 'potential pit' type in central region of the drive space

Self-consistent penning-malmberg trap

Self-consistent interaction of electrons with electric fields observed in drive space of velocity spread impulse electron beam in longitudinal homogeneous magnetic field during and after the injecting impulse was investigated. The mechanism by which non-neutral electron plasma is accumulated and confined has been studied. Physical behavior of non-neutral plasma has been studied in various non-neutral particle traps, a typical of which is Penning–Malmberg trap. It is a cylindrical trap where the radial motion of the non-neutral particles is constrained by magnetic field, while the longitudinal motions are constrained by electrostatic potential well. When used as an electron trap, the electrons from a thermal cathode are injected parallel to the magnetic field while the cathode side of the electrostatic well is open. By closing the wall dynamically, the electrons that fail to escape during the well closure are trapped. In our experiments the holding electrostatic walls arise self-consistently, simultaneously with injection of an electron beam in the space of drift. Seized there are those particles that at the moment of formation of the trap were in the space of drift

Dynamics of macroparticle in a weakly collisional plasma

The transport of a macroparticle (MP) in an expanding cathodic vacuum arc plasma, which interacts with a background gas, is investigated. The influence of ion-neutral collisions on MP is studied in the framework of self-consistent model based on the fluid approach and orbital motion limited theory. It is found that the electrostatic re-flection of MP increases with collisionality as a consequence of the increased negative potential of MP. A compari-son of the ion drag and neutral drag forces governing the MP dynamics is made. It is shown that the ion drag force decreases with the ion collisionality, while the neutral drag force increases.Досліджено транспорт макрочастинки (МЧ) у плазмі, що розширюється, катодної вакуумної дуги при взаємодії з газом. Вплив зіткнень іонів з нейтралами на МЧ вивчається на підставі самоузгодженої моделі, що базується на теорії рідини та теорії обмеженого орбітального руху. Отримано, що електростатичне відбиття МЧ зростає із зіткненністю внаслідок збільшення від’ємного потенціалу МЧ. Зроблено порівняння сили іонного захвату та сили тертя з боку нейтралів, які визначають динаміку МЧ. Було показано, що сила іонного захвату зменшується із зіткненністю в той час, як сила тертя з боку нейтралів збільшується.Исследован транспорт макрочастицы (МЧ) в расширяющейся плазме катодной вакуумной дуги при взаимодействии с газом. Влияние столкновений ионов с нейтралами на МЧ изучается в рамках самосогласованной модели, основанной на гидродинамическом подходе и теории ограниченного орбитального движения. Получено, что электростатическое отражение МЧ увеличивается со столкновительностью вследствие увеличения отрицательного потенциала МЧ. Проведено сравнение силы ионного увлечения и силы трения со стороны нейтралов, которые определяют динамику МЧ. Показано, что сила ионного увлечения уменьшается со столкновительностью, в то время как сила трения со стороны нейтралов увеличивается

Charging processes of metal macroparticles in the low-temperature plasma at presence of high-energy electron beam

The dependences of potential of macroparticle from the parameters and characteristics of plasma-beam system are studied. The modeling of charging processes of the macroparticles in approach of ions and electrons orbit motion limited theory made. The effect of electron emission from macroparticle has been investigated taking into account the space charge on potential of macroparticle.Вивчено залежність потенціалу макрочастинки в пучково-плазмовій системі від її параметрів та характеристик макрочастинки. Моделювання процесу зарядки проводилося в наближенні орбітальної моделі руху іонів й електронів плазми, а також електронів пучка. Досліджено вплив електронної емісії з мікрочасток, розігрітих до високих температур, на величину потенціалу з урахуванням обмеження емісійного електронного струму власним об'ємним зарядом.Изучена зависимость потенциала макрочастицы в пучково-плазменной системе от ее параметров и характеристик макрочастицы. Моделирование процесса зарядки проводилось в приближении орбитальной модели движения ионов и электронов плазмы, а также электронов пучка. Исследовано влияние электронной эмиссии с макрочастиц, разогретых до высоких температур, на величину потенциала c учетом ограничения эмиссионного электронного тока собственным объемным зарядом

Effect of pulsed substrate biasing on macroparticle in vacuum arc

An analytical model of the interaction of macroparticle (MP) with vacuum arc plasma in plasma immersion ion implantation (PIII) is presented. The proposed model is based on combination of the theory of charge dynamics of MP and sheath model for PIII. In the framework of this model, the MP charge dynamics during voltage pulse as well as during interval between pulses is investigated. It is obtained that MP charge and MP behavior depend on pulsed bias parameters such as pulse duration, duty cycle and bias amplitude. It is shown that pulsed substrate biasing is effective method to control of the MPs in plasma processing.Подано аналітичну теорії взаємодії макрочастинки (МЧ) з плазмою вакуумної дуги при плазмовій імерсійній іонній імплантації (ПІІІ). Запропонована модель базується на комбінації теорії динаміки зарядження МЧ та теорії шару для ПІІІ. У рамках цієї моделі досліджується динаміка зарядження як протягом імпульсу, так і в інтервал між імпульсами. Отримано, що заряд та поведінка МЧ залежать від параметрів імпульсного потенціалу, таких як тривалість імпульсу, період та амплітуда потенціалу. Показано, що застосування імпульсного потенціалу є ефективним методом контролю за МЧ у плазмових процесах.Представлена модель взаимодействия макрочастицы (МЧ) с плазмой вакуумной дуги при плазменной иммерсионной ионной имплантации (ПИИИ). Предложенная модель основана на комбинации теории динамики заряда МЧ и модели слоя для ПИИИ. В рамках этой модели исследуется динамика заряда МЧ как во время импульса, так и в интервале между импульсами. Получено, что заряд и поведение МЧ зависят от параметров импульсного потенциала, таких как длительность импульса, период и амплитуда потенциала. Показано, что применение импульсного потенциала является эффективным методом контроля МЧ в плазменных процессах

Effect of the parameters of a gas-discharge plasma on the equilibrium temperature and floating potential of macroparticle

The effect of discharge plasma density and energy of the electron beam on the potential of the solitary macroparticle (MP) has been investigated. It is shown that increasing of the plasma density as well as the electron beam energy lead to heating of the MP and to the appearance of the effect of thermionic emission, which leads to a decrease in the absolute value of its potential. The mutual influence on each other of the MP charging processes and its heating has been studied.Исследовано влияние плотности газоразрядной плазмы и энергии электронного пучка на потенциал уединенной макрочастциы (МЧ). Показано, что увеличение плотности плазмы, а также энергии электронного пучка приводят к интенсивному разогреву МЧ и возникновению эффекта термоэлектронной эмиссии, который приводит к снижению по абсолютной величине ее потенциала. Изучено взаимное влияние процессов зарядки МЧ и ее разогрева.Досліджено вплив густини газорозрядної плазми і енергії електронного пучка на потенціал відокремленої макрочастки (МЧ). Показано, що збільшення густини плазми, а також енергії електронного пучка призводять до інтенсивного розігріву МЧ і виникнення ефекту термоелектронної емісії, що призводить до зниження за абсолютною величиною її потенціалу. Вивчено взаємний вплив процесів зарядки МЧ і її розігріву

Using of electron cyclotron resonance discharge in ion beam sputtering systems for space charge compensation

The possibility of using a magnetic mirror in the output gap of ion source with a closed electron drift to generating of an additional gas discharge by using the electron-cyclotron resonance to compensate of the ion beam space charge is studied. The first experiments have shown that an additional microwave discharge generated in the region of the annular gap when the microwave power is applied. An additional plasma source of electrons provides the maintenance and intensification of the gas discharge in the accelerator with an anode layer.Вивчено можливість використання пастки пробочного типу у вихідному зазорі джерела іонів із замкнутим електронним дрейфом для генерації додаткового газового розряду з використанням електронно-циклотронного резонансу та компенсації просторового заряду іонного пучка. Перші експерименти показали, що генерується додатковий НВЧ-розряд в області кільцевого зазору при подачі НВЧ-потужності. Додаткове плазмове джерело електронів забезпечує підтримку та інтенсифікацію газового розряду в прискорювачі з анодним шаром.Изучена возможность использования ловушки пробочного типа в выходном зазоре источника ионов с замкнутым электронным дрейфом для генерации дополнительного газового разряда с использованием электронно-циклотронного резонанса и компенсации пространственного заряда ионного пучка. Первые эксперименты показали, что генерируется дополнительный СВЧ-разряд в области кольцевого зазора при подаче СВЧ-мощности. Дополнительный плазменный источник электронов обеспечивает поддержание и интенсификацию газового разряда в ускорителе с анодным слоем

Ion beam system for nanotrimming of functional microelectronics layers

This paper concerns with investigation of the trimming process which uses ion beam etching for high-precision adjustment of the thickness of functional microelectronics layers. The layer deposited on the substrate is etched by scanning focused ion beam; its position and power is regulated according to the topography of layer non-uniformity. The trimming allows to create pre-defined topography of the non-uniformity with accuracy down to 4 Å and decrease the roughness of the surface.Досліджено процес коригувального іонно-променевого травлення для регулювання з високою точністю товщини функціональних шарів мікроелектроніки. Функціональний шар на підкладці витравлюється скануючим сфокусованим іонним пучком, локалізація та потужність якого відповідають топографії неоднорідності товщини функціонального шару. Показана можливість регулювання розподілу товщини плівок по поверхні підкладок до +/-4 Å та зменшення шорсткості поверхні.Исследован процесс корректирующего ионно-лучевого травления для регулировки с высокой точностью толщины функциональных слоев микроэлектроники. Функциональный слой на подложке травится сканирующим сфокусированным ионным пучком, локализация и мощность которого соответствуют топографии неоднородности толщины функционального слоя. Показана возможность регулировки распределения толщины пленок по поверхности подложек до +/-4 Å и уменьшения шероховатости поверхности