Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в ряде стран (США, Япония, Германия, Франция, Россия и др.) ведутся активные исследования в области создания, изучения и применения различных типов разрядов с тяжелыми ионами (М>>1).
Плазменные системы с тяжелыми ионами (плазменные ускорители, ионные инжекторы и т.д.) находят широкое применение в различных областях науки и техники: обработка поверхности материалов с целью улучшения их физико-химических свойств, разделение изотопов в плазме методом ионно-циклотронного резонансного нагрева и т.д..
Разряд с тяжелыми ионами (М>>1) в скрещенных (радиальное электрическое н аксиальное магнитное) полях по сравнению с традиционными плазменными системами имеет ряд особенностей: разряд основан на эффекте самораспыления и реализуется с шобым веществом, которое может быть использовано в качестве катода (центральный электрод); квазистационарные токи тяжелых ионов в разряде могут достигать сотен ампер.
Эти особенности разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях позволяют реализовать ряд приложений.
В источнике атомарных потоков на основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях используется возможность ускорения ионов в плазменном объеме. Это снимает ограничение по объемному заряду на величину ионного тока п позволяет создавать интенсивные потоки ускоренных ионов, выходящих из источника в виде быстрых атомов в результате перезарядки в плазменном объеме. Атомарные потоки открывают новые возможности в области имплантации: высокая интенсивность значительно увеличивает производительность, обработка диэлектрических материалов не требует специальных мер по нейтрализации поверхностного заряда, возникающего при ионной обработке.
Возможность генерации одновременно потоков медленных атомов с энергией распыления и быстрых тяжелых атомов с энергией в несколько килоэлектронвольт позволяет применять метод ассистировашюго нанесения тонких пленок с высокой адгезией, используя один источник. Простота, надежность и универсальность источника атомарных потоков на основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях позволяют создавать установки для комплексной поверхностной обработки различных материалов.
В источнике плазменного потока с тяжелыми ионами на основе разряда в скрещенных полях используется возможность формирования плотного плазменного потока путем замагииченностн тяжелых ионов в компактном размере и, выводе его вдоль магнитного поля источника.
Особый интерес к источникам плазменных потоков связан с проблемой разделения изотопов в плазме методом ионно-циклотронного резонансного нагрева. Источник плазменного потока с тяжелыми ионами на основе разряда в скрещенных полях имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными источниками, применяемыми в установках для разделения изотопов: универсальность, высокая плотность плазмы.
Основные цели работы:
- исследование физических основ разряда с тяжелыми ионами
в скрещенных полях, выявление основных закономерностей,
характеристик и параметров этого разряда;
- исследование модификаций этого разряда, условий их
существования и характеристик;
- изучение возможности формирования атомарных и
плазменных потоков в различных модификациях этого разряда;
разработка источника атомарных потоков и исследование его возможностей в качестве установки для поверхностной обработки материалов;
разработка источника плазменного потока с тяжелыми ионами и исследование его параметров.
Научная новизна.
Впервые исследован разряд с тяжелыми ионами в скрещенных полях в установке с малым размером катода (Rk«R ), проведены
экспериментальные исследования основных зависимостей, параметров и характеристик разряда с тяжелыми ионами,
определены основные закономерности зажигания и горения разряда с тяжелыми нонами, выполнены расчеты основных зависимостей и характеристик разряда.
Создан мощный универсальный источник атомарных потоков на основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях для обработки поверхности различных материалов. Определены основные закономерности формирования атомарных потоков. Проведены исследования основных характеристик „и параметров атомарных потоков.
Предложен и реализован новый метод обработки поверхностей - низкоэнергетическая атомарная имплантация. Проведены физические эксперименты, демонстрирующие эффективность низкоэнергетической имплантации интенсивными атомарными потоками.
Предложен и реализован метод ассистированного нанесения тонких пленок с использованием одного источника атомарных потоков.
Предложен и реализован источник плазменного потока с тяжелыми ионами на основе разряда в скрещенных полях. Определены основные закономерности формирования плазменного потока с тяжелыми ионами. Проведены исследования основных характеристик и параметров плазменного потока с тяжелыми ионами.
Разработаны и экспериментально проверены системы диагностики для измерения основных параметров плазменного потока с тяжелыми нонами (спектры продольных и поперечных энергий тяжелых ионов, пространственное распределение плотности ионов, полный ионный ток в плазменном потоке) в источнике на основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях.
Практическая ценность работы.
Результаты проведенных исследований вносят существенный вклад в понимание физических процессов в разряде с тяжелыми ионами в скрещенных полях и различных его модификациях.
На основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях создан мощный универсальный источник атомарных потоков, обеспечивающий генерацию интенсивных (до 100 экв.мА/см2) потоков атомов низкой (1-10 кэв) энергии.
Разработан метод низкоэнергетической имплантации интенсивными атомарными потоками.
Разработан метод ассистированного нанесения тонких пленок с использованием одного источника - источника атомарных потоков на основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях.
На основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях разработан источник плазменного потока с тяжелыми ионами. Описаны физические процессы, происходящие при формировании плазменного потока. Параметры источника удовлетворяют требованиям, предъявляемым к источникам в установках для разделения изотопов методом ионно-циклотронного резонансного нагрева.
Разработанные системы диагностики для измерения основных параметров плазменного потока могут использоваться в ионных источниках с магнитным полем.
Апробация работы. Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах в Институте ядерной физике им.Г.И.Будкера, на I Международном Симпозиуме "Пучковые технологии" (Дубна, 1995), IV Всероссийской Конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц и Международном Рабочем Совещании (Томск, 1996), Всероссийской Конференции по использованию синхротронного излучения "СИ'96" (Новосибирск, 1996), 3 Международном Рабочем Совещании "РВП'96" (Россендорф, 1996), Всероссийских Конференциях по физике плазмы (Звенигород, 1992, 1994, 1996, 1997).
Структура и состав работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Текст иллюстрирован 45 рисунками, список литературы включает 102 наименования.
