Aberrations in electromagnetic plasma lenses proposed for intense large-aperture ion beam focusing

It is shown, that in electromagnetic plasma lenses moment aberrations obey the conservation law of the moment of the ion generalized momentum; they disappear when an ion source is placed in a zero magnetic field. Geometrical aberrations can be removed by choice of the optimal electric field intensity distribution along the radius that have been calculated. As a result, the ion current density and beam compression can achieve in the focus a value up to 10³ A/cm², and 10⁵, accordingly. Then influence of discrete distribution of the external (boundary) electrical potential upon ion focusing was studied, and an example of two-lens achromatic system have been investigated as well.Досліджується плазмова лінза Морозова, у котрої магнітні поверхні є еквіпотенціалями електричного поля. Магнітне поле створюється центральним струмовим витком і двома бічними витками, включеними назустріч центральному. У роботі приведені результати комп'ютерного моделювання фокусування іонів з урахуванням їх поздовжнього, радіального й азимутального руху. Розглянуто засоби усунення моментних, геометричних і хроматичних аберацій. Проводиться оптимізація магнітного й електричного полів по величині і розподілу в просторі. Промодельоване вплив дискретного розподілу потенціалу на фокусування іонів і розглянуті пов'язані з цим аберації. Розглянуто комп'ютерну модель двухлінзової ахроматичної системи.Исследуется плазменная линза Морозова, в которой магнитные поверхности являются эквипотенциалями электрического поля. Магнитное поле создается центральным токовым витком и двумя боковыми витками, включенными навстречу центральному. В работе приведены результаты компьютерного моделирования фокусировки ионов с учетом их продольного, радиального и азимутального движения. Рассмотрены способы устранения моментных, геометрических и хроматических аберраций. Проводится оптимизация магнитного и электрического полей по величине и распределению в пространстве. Промоделировано влияние дискретного распределения потенциала на фокусировку ионов и рассмотрены связанные с этим аберрации. Рассмотрена компьютерная модель двухлинзовой ахроматической системы

Method of potential optimization in magnetoelectrostatic plasma lenses

In magnetoelectrostatic plasma lenses the strength and spatial distribution of the magnetic and electric fields were optimized for maximum beam current density in the focal plane. Experimental implementation of the optimization is difficult because it is necessary to control the electric field strength within the lens volume by measuring the electric field in the plasma with sufficiently high precision. Here with the help of the computer model, it is proposed and tested the method of determining optimum potential distribution on the reference electrodes, by sequential increasing of a focused ion beam radius from zero to maximum value determined by the lens aperture.В магнітоелектростатичних плазмових лінзах розраховані оптимальні просторові розподіли електричного та магнітного полів, що призводять до максимальної густини струму частинок у фокальній площині лінзи. При їхній експериментальній реалізації виникають труднощі через необхідність контролювати з великою точністю розподіл напруженості електричного поля в об’ємі плазмової лінзи. Щоб уникнути цих труднощів, запропонований та випробуваний на комп’ютерній моделі метод підбору оптимального розподілу потенціалів на опорних електродах лінзи шляхом послідовного збільшення радіуса іонного пучка, що фокусується від нуля до максимального значення, обумовленого апертурою лінзи.В магнитоэлектростатических плазменных линзах рассчитаны оптимальные пространственные распределения электрического и магнитного полей, приводящие к максимальной плотности тока частиц в фокальной плоскости линзы. При их экспериментальной реализации возникают трудности ввиду необходимости контролировать с большой точностью распределение напряженности электрического поля в объеме плазменной линзы. Во избежание этих трудностей, предложен и опробован на компьютерной модели метод подбора оптимального распределения потенциалов на опорных электродах линзы путем последовательного увеличения радиуса фокусируемого ионного пучка от нуля до максимального значения, определяемого апертурой линзы

Calculation of non-uniform solenoids for focusing and acceleration of charged particles

In this work the more complex problem is solved by means of using Tikhonov′s regularization method: the sections parameters of a specific kind are calculated. These can be for example a winding thickness, length or a section internal radius etc., i.e. the values of magnetic field intensity are depending, generally speaking, in the nonlinear way. The method described here is illustrated by solving the problem in case of defining the winding thickness for a solenoid with rectangular cross-sections

Characterization of Ti–B–C–N films deposited by dc magnetron sputtering of bicomponent Ti/B₄C target

Quaternary Ti–B–C–N films have been deposited onto Si (100) substrates by dc magnetron sputtering of bi-component Ti/B₄C target in an Ar/N₂ gas mixture with different amounts of nitrogen in the mixture (from 0 to 50%). The X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, indentation, and scratch tests have been employed to characterize the films. The films have been found to have the nanocomposite structure composed of Ti/TiB nanocrystallites (nc) solely when sputtered in argon or of nanocrystallite nc-TiN/nc-TiBx/nc-TiOx phases embedded into an amorphous a-C/a-CN/a-BN/a-BC matrix when nitrogen is added to the gas mixture. The latter structure is specific of all the films deposited with nitrogen irrespective of the nitrogen amount in the gas mixture. It has been found that the Knoop hardness of films first increased with added nitrogen reaching maximum value of 33 GPa at 25% N₂ in the gas mixture, and then decreased. The friction coefficient of films changed little with the added nitrogen, while with 25% N₂ exhibited the lowest value. The Ti–B–C–N films showed increased adhesion strength on silicon compared with Ti–B–C coatings.Плівки в четверній Ti–B–C–N системі нанесено на Si (100) підкладки методом магнетронного на постійному струмі розпилення двохкомпонентної Ti/B₄C мішені в суміші газів Ar/N₂ із різною кількістю азоту в суміші (від 0 до 50 %). Плівки досліджували методами рентгенівської дифракції, рентгенівської фотоелектронної спектроскопії, індентування та шкрябання. Встановлено, що плівки мають нанокомпозитну структуру, яка складається лише із нанокристалітів (нк) Ti/TiB, якщо осадження проводилося в чистому аргоні, або із нанокристалічних фаз нк-TiN/нк-TiBx/нк-TiOx, оточених аморфною a-C/a-CN/a-BN/a-BC матрицею, при осаджені плівок в суміші Ar/N₂. Остання структура є топовою для усіх плівок, незалежно від кількості азоту в газовій суміші. Твердість плівок по Кнупу спочатку збільшувалась при додаванні азоту в газову суміш, досягнувши максимального значення 33 ГПа при 25 % азоту в суміші, а потім зменшувалась. Коефіцієнт тертя плівок змінювався неістотно при додаванні різної кількості азоту в суміш, і при 25 % N₂ виявив найменше значення. Адгезійна міцність Ti–B–C–N-плівок на кремнії виявилася вищою, ніж у Ti–B–C-плівок.Пленки в четверной системе Ti–B–C–N осаждены на Si (100) подложки методом магнетронного на постоянном токе распыления двухкомпонентной Ti/B₄C мишени в смеси газов Ar/N₂ с разным количеством азота в смеси (от 0 до 50 %). Пленки исследовали методами рентгеновской дифракции, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, индентирования и царапания. Установлено, что пленки имеют нанокомпозитную структуру, состоящую только из нанокристаллитов (нк) Ti/TiB, если осаждение проводилось в чистом аргоне, или из нанокристаллических фаз нк-TiN/нк-TiBx/нк-TiOx, окруженных аморфной a-C/a-CN/a-BN/a-BC матрицей, при осаждении пленок в смеси Ar/N₂. Последняя структура характерна для всех пленок независимо от количества азота в газовой смеси. Твердость пленок по Кнупу сначала возросла при добавлении азота в газовую смесь, достигнув максимального значения 33 ГПа при 25 % азота в смеси, а затем снижалась. Коэффициент трения пленок изменялся незначительно при добавлении разного количества азота в смесь, и при 25 % N₂ показал наименьшее значение. Адгезионная прочность Ti–B–C–N-пленок на кремнии оказалась выше, чем у Ti–B–C-пленок

Experimental studies of some features of beam-plasma discharge initial stage

In case of gas pressure increasing, the plasma density rapidly increases at p=(1-2)*10⁻⁴ Torr, due to the beam-plasma discharge start (BPD). For fixed pressure above 2*10⁻⁴ Torr, the BPD start depends from the interaction length L and beam current I, with relation I∝ L⁻¹ . Measurements of the electron velocity distribution were performed using an UHF method and a multi-electrode probe. The start conditions are agreed with theoretical estimations.При збільшенні тиску газу до (1-2)*10⁻⁴ Торр щільність плазми різко підвищуется завдяки пучково-плазмовому розряду (ППР). При фіксованому тиску вище 2*10⁻⁴ Торр початок ППР залежить від довжини взаємодії L та струму пучка I: I∝L⁻¹. Були проведені вимірювання розподілу електронів по швидкостям СВЧ методом та багатосітковим зондом. Умови старту ППР узгоджуються із теоретичними оцінками.При увеличении давления газа до (1-2)*10⁻⁴ Торр плотность плазмы резко возрастает благодаря пучково- плазменному разряду (ППР). При фиксированном давлении выше 2*10⁻⁴ Торр начало ППР зависит от длины взаимодействия L и тока пучка I: I∝ L⁻¹. Проведены измерения распределения электронов по скоростям СВЧ методом и многосеточным зондом. Условия старта ППР согласуются с теоретическими оценками

AlMgB14-Based Films Prepared by Magnetron Sputtering at Various Substrate Temperatures

The films were deposited by magnetron sputtering the AlMgB14 target at different substrate temperatures (TS) in the range of 100-500 C. The films were annealed at 1000 C in vacuum. The deposited films were characterized by XRD, AFM, FTIR spectroscopy, nano- and micro-indentation and scratch testing. The films exhibit hardness that is much lower than the one of the bulk AlMgB14 materials, which is due to the amorphous film structure in which the strong B-B bonds are absent and the weaker B-O bonds dominate

Experimental investigation of peculiarities of the beam-plasma discharge initial stage

It was shown experimentally that beam-plasma discharge (BPD) in the system of electron beam plus plasma (created by the beam) does not “wait” the condition np>>nb, that connected with the instability increment usually used in that case (np and nb are electron concentrations of plasma and beam). Instead, BPD starts at np≈nb with another increment that was received in this work with help of the corresponding dispersion equation.Результати наведених експериментів показують, що пучково-плазмовий розряд (ППР) в системі електронний пучок плюс плазма, що створюється пучком, не «чекає» виконання умови np>>nb (np и nb–густини плазми й пучка), пов’язаної з інкрементом нестійкості, що зазвичай використовується в даному випадку. Замість цього ППР починається при np≈nb з іншим інкрементом, значення якого отримано в даній роботі.Результаты приведенных экспериментов показывают, что пучково-плазменный разряд (ППР) в системе электронный пучок плюс плазма, создаваемая пучком, не «ждет» выполнения условия np>>nb (np и nb–плотности плазмы и пучка), связанного с инкрементом неустойчивости, обычно используемом в данном случае. Вместо этого ППР начинается при np≈nb с другим инкрементом, значение которого получено в данной работе

Characterization of Ti-B-C-N Nanocomposite Coatings

Nanocomposite Ti-B-N-C coatings were deposited by magnetron sputtering of TiN and B4C targets in the argon-nitrogen atmosphere at different nitrogen flow rates (FN2). The structure, chemical bonding and mechanical properties were investigated. The results of the investigations of the nanocomposite, TiN and BCN coatings show that the Ti-B-C-N coatings consist of the TiNC nanocrystals (3.4 – 6.5 nm) embedded into the amorphous matrix that consists of amorphous boron nitrogen (a-BN) and amorphous carbon (a-C). The coatings contain a small admixture of titanium oxides that are aggregated at the grain boundaries. The coatings deposited at high nitrogen flow rates were textured. An introduction of nitrogen prompts the formation of the nanocrystallites of the TiN-TiC solid solutions and the a-BN amorphous tissue, which, in turn, causes the improvement of the mechanical properties of the Ti-B-C-N coatings. The best samples ex-hibited nanohardnes above 39 GPa. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3505