2.1.1 Получение ионов металлов в источниках ECR
К ECR-источникам, позволяющим ионизировать не только газы, относится Minimafios [14]. В его работе можно выделить следующие стадии процесса образования МЗИ: испарение металла внутри источника ионов, осаждение испаренных атомов на стенках второй ступени ионизации, распыление пленки с поверхности (или повторное испарение термическим действием), ионизация испаренных атомов электронами плазмы. Для получения высокого вакуума в Minimafios есть криогенный насос.
Прямое введение металла изучали на источнике CAPRICE для широкого набора материалов: от алюминия до золота [12]. Испаряемый плазмой стержень размещался вблизи ECR-поверхности, а в качестве плазмообразующего газа подавался азот или кислород.
2.1.2 Получение металлических ионов из летучих соединений
Методом газоподобного производства металлических ионных пучков, MIVOC (Metal Ions from Volatile Compounds) получены пучки МЗИ различных элементов, например: Ti, Fe, Ni, W, Os, [15 – 18]. В состав, используемых в данном методе веществ, помимо металлических атомов, могут входить углерод, водород, кислород, галогены и др. Высокое давление паров летучих соединений, при сравнительно низкой температуре, позволяет обращаться с ними, как с газами.
2.2 Ионный источник с электронным пучком
Работа ИИ с электронным пучком, EBIS (Electron Beam Ion Source), впервые предложенного Е. Д. Донцом [20], включает следующие стадии: получение протяженного электронного пучка с заданной энергией и плотностью; создание электростатической ионной ловушки по всей длине пучка; ввод в ловушку и удержание в течение требуемого периода ионов рабочего вещества в низком зарядовом состоянии; извлечение МЗИ из ловушки по всей длине пучка и подготовка к следующему циклу. Первичные ионы в EBIS производятся либо из атомов рабочего вещества прямо в ловушке посредством электронного удара, либо импульсной инжекцией в электронный пучок источника EBIS пучка малозарядных ионов рабочего вещества [24]. Отличие между EBIS и другими источниками МЗИ в том, что в ходе процесса ионизации ионы с низкими зарядовыми состояниями полностью исчезают, преобразуясь в ионы с высокими зарядовыми состояниями. Удержание ионов ограничивается поперечной диффузией. Главный недостаток EBIS – это низкая интенсивность пучка МЗИ в импульсе, эквивалентная примерно1011 элементарным положительным зарядам для ионов малой и промежуточной масс, а для тяжелых ионов эта величина приблизительно на порядок меньше.
2.3 Ионная ловушка с электронным пучком EBIT
В EBIT, используя принципы EBIS, получают ионы с высокими кратностями заряда и голые ядра. Также как и ИИ типа EBIS, ловушки EBIT подразделяются на "криогенные" [1, 7, 21, 22] и "теплые" [23]. Работу "криогенного" источника EBIT рассмотрим на примере получения водородоподобных и полностью ободранных ионов урана: U91+ и U92+ [7]. В источнике EBIT электронный пучок, сжатый магнитным полем 3 Т, распространяется вдоль оси ловушки. Аппаратура работает при температуре 4 К, дрейфовая трубка охлаждается через контакт со сверхпроводящим магнитом. Средняя плотность тока электронного пучка соответствует 5000 А/см2 при радиусе пучка 35 мкм. Положительные ионы удерживаются в электронном пучке его пространственным зарядом и подходящим распределением электрического поля вдоль ловушки. Для длительного удержания ионов урана используется техника испарительного ион-ионного охлаждения. При этом колимированный пучок атомов неона с контролируемой плотностью пересекает электронный пучок перпендикулярно к нему; часть атомов неона (~ 0,2%) захватывается после ионизации, нагревается, преимущественно столкновениями с ионами урана, и достигает высокого среднего зарядового состояния до аксиального выхода из ловушки, унося ~ 300 эВ на ион. Малозарядными ионами урана ловушка первоначально заполняется инжекцией из источника с вакуумной искрой [25].
В отличие от "крио" ИИ, в "теплых" источниках EBIT магнитное поле создается мощными постоянными магнитами [23], устройство откачивается турбомолекулярным насосом, рабочие газы подаются через два отдельных высокочувствительных клапана-натекателя.
Ловушки EBIT используются как для получения многозарядных ионов [1, 2, 7, 21 – 23] (схема NIST EBIT доступна на сайте [22]), так и для изучения спектров атомов (рентгеновских или оптических) [2, 26, 27]. МЗИ могут извлекаться из EBIT, анализироваться и/или доставляться к специальным устройствам.
2.4 Ионный PIG-источник
ИИ PIG-типа широко используются в инжекторах для ускорителей частиц: циклотронах, синхротронах и линейных ускорителях [19]. Этот тип источников долгое время применялся для получения МЗИ газов, но теперь они все чаще используются для производства ионов металлов. Его рабочая камера находится в магнитном поле, которое служит также для разделения заряженных частиц. Характеристики плазмы определяются в основном давлением нейтрального рабочего газа. Давление в разряде Пеннинга высокого давления составляет более 0,1 Па. МЗИ в PIG-источниках образуются в результате ступенчатой ионизации электронами, а окончательное зарядовое состояние ионов зависит от времени их присутствия в области ионизации и характеристик электронного пучка. Напряжение, которое может превышать 700 В, прикладывается к дуге между анодом и катодом, ускоряя электроны. В результате бомбардировки высокоэнергичными ионами катоды расходуются. Ионные токи МЗИ (до миллиампер) могут быть вытянуты из плазмы, как в радиальном, так и в осевом направлении через небольшое центральное отверстие в одном из катодов. При обычном, радиальном, вытягивании ионов время их удержания ограничивается поперечной диффузией через осевое магнитное поле, которое происходит с аномально большой скоростью. Интересно, что пучок МЗИ получается лучше, когда один край щели вытягивающего электрода прикрывает часть вытягиваемого пучка.
2.5 Лазерный источник ионов
Лазерная плазма является импульсным эмиттером одно- и многократно ионизованных атомов, полиатомных и отрицательно заряженных ионов, нейтральных атомов с малой и большой энергией [9]. Ионные составы лазерной плазмы на поздних стадиях ее разлета и в момент ее образования значительно различаются. После окончания процесса рекомбинации в плазме регистрируется максимальное количество однозарядных ионов, а количество МЗИ монотонно снижается с ростом кратности заряда. С увеличением плотности потока лазерного излучения возрастает доля МЗИ и максимальная кратность заряда.
При воздействии мощного оптического излучения на кластеры имеется сходство с расширением в вакуум твердотельной плазмы, нагретой лазером. В работе [28] отмечается, что при взрыве кластеров, состоящих из сотен, тысяч атомов, после воздействия сверхсильного лазерного импульса образуются ионы с большими энергиями и зарядами. Напротив, при кулоновском взрыве малых молекул и малых кластеров в сильных лазерных полях возникают ионы с небольшими энергиями и зарядами. Взрыв кластеров усиливается после их облучения последовательно двумя лазерными импульсами высокой интенсивности. Атомарные МЗИ, образованные кулоновским взрывом, при дальнейшем взаимодействии с полем лазерного излучения теряют основные электроны и их заряд увеличивается. Это подобно получению МЗИ методом многофотонной ионизации [29]. Для любой частоты лазерного излучения (в диапазоне от ближнего инфракрасного до ближнего ультрафиолетового), при многофотонной ионизации атомов, имеющих несколько электронов во внешней оболочке, всегда помимо однозарядных ионов, образуются и МЗИ. Единственно, что необходимо – интенсивность излучения должна превышать пороговую для образования ионов с данной кратностью заряда. Из экспериментов также установлены две закономерности, типичные для процесса образования МЗИ [29]: 1 – при образовании ионов Аq+ всегда при меньшей интенсивности излучения наблюдаются ионы А(q - 1)+; 2 – ионы с зарядом Аq+ образуются в таком интервале интенсивностей излучения, в котором полная вероятность (за импульс излучения) образования ионов с зарядом (q – 1)+ велика и близка к насыщению.
2.7 Ионные источники с вакуумной дугой или искрой
Давление в вакуумной дуге около поверхности твердого тела очень высокое, и его градиент заставляет плазму, образованную в катодном пятне, распространяться от поверхности. Из плазменной струи через отверстие в аноде вытягивается ионный пучок, состоящий из вещества катода.