Plazmadiagnosztikai kutatások Elktron Ciklotron Rzonancia Ionforráson Knéz Laos, Karácsony János 1. Az ECR források Az 1980-as évk lén világossá vált, hogy a hagyományos ívkisüléss források nm képsk kilégítni a nagytöltésű, nagy intnzitású nyalábok iránt flmrülő igényt. Azokban az időkbn két különböző forrás volt flsztés alatt, az EBIS (Elctron Bam Ion Sourc) és az ECRIS (Elctron Cyclotron Rsonanc Ion Sourc). Közülük az ECR forrás vált közkdvltté a ciklotron által mgkövtlt nhéz nyalábok lőállítására. Az ECR forrás fő tuladonsága, hogy a lfosztást végző lktronok katód nélkül kltkznk, ami azt lnti, hogy nincs az forrásban lhasználódó darab. További flsztésk azokat igazolták, akik az ECR Ionforrás alkalmazása mlltt döntöttk, mivl az mgbízhatónak, könnyn kzlhtőnk bizonyult, mlynk sgítségévl a priódusos rndszr számos lméből könnydén, rprodukálható módon lht nyalábokat lőállítani. Az Elktron Ciklotron Rzonancia (ECR) Ionforrás [1], gyik a lgsikrsbb nagytöltésű okat lőállító brndzésknk. Flhasználásuk ign széls körű a tudományos társadalom brkibn. Ezn alacsony nrgiáú nyalábot létrhozó brndzést, flődésük kzdti szakaszában más utógyorsító brndzésk inktoraiként használták (mint pl. RFQ, Ciklotron stb.). Az utóbbi évtizdbn, mint önálló alacsony nrgiáú gyorsítót is alkalmazzák az forrást, mivl az így nyrt nyaláb gy olyan, addig lfdtln nrgiatartománnyal rndlkzik, mly az atomi ütközésk fizikáában lérhttln volt. Mint harmadik alkalmazási trültt az forrás kutatását (pl. plazmadiagnosztika, fémplazma lőállítás, mly asztrofizikai alkalmazásokhoz vzt, fullrén-kutatás) és különböző ú anyagok lőállítását mlíthtném mg (ndohdrális fullrén, mly orvosi alkalmazáshoz vzt). 1.1. Az ECR forrás flépítés és működési lv Az ECR forrás tkinthtő (1. ábra), három fő szrkzti gység, gy komplx mágnss tér, gy nagyfrkvnciáú mikrohullámú tér és gy alacsony nyomású izált gáz gyüttsénk. A tkrcsk és a hxapol által létrhozott mágnss térbn (B - minimum lrndzés) hlyzkdik l a vákuumkamra. Az ATOMKI-ECR stébn a mágnss tér indukcióa léri az 1, T értékt. Az forrás vákuumtréb 14,5 GHz frkvnciáú mikrohullámot colunk b. 1. ábra: Az ECR forrás flépítés. A kamra blsébn a rzonáns zóna mtszt látható Műszaki Szml 15 17
A szrkzt gomtriáából adódóan létzik a kamrában gy 0,5 T mágnss indukcióú zárt, toás formáú flült, mlyn az ECR forrás vákuumtrébn mindig létző kis mnnyiségű szabad lktron éppn 14,5 GHz körfrkvnciával fog rndlkzni. Így zk az lktronok rzonanciába krülnk a bcolt mikrohullámmal és stochasztikus fltétlk mlltt, nrgiát nyrnk a mikrohullámú sugárzás E lktromos vktorától. Az forrásba vzttt munkagáz (stlgsn különböző módszrrl lőállított fématomok) atomait, molkuláit az így nyrt nagy nrgiáú lktronok izálák. Az forrásra kapcsolt mgfllő fszültség alkalmazásával a nyrt ok a kamrából kivonhatók, analizálhatók és/vagy a mgfllő alkalmazás hlyszínér uttathatók. Ily módon az igénylt töltéssl rndlkző ok lőállítására hangolható az forrás. A brndzésbn magas vákuumállapot létrhozása szükségs az ok és a smlgs atomok között végbmnő töltéskicsrélődési folyamatok végbmntli valószínűségénk lcsökkntés érdkébn. Az ECR forrás stén az ok magas lfosztottságának léréséhz két fontos fltétlnk kll tlsülni. Az lső fltétl, hogy az okat viszonylag hosszú időr a kamra blséb kll koncntrálni, ami élttartamuk mgnövlését lnti. Ellnkző stbn gyorsan lérik a kamra falát, ahol rkombináció, áttöltődés stb. kövtkztébn lvsznk, vagy visszatérnk ugyan, d izáltsági fokuk rősn lcsökkn. A hosszú élttartam azért is fontos, hogy az lktronoknak lgyn lég idük a fnt lírt mchanizmus útán, lépésnként (stp by stp módon) többszörösn izálni az atomot. A második fltétl a kamrában kialakult plazma lktronhőmérséklténk növlés. Az lktronokat magas hőmérsékltr kll mlni, vagyis a blső héak kötési nrgiáának is mgfllő, vagy annál nagyobb nrgiát kll vlük közölni oly módon, hogy az ok az nrgia flvétlből a lhtő lgkisbb arányban részsülnk. 1.. Ionnyalábok lőállítása Az ECR források flődésük során napainkra már olyan szintt értk l, ahol mgbízható, rprodukálható módon állítanak lő nagy intnzitású, nagy lfosztottságú nyalábokat a priódusos rndszr szint ttszőlgs lméből. A lgltrdtbbn alkalmazott módszrk plazmák lőállítására gázhalmazállapotú anyagokat alkalmaznak, d kidolgoztak már a kutatók olyan módszrkt is, amlyk sgítségévl szilárd halmazállapotú anyagok plazmáit lht lőállítani (MIVOC lárás) [], mad zkből nyalábot kivonni. A. ábrán szmléltttt módon, nyalábot úgy tudunk létrhozni, hogy a plazmában létrövő okat kivonuk gy ngatív ún. kivonó fszültséggl, mad mgfllő nyalábformáló- (kivonó optika, EL 1, EL ) és vztő brndzésk sgítségévl (nyalábcorna) luttatuk gy Faraday csészér (FC), amlyn mg tuduk mérni a kivont nyaláb intnzitását. Ha a Faraday csész a nyalábcorna gyns részén hlyzkdik l (FC 1, FC ), mérhtük a tls kivont nyaláb intnzitását, vagy ltérítő mágns mögé hlyzv (FC 3) kiválaszthatunk gy kívánt töltésállapotú t és mérhtük az általuk létrhozott áramot.. ábra: Az ATOMKI-ECR forrás és gyszrű nyalábcorna rndszr 18 Műszaki Szml 15
Változtatva az ltérítő mágns áramát ttszőlgs t választhatunk ki abból a sokaságból, mlyt a kivonó fszültség sgítségévl a plazmából nyrhtünk. Ily módon utunk az analizált nyaláb spktrumához, mlyt a 3. ábra mutat b. 3. ábra: Analizált nyaláb spktrum A kivont nyalábból kiválasztott árama, trmésztsn a brndzés maximális képsségink határáig, ttszés szrint változtatható az forrás hangolásával. Az forrás hangolása nm más, mint az a folyamat, amly során az forrás makroszkopikus paramétrit ciklikusan változtatuk az áram növlésénk irányába. Így érhtő l az, hogy az forrás gy mghatározott t a lhtő lgnagyobb hatásfokkal állítson lő. Az nyalábok a továbbiakban ign széls körbn használhatók. Az ECR források az atomi ütközésk ú korszakát nyitották mg, nagy szrpük van rákos daganatok gyógyítására kidolgozott ú lárásokban és ú anyagok lőállításában, hogy csak néhány alkalmazást mlítsk mg anélkül, hogy a tlsség igényér törkdnék.. Lokális plazmadiagnosztika A fntikből kitűnik, hogy az forrás makroszkopikus paramétrink optimizálásával az igényknk mgfllő nyalábok állíthatók lő. Ilyn paramétrk például a munkagáz nyomása, a mágnss csapda rősség, a kivonó és fókuszáló fszültségk stb. Azonban nm, vagy csak kvéssé ismrtk azok a mikroszkopikus folyamatok, amlyk a külső, makroszkopikus paramétrk változásakor átszódnak l az forrás plazmáában. Ilyn furcsa és gylőr mg nm magyarázott lnség a plazmába történő külső lktron inktálás [3] lnség, amikor gy, a plazmához képst ngatívan lőfszíttt lktródát hlyzünk l a plazmakamrában, és nnk hatására a nagytöltésű ok árama többszörösér növkdik (..10 x). A lnség mgnvzésénk idézőlb tétl indokolt, mivl a kzdti magyarázat, mly szrint az lktródából származó lktronok blépnk a plazmába és annak lktronsűrűségét növlik, mgdőlni látszik, d még nm szülttt lfogadható magyarázat. Szükség volt thát olyan, a plazma paramétrink mghatározására szolgáló diagnosztikai módszrk kidolgozására, mlynk sgítségévl l lht döntni, hogy mi átszódik l a plazmában. Több, rr a célra alkalmas módszr ismrts. A diagnosztikai módszrkt alapvtőn két csoportra lht osztani, úgymint globális és lokális módszrk. A globális módszrk az forrásból származó lktromágnss sugárzás (látható, UV, röntgn, stb.) tanulmányozásával szolgáltatnak információt a plazmaparamétrkről (pl. az lktronok mozgásából származó nrgiának a mágnss tér rővonalaira mrőlgs komponns). A lokális módszrk alkalmazása stén a plazmakamrába uttatott lktróda (Langmuir szonda) sgítségévl a plazmaparamétrk értékit hlyfüggőn lht mghatározni (pl. lktronsűrűség, az lktronok mozgásából származó nrgiának a mágnss tér rővonalaival párhuzamos komponns, stb.). Mint látható a flsorolt példákból, a két módszr gymás kigészítő, így mindkttőnk fontos szrp van az forrásról kialakított kép tlssé tétléhz. Az ECR források stén globális diagnosztikai módszrkt már alkalmaztak, míg lokális plazmadiagnosztikai kutatások, tudomásunk szrint, csak próbálkozás szintén történtk. Műszaki Szml 15 19
.1. A Langmuir - szonda Maga a Langmuir szonda gy viszonylag gyszrű mérőszköz, mlyt különböző módon lőállított plazmák stébn már sikrsn alkalmaztak. Tuladonképpn nm más, mint gy szál drót, mlyt a plazmakamra kívánt részéb kll uttatni, és gy mgfllő fszültségforrással llátva alkalmassá kll tnni a rata átfolyó áram mérésér. Trmésztsn a drótot körültkintőn kll mgválasztani formáát és anyagát illtőn. Magas olvadásponttal és alacsony szkundr-lktron missziós gyütthatóval kll rndlkzni, mivl a plazmában lévő nagy nrgiáú töltéshordozók gyrészt mgrongálhaták a szondát fizikai értlmbn, másrészt pdig nagyszámú többlt töltéshordozót válthatnak ki a szonda anyagából, mlyk a plazmába utva mgváltoztaták annak paramétrit és mghamisíták a méréskt. Továbbá a szondának kicsink kll lnni, hogy minél kvésbé változtassa mg környztét. A szondák gomtriai szmpontból nagyon változatosak lhtnk [4]. Főlg sík, hngrs és gömb szondák használatosak, d alkalmazástól függőn lképzlhtő más konfiguráció is. Általában a különböző gomtriáú szondák lkészítés nm okoz gondot a kísérltző fizikus számára, viszont a mérési adatok intrprtálására szolgáló lmélti modll kidolgozása annál nagyobb gondot lnt az lmélti fizikus számára. Köztudott tény az, hogy a plazma nm más, mint izált gáz, mlyt nagy számú és lktron alkot, és gy ilyn rndszr lmélti lírása még a modrn számítógéps szközök sgítségévl is lhttln, így közlítő modllk kidolgozására krült sor... A szonda fszültség-áram karaktrisztikáa A plazmáról a szonda fszültség-áram (U-I) karaktrisztikáa szolgáltat információt. A 4. ábra gy idális karaktrisztikát mutat b. Ki kll hangsúlyozni azt a tényt, hogy a lggyszrűbb plazmák stébn is csak az idálist mgközlítő alakú karaktrisztika mérhtő, mrt bármilyn gyszrű is lgyn a rndszr, mindig fllépnk torzító hatások. A későbbikbn kitérk az ECR forrás plazmáának komplx llgéből származó néhány ffktusra, mlyk bfolyásolák a mért karaktrisztika alakát. Mivl a plazmában gyidűlg vannak ln pozitív és ngatív töltéshordozók, gy tls U-I karaktrisztika méréséhz spciális fszültségforrásra van szükség. Err a célra az ATOMKI-bn gy olyan tápgység trvzésér és építésér krült sor, mly a ngatív és pozitív fszültségtartomány között folytonos átmntt biztosít a zéró volton át. Két különböző tápgység használatával is lhtségs karaktrisztika mérés, d figylmb kll vnni azt a tényt, hogy a fszültségforrások átkapcsolása ign körülménys (a magas fszültségű platform miatt, amlyr a szonda is l van hlyzv), és a zéró volt körüli tartományban nm biztosít folytonos átmntt, mly viszont a további kiértéklésnél nagyon fontos. A görbét három részr oszthatuk, és karaktrisztikus pontokat különbözttünk mg [4]. Ha a szonda mgfllőn nagy ngatív potnciálon található, akkor mindn, a környztébn található t magához vonz és bgyűt, míg mindn lktront ltaszít magától. Ezt a szakaszt áram tlítési tartománynak (I.) nvzzük, és idális stbn gy gyns szakaszból áll. Ha abszolút értékbn csökkntük a szondára kapcsolt fszültség értékét, akkor lérkzünk gy olyan részhz, ahol az okon kívül már nagy nrgiáú lktronok is lutnak a szonda flszínér. Tovább csökkntv a fszültségt lutunk gy olyan fszültség értékhz, ahol a szonda által bgyűtött rdő áram nulla, thát az lktron áram kigynlíti az áramot. Ez a kitüntttt fszültség érték az ún. fali potnciál (V f ). Ez az a potnciál érték, mlyr fltöltődik mindn a plazmával kapcsolatba krülő flült. Trmésztsn a fali potnciál érték függ a szonda hlyztétől, mivl a plazma pontról-pontra változhat. Tovább csökkntv a fszültségt nullára, általában a szonda által bgyűtött áram rdőn lktronáram lsz, d zt ismét a plazma saátosságai határozzák mg. Ez az lktronok nagyobb mozgékonyságának köszönhtő. Pozitív értlmbn növlv a fszültségt gyr inkább foga a szonda vonzani az lktronokat és taszítani az okat. Azt a fszültség értékt, amlyiknél a plazma és a szonda között nm létzik fszültség különbség, plazma potnciálnak nvzzük (V p ). Ennél a fszültség értéknél a töltéshordozókra nm hatnak rők, s így saát mozgási nrgiáuk szaba mg, hogy lutnak- a szonda flültér, avagy sm. Ez szintén gy nagyon fontos ponta a karaktrisztikának. A fntikbn lírt fszültségtartományt átmnti tartománynak (II.) nvzzük. Tovább növlv a fszültségt a szonda már mindn t ltaszít magától, és magához vonz mindn lktront. Ezt a tartományt áram tlítési tartománynak (III.) nvzzük, mly idális stbn szintén gyns szakasz. 0 Műszaki Szml 15
4. ábra: A szonda karaktrisztika és kardinális lmi 3. Lokális plazmadiagnosztika az ATOMKI-ECR forrásán Mint már mlítttm, a Langmuir-szonda gy viszonylag könnyn mgvalósítható mérési szköz. Alkalmazását mégis nhézzé tszi néhány, az forrás flépítéséből származó tchnikai llgű probléma. Az alábbiakban néhányat mgmlítk zk közül: a szondát vákuumban kll mozgatni, nagy fszültségn található, így csak távirányítással lht mozgatni, a plazmát nagyfrkvnciáú lktromágnss tér hozza létr, rős, inhomogén, B minimum (B-min) típusú mágnss tükör tarta össz, nm-maxwlli lktronok lnlét [5], kicsi plazma és kamra mértk, ha a mikrohullám frkvnciáa magas (> 5 GHz), különböző töltésű ok lnlét, a szonda anyagának porlasztódásának és olvadásának lhtőség (nagynrgiáú plazmarészcskék lnlét miatt). A szonda anyagának és a kísérlti fltétlk mgfllő mgválasztásával az mlíttt problémák közül néhány kiküszöbölhtő, míg a többi hatása mgfllő szintr csökknthtő. Trmésztsn a flsorolt tényzők nmcsak a kísérlti mgvalósítást nhzítik mg, hanm bfolyásolák a szondás mérésk kiértéklésér szolgáló lmélti modllkt is. Az 5. ábra a szonda lhlyzkdését mutata b az ECR forrás plazmakamráában. Az ábrán mgfigylhtő az forrás blső szrkzt és a 0,4 mm átmérőű és 3 mm magasságú hngrs szonda. A plazmakamra a hxapol típusú állandó mágns blsébn található, mly a mágnss csapda radiális részét alkota. Ezt övzi kívülről három gynáramú tkrcs (mgfigylhtő az 1. ábrán), mly a mágnss tükör longitudinális össztvőét hozza létr. A kttő össztvődéséből ön létr a B-min mágnss tér, mlynk fő llgztsség, hogy a mágnss csapda középpontából kiindulva mindn irányban növkszik a mágnss indukció érték. A hxapol által szolgáltatott mágnss tér indukcióának maximális érték 1 Tsla, míg a tkrcsk maximálisan 1,3 Tsla rősségű mágnss trt szolgáltatnak. A plazmakamra és az forrás inktáló oldala nagy fszültségn található (alkalmazástól függőn 10..30 kv) a szondára viszont csak maximálisan néhány száz volt fszültségt kapcsolunk, és gondosan l kll szigtlni a plazmakamrától. Még gondot okoz az a tény is, hogy működés közbn nagy intnzitású röntgn sugárzás hagya l az forrást, így nm lht a közlébn tartózkodni. Műszaki Szml 15 1
5. ábra: Langmuir szonda lhlyzkdés az ECR plazmakamráában: 1 Mikrohullám bvztő (14,5 GHz), Vasgyűrű, 3 Biasd - Disc, 4-Hxapol, 5 Plazmakamra hűtés, 6 Langmuir szonda, 7 Plazmakamra, 8 Kivonó rés Ezkn kívül, ahhoz, hogy nagytöltésű okat lhssn lőállítani, az forrásban 10-6 -10-7 nagyságrndű vákuumot kll fnntartani. A fntikbn flsorolt tényk mgnhzítik a szonda prcíz mozgatását, a mozgás bvitlét és átvitlét, mivl mindnt távolról kll irányítani. Estünkbn a szonda mozgatásáról gy olyan mchanika gondoskodik, mly lhtővé tszi a függtln lináris és rotációs mozgást gy hngr palásta mntén. A szonda bvztőét pdig ttszőlgsn lht lhlyzni a kamrát bzáró flültr, így thát kisbb átalakításokkal l lht érni a kamra ttszőlgs pontát. Ily módon a Langmuir-szonda lhtőségt ad arra, hogy fl lhssn térképzni pontról-pontra a plazmát, és l lht készítni a paramétrtérképét, amit más módszrkkl ilyn aprólékosan nm lht mgtnni. 3.1. A karaktrisztika kiértéklés Számos módszrt dolgoztak ki a mérési adatok kiértéklésér, mlyk a karaktrisztika különböző tartományait használák fl a plazmaparamétrk kiszámítására. Néhányat mlítk mg a tlsség igény nélkül, Klasszikus Langmuir lárás Druyvstin módszr Orbital mot limit. A későbbikbn részltsn a Klasszikus Langmuir lárásra térk ki, mivl saát kutatásaim során zt alkalmaztam és flsztttm tovább az ECR plazma saátosságainak mgfllőn. A többi módszrről a mgfllő irodalomban lht olvasni. Az ECR plazmában mért karaktrisztika kiértéklésér nm használható fl a tls karaktrisztika. A plazma mágnsztt volta miatt az lktron tlítési áram érték nagymértékbn lcsökkn [6]. Ennk oka az, hogy az lktronok kötöttk a mágnss rővonalakhoz, mlyk mntén spirális pályán, haladó mozgást végznk. A szonda főlg azokat az lktronokat képs bgyűtni, mlyk olyan mágnss rővonalak mntén mozognak, amlyk mtszik a szonda flültét vagy a szonda körül kialakult burkot. A burok gy vékony rétg (Dby hossznyi), mly mindn, a plazmával kapcsolatba krülő flültn kialakul a töltéshordozók különböző mozgékonyságának köszönhtőn. Ez gy különlgs rétg, mlybn már nm érvénysk a plazmát líró törvényk (pl. kvázi-nutralitás) és a plazma többi részévl llntétbn nagy lktromos rőtér lnlét llmzi [7]. Ezn okból kifolyólag a szonda által bgyűtött lktronáram mérték óval kisbb, mint gy nm mágnsztt plazma stébn. A különbség lérhti a 10..100 as faktort is. Ezért ECR plazma stébn az lktron tlítési tartomány nm használható plazmaparamétrk számítására. Ugyanígy óvakodni kll a nagy szonda fszültségk stén is, mivl kimutatott tény az, hogy a szonda körül kialakuló burok vastagsága gynsn arányosan nő a fszültség növkdésévl, ami változó szondamértt és bgyűtött áramot lnt. A fntik figylmbvétlévl mgállapítható, hogy a flhasználható karaktrisztika szakasz az alacsony ngatív fszültségk tartománya, V f környzt, ahol a fnt mlíttt ffktusok csak kismértékbn bfolyásolák a Műszaki Szml 15
karaktrisztika alakát. A továbbiakban bmutatásra krülő mérésk fldolgozásánál mindvégig a (-50, 0) tartományt használtam fl (6. ábra). 6. ábra: Karaktrisztika sorozat fltünttv az forrás lénygs paramétri. D: a szonda és a tkrcsk középponta (Bmin sík )közötti távolság 4. Elmélti modll Az ECR plazmát nagy frkvnciáú lktromágnss tér hozza létr, mágnss tükör tarta össz, és mint már láttuk, zk mgnhzítik az lmélti lírást. Mindkttő főlg a plazma lktronaira van hatással. Mágnss térbn össztartott plazmák nm érhtnk l gynsúlyi állapotot, kövtkzésképpn a mágnss rővonalakkal párhuzamos és a rá mrőlgs irányba végbmnő mozgás lmélti lírása különböző hőmérsékltk bvztésévl történik. Ilyn stkbn várható, hogy a karaktrisztika mrdkség mgada az lktronhőmérséklt párhuzamos össztvőét, mivl az lktronnak a szonda flültér való utását a mágnss rővonal mntén végbmnő mozgás sbsség határozza mg. Az ECR plazmát mgfllőn íra l a loss-con [5] típusú lktron loszlásfüggvény. Ez az loszlás maxwlli llgt tuladonít a mágnss rővonalakkal párhuzamosan mozgó részcskéknk, thát a mi stünkbn az lktronoknak. Ezért munkám során az lktron sbsség párhuzamos komponnsénk loszlásfüggvényét Maxwll-Boltzmann típusúnak tkintttm. Trmésztsn tiszta maxwlli loszlás nm írhata l tökéltsn az ECR plazmát, d az irodalomban z gy lfogadott és bvált mgközlítés. Távlati cél a modll kitrsztés többszörös maxwlli lktron loszlásfüggvényk (EEF) és nm-maxwlli EEF-k alkalmazása [8,9]. Jlöl a továbbiakban T az lktronhőmérséklt párhuzamos komponnsét és T i az hőmérsékltt. A Langmuir-szondák lírására szolgáló modllk nm vszik figylmb azt a tényt, hogy az ECR plazma több fél atom különböző töltésű ait tartalmazza. Mindn mglévő modll csak gyszrsn töltött ok és lktronok lnlétét fltétlzi. Ahhoz, hogy a mérési adatokat hlysn értéklük ki, figylmb kll vnni a többszörösn töltött ok lnlétét. 4.1. Egyszrsn töltött ok Alapfltvés, hogy a plazma komponns gytln atom gyszrsn töltött ait tartalmazza, és az ok hidgk (T i 0). Ez utóbbi fltvés igaz ECR plazma stébn. Szintén hlys az a fltvés, hogy az lktronok hőmérséklt óval nagyobb az ok hőmérséklténél (T >> T i ). Fltétlzv még, hogy az lktronok bgyűtés főlg az lktronok sbsségénk párhuzamos komponnsétől függ, az Bohm-sbsségt a kövtkző alakban írhatuk fl [7]: v B kt = M 1 (1) Műszaki Szml 15 3
ahol, k a Boltzmann állandó és M az tömg. Az ún. burok fltétl mgkövtli [7], hogy az ok rndlkzznk gy a Bohm-sbsségnél nagyobb drift sbsséggl, amly óval nagyobb, mint az ok rndztln mozgásából származó sbsség. Az tlítési áram flírható, mint: I 1 = n A v B () ahol, I az tlítési áram, n az lktron sűrűség, az gységnyi töltés, és A a szonda flülténk a mágnss rővonalakra mrőlgs vtült. A. gynlt csak abban az stbn érvénys, ha a plazma kvázinutralitási gynlt az n i = n alakban írható fl, mindn Bohm-sbsséggl lép b a burokba és a plazma gytln komponnst tartalmaz. Az irodalomban létzik olyan lmélt [10], mly az lktron tlítési áramot használa fl az lktron sűrűség mghatározására, d a már mlíttt mágnss tér általi lktron áram lnyomás miatt ECR stébn nm alkalmazható. A Stangby által bvzttt módszrt [6] alkalmazva a szonda U-I karaktrisztikáa illszthtő a gynlttl, ahol I szonda áram V szonda fszültség V f fali potnciál I = I V V f 1 xp (3) T Ez csak gy szűk fszültség tartományban igaz (V < V f ) mivl mágnsztt plazmák stén V f fölött ltérésk mutatkoznak az xponnciális vislkdéstől. Ez a már mlíttt mágnss tér lnlétébn történő lktron tlítési áram lnyomásnak tuladonítható. Flhasználva a V f környztér korlátozott fszültség tartományt, mgbízható lktronhőmérsékltt nyrünk [11]. A számításokat a kísérlti görbék 3. gynlttl történő számítógéps illsztésévl végztm a (-50,0) fszültségtartományban. Míg V f mérhtő, I és T rgrssziós összfüggés paramétri, és a 3. összfüggésből határozhatók mg. Ismrv az lktron hőmérsékltt, az lktron sűrűség (n ) a. gynlt sgítségévl határozható mg, míg a plazma potnciál kiszámítható a V p = V ( 3.8 0.5ln µ ) T (4) f összfüggéssl, ahol V p a plazma potnciál és µ az rlatív atom tömg. 4.. Többszörösn töltött ok A Langmuir-szonda által bgyűtött áram rősségét bfolyásola az a tény, hogy az ECR plazma ugyanannak az nak különböző töltéssl rndlkző ait tartalmazza. Ahhoz, hogy hlys rdményt kapunk a karaktrisztikák kiértékléséből az ECR plazmának zn llgztsségét figylmb kll vnni az lmélti modll mgalkotásában. Az tlítési áram kifzésénk mghatározásához többkomponnsű plazma stébn abból indulhatunk ki, hogy a szonda körül létrövő burok két részr osztható: maga a burok, ahol nagyon rős lktromos tér van ln, és az ún. lő-burok ahol csak gyng lktromos tér észllhtő. Az lő-burokban a kvázi-nutralitás fltétl érvénysül, míg a burokban nm. A karaktrisztikának csak az áram tartományával foglalkozunk, ahol az lktronok taszító trt érznk, így loszlásfüggvényük maxwlliként írható fl: V n = no xp (5) kt ahol, n 0 a prturbálatlan lktronsűrűség és V az lő-burok és a plazma távoli ponta közötti potnciál különbség (utóbbi lht 0 vagy a plazma potnciál). A dn / dv driváltból az ún. ffktív lktron hőmérséklt számítható ki, 1 dn = (6) kt n dv 4 Műszaki Szml 15
amlyik nm-maxwlli stbn nm gyzik mg a kintikus lktron hőmérsékltévl. Fltétlzv, hogy a hidg ok a mágnss rővonalak mntén mozognak, a fladat gy dimnzióban tárgyalható. A töltésű stacárius transzport gynlti d dx ( v ) S n = (7) dv n Mv = n E Mv S (8) dx a hidrodinamikai folytonossági gynlt és az impulzus gynlt [6,1] ahol S forrástag (mgada az gységnyi térfogatban gységnyi idő alatt kltkző ok számát), M az tömg, E = -dv/dx az lktromos térrősség az lő-burokban, és mv S a fékzési tag, amly azt fzi ki, hogy az gyakorlatilag 0 sbsséggl kltkzik és a folyadékmozgás gyorsíta fl vi sbsségig. Bhlyttsítv (8)-ba a (7)-s driváltát és a (6)-ból számított dv/dx driváltat kapuk, hogy Mv dn kt dn Mv S = (9) n dx n dx n amly a (10) kvázi-nutralitási gynltből számított dn / dx driválttal n = n (10) írható, mint kt n dn S 1 = (11) n Mv dx v Amikor a záról zéróvá válik, a dn / dx végtlnné, ami lzi a pontot, ahol végt ér a plazma és kzdődik a burok. Itt az lktron sűrűség hirtln lcsökkn és az okat kzdi a szonda vonzani [13]. Így az lőburok burok határflültn n M v B Műszaki Szml 15 5 n = kt ahol, v B a töltésű Bohm-sbsség. A tlítési áram írható, mint (1) I = A n v (13) s ahol, A a szonda flült, n S a töltésű sűrűség a burok szélén, és v B a Bohm-sbsség. Ennél a pontnál mpirikus lépés bvztésér kényszrülünk. Lgyn ns az átlagos sűrűség (az lő-burok burok határflültn, gységnyi térfogatban található ok száma függtlnül a töltésüktől); és α gy 0 és 1 közötti szám, mlyt az analizált nyalábspktrumból számíthatunk ki; z mgmutata, hogy milyn százalékos arányban található gy bizonyos töltésállapot a plazmában. Fltétlzhtő, obb híán, hogy a plazmában uralkodó fltétlk ól tükröződnk a kivont nyalábban. Számítási lárás: ( I ) B I α = (14) ahol, I a töltésű által létrhozott lktron áram. Könnyn blátható thát, hogy = ns n S α (15) Fltétlzv ütközésmnts lő-burkot, ahol az okat az lő-burok burok potnciál különbség (U =-V= V p V s ) gyorsíta fl a v B sbsségr, a (13) és (15) ből kapuk, hogy I = A n s U M 3/ 1/ α (16) 3/
U kiszámítható (1) ből figylmb vév a kvázi-nutralitási gynltt. kt U = (17) Fltév, hogy a nyalábspktrumból számított átlagos lfosztottság, mggyzik a plazma átlagos lfosztottságával (gykomponnsű plazmát tkintv), a kvázi-nutralitási gynlt írható, mint n s ahol, n s az lktron sűrűség a burok szélén, = n s kiszámítható, mint ( I ) Flhasználva (17) és (18)-at az áram flírható, mint I A n = s (18) I = (19) kt M 1 α 3/ (0) Az (n 0 ) prturbálatlan lktron sűrűség flírható a burok szélén található n s lktron sűrűség függvényébn, flhasználva (5)-öt V -U = V s -V p -vl, és (17)-t 1/ ns = no = 0,61 no Flhasználva (0) és (1)-t, az lktron sűrűség írható, mint I és T mghatározható az illsztésből, α, (1) 1 1 I kt 3/ no = 0,61 α () A M és a maximális töltés ( max )a nyalábspktrumból. 4.3. Többkomponnsű plazma Az ECR plazma nm tiszta, ami alatt azt értm, hogy az forrás vákuumtr mindig tartalmaz maradékgáz atomokat (N, C, O, H ), és sok stbn két vagy több gázzal dolgozunk azért, hogy a munkagáz atomainak minél magasabb lfosztottságú ait állítsuk lő. Trmésztsn zk az atomok is izálódnak a plazmában, kimutathatók a nyalábspktrumban, és luthatnak a szonda flszínér, növlv a szonda által bgyűtött áram értékét. Ahhoz, hogy hlys lktron sűrűségt kapunk, a számításokban figylmb kll vgyük a fnt mlíttt okat is. A. gynlt általánosítása mgoldható gy a plazma különböző komponnsi szrinti összgzés bvztésévl. ahol, n o I 1 α = ( kt ) 0,61 A, k a többkomponnsű plazma átlagos lfosztottsága. 3/, k 1 M k 5. Kísérlti rdményk Mint már mlítttm, a kísérlti körülménykt gondosan kll mgválasztani a szonda épségénk és a mérési adatok kiértéklhtőségénk érdkébn. A bmutatásra krülő sorozatokat a hidg plazma tartományban mértük ki. A korlátozás oka az, hogy ha a szonda léri a rzonáns zónát, ahol nagy nrgiáú lktronok találhatók, akkor mgrongálódhat (gyszrűn lolvad). Az általunk használt wolfram olvadásponta magas, és lkrülük a rzonáns zónát. Amikor a szonda a rzonáns zónán kívül található, a plazmát csak kismértékbn zavara mg. Ez nyomon kövthtő a kivont nyaláb folytonos mgfigylésévl. A szonda anyagának trmikusmisszióa szintén lhanyagolható, mivl a karaktrisztikának csak alacsony fszültségű tartományait használuk. Ami még zavaró hatású lhtn, az a szonda anyagának porlasztása, d a kivont nyalábban nm találtunk a lgcskélybb mnnyiségű wolframot sm. Az lmélti modll flsztés szükségsségénk dmonstrálására két mérési sorozat kiértéklését mutatom b. 1 (3) 6 Műszaki Szml 15
5.1. Lináris lktronsűrűség profil A szonda tartórúda a 4. ábrának mgfllőn volt lhlyzv, ami azt lnti, hogy a szonda az áram bgyűtő flült az forrás tnglyén volt. Karaktrisztikák mérés a tnglyn gymástól gynlő távolságra lévő pontokban történt. SCh gyszrsn töltött ok mgközlítés (singl chargd approximat) MCh többszörösn töltött ok mgközlítés (multi-chargd approximat) 1. sorozat: az forrás paramétri O 3 kivonására optimizálva; nyomás a kivonó oldalon 1,6*10-6 mbar; btáplált mikrohullámú nrgia 100 W; a szonda D = 85 mm és D = 60 mm hlyztk közötti mozgatása közbn a mágnss indukció 1,0 T és 0,6 T érték között változott. A nyaláb össztétlét (sznnyződésktől ltkintv) az 1. táblázat, míg a lktron sűrűség profilt a 7. ábra tartalmazza. 1. táblázat: Töltés állapotok, áram értékk és a nyaláb százalékos össztétl. Átlagos töltés,5. O 5. O 4 O 3 O O 1 µa 15 74 110 91 45 α 0.0 0.13 0.5 0.3 0.3 7. ábra: Axiális lktron sűrűség profil: kivonásra optimizált töltésállapot O 3. sorozat: az forrás paramétri O 5 kivonására optimizálva; nyomás a kivonó oldalon 1.6*10-6 mbar; btáplált mikrohullámú nrgia 150 W; a szonda D = 85 mm és D = 60 mm hlyztk közötti mozgatása közbn a mágnss indukció 1,0 T és 0,6 T érték között változott. A nyaláb össztétlét (sznnyződésktől ltkintv) az. táblázat, míg a lktron sűrűség profilt a 8. ábra tartalmazza.. táblázat: Töltés állapotok, áram értékk és a nyaláb százalékos össztétl. Átlagos töltés,9. O 6 O 5 O 4 O 3 O O 1 µa 4 51 38 53 31 17 α 0,05 0,14 0,13 0,4 0,1 0,3 A 7. és 8. ábrán az lktronsűrűségnk ugyanaz a tndnciáa figylhtő mg. Azonban gy szmbtűnő különbség is mgfigylhtő. 7. ábra: a plazma komponnsénk átlag töltés,5 és az MCh / SCh arány 1,55. 8. ábra: a plazma komponnsénk átlag töltés,9 és az MCh / SCh arány 1,77. Műszaki Szml 15 7
8. ábra: Axiális lktronsűrűség profil: kivonásra optimizált töltésállapot O 5 Elmondhatuk thát, hogy a plazma átlagos töltésénk növkdésévl nő az rdti és a módosított lmélt modll közötti különbség is (zt a kövtkzttést későbbi számításaim is alátámasztották). Ez lfogadható, mivl magasabb töltésállapot kivonására optimizált plazma átlagos töltés magasabb kll lgyn. A számított lktronsűrűségk változása bizonyíta a többszörösn töltött ok a modllb való bvztésénk szükségsségét. Várható, hogy az igazán magas töltésállapotú ok lőállítása stén (pl. Ar 11), a különbségk még számottvőbbk lsznk. Az ECR forrás plazmáának további mgismrés érdkébn a szondát alkalmassá kll tnni a plazma érdksbb részink tanulmányozására is. Értm z alatt a rzonáns zónát, ahol a nagy nrgiáú lktronok kltkznk, amlyk képsk az ok további izációát lvégzni. Ez gy komoly kihívás a szonda és a mérési tchnika további flsztését igényli. Ilyn pl. a vékonyabb szondák alkalmazása, spciális szigtlő krámiák alkalmazása, vagy éppn tápgység számítógéps irányítása, mly stlgsn lhtővé tnné azt, hogy gy karaktrisztika flvétléhz szükségs idő (amly most néhány prc nagyságrndű) nagyságrndkkl lcsökknn. A bmutatott modll, a mérési módszr és a kapott rdményk világosan bmutaták, hogy a Langmuir-szondák alkalmasak (gylőr még korlátozásokkal, bizonyos körülményk között) az ECR plazma tanulmányozására, és fontos rdménykkl szolgálhat működésénk mgismréséhz. Irodalom [1.] Procdings of th 14 th Intrnatal Workshop on ECR Ion Sourcs, Gnva, Switzrland, 1999 [.] K.E. Stibing, S. Biri, J. Ar, F. Ditrói, H. Koivisto, J. Pálinkás, L. Schmidt, A. Valk: Procdings of th Intrnatal Confrnc on th Physics of Highly Chargd Ions (HCI 98), Bnshim, 1998, Grmany [3.] Biri S., Knéz L., Valk A., Nakagawa T., Kidra M., Yano Y.: Product of Highly Chargd Ions in Elctron Cyclotron Rsonanc Ion Sourcs Using an Elctrod in Two Mods. Rviw of Scintific Instrumnts 71(000)869 [4.] F.F. Chn, in Plasma Diagnostics Tchniqus (Acadmic, Nw York, 1965), Chap. 4. [5.] R.A. Dory, G.E. Gust and E.G. Harris, Phys. Rv. Ltt. 14, 131 (1965) [6.] P.C. Stangby, C.M. McCrackn: Nucl. Fus 30,15(1990) [7.] F.F. Chn: Modrn Uss of Langmuir Probs, Rsarch Rport, Nagoya Unnivrsity, 1985 [8.] G. Shirkov, Procdings of th 14 th Intrnatal Workshop on ECR Ion Sourcs, Gnva, Switzrland, 1999, 155 [9.] D.H. Edgll, J.S. Kim, S.K. Wong, R.C. Pardo, R. Vondrask, Rv. Sci. Instr. 71() (000) 666-668 [10.] I. Langmuir and H. Mott-Smith, Gnral Elctric Rv. 7, 449 (194) [11.] J.A. Tagl, P.C. Stangby, S.K. Ernts, Plasma Phys.Controll Fus 9,97(1987) [1.] W.M. Stacy, Fus Plasma Analysis, Wily, Nw-York, p.78, (1981) [13.] P.C. Stangby, in Physics of Plasma-Wall Intracts in Controlld Fus, d. D.E. Post; R. Bhrisch, NATO ASI Sris vol. 131, Plnum Prss, Nw York, p. 41, (1986) 8 Műszaki Szml 15