Квадрупольні зондоформуючі системи із вільними параметрами фокусуючих полів

Abstract

Дисертаційна робота присвячена визначенню впливу вільних параметрів фокусуючих полів на густину струму в зонді для систем формування прецизійних пучків іонів МеВ-х енергій у ядерному скануючому мікрозонді (ЯСМЗ). Як вільні параметри запропоновані додаткові джерела живлення магнітних квадрупольних лінз і кути конусності апертури. Результати проведеного числового моделювання зондоформуючої системи (ЗФС) на базі мультиплетів магнітних квадрупольних лінз (МКЛ) показали, що оптимізація процесу формування пучка з додатковими джерелами живлення лінз, яка ґрунтується на знаходженні найбільшого зведеного колімованого аксептанса, може забезпечувати значне поліпшення іонно-оптичних характеристик ЗФС. Для ЗФС на базі дублета і триплету МКЛ із додатковими параметрами у вигляді кутів конусності показано, що величина максимального зведеного колімованого аксептанса для конвенціальних систем поступається системам із МКЛ із конусною апертурою у разі дублета в півтора раза, а для триплету – більше, ніж у два рази. Отримані експериментальні результати підтверджують теоретичні розрахунки, у результаті яких робили висновок, що густина струму в зонді для системи квадруплета з індивідуальними джерелами живлення лінз перевищує аналогічну величину для широко поширеної ЗФС, розподіленого «російського» квадруплета, у три рази. У результаті можна зробити висновок про те, що процес експонування сфокусованим протонним пучком при внесенні фіксованої дози опромінення у разі застосування нової зондоформуючої системи може бути прискорений більше ніж у три рази. Це становить певний прогрес у застосуванні літографічної технології proton beam writing. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/33755

Диссертационная работа посвящена определению влияния свободных параметров фокусирующих полей на плотность тока в зонде для систем формирования прецизионных пучков протонов МэВ-х энергий в ядерном сканирующем микрозонде (ЯСМЗ). В качестве свободных параметров предложены дополнительные источники питания магнитных вадрупольных линз (МКЛ) и углы конусности апертуры. Проведен анализ методов решения нелинейных траекторных уравнений движения заряженных частиц в магнитных квадрупольных зондоформирующих системах (ЗФС) со свободными параметрами фокусирующих полей, в результате которого было установлено, что наиболее приемлемым методом является матричный метод. Для решения нелинейных траекторных уравнений движения заряженных частиц матричным методом выбрана модель продольного распределения поля в МКЛ с конической апертурой. Получен аналитический вид матрицы преобразования фазовых координат частиц пучка – матрицанта. Учитывая условия создания наноструктур с помощью технологии proton beam writing (PBW), было предложено, что критерий качества ЗФС должен основываться на принципах обеспечения максимального тока пучка при заданных размерах зонда на мишени. Согласно этому наиболее приемлемым методом оптимизации является метод, который основан на критерии максимального аксептанса системы. Результаты проведенного численного моделирования ЗФС на базе мультиплетов МКЛ показали, что оптимизация процесса формирования пучка с дополнительными источниками питания линз, которая основана на нахождении наибольшего приведенного коллимированного аксептанса, может обеспечивать значительное улучшение ионно-оптических характеристик ЗФС. Для триплета МКЛ с индивидуальными источниками питания величина аксептанса больше на 50 %, для квадруплета и пентуплета – в два раза. На основании проведенного анализа можно утверждать, что с уменьшением рабочего расстояния величина аксептанса системы возрастает, в то время как положение линз системы согласования несущественно влияет на характеристики ЗФС. Анализ влияния числа квадрупольных линз, геометрии их расположения и величины рабочего расстояния на плотность ионного тока показал, что с уменьшением рабочего расстояния величина аксептанса системы увеличивается, в то время как положение линз системы согласования несущественно влияет на характеристики ЗФС. Для ЗФС на базе дублета и триплета МКЛ с дополнительными параметрами в виде углов конусности показано, что величина максимального приведенного коллимированного аксептанса для конвенциальных систем уступает системам с МКЛ с конусной апертурой для дублета в полтора раза, а для триплета – более, чем в два раза. Применение магнитных квадрупольных линз с конусной апертурой в системах формирования зонда открывает возможность к разработке квадруполей на постоянных магнитах, так как изменение угла конусности приводит к изменению оптической силы линзы и обеспечивает возможность юстировки системы, что в конечном итоге дает возможность отказаться от источников тока питания линз, а также снижает энергетические затраты. Полученные экспериментальные результаты подтверждают теоретические расчеты, в результате которых делалось заключение, что плотность тока в зонде для квадруплета с индивидуальными источниками питания превышает аналогичную величину для широко распространенной ЗФС, распределенного «русского» квадруплета, в три раза. Средняя плотность тока в зонде для квадруплета с индивидуальными источниками питания составляет 2 123 пкА/мкм , в то время как для зондовой системы распределенного «русского» квадруплета эта величина равна 2 37 пкА/мкм , где учтено, что для первой системы в зонде сосредоточено 70 % полного тока пучка, а для второй эта величина равна 90 %. Таким образом, процесс экспонирования сфокусированным протонным пучком при внесении фиксированной дозы облучения в случае применения новой зондоформирующей системы может быть ускорен более чем в три раза. Это представляет определенный прогресс в применении литографической технологии PBW. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/33755

The thesis reveals the questions about the free parameters of the focusing fields influence om the current density in the probe for the precision MeV energies proton beams in the nuclear scanning micro-probe (NSMP). Additional power supplies of the magnetic quadrupole lenses (MQL) and the aperture cone angles were proposed as free parameters. The results of the probe-forming systems (PFS) numerical simulations, which were based on the multiplets of the MQL, showed that the optimization process beam forming with the additional power supplies of the lenses can provide a significant improvement of the ion-optical characteristics of the PFS. This optimization process bases on finding the largest reduced collimated acceptance. For the PFS, which was based on the doublet and triplets of the MQL with the additional parameters in the form of the cone angles, it was shown that the magnitude of the maximum reduced collimated acceptance for the conventional systems is less than for the systems with MQL of the conical aperture. In the case of the doublet this magnitude is 1,5 times more, and for the triplets it is more than 2 times. The experimental results confirm the theoretical calculations, which result in the conclusion that the current density in the probe for the quadruplet of the magnetic quadrupole lenses with the individual power supplies exceed three times than a similar magnitude for the widespread worldwide PFS, distributed "russian" quadruplet. As a result, we can conclude that the process of writing by the focused proton beam with making a fixed dose in the case of using new probe-forming system can be hasten more than three times. This represents some progress in the application of a lithographic technology proton beam writing. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/33755