Katedra Fizyki Materiałowej

Rys. 1. Schemat implantatora UNIMAS 79; Z – źródło jonów, L – soczewki elektrostatyczne, KF – puszka Faradaya, M – monitor wiązki jonowej, MS – elektromagnes separatora, Sz – szczelina, A – rura akceleracyjna, ST – stoper wiązki jonowej, SM – system monitorowania wiązki jonowej, T – tarcza, K1 – komora implantacyjna, K2 – komora do badań emisji promieniowania rentgenowskiego i emisji jonowo-fotonowej, MO – monochromator, V – pompa próżniowa.

W Instytucie Fizyki UMCS pracuje od 1979 r. implantator jonów UNIMAS 79 (pieszczotliwie nazywany ,,Maćkiem’’ przez zaprzyjaźnioną z nim pracowników), który został skonstruowany przez zespół naukowców i inżynierów z Instytutu Badań Jądrowych w Świerku. Implantator ten może wytwarzać wiązki jonowe większości pierwiastków w zakresie mas od 1 j.m.a. do 210 j.m.a. oraz energii od 70 keV do 330 keV w przypadku jonów jednokrotnie naładowanych. Wymiary fizyczne urządzenia wynoszą: długość – 840 cm, szerokość – 218 cm i wysokość – 265 cm. Omawiany implantator, którego schemat przedstawiono na rys. 1, pracuje w systemie z uziemioną komorą tarczową, natomiast źródło jonów i elektromagnes separujący, a więc cały elektromagnetyczny separator izotopów umieszczony jest na wysokim, dodatnim względem ziemi potencjale do 300 kV. Urządzenia części wysokonapięciowej implantatora konstrukcyjnie zamknięte są w specjalnej metalowej kopule (zwanej dalej dużą kopułą lub też kopułą 300 kV) o wymiarach 220 cm ∙ 205 cm ∙ 145 cm, spoczywającej na czterech izolacyjnych kolumnach o wysokości 120 cm każda. Wygląd w/w kopuły przedstawia rys 2..

Samo źródło jonów wraz z zespołem niezbędnych zasilaczy i urządzeń pomocniczych, umieszczono w małej kopule, która zamknięta jest w zewnętrznej, dużej kopule implantatora, opierając się na jej szkielecie konstrukcyjnym za pomocą ośmiu izolatorów ceramicznych. Mała kopuła może znajdować się na dodatnim potencjale do 30 kV w stosunku do potencjału dużej kopuły (maksymalnie na potencjale 330 kV względem ziemi). Najczęściej stosuje się potencjał wynoszący 25 kV.

W małej kopule implantatora znajdują się następujące urządzenia:

– źródło jonów wraz z elektromagnesem;

– przyrządy zasilające źródło jonów: zasilacz katodowy, zasilacz anodowy, zasilacz elektromagnesu źródła jonów, zasilacz grzejnika źródła;

– tablica mierników cyfrowych wraz z zespołem zasilaczy +5 V;

– zespół chłodzenia źródła jonów;

– układ dozowania gazu nośnego;

– mechanizm przesuwu parownika źródła jonów;

– pomocniczy zasilacz zespołu sterowania.

Ponieważ wszystkie wymienione podzespoły implantatora znajdują się na wysokim potencjale (do 330 kV względem ziemi), załączenie oraz sterowanie w/w urządzeniami
odbywa się zdalnie z pulpitu operatora za pomocą systemu przekaźników pneumatyczno-elektrycznych. Zespół mierników cyfrowych umieszczonych na specjalnej tablicy umożliwia pomiary następujących wielkości elektrycznych: natężenia prądu żarzenia katody, napięcia katodowego, natężenia prądu oraz napięcia anodowego, natężenia prądu elektromagnesu źródła jonów, natężenia prądu grzejnika. Wskazania poszczególnych mierników można obserwować na monitorze znajdującym się na pulpicie operatora za pośrednictwem kamery TV.

W dużej kopule implantatora znajduje się (oprócz małej kopuły omówionej powyżej) elektromagnes separujący z odpowiednim zasilaczem, a także układ ekstrakcji
i ogniskowania wiązki jonowej wraz z zasilaczami: ekstrakcji i wstępnego przyspieszania jonów, ogniskowania oraz ogniskowania dodatkowego. Są to zasilacze wysokostabilne, regulowane w zakresie od 0,1 kV do 30 kV, typu PNC 30000-5pos firmy Heinzinger. Maksymalny prąd obciążenia zasilaczy wynosi 5 mA, natomiast współczynnik stabilizacji napięciowej jest lepszy niż 1·10^-4. Ponadto kopuła 300 kV zawiera:

– trzy jednofazowe, połączone w gwiazdę transformatory separacyjne
o znamionowym napięciu izolacji 30 kV służące do zasilania urządzeń umieszczonych w małej kopule;

– napęd elektryczny przesuwu układu elektrod ekstrakcji i ogniskowania;

– dwa monitory wiązki jonowej (skanery wiązki jonowej);

– dwie pomiarowe, przesuwane ręcznie puszki Faradaya;

– ustawiana ręcznie szczelina analizująca umieszczona na wyjściu elektromagnesu separującego;

– układ soczewek elektrostatycznych ogniskowania dodatkowego;

– system chłodzenia uzwojeń elektromagnesu separującego

Sterowanie w/w urządzeniami zainstalowanymi w kopule 300 kV odbywa się zdalnie
z pulpitu operatora za pośrednictwem przekaźników pneumatyczno-elektrycznych. System ekstrakcji i ogniskowania wiązki jonowej, umieszczony w komorze ekstrakcyjnej, skonstruowano w postaci klasycznego, czteroelektrodowego układu
o regulowanej odległości źródło-elektroda ekstrakcyjna.

Uformowana w układzie ogniskującym wiązka jonowa musi być następnie oczyszczona z jonów implantowanego materiału o masie lub ładunku różniącym się od założonego, a także z jonów innych pierwiastków, np. zastosowanego gazu nośnego, materiału źródła jonów, czy tła gazów resztkowych występujących w układzie próżniowym urządzenia. Cel ten w implantatorze UNIMAS 79 osiągnięto umieszczając na drodze wiązki jonowej 90 sektor pola magnetycznego (elektromagnes) zwany dalej separatorem mas. Maksymalna wartość indukcji magnetycznej mierzona w szczelinie elektromagnesu jest równa 0,725 T. Nominalny promień krzywizny tego sektora wynosi 500 mm, natomiast szerokość szczeliny elektromagnesu jest równa 30 mm. Do zasilania uzwojeń elektromagnesu, zastosowano zasilacz typu PTN 65-40 firmy Heinzinger.

W trakcie prowadzenia wiązki jonowej, należy znać jej pozycję, rozmiary oraz wartość natężenia prądu w różnych punktach jonowodu. Kompletny obraz zarówno rozkładu gęstości jonów w przekroju poprzecznym wiązki jak i jej pozycję, pozwala określić przyrząd zwany monitorem lub też skanerem wiązki jonowej. W dużej kopule umieszczone są dwa monitory wiązki jonowej: jeden w komorze ekstrakcyjnej przed wejściem wiązki jonowej w obszar separatora mas, a drugi za szczeliną w komorze szczelinowej.Pomiar całkowitego natężenia prądu wiązki jonowej wchodzącej w obszar separatora mas oraz natężenie prądu wybranego fragmentu wiązki jonowej za szczeliną w komorze szczelinowej, możliwy jest dzięki ręcznie wprowadzanym na drogę wiązki puszkom Faradaya.

Zespół wysokonapięciowy (kopuła 300 kV) implantatora połączono z częścią aparatury znajdującej się na potencjale ziemi za pośrednictwem ceramicznej rury akceleracyjnej. Składa się ona z 10 sekcji o stałym natężeniu pola elektrycznego wynoszącym maksymalnie 5 kV/cm. Napięcie na jednej sekcji może osiągać największą wartość równą 30 kV. Rura akceleracyjna konstrukcyjnie wyposażona została w pułapkę elektronową mającą na celu obniżenie tła promieniowania rentgenowskiego. Poszczególne sekcje rury akceleracyjnej zasilane są z oporowego dzielnika napięcia połączonego z zasilaczem WN. Do wytwarzania wysokiego napięcia zastosowano regulowany od zera zasilacz typu OLH 300 firmy Wallis Hivolt, działający na zasadzie kaskadowego powielacza napięcia Villarda. Maksymalna wartość napięcia wyjściowego zasilacza wynosi 300 kV, maksymalne natężenie prądu obciążenia jest równe 1,5 mA, natomiast współczynnik stabilizacji napięciowej jest lepszy niż 1·10^-4.

Zasilanie wszystkich urządzeń umieszczonych na wysokim potencjale w kopule 300 kV zapewnia generator prądu przemiennego (samowzbudna, trójfazowa prądnica asynchroniczna o mocy 10 KW, która napędzana jest za pośrednictwem wału izolacyjnego, trójfazowym silnikiem elektrycznym o mocy 24 kW będącym na potencjale ziemi).

Wytworzona w źródle jonów, a następnie przyspieszona, uformowana, rozseparowana i poddana końcowej akceleracji wiązka jonów zostaje wprowadzona do odcinka jonowodu znajdującego się na potencjale ziemi. Na wejściu tego jonowodu zamontowano kolejny monitor wiązki jonowej, pozwalający ocenić jej kształt po procesie końcowego przyspieszania. Wyjście jonowodu, za pośrednictwem izolatora i śluzy próżniowej, połączone jest z komorą tarczową, która stanowi swego rodzaju dużą puszkę Faradaya. Zastosowanie śluzy próżniowej pozwala wymieniać przeznaczone do implantacji tarcze bez konieczności zapowietrzania całego traktu jonowego. W górnej pokrywie w/w komory zamontowano wymrażarkę azotową wraz z czteropozycyjnym, obrotowym stolikiem przeznaczonym do mocowania implantowanych próbek. Najczęściej powierzchnie tarcz ustawiane są pod
kątem 90° w stosunku do kierunku padania wiązki jonowej. Istnieje także
możliwość usytuowania ich powierzchni pod kątem nieco większym niż 90° w celu wyeliminowania efektu kanałowania, który może mieć miejsce w przypadku implantacji do podłoży krystalicznych. Zastosowanie wymrażarki azotowej pozwala obniżyć temperaturę naświetlanej próbki do temperatury ciekłego azotu (77 K). Jeżeli ze względów technologicznych implantowana tarcza powinna być utrzymywana
w temperaturze wyższej niż pokojowa, należy wówczas zastosować pokrywę komory ze stolikiem umieszczonym na specjalnym piecyku próżniowym. Do podgrzewania stolika używa się piecyka typu Boralelectric Heater 2” firmy Tectra, wyposażonego w odpowiednią termoparę i regulator temperatury.

Najważniejsze dane techniczne implantatora UNIMAS 79