Оптимізація нелінійних процесів формування пучка в ядерному скануючому мікрозонді

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проведена оптимізація процесів формування пучка в імерсійних ЗФС, у яких фінальне фокусування здійснюється за допомогою класичних мультиплетів МКЛ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тут як параметри оптимізації були визначені відстань між мультиплетом і прискорювальною трубкою, робоча відстань і величина потенціалу фокусувального електрода в прискорювальній структурі. Аналіз отриманих результатів показує, що системи, у яких коефіцієнти зменшення D_x і D_у мають значні відмінності, приводять до необхідності застосування об'єктного коліматора із прямокутною формою колімаційного вікна. Це вносить технологічні труднощі, які можуть стати головною перешкодою на шляху застосування таких ЗФС. Загальною властивістю всіх розглянутих імерсійних ЗФС є істотне зростання коефіцієнтів зменшення, що пояснюється залученням прискорювальної структури в процес зондоформування. Відзначається, що ЗФС на базі «російського квадруплета» МКЛ в імерсійному компонуванні не поступається дублету й триплету за величиною приведеного колімованого аксептанса й має ряд переваг, обумовлених властивістю ортоморфності (D_x=D_у).

Аналіз імерсійних систем формування пучка з розподіленими мультиплетами МКЛ на етапі фінального фокусування показує, що загальний характер залежностей іонно-оптичних характеристик зберігається для цих типів мультиплетів, однак значення параметрів, при яких ці характеристики мають оптимальні значення, відрізняються від конвенційних ЗФС. Величина приведеного колімованого аксептансу для цього класу ЗФС у кілька разів перевищує аналогічну величину для імерсійних ЗФС на базі класичних мультиплетів. У кінці цього розділу розглянута комбінована імерсійна ЗФС, розрахункова схема якої показана на рис. 9. Тут на попередній стадії формування пучка здійснюється за допомогою дублета електростатичних лінз, після чого пучок прискорюється, а фінальне фокусування здійснюється за допомогою дублета МКЛ. На рис. 9 наведені: об'єктний коліматор (поз. 1), дублет ЕКЛ (поз. 2), прискорювальна структура з аксіальною симетрією поля (поз. 3), кутовий коліматор (поз. 4), дублет МКЛ (поз. 5), мішень (поз. 6). Особливістю розв'язку оптимізаційної задачі для такого типу ЗФС є параметризація джерел живлення електростатичних квадрупольних лінз (ЕКЛ), які мають дві полярності й можуть забезпечувати живлення полюсів лінз негативною або позитивною напругою. Живлення ЕКЛ тут є статичними параметрами. Залежність приведеного аксептансу в такій системі від живлення лінз електростатичного дублета наведена на рис. 10. Як показує порівняльний аналіз, ця імерсійна схема формування пучка має найбільший приведений колімований аксептанс.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Шостий розділ «Оптимізація параметрів магнітних іонно-оптичних елементів із квадрупольною симетрією поля» присвячений вирішенню таких завдань: оптимізації параметрів магнітних квадрупольних лінз, що ґрунтується на принципах компромісу між одержанням максимального градієнта магнітного поля й забезпеченням мінімальних збурень структури поля паразитними мультипольними компонентами; пошуку шляхів модернізації фінальної магнітної квадрупольної лінзи для реалізації ЗФС із короткою робочою відстанню; розробленню інтегрованого дублета МКЛ для застосування його в розподіленій ЗФС.

На вході у ЗФС ЯСМЗ пучок добре сформований за допомогою системи об'єктного й кутового коліматорів і має максимальні поперечні розміри обвідної близько 2 мм, тому тут можуть застосовуватися лінзи з малим радіусом апертури, що дозволяє збільшити градієнт поля, а отже, зменшити довжину лінзи. Однак зменшення радіуса апертури приводить до підвищення вимог щодо точності позиціювання полюсів і величини залишкової намагніченості. Тому оптимізацію співвідношення величини допусків і радіуса апертури МКЛ було запропоновано визначати на основі розв'язку зворотної задачі, яка складається з декількох етапів. Спочатку будується функціональна залежність приведеного колімованого аксептансу у вигляді

бС_м(d)=f_б(d,W_i,j,U_i,j),(11)

де d - розмір зонда;

W_i,j,U_i,j - мультипольні компоненти параметричного мультиплета, що складається із певного числа N МКЛ (i=3, 4, j=2,4,…,2N).

Далі встановлюється функціональна залежність мультипольних компонент від допусків і залишкової намагніченості полюсів для різних значень радіуса апертури лінзи у вигляді

(12)

де д_g _ максимальний допуск виготовлення магнітопроводу;

д_B _ максимальна залишкова намагніченість полюсного наконечника;

r_a _ радіус апертури МКЛ.

Після того як визначені залежності (11) і (12), вибір оптимальних параметрів МКЛ для ЗФС здійснюється на основі таких міркувань. Для проведення мікроаналізу розподілу елементів у дослідному зразку необхідно забезпечити величину струму пучка в зонді, що дорівнює I₀. Якщо приосьова яскравість пучка, яку забезпечує штатне джерело іонів з урахуванням параметрів прискорювача і системи транспортування пучка, дорівнює b, тоді приведений колімований аксептанс повинен мати величину I₀/b. У дисертаційній роботі показано, що за допомогою ряду підстановок можна прийти до оптимізаційної задачі такого вигляду:

. (13)

Із (13) видно, що в даному випадку розмір зонда має параметричну залежність від радіуса апертури. При фіксованих значеннях I₀,b,д_B,д_g оптимальним буде радіус апертури МКЛ, який відповідає мінімальному розміру зонда.

У дисертаційній роботі дано опис експериментальних зразків магнітних квадрупольних лінз, де особливу увагу приділено інтегрованому дублету МКЛ, магнітопровід якого виготовлено із монолітної заготовки електротехнічної сталі ЕШ із застосуванням високоточної електроерозійної технології обробки металу. Дублет має такі основні технічні харак-теристики: зовнішній діаметр ярма 235 мм, радіус апертури 6,5 мм, довжини лінз 65 мм і 44 мм, відстань між лінзами 46 мм. Котушки мають 80 витків у вигляді плоских мідних пластин із поперечним перерізом 0,65Ч10,0 мм². Максимальний градієнт поля в області лінійної залежності магнітної індукції від струму в котушках становить 0,65 Тл/см.

Використання такого інтегрованого дублета квадруполів дозволяє спростити юстування системи лінз і зменшити паразитні аберації, що пов'язані з поступальною, похилою і обертальною неточностями юстування лінз у системі. Однак фізичні осі (де магнітна індукція дорівнює нулю) кожної із лінз можуть не збігатися з геометричним центром лінзи. Тому необхідно було визначити величину неспіввісності фізичних осей лінз дублета. Важливою характеристикою якості кожної магнітної квадрупольної лінзи також є відносні величини мультипольних паразитних компонентів до основної квадрупольної. Для визначення величини неспіввісності фізичних осей лінз і відносних величин мультипольних паразитних компонентів була використана експериментальна установка й методика відновлення поля, опис яких наведений у роботі. Загалом можна констатувати, що співвісність лінз знаходиться у межах 20 мкм при зміні полярності живлення котушок зі струмом. Максимальні мультипольні компоненти поля: секступольна _ <0,002 [1/см], октупольна _ <0,004 [1/см²]. Неточність визначення секступольних компонент становить не більше 10%, а октупольних - не більше 40%.

Одним із напрямів удосконалення МКЛ є створення конструкцій, здатних забезпечити малу робочу відстань. При цьому повинна зберігатися можливість розташування детектувальних пристроїв таким чином, щоб не погіршувалися умови реєстрації вторинних продуктів взаємодії пучка з атомами мішені. У роботі було запропоновано розв'язання задачі щодо зменшення робочої відстані шляхом застосування конічної МКЛ. Оптимізація параметрів конічної МКЛ проводилася згідно з підходом, викладеним вище. Визначено поздовжній розподіл радіальної складової B_r у площині симетрії лінзи. Як показали розрахунки, розподіл B_r для r < 300 мкм мало відрізняється від розподілу для МКЛ загальноприйнятої конструкції, але вже для r=600 мкм спостерігається помітна відмінність, яка наближається до розподілу, одержуваного у квадрупольних лінзах з конічною апертурою.

Сьомий розділ «Експериментальні дослідження формування пучка в ядерному скануючому мікрозонді» містить опис експериментальної установки каналу ЯСМЗ у складі аналітичного прискорюючого комплексу ІПФ НАН України на базі компактного електростатичного прискорювача «Сокіл» з максимальною напругою на високовольтному терміналі 2 МВ. У роботі детально розглянуті основні елементи ЯСМЗ: коліматори, дублети МКЛ із системою позиціювання, феромагнітний сканер, камера взаємодії з досліджуваними зразками та детектувальними пристроями.

Особливістю юстування каналу ЯСМЗ із розподіленою квадрупольною зондоформуючою системою є необхідність забезпечення суміщення оптичних вісей усіх вузлів і систем з віссю пучка з необхідною точністю. Основні труднощі тут пов'язані зі скривленням осі пучка внаслідок наявності різного виду розсіяних магнітних полів в експериментальному залі. Зважаючи на те, що довжина оптичного тракту від виходу пучка із прискорювача до мішені більша 10 м, тому навіть незначні магнітні поля зводять до помітних збурень осі пучка іонів. Виходячи з цього, експериментально визначена послідовність дій при юстуванні каналу ЯСМЗ з розподіленими квадрупольними ЗФС.

Наступний етап юстування ЗФС полягає в узгодженні власної системи координат лінз дублетів МКЛ із лабораторною системою. Кожна з лінз дублету юстується окремо для утворення лінії стигматичного зображення на кварцовому екрані. Якщо лінія зображення не збігається з однією з осей лабораторної системи координат, проводяться паралельне переміщення дублета в поперечних напрямках осей х або у і поворот усього дублета як жорсткого цілого стосовно цих осей.

Завершальним етапом юстування ЗФС є одержання стигматичного зображення пучка на мішені при включених лінзах обох дублетів МКЛ. Для цього використовуються розрахункові значення струмів для котушок кожної з лінз, які з'єднані з одним із двох незалежних джерел живлення. При фокусуванні пучка на мішені зміна струму в одному джерелі живлення котушок лінз приводить до зміни розмірів плями як у х так і у напрямках, що затруднює процедуру формування зонда. Для визначення стратегії точного фокусування було проведене моделювання залежності розмірів плями від струму в котушках лінз. При цьому був використаний відновлений розподіл яскравості пучка у площині об'єктного коліматора, у визначенні розподілу густини струму пучка на мішені. Тому стратегія точного фокусування аналогічна методу сполучених градієнтів у задачах оптимізації. Роздільна здатність ядерного мікрозонда визначається характерними розмірами плями сфокусованого пучка на мішені або розмірами зонда, а чутливість застосованих ядерно-фізичних методів знаходиться в прямій залежності від величини струму пучка. Вимірювання струму пучка проводиться за допомогою циліндра Фарадея в режимі калібрування, а в процесі вимірювань за допомогою знімання заряду з мішені із застосуванням інтегратора струму. Калібрування розмірів зонда здійснюється в процесі сканування за рахунок детектування вторинної електронної емісії при взаємодії сфокусованого пучка з каліброваними мідними сітками з відомими розмірами. Питання про розміри пучка досить неоднозначне, тому що густина струму в плямі має нерівномірний розподіл. За розмір зонда d_FWHM, як правило, береться величина повної ширини розподілу струму на напіввисоті (FWHM). У більшості випадків використовується метод, що базується на припущенні, що розподіл густини струму в зонді береться у вигляді гаусіана. Тоді функція виходу вторинних електронів при скануванні краю сітки має вигляд

(14)

де а, Х₀ - параметри, що визначають положення пучка стосовно сітки;

- параметр, що визначає інтенсивність виходу вторинних електронів з поверхні сітки, перпендикулярної до осі пучка;

- параметр, що визначає інтенсивність виходу вторинних електронів з бокової поверхні комірки сітки;

- вихід вторинних електронів у порожнинах сітки, якщо сама сітка розташована на підкладці;

Erf(z) - функція помилки.

При пригонці профілю виходу вторинної електронної емісії у вигляді (14) використовуються п'ять параметрів: , , , a і d_FWHM.

Однак припущення про гаусову форму розподілу густини струму в зонді на поверхні мішені не цілком справедливо, тому що ЗФС здійснює нелінійне перетворення фазових координат пучка із площини об'єктного коліматора в площину мішені. Тому був розглянутий інший підхід, у якому розраховано розподіл густини струму в зонді, з урахуванням виміряних параметрів яскравості в площині об'єктного коліматора й оптимізованих параметрів ЗФС з інтегрованими дублетами магнітних квадрупольних лінз. При цьому враховувалися оптимізовані розміри об'єктного й кутового коліматорів, що забезпечують повні розміри зонда 3Ч3 мкм².

Моделювання виходу вторинної електронної емісії з використанням теоретичного двовимірного розподілу густини струму в зонді j(x,y) ґрунтується на пригонці за трьома параметрами Н_b,H_w і X_c:

,(15)

де Т_х - профіль виходу вторинних електронів при скануванні в лінію в х напрямку;

x_min,y_min,y_max - мінімальні та максимальні розміри пучка в основі розподілу густини струму;

H_b,H_w - коефіцієнт виходу із площини перемички сітки, перпендикулярної до осі пучка й бічної вертикальної стінки відповідно;

X_c - координата бічної вертикальної стінки сітки.

Експериментальні профілі виходу вторинної електронної емісії були отримані внаслідок сканування зондом каліброваної мідної сітки з періодом 65,5 мкм, отриманим у результаті процедури юстування й фокусування каналу мікрозонда, наведених вище. Розміри вікон об'єктного й кутового коліматорів відповідали їх оптимізованим розрахунковим значенням. Вимірюваний струм пучка протонів з енергією 1 МеВ склав I=(103±15) пкА. Це пов'язано з тим, що струм пучка в ядерному зонді має гіршу стабільність порівняно з електронним зондом більш ніж на порядок. Однак задача ЯСМЗ полягає не в одержанні якісного контрасту у вторинних електронах, а у визначенні карти розподілу елементів у приповерхневих шарах товстих зразків з високою чутливістю на рівні 1…10 ppm і локальністю, яку визначає розмір зонда на поверхні досліджуваного зразка.

З вигляду модельних профілів виходу, що ґрунтується на гаусовій формі розподілу густині струму в зонді, видно, що вони добре описують експериментальну криву в нижній частині, коли в процесі виходу вторинних електронів беруть участь іони зонда в області гало, що пов'язано з розсіяними частинками пучка на краях коліматорів.

Однак для ліній сканування в х напрямку в області максимального виходу на краю перемички сітки є значні розбіжності, що, ймовірно, призводить до завищених результатів розмірів зонда. Це пов'язано з тим, що згідно з теоретичними розрахунками у х напрямку розподіл густини струму в зонді значно відрізняється від гаусового. Навпаки, у напрямку сканування у підгінна крива достатньо добре описує експериментальну криву, що може бути пояснене близьким теоретичним розподілом густини струму в зонді до гаусового розподілу.

Виходячи з вигляду профілів виходу вторинної електронної емісії, можна стверджувати, що розміри зонда 2,30Ч2,09 мкм (FWHM) при повному струмі пучка I? 100 пкА відповідають роздільній здатності зондоформуючої системи розглянутого ядерного скануючого мікрозонда.

Висновки

У дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення проблеми оптимізації нелінійних процесів формування пучка в апаратурних комплексах ядерного скануючого мікрозонда, у яких застосовуються мультиплети магнітних квадрупольних лінз. Розроблена концепція й проведена оптимізація імерсійної схеми ЯСМЗ. Результати теоретичних досліджень реалізовані в експериментальній установці ядерного скануючого мікрозонда ІПФ НАНУ. Основні висновки можна викласти у вигляді таких тверджень:

1. Розвинений формалізм опису нелінійної динаміки фазових множин у ЗФС двох типів: мікрозонда й прожектора. Введені поняття повного й колімованого приведених фазових множин ЗФС і величини їх об'ємів: повного й колімованого приведених аксептансів. Визначена повна приведена фазова множина квадрупольної ЗФС, яка має складну форму.

2. Визначені методи обчислення величини чотиривимірних фазових об'ємів складної форми. На підставі розвинених методів встановлено збільшення відмінності в значеннях повного й колімованого аксептансів у міру зростання нелінійності ЗФС, що свідчить про принципове обмеження застосування таких систем у ЯСМЗ для задач мікроаналізу .

3. Введене поняття параметричної ЗФС, у якій визначені геометричні, фізичні й топологічні параметри, що впливають на іонно-оптичні властивості системи. Це дозволило визначити параметричну залежність колімованого приведеного аксептансу ЗФС із активними іонно-оптичними елементами, що мають різні типи симетрії поля.

4. Визначено фізично обґрунтований критерій оптимальності параметричних ЗФС, що базується на пошуку максимуму струму зонда при фіксованих його розмірах. На підставі цього критерію формалізована задача оптимізації процесу формування пучка в ЗФС у вигляді задачі нелінійного програмування. Розроблено новий евристичний метод розв'язку сформульованої задачі оптимізації, який реалізований у ряді обчислювальних програм.

5. Застосування розроблених методів для аналізу роздільної здатності параметричних ЗФС, що складаються із мультиплетів магнітних квадрупольних лінз, дозволило визначити граничну роздільну здатність такого класу систем, яка знаходиться на рівні 0,26 мкм у режимі мікроаналізу для пучка з яскравістю 20 пкА/мкм²мрад²МеВ і струмом зонда 100 пкА. Встановлено, що в таких системах зменшення розмірів зонда призводить до зниження густини струму на мішені.

6. Показано, що ЗФС на базі параметричних мультиплетів МКЛ із розташуванням лінз, розподілених уздовж оптичної осі, мають значно більшу величину приведеного колімованого аксептансу порівняно з класичними мультиплетами. Однак практичне застосування таких систем обмежене відсутністю фізичних принципів суміщення осі МКЛ із віссю пучка. Тому розв'язана задача оптимізації розподіленого квадруплета з інтегрованими дублетами МКЛ.

7. Встановлено, що врахування нерівномірного заселення частинками стаціонарного фазового об'єму пучка на вході в ЗФС може суттєво впливати на просторову роздільну здатність мікрозонда. Зокрема, наявність кореляції між енергетичним розкидом частинок у пучку й кутовими фазовими координатами приводить до зростання приведеного колімованого аксептансу.

8. Розроблена концепція компактного ЯСМЗ на базі імерсійної ЗФС, у якій у процес формування пучка включена прискорювальна трубка електростатичного прискорювача. Це дозволяє у кілька разів зменшити розміри мікрозонда й переглянути функціональне призначення окремих його пристроїв.

9. У результаті оптимізації нелінійного процесу формування пучка в імерсійній ЗФС встановлено, що найкращу роздільну здатність має комбінована зондоформуюча система, що складається з дублета ЕКЛ на початковій стадії формування пучка й фінального дублета МКЛ. Така система має найбільший аксептанс і можливість зміни іонно-оптичних властивостей за рахунок варіювання живлення лінз електростатичного дублета.

10. Сформульовано підхід для визначення залежності параметрів МКЛ від технологічних і фізичних допусків, пов'язаних з неточностями виготовлення магнітопроводу лінз і наявністю гістерезису в магнітному матеріалі. Показано, що така залежність може бути побудована за умови, коли паразитні компоненти поля, викликані такого роду недосконалостями, не є домінуючими у процесі формування пучка в ЯСМЗ.

11. Розроблено інтегрований дублет МКЛ нового типу, який дозволяє розв'язати ряд задач, пов'язаних із точним юстуванням лінз у розподілених квадрупольних ЗФС. У результаті проведених експериментальних досліджень було встановлено, що фізичні осі квадруполів в інтегрованому дублеті мають максимальну неспіввісність у межах ±10 мкм, а паразитні мультипольні компоненти становлять: секступольна - <0,002 [1/см], октупольна - <0,004 [1/см²].

12. Створено канал ядерного скануючого мікрозонда у складі аналітичного прискорюючого комплексу ІПФ НАН України, в якому застосована оптимізована розподілена зондоформуюча система із двома інтегрованими дублетами магнітних квадрупольних лінз. Показана необхідність розроблення методики юстування такої системи. Експериментально встановлено, що послідовність дій, викладених у розробленій методиці, дозволяє сумістити всі магнітні квадрупольні лінзи з віссю пучка з точністю, коли паразитні аберації позиціонування не є домінуючими у процесі формування пучка на мішені.

13. Отримано експериментальні профілі виходу вторинної електронної емісії на краях каліброваної мідної сітки, на підставі обробки яких визначалися розміри зонда. Розглянуто два підходи обробки профілів у припущенні гаусового розподілу густини струму в зонді й теоретичному розподілі, отриманому в результаті розв'язку задачі динаміки фазової множини в нелінійній ЗФС. Показано, що теоретичний профіль найбільш точно описує експериментальні результати, що дає підставу стверджувати про адекватність теоретичної моделі нелінійних процесів формування пучка в ЗФС ЯСМЗ.

14. Розглянуто застосування ЯСМЗ для дослідження розподілу хімічних елементів у конструкційних матеріалах методом мікро _PIXE. Отримані двовимірні карти розподілу елементів в області шва твердофазного з'єднання матеріалів, на підставі яких можна робити висновок про еволюцію розподілу домішок в умовах експлуатаційних навантажень.

Список публікацій за темою дисертації

Спеціалізовані журнали

1. Пономарев А.Г. Применение сфокусированных пучков заряженных частиц низких и средних энергий в нанотехнологиях (обзор) / А.Г. Пономарев // Вестник СумГУ, серия «Физика, математика, механика». - 2008. _ №2. _ С. 46-59.

2. Brazhnik V.A. Optimization of magnetic quadrupole probe-forming systems by the method of synthesis / V.A. Brazhnik, S.A. Lebed, V.I.Miroshnichenko, A.G. Ponomarev, V.E. Storizhko // Nucl. Instr. and Meth. B. - 2000. _ Vol. 171. _ P. 558-564.

3. Brazhnik V.A. Optimization of magnetic quadrupole probe forming systems based on separated Russian quadruplet / V.A. Brazhnik, V.I.Miroshnichenko, A.G. Ponomarev, V.E. Storizhko // Nucl. Instr. and Meth. B. - 2001. _ Vol. 174. _ P. 385-391.

4. Мордик С.Н. Тенденции развития ядерного сканирующего микрозонда / С.Н. Мордик, А.Г. Пономарев, В.Е. Сторижко, Б. Сулкио-Клефф // ВАНТ, Серия: Физика ядерных реакторов. - 2002. _ выпуск 1/2. _ С. 239-244.

5. Игнатьев И.Г. Моделирование нелинейной динамики пучка заряженных частиц в аксиально-симметричном электростатическом поле методом матрицантов / И.Г. Игнатьев, Д.В. Магилин, А.Г. Пономарев, В.И. Мирошниченко // Вестник СумГУ, серия «Физика, математика, механика». - 2003. _ №8(54). _ C. 37-44.

6. Ponomarev A.G. Resolution limit of probe-forming systems with magnetic quadrupole lens triplets and quadruplets / A.G. Ponomarev, K.I. Melnik, V.I. Miroshnichenko et al. // Nucl. Instr. and Meth. B. - 2003. _ Vol. 201. _ P. 637-644.

7. Ponomarev A.G. Optimum collimator shape and maximum emittance for submicron focusing of ion beams. Determination of the probe forming system resolution limit / A.G. Ponomarev, V.I. Miroshnichenko, V.E. Storizhko // Nucl. Instr. and Meth. A. - 2003. _ Vol. 506. _ P. 20-25.

8. Ponomarev A.G. Permissible technological limitation of quadrupole lenses used in parameter multiplets for ion microprobe forming / A.G. Ponomarev, K.I. Melnik // ВАНТ, серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения. - 2003. - том 3, №4. _ С. 301-304.

9. Ponomarev A.G. Parametric multiplets of magnetic quadrupole lenses: application prospects for probe-forming systems of nuclear microprobe / A.G. Ponomarev, K.I. Melnik, V.I. Miroshnichenko // Nucl. Instr. and Meth. B. - 2005. _ Vol. 231. _ P. 86-93.

10. Абрамович С.Н. Оптимизация зондоформирующей системы ядерного сканирующего микрозонда на базе электростатического перезарядного ускорителя ЭГП-10 / С.Н. Абрамович, Н.В. Завьялов, А.Г. Звенигородский, И.Г. Игнатьев, Д.В. Магилин, К.И. Мельник, А.Г. Пономарев // ЖТФ. - 2005. _ том 75, вып.2. _ С. 6-12.

11. Игнатьев И.Г. Oптимизация иммерсионной зондоформирующей системы ионного микрозонда мегаэлектронвольтных энергий / И.Г. Игнатьев, В.И. Мирошниченко, А.Г. Пономарев, В.Е. Сторижко // Прикладная физика. - 2006. _ №5. _ С. 47-50.

12. Sayko N. A. Proton Beam Scanning Modular Unit for a Nuclear Microprobe / N. A. Sayko, A. G. Ponomarev, S. N. Mordyk et al. // Technical Physics. - 2007. _ Vol. 52, No. 3. _ P. 361-364.

13. Rebrov V.A. The new design of magnetic quadrupole lens doublet manufactured from a single piece / V.A. Rebrov, A.G. Ponomarev, V.K. Palchik, N.G. Melnik // Nucl. Instr. and Meth. B. - 2007. _ Vol. 260. _ P. 34-38.

14. Ребров В.А. Прецизионная магнитная квадрупольная линза для ядерного сканирующего микрозонда на базе электростатического перезарядного ускорителя ЭГП-10 / В.А.Ребров, А.Г.Пономарев, Д.В. Магилин и др. // ЖТФ. - 2007. _ том 77, вып. 3. _ С. 76-79.

15. Пономарев А.Г. Протонный сканирующий микрозонд с интегрированной зондоформирующей системой / А.Г. Пономарев, В.А. Ребров, Н.А.Сайко и др. // Прикладная физика. - 2008. _ №2. _ С. 28-33.

16. Ponomarev A.G. The beam control in quadrupole probe-forming systems with allowance of correlation between angular distribution and energy spread of charged particles / A.G. Ponomarev, V.I. Miroshnichenko, V.E. Storizhko // Physics Procedia. - 2008. - Vol. 1. - P. 99-104.

17. Пономарев А.Г. Оптимизация параметров зондоформирующей системы ядерного сканирующего микрозонда на базе электростатического ускорителя «Сокол» / А.Г. Пономарев, В.А. Ребров, В.И. Мирошниченко, В.Е. Сторижко // ВАНТ. Серия: «Плазменная электроника и новые методы ускорения». _ 2008. _ том 6, № 4. - С. 269-273.

18. Пономарев А.Г. Оптимальное коллимирование пучка заряженных частиц в зондоформирующих системах / А.Г. Пономарев // ЖТФ. - 2009. _ том 79, вып. 2. _ С. 112-116.

19. Melnik K.I. Optimization of the working distance of an ion microprobe-forming system / K.I. Melnik, D.V. Magilin, A.G. Ponomarev // Nucl. Instr. and Meth. B. - 2009. _ Vol. 267. _ P. 2036-2040.

20. Vorobjov G.S. Application of focused charge-particle beams of in manufacturing of nanocomponents / G.S. Vorobjov, A.G. Ponomarev, A.A. Ponomareva et al. // Telecommunications and Radio Engineering. - 2010. - Vol.69, No.4. - P. 355-365.

Патенти

21. Деклараційний патент на винахід № 67341 Україна, МПК⁷ G 01 N 23/00. Спосіб дослідження структури і елементного складу речовини і пристрій для здійснення цього способу (мікрозонд іонний) / Сторіжко В.Ю., Пономарьов О.Г., Мірошниченко В.І.; заявник і власник Інститут прикладної фізики НАН України. _ № 2003038121; заявл. 01.09.2003; опубл. 15.06.2004, Бюл. №6. - 3 с.

22. Патент на винахід № 75687 Україна, МПК H 01 J 3/20 (2006.01), H 01 J 3/22 (2006.01). Мультиплет квадрупольних лінз / Пономарьов О.Г., Ребров В.А., Магілін Д.В.; заявник і власник Інститут прикладної фізики НАН України. _ № 2004021145; заявл. 17.02.2004; опубл. 15.06.2006, Бюл. №5. _ 3 с.

23. Патент на промисловий зразок № 14564 Україна, МКПО 14-19. Дублет магнітних квадрупольних лінз для високоенергетичних зондоформуючих систем растрових іонних мікроскопів / Пономарьов О.Г., Ребров В.А., Магілін Д.В.; заявник і власник Інститут прикладної фізики НАН України. _ № 200601572; заявл. 06.10.2006; опубл. 10.07.2007, Бюл. №10. - 4 с.

Матеріали конференцій

24. Мирошниченко В.И. Выбор оптимальных магнитных квадрупольных зондоформирующих систем для ядерного микрозонда / В.И. Мирошниченко, А.Г. Пономарев, В.Е. Сторижко // XIV Международная конференция по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям: 6-9 июня 2001 г.: труды. _ Обнинск, РФ, 2001. _ С. 275-280.

25. Пономарев А.Г. Оптимизация ионного микрозонда Мэв-ных энергий с иммерсионной зондоформирующей системой / А.Г. Пономарев, И.Г. Игнатьев, Д.В. Магилин и др. // XV Международная конференция по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям: 25-27 ноября 2003 г.: труды. _ Обнинск, РФ, 2003. _ С. 171-174.

26. Игнатьев И.Г. Оптимизация ионно-оптической схемы иммерсионной зондоформирующей системы ядерного микрозонда Мэв-ных энергий / И.Г. Игнатьев, В.И. Мирошниченко, А.Г. Пономарев, В.Е. Сторижко // XVІ Международная конференция по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям: 6-8 июня 2006 г.: труды. _ Обнинск, РФ, 2006. _ С. 128-133.

27. Игнатьев И.Г. Согласование ионно-оптической схемы блок коллиматоров _ ускоряющая трубка иммерсионной зондоформирующей системы ионного микрозонда мегаэлектронвольтных энергий / И.Г. Игнатьев, В.И. Мирошниченко, А.Г. Пономарев, В.Е. Сторижко // ІІІ Конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям: 28 февраля-4 марта 2005 г.: тезисы докладов. _ Харьков, 2005. _ С. 51.

28. Ignat'ev I.G Imersion probe-forming system as a way to the compact design of nuclear microprobe / I.G. Ignat'ev, D.V. Magilin, V.I. Miroshnichenko, A.G. Ponomarev et al. // 9 International conference on nuclear microprobe technology and applications (ICNMTA2004): 13-17 September 2004: book of abstracts. _ Cavtat, Dubrovnik, Croatia, 2004. _ P. 96.

29. Ponomarev A.G. The Beam Control in Quadrupole Probe-Forming Systems with Allowance of Correlation between Angular Distribution and Energy Spread of Charged Particles / A.G. Ponomarev, V.I. Miroshnichenko, V.E. Storizhko // VII International conference on charged particle optics (CPO7): 24-28 July 2006: abstracts. _ Trinity College, Cambridge, England, 2006. _ P. 36.

30. Storizhko V.E. The Sumy scanning nuclear microprobe: design features and first tests / V.E. Storizhko, A.G. Ponomarev, V.A. Rebrov et al. // 10 International conference on nuclear microprobe technology and applications (ICNMTA2006): 9-14 July 2006: book of abstracts. _ Singapore, 2006. _ P. 129.

31. Пономарев А.Г. Эволюция эмиттанса пучка в магнитных квадрупольных зондоформирующих системах / А.Г Пономарев // 8 Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики»: 29-31 мая 2007 г., тезисы докладов. _ Москва, 2007. _ С. 25-26.

32. Пономарев А.Г. Калибровка параметров пучка в ядерном сканирующем микрозонде ИПФ НАНУ / А.Г. Пономарев, В.А. Ребров, Н.А. Сайко и др. // Международное совещание «Микро и нанотехнологии с использованием пучков ионов, ускоренных до малых и средних энергий»: 16-18 октября 2007 г.: тезисы докладов. _ Обнинск, РФ, 2007. _ С. 66.

33. Пономарев А.Г. Характеристики ядерного сканирующего микрозонда с интегрированной зондо-формирующей системой / А.Г. Пономарев, В.А. Ребров, Н.А. Сайко и др. // VІ Конференция по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям: 25-29 февраля 2008 г.: тезисы докладов. _ Харьков, 2008. _ С. 24-25.

34. Magilin D.V. Performance of the Sumy nuclear microprobe with integrated probe-forming system / D.V. Magilin, A.G. Ponomarev, V.A. Rebrov et al. // 11 International conference on nuclear microprobe technology and applications (ICNMTA2008): 20-25 July 2008: book of abstracts. _ Debrecen, Hungary, 2008. _ P. 74.

35. Пономарев А.Г. Ядерный сканирующий микрозонд ИПФ НАНУ: физические параметры и первые результаты / А.Г. Пономарев, В.А. Ребров, Н.А. Сайко и др. // XVIII Международная конференция по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению: 8-13 сентября 2008г.: труды. - Харьков, 2008. - С. 366.

36. Пономарев А.Г. Ионно-оптические свойства квадрупольных линз с конической апертурой / А.Г. Пономарев, Д.В. Магилин, В.И. Мирошниченко, А.А. Пономарева // 9 Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики»: 27-29 мая 2009 г., тезисы докладов. _ Москва, 2009. _ С. 20.

37. Storizhko V.E. IAP Accelerator Based Microanalytical Facility for Material Science Studies / V.E. Storizhko, V.I. Miroshnichenko, A. G. Ponomarev, A.A. Drozdenko // The International Topical Meeting on Nuclear Research Applications and Utilization of Accelerators: 4-8 May 2009, Vienna: proceedings. _ Vienna, 2009. - SM/AE-P02. _ P. 1-7

38. Магилин Д.В. Анализ элементного состава и распределения примесей в материалах реакторной техники при помощи ядерного сканирующего микрозонда / Д.В. Магилин, К.И. Мельник, В.И. Мирошниченко, А.Г. Пономарев, В.Е. Сторижко // VIII Конференция по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям: 22-26 февраля 2010 г.: тезисы докладов. _ Харьков, 2010. _ С. 76.

39. Ponomarev A.G. Scanning nuclear microprobe application in studying of element distribution in structural materials / A.G. Ponomarev, D.V. Magilin, K.I. Melnik et al. // 3 International Conference «Current Problems in Nuclear Physics and Atomic Energy»: 7-12 June 2010: book of abstracts. _ Kyiv, Ukraine, 2010. _ P. 156-157.

40. Storizhko V.E. Investigation of element distribution in interfaces of solid-phase joining materials by м-PIXE and SIMS techniques / V.E. Storizhko, A.G. Ponomarev, D.V. Magilin et al. // 12 International conference on nuclear microprobe technology and applications (ICNMTA2010): 26-30 July 2010: book of abstracts. _ Leipzig, Germany, 2010. _ P. 147.

41. Пономарев А.Г. Исследование распределения элементов в конструкционных материалах методом м-PIXE / А.Г. Пономарев, Д.В. Магилин, К.И. Мельник и др. // XIХ Международная конференция по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению: 06 _ 11 сентября 2010г.: труды. - Харьков, 2010. - С. 453.

Анотація

Пономарьов О.Г. Оптимізація нелінійних процесів формування пучка в ядерному скануючому мікрозонді. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.20 - фізика пучків заряджених частинок. - Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», Харків, 2011.

Дисертація присвячена розвитку методів оптимізації нелінійних процесів формування пучка в ядерному скануючому мікрозонді (ЯСМЗ). Розвинений формалізм опису нелінійної динаміки фазових множин у зондоформуючих системах (ЗФС) двох типів: мікрозонда й прожектора. Показано, що зростання величини нелінійності ЗФС приводить до принципового обмеження застосування таких систем у ЯСМЗ для задач мікроаналізу. Формалізована задача оптимізації процесу формування пучка в ЗФС у вигляді задачі нелінійного програмування. Розв'язок задачі оптимального формування пучка в нелінійних ЗФС на базі параметричних мультиплетів магнітних квадрупольних лінз (МКЛ) дозволив визначити граничну роздільну здатність такого класу систем. Розроблена концепція компактного ЯСМЗ на базі імерсійної ЗФС, у якій у процес формування пучка включена прискорювальна трубка електростатичного прискорювача. Проведена оптимізація нелінійного процесу формування пучка в імерсійній ЗФС. Розроблено інтегрований дублет МКЛ нового типу, який дозволяє розв'язати задачу, пов'язану з точним юстуванням лінз у розподілених квадрупольних ЗФС. Створена експериментальна установка ЯСМЗ, у якій застосована оптимізована розподілена ЗФС із двома інтегрованими дублетами МКЛ. Отримані експериментальні профілі виходу вторинної електронної емісії при скануванні пучком каліброваної мідної сітки, на підставі обробки яких визначалися розміри зонда. Розглянуто два підходи обробки профілів: у припущенні гаусового розподілу щільності струму в зонді й теоретичному розподілі, отриманому в результаті розв'язку задачі динаміки фазової множини в нелінійній ЗФС. Показано, що теоретичний профіль найбільш точно описує експериментальні результати. Це дає підставу стверджувати про адекватність теоретичної моделі нелінійних процесів формування пучка в ЗФС ЯСМЗ.

Ключові слова: пучок заряджених частинок, ядерний скануючий мікрозонд, магнітна квадрупольна лінза, електростатичний прискорювач, зондоформуюча система, коефіцієнти аберацій, мікроаналіз.

Аннотация

Пономарев А.Г. Оптимизация нелинейных процессов формирования пучка в ядерном сканирующем микрозонде. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.20 - физика пучков заряженных частиц. - Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, 2011.

Диссертация посвящена развитию методов оптимизации нелинейных процессов формирования пучка в ядерном сканирующем микрозонде (ЯСМЗ).

Развит формализм описания нелинейной динамики фазовых множеств в зондоформирующих системах (ЗФС) микрозонда и прожектора. Рассмотрены два типа фазовых множеств на входе в ЗФС, которые могут быть сформированы в плоскости образца в квадратное фазовое пятно с фиксированными размерами. К первому типу относится полное приведенное к размеру пятна фазовое множество ЗФС, имеющее сложную форму. Ко второму типу отнесено коллимированное приведенное множество ЗФС, имеющее форму 4-мерного гиперпараллелепипеда. Величина объемов этих множеств определяет полный и коллимированный приведенный аксептанс. Показано, что по мере роста величины нелинейности ЗФС наблюдается значительное уменьшение коллимированного приведенного аксептанса относительно полного приведенного аксептанса, что говорит о принципиальном ограничении применимости таких систем в ЯСМЗ для задач микроанализа.

Определены геометрические, физические и топологические параметры, влияющие на ионно-оптические свойства ЗФС. Это позволило определить параметрическую зависимость коллимированного приведенного аксептанса ЗФС с активными ионно-оптическими элементами, имеющими различные типы симметрии поля. Формализована задача оптимизации процесса формирования пучка в ЗФС в виде задачи нелинейного программирования. Оптимизационная задача основывается на физически обоснованном критерии оптимальности процесса, в котором требуется получить максимальный ток зонда при фиксированных его размерах. Разработан метод решения сформулированной задачи оптимизации, который реализован в ряде вычислительных программ.

Решение задачи оптимального формирования пучка в нелинейных ЗФС на базе параметрических мультиплетов магнитных квадрупольных линз (МКЛ) позволило определить теоретическую предельную разрешающую способность такого класса систем, которая находится на уровне 0,26 мкм в режиме микроанализа для пучка с яркостью 20 пкА/мкм²мрад²МэВ и током зонда 100 пкА. Установлено, что в таких системах уменьшение размеров зонда приводит к снижению плотности тока на мишени. Показано, что ЗФС на базе параметрических мультиплетов МКЛ с расположением линз, распределенных вдоль оптической оси, обладают значительно большей величиной приведенного коллимированного аксептанса по сравнению с классическими мультиплетами. Однако практическое применение таких систем ограничено отсутствием физических принципов совмещения оси МКЛ с осью пучка. Поэтому решена задача оптимизации распределенного квадруплета с интегрированными дублетами МКЛ.

Разработана концепция компактного ЯСМЗ на базе иммерсионной ЗФС, в которой в процесс формирования пучка включена ускорительная трубка электростатического ускорителя. Это позволяет в несколько раз уменьшить размеры микрозонда и пересмотреть функциональное назначение отдельных его устройств. Проведена оптимизация нелинейного процесса формирования пучка в иммерсионной ЗФС. Установлено, что наилучшим разрешением обладает комбинированная ЗФС, состоящая из дублета электростатических квадруполей на начальной стадии формирования пучка и финального дублета МКЛ. Такая система обладает наибольшим аксептансом и возможностью изменения ионно-оптических свойств за счет варьирования питания линз электростатического дублета.

Сформулирован подход для определения зависимости параметров МКЛ от технологических и физических допусков, связанных с неточностями изготовления магнитопровода линз и наличием гистерезиса в магнитном материале. Разработан интегрированный дублет МКЛ нового типа, который позволяет решить задачу, связанную с точной юстировкой линз в распределенных квадрупольных ЗФС. В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что физические оси квадруполей в интегрированном дублете имеют максимальную несоосность в пределах ±10 мкм, а паразитные мультипольные компоненты составляют: секступольная - <0,002 [1/см], октупольная - <0,004 [1/см²].

Создан канал ЯСМЗ в составе аналитического ускорительного комплекса ИПФ НАН Украины, в котором применена оптимизированная распределенная ЗФС с двумя интегрированными дублетами МКЛ. Разработана методика юстировки такой системы. Получены экспериментальные профили выхода вторичной электронной эмиссии при сканировании калибровочной медной сетки, на основании обработки которых определялись размеры зонда. Рассмотрены два подхода обработки профилей: в предположении гауссова распределения плотности тока в зонде и теоретическом распределении, полученном в результате решения задачи динамики фазового множества в нелинейной ЗФС. Показано, что теоретический профиль наиболее точно описывает экспериментальные результаты, что дает основание утверждать об адекватности теоретической модели нелинейных процессов формирования пучка в ЗФС ЯСМЗ.

Рассмотрено применение ЯСМЗ для измерения распределения химических элементов в конструкционных материалах методом микро _PIXE. Получены двумерные карты распределения элементов в области шва твердофазного соединения материалов, на основании которых можно делать заключение об эволюции распределения примесей в условиях эксплуатационных нагрузок.

Ключевые слова: пучок заряженных частиц, ядерный сканирующий микрозонд, магнитная квадрупольная линза, электростатический ускоритель, зондоформирующая система, коэффициенты аберраций, микроанализ.

Abstract

Ponomarev A.G. Optimization of nonlinear processes of beam formation in nuclear scanning microprobe. - Manuscript. Thesis for degree of the doctor of science in physics and mathematics, speciality 01.04.20 - physics of charged particle beams. National Science Center «Kharkiv Institute of Physics and Technology», Kharkiv, Ukraine, 2011.

The thesis is devoted to the development of the methods to optimize nonlinear processes of beam formation in the scanning nuclear microprobe. A description of the nonlinear dynamics of the phase set in the probe forming systems (PFS) of two types, viz. microprobe and projector, was formalized. It was shown that the growth of the PFS nonlinearity leads to the principal limitation of these systems application in the nuclear scanning microprobe for analytical purposes. A task of beam formation optimization in PFS was formalized as the task of nonlinear programming. A problem solving of the optimal beam formation in nonlinear PFS based on the parametrical multiplets of the magnetic quadrupole lenses allows a limit resolution for systems of such class to be determined. A project of the small-sized nuclear scanning microprobe based on the immersion PFS with accelerating tube of the electrostatic accelerator included in the beam formation was designed. An optimization of the nonlinear beam formation in immersion PFS was done. An integrated doublet of the magnetic quadrupole lenses of a new design was designed and constructed allowing task of the lens adjustment in separated quadrupole PFS to be solved. An experimental facility of the nuclear scanning microprobe with optimized separated PFS with two integrated doublets of the magnetic quadrupole lenses was constructed. Experimental profiles of the secondary electron emission yield were obtained while beam scanning of the calibrating copper grid and further treated to determine probe size. Two approaches for profile treatment, viz. Gaussian assumption of the current density distribution in the microprobe and theoretical assumption obtained as a result of the solution of the problem of the phase set dynamics in the nonlinear PFS were considered. A theoretical profile was shown to describe experimental results more precisely. This allows us to assert adequacy of the theoretical model of the nonlinear beam formation in the PFS of the scanning nuclear microprobe.

Keywords: charged particle beam, nuclear scanning microprobe, magnetic quadrupole lens, electrostatic accelerator, probe-forming system, aberrations, microanalysis.

Размещено на Allbest.ru