A comparative study on the ion emission characteristics such as flux and energy, and their variation in angular positions and operating gas pressures has been carried out in a nitrogen-filling plasma focus device. Three different designs of cylindrical anode (central electrode) having hollow, solid and hemispherical tip have been tested for this study. The ion emission characteristics were investigated by employing three Faraday cups at various angular positions. The ion flux depends on the operating gas pressure irrespective of the anode designs and the maximum ion flux is found to be in the pressure range 0.3 to 0.5 Torr for all the anode designs. The hemispherical anode yields highest ion flux while the hollow anode emits lowest ion flux. The angular variation of ion flux is seen to be anisotropic irrespective of the anode designs with an ion dip at 0° (axis of the device) and maximal at 5° angular positions. The anisotropic character of ion emission is less in the case of the hemispherical anode than the hollow anode. The ion energy, measured by the time of flight method, shows its dependence on the anode designs. The maximum ion energy is found to be around 830 keV at an angular position 5° in the case of the hemispherical anode design. The most probable ions are found to be with energy less than 100 keV irrespective of the anode designs and the angular positions. This study indicates that the plasma focus device could be optimized to a great extent for optimal ions yield by using an appropriate anode design

چکیده

بررسی مقایسه ای خواص انتشار یون مانند شار و انرژی، و تنوع آنها در موقعیت های زاویه ای و فشارهای گاز عملیاتی در یک دستگاه فوکوس پلاسمای حاوی نیتروژن انجام شده است. سه طرح مختلف آند استوانه ای (الکترود مرکزی) دارای نوک توخالی، صلب و نیم­کره ای برای این مطالعه آزمایش شده است. خواص انتشار یون با استفاده از سه فنجان فارادی در موقعیت های مختلف زاویه ای بررسی شده اند. صرف نظر از طرح های آند، شار یون بستگی به فشار گاز عملیاتی دارد و برای تمام طرح های آند شار یون حداکثر در محدوده­ی فشار 0.3 تا 0.5 تور بدست آمد. آند نیم کره ای بالاترین شار یون را نتیجه می دهد در حالی که آند توخالی کمترین شار یون را منتشر می کند. طبق نتایج بدست آمده تغییر زاویه ای شار یون ناهمسانگرد است بدون در نظر گرفتن طرح آند با یک شیب یونی در صفر درجه (محور دستگاه) و حداکثر در موقعیت زاویه ای 5 درجه. خاصیت ناهمسانگرد انتشار یون در مورد آند نیم کره ای نسبت به آند توخالی کمتر است. انرژی یونی، که توسط روش زمان پرواز اندازه گیری شده است، وابستگی آن به طرح آند را نشان می دهد. در مورد طراحی آند نیم کره ای، انرژی یون حداکثر حدود 830 کیلو الکترون ولت و در موقعیت زاویه ای 5 درجه به دست آمد. صرف نظر از طرح آند و موقعیت زاویه ای، محتمل ترین یون ها انرژی کمتر از 100 کیلو الکترون ولت داشتند. این مطالعه نشان می دهد که دستگاه کانونی پلاسمایی را می توان تا حد زیادی برای یون های بهینه حاصل از استفاده از یک طراحی مناسب آند بهینه­سازی نمود.

1-مقدمه

منابع یونی تقاضای زیادی برای کاربردهای فناوری در زمینه های مختلف مانند رسوب فیلم نازک، ذرات در ابعاد نانو و ساخت فیلم، اصلاح سطح مواد، پوشش دهی به کمک یون، دوپینگ نیمه هادی و غیره دارند. بر حسب نیاز، منابع یونی متعددی تاکنون توسعه یافته است. برخی از نمونه های معمول از منابع یون رایج عبارتند از منبع یونی حرارت-یونی، منبع یون پرتو الکترونی، منبع یون فرکانس رادیویی، منبع یون رزونانس سیکلوترون الکترون ، منبع یون لیزری، و غیره. این منابع یونی در زمینه های کاربردی خود دارای محاسن و معایبی هستند...