|
Źródło jonów typu ECR ECRIS - Electron Cyclotron Resonance Ion Source
Zasada działania - co to jest ECR? Wyładowanie elektryczne w gazach rozrzedzonych było często wykorzystywane do uzyskiwania zjonizowanych atomów w źródłach jonów stosowanych w cyklotronach. Powstawaniu wieloładunkowych jonów przeszkadzały niskie temperatury elektronowe plazmy oraz rekombinacja jonów na ściankach komory lub w wyniku napotykania elektronów w gęstej plaźmie. W źródłach nowej generacji plazmę nagrzewa się za pomocą mikrofal dzięki elektronowemu rezonansowi cyklotronowemu (ECR). Strumień promieniowania mikrofalowego o częstotliwości f = 6
Elektrony poruszające się po spiralach (zaznaczonych na rysunku 1)
wzdłuż linii sił pola magnetycznego wirują z częstotliwością rezonansową
Ponadto wysoka temperatura elektronowa zapobiega nagrzewaniu jonów, gdyż przekrój czynny na rozpraszanie elektronów na jonach jest odwrotnie proporcjonalny do kwadratu energii elektronu. Jony pozostają więc zimne (~1 eV, 10000 K), co wydłuża ich czas przebywania w komorze wyładowań i wpływa korzystnie na jakość wiązki wyprowadzanej ze źródła. 
Rys. 1. Uproszczony schemat źródła jonów typu ECR. Ponieważ magnetyczny moment dipolowy wynikający z ruchu elektronu
W przedstawionym na rysunku 2 źródle pole magnetyczne wytwarzane jest za pomocą uzwojeń (1) oraz magnesów trwałych (2) otaczających komorę wyładowań (3). Odcinek linii transmisyjnej (4), przekazującej strumień mikrofal do komory wyładowań, sprzężony jest z falowodem prostokątnym (6) za pośrednictwem transformatora (5). Od strony wyjścia komora zamknięta jest diafragmą (7), która wraz z układem soczewek elektrostatycznych (8) formuje wiązkę jonów. 
Rys. 2. Schemat źródła jonów zbudowanego w ŚLCJ.
Rys. 3. Rozkład stanów ładunkowych jonów siarki emitowanych
ze źródła (optymalizacja na Przykładowe zastosowania źródeł jonów typu ECR
Źródło połączone jest z centrum cyklotronu za pomocą tzw. linii
injekcyjnej - rysunek 4. Wiązka jonów wytwarzana w źródle (1) jest
ogniskowana przez soczewki: elektrostatyczną i magnetyczną (2), które są
umieszczone na wejściu do elektromagnesu (3). Elektromagnes ten odgrywa
jednocześnie rolę elementu ochylającego i analizującego. Odgięta wiązka
kierowana jest następnie do centrum cyklotronu, za pomocą soczewek
magnetycznych (4). Dalej w obszar akceleracji wiązkę wprowadza tzw. inflektor
zwierciadlany (5). Próżnię 
Rys. 4. Idea wprowadzania wiązki za pomocą inflektora w obszar akceleracji cyklotronu, obok schemat linii injekcyjnej zbudowanej w ŚLCJ.
Źródło jonów typu ECR, oprócz dostarczania do cyklotronu wiązek wysoko zjonizowanych atomów, może służyć także do wielorakich badań z zakresu fizyki atomowej czy fizyki ciała stałego (rysunek 5). Wiele ośrodków wykorzystuje takie źródła, gdy cyklotron jest wyłączony, albo wręcz instaluje je do tych celów oddzielnie. 
Rys. 5. Zastosowania źródła jonów typu ECR (w żółtych polach). Obecnie budowane źródła wytwarzają zarówno wiązki jonów
pierwiastków gazowych, jak i ciał stałych, np. O, S, Ar, Kr, Ni, Au, itd.
Natężenia wiązek wynoszą od kilku do kilkudziesięciu
Rysunek 6 ilustruje jedno z zastosowań źródeł typu ECR w fizyce
atomowej. Wysoko zjonizowane atomy (np.
Rys. 6. Przykład zastosowania wiązek jonów w fizyce atomowej. Ostatnio źródło typu ECR pracujące w ŚLCJ wykorzystano m.in. do prac nad implantowaniem membran polimerowych, które mogą być używane w aparaturze medycznej lub przemysłowej. Więcej informacji na temat ECR może udzielić dr Krzysztof Sudlitz - k.sudlitz@inetia.pl. Wersja tego tekstu w formacie PostScript. |
Zasada działania - co to jest ECR?
18
GHz i mocy ciągłej 10
= 2
f, osiągając w
rezultacie wysoką temperaturę. Uzyskiwane w ten sposób wysokie temperatury
elektronowe plazmy, rzędu kilkudziesięciu keV (~100 mln K), zapewniają
jonizację nawet głębokich powłok atomowych, nie pozwalając jednocześnie na
rekombinację jonów. 
musi być zachowany (
- składowa
pędu prostopadła do kierunku pola magnetycznego), zatem, gdy indukcja pola
magnetycznego B wzrasta ku końcom pułapki, składowa pędu
.
W wyniku tego mechanizmu
elektrony zostają skierowane ku centrum pułapki i mogą być ponownie odbite od
przeciwległego jej końca. Dodatkowo, dla zapewnienia stabilności plazmy
jonowej pod względem hydrodynamicznym, na pole magnetyczne "butelki - pułapki"
wytworzone przez solenoidy (patrz rysunek 2), nakłada się pole multipolowe
(zwykle heksapolowe) uzyskiwane dzięki układowi segmentów magnesów
trwałych. 
). 
mbar, niezbędną do prowadzenia wiązki wysoko naładowanych jonów, zapewnia
kombinacja pomp kriogenicznych i turbomolekularnych (6).
dla małych źródeł i do kilkuset
) mają nie zapełnione
wewnętrzne powłoki (K lub L). Rekombinacja przebiega poprzez wzbudzone stany
atomu. Elektrony przeskakując z zewnętrznych do wewnętrznych powłok pozbywają
się nadmiaru energii. W procesie tym emitowane jest promieniowanie
rentgenowskie lub emitowany są elektrony - tzw. elektrony Auger'a.
Eksperymenty takie mogą służyć do badań materiałowych lub do badań własności
powłok elektronowych w atomach.