Sensitivity analysis of divergence of ion beam with respect to changes of shape of acceleration grid in Kaufman type ion sources

• Autorzy: Rońda J. , Osiński D.

Warianty tytułu

PL

Analiza wrażliwości dywergencji wiązki jonowej na zmiany kształtu siatki przyspieszającej w źródłach jonów typu Kaufmana

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Kaufman-type ion sources are used in wide range of ion surface modification processes. Ion implantation techniques development and their industry application e.g. in medical implants production, special wear resistant cutting tools or bioactive coatings, increases need of simulation studies of ion sources, which are one of the most significant devices used in ion implementation systems. Simulation in this matter is mainly directed to ion sources used in space propulsion research. There is not many scientific papers which show models of ion sources used in surface engineering. Ion sources modeling seems to be broad area for future research. In ion sources construction and physical phenomenas splitting ion source into two regions: discharge chamber and grids zone is very convenient. Physical phenomena modeling is much easier after separation of this two zones. Ion beam forming and acceleration takes place in grids zone. Output ion source parameters like: energy and ion beam shape depend mainly from acceleration and screen grid parameters. Energy of ion beam is determined by electrical potentials of the grids. Ion beam spatial distribution is determined by shape of the grids. Acceleration and screen grid geometry changes due to erosion processes caused by ion impingement. Grid shape change analysis on ion beam properties is interesting practical problem for ion sources users. Computer simulation of ion beam extraction is invaluable help in ion optics systems design and analysis. It allows analysis cost reduction and investigation of physical processes in working ion source. There are many codes developed for ion optics simulation and design, but results comparison leads to conclusion that the best accuracy is obtained by Boundary Element Method. Numerical analysis of influence of grids shape on electromagnetic field distribution and charged particles trajectories in Kaufman-type ion sources used in surface ion implantation processes was investigated in this study. Computational model of ion source grid, realized with commercially developed program CPO is described in this paper. Based on Boundary Element Method CPO program allows to calculate ion trajectories with taking into consideration space charge effects and Coulomb forces influence on ion beam characteristics. Geometrical model includes impact of erosion caused by ion impingement. Analysis does not take into account erosion processes dynamics. Simulation input are geometrical data based on experimental investigation of ion source grid wear. Taking into account ion impingement on ion source grid can be next step in ion beam extraction model improvement.

PL

Źródła jonów typu Kaufmana znajdują zastosowanie w procesach jonowej modyfikacji powierzchni. W perspektywie rozwoju technik implantacji jonowej na potrzeby przemysłu, między innymi produkcji implantów biomedycznych, narzędzi skrawających i tnących jak również powłok bioaktywnych, zauważa się potrzebę badań symulacyjnych układów sterowania maszyn do implantacji jonów. Źródła jonów są podstawowym elementem systemów do napylania jonowego i ich automatyczne sterowanie ze wspomaganiem komputerowym jest aktualnym problemem dla konstruktorów obrabiarek do nano-obróbki powierzchni. Niestety, tylko niewielka grupa prac badawczych dotyczy modelowania źródeł jonów używanych w procesach inżynierii powierzchni. Zagadnienia związane z modelowaniem źródeł jonów mogą być obiektem przyszłych badań. W analizie budowy oraz opisie zjawisk fizycznych występujących w źródłach jonów pomocny jest podział źródła jonów na dwie strefy: strefę komory wyładowczej oraz strefę siatek. Modelowanie zjawisk fizycznych zachodzących w źródłach jonów jest znacznie łatwiejsze po rozdzieleniu tych dwóch obszarów. W strefie siatek źródła jonów następuje sformowanie oraz przyspieszenie wiązki jonowej. Parametry wyjściowe źródeł jonów: energia oraz kształt wiązki jonowej, zależą głównie od parametrów siatek przyspieszającej i ekranującej. Na energię wiązki jonowej mają wpływ wielkości potencjałów elektrycznych przyłożonych do siatek. Rozkład przestrzenny wiązki jonowej zależy od kształtu siatek. Geometria siatki ekranującej i przyspieszającej zmienia się na skutek erozji siatek wywołanej uderzeniami jonów o siatki. Analiza wpływu zmian kształtu siatek na właściwości strumienia jonów stanowi ważny praktyczny problem dla użytkowników i projektantów źródeł jonów. Symulacja komputerowa ekstrakcji strumienia jonów stanowi nieocenioną pomoc w projektowaniu oraz analizie systemów optyki jonowej. Pozwala na oszczędność wynikająca ze zmniejszenia kosztów analizy oraz szczegółowe badanie procesów fizycznych zachodzących podczas pracy źródła. Dotychczas stworzono wiele programów komputerowych do projektowania układów optyki jonowej, jednak porównanie otrzymanych wyników prowadzi do wniosku, że największą dokładnością odznaczają się programy wykorzystujące Metodę Elementów Brzegowych. Przedmiotem pracy jest analiza numeryczna wpływu kształtu siatek na rozkład pola elektromagnetycznego oraz na trajektorię cząstek naładowanych w kaufmanowskich źródłach jonów używanych w procesach jonowej implantacji powierzchni. W pracy przedstawiono wyniki dotyczące wpływu wielkości promienia otworu siatki przyśpieszającej na dywergencje wiązki jonów. Wyniki otrzymano używając programu CPO firmy CPO Ltd. Program bazujący na Metodzie Elementów Brzegowych pozwala na obliczanie trajektorii jonów z uwzględnieniem rozkładu przestrzennego ładunku oraz określenie wpływu oddziaływań kulombowskich na rozkład przestrzenny wiązki jonowej.

Słowa kluczowe

EN

ion source; extraction of ion beam from plasma source

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 9, No. 1
• Strony: 104--109
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys.

Twórcy

autor

Rońda J.

autor

Osiński D.

• Department of Applied Computer Science and Modelling, University of Science and Technology AGH, Cracov, Poland,

Bibliografia

• 1. Boyd,  I.D.,  Numerical  modeling  of spacecraft  electric propulsion thrusters, Progress in Aerospace Sciences, 41, 2005, 669-687.
• 2. Child, C.D., Phys. Rev. 32, 1911, 492.
• 3. Cubric, D., Lencova, B., Read, F.H., Zlamal J., Comparison of FDM, FEM and BEM for electrostatic charged particle optics, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 427, 1999, 357-362.
• 4. Humphries, S., Velocity lens model for longitudinal beam dynamics in inductive linear ion accelerators, J. Appl. Phys., 53, 1982, 1334-1341.
• 5. Jahn, R.G., Physics of electric propulsion, lst ed. New York Mc-Graw-Hill, 1968.
• 6. Kaufman, H.R., Technology of electron-bombardment ion thrusters Adv. Electron El. Phys., 36, 1974, 265-373.
• 7. Kaufman, H.R., Cuomo, J.J., Harper, J.M.E., Technology and application of broad beam ion sources used in sputtering. Part L Ion source technology, J. Vac. Sci. Technol., 21(3) 1982, 725-736.
• 8. Kopernik, M., Trębacz, L., Pietrzyk, M., Modelling of fatigue behaviour of hard multilayer nanocoating system in nanoimpact test, Composites with Micro - and Nano -Structure, Computational Modeling and Experiments, Series: Computational Methods in Applied Sciences, Vol.9, ed., Kompis V., Springer, 2008, 137-159.
• 9. Kopernik M., Nowak, J., Numerical modelling of the opening process of the three-coating aortic valve, IFTR Reports, Selected topis of contemporary solid mechanics, Proc. 36th Solid Mechanics Conf., eds, Kotulski, Z., Kowalczyk, P., Sosnowski, W., Proc 33rd Conf. SolMech, Gdańsk, 2008, 22-23.
• 10. Kovaleski, S.D., Calculation of the Ion Extraction Boundary of a Plasma Ion Source, IEEE Transaction on Plasma Science, 2006.
• 11. Read, F.H., Adams, A., Soto-Montiel, J.R., Electrostatic cylindrical lenses I: Two element lenses, J. Phys. E (Sci. Instrum),4, 1971,625-632.
• 12. Read, F.H., Bowring, N.J., Simulation of thermionic cathodes, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 531, 2004, 407-415.
• 13. Read, F.H., Chałupka, A., Bowring, N.J., The charge-tube method for space-charge simulations, COMPEL, Int. J. for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 18, 1999, 548-555.
• 14. Renau, A., Read, F.H. and Brunt, J.N.H., The charge-density method of solving electrostatic problems with and without the inclusion of space-charge, J. Phys. E (Sci. Instrum.)15, 1982,347-354.
• 15. Ronda, J., Rajchel, B., Rajchel, W., Dual Beam IBAD method in application for the medical implants, 2nd National Conference of Nanotechnology "NANO 2008".
• 16. Spadtke, P., The Physics and Technology of Ion Sources, Weinheim, Wiley, 2004.
• 17. Szeliga, D., Sensitivity analysis - methods and applications, Infromatyka w Technologii Materiałów, 5, 2005, 170-178.
• 18. CPO Programs free versions available at http://www.electronoptics.com