Characterization of Abnormalities in Electric Probes by Multiply Charged Ions and Highly Energetic Electrons in Electron Cyclotron Resonance Ion Sources

Abstract

전자사이클로트론공명 (Electron Cyclotron Resonance: ECR) 이온원은 고전하이온을 이용한 기초연구(가속기, 원자 및 플라즈마 물리, 재료과학, 핵융합 및 우주 플라즈마 측정/모사, 방사선 생물학 및 재료 측정 분야)와 응용기술(나노크기 공정, 포텐셜 스퍼터링, 이온빔 노광, 정보저장, EUV 방사선 등)에 매우 중요한 역할을 담당하고 있다. 또한 계속적으로 발견되는 고전하이온의 새로운 현상과 물리는 더 나은 응용 가능성들을 약속하고 있다. 그러나 ECR 이온원은, 그것이 가진 원리적 가능성과 달리, 그 내부 플라즈마의 불충분한 이해로 인해, 고전하이온 생성을 위한 이온원의 설계나 운용이 최적화되지 않은 상태이다. 이에 부응해 본 연구에서는 그 내부플라즈마(전자밀도, 전자온도, 플라즈마전위 등)를 진단할 수 있는 전기탐침법을 적용하고자 하였다. 하지만 ECR 이온원의 플라즈마조건들, 특히 다중전하이온과 고에너지전자의 존재는, 전기탐침을 적용하는데 있어 “비정상성 해석”이라는 난제를 주고 있다. 따라서, 전기탐침법을 통해 내부플라즈마를 올바르게 진단/해석하기 위해서는 그 비정상성들을 사전에 규명해야 한다. 그 비정상성 규명을 위해, 먼저, 여러 이온원들의 다양한 플라즈마 조건하에서 다중전하이온의 전하분포와 고에너지전자로 인한 제동복사X선을 측정하고, 이와 함께 같은 플라즈마조건하에서 여러가지 비정상성을 가진 전기탐침곡선들을 얻었다. 그리고 이들간의 상호비교를 통해 고전하이온의 전하상태 및 고에너지전자의 밀도/에너지에 따라 탐침의 비이상성이 어떻게 나타나는지를 관찰/해석하고, 이에 기초해 그 관찰 결과들을 묘사/확인할 수 있는 해석모델을 개발하였다. 모델에서는, 다중전하이온과 두 가지 그룹의 전자들 (차가운 전자와 뜨거운 전자), 그리고 이 두 종류의 입자들에 기인한 방출전자들를 포함한 플라즈마의 이온쉬스가 유도되었다. 이에 따른 결과에서는, 우선 수정된 Bohm 조건 (modified Bohm criterion)이 새롭게 유도되었고, 이로부터 탐침으로 집속되는 입자속과 열속을 계산, 탐침의 비정상성 원인을 실험결과와 비교/분석/확인하였다. 그 결과, 고에너지전자의 밀도와 온도 증가, 그리고 이와 함께 다중전하이온의 전하 증가가 전기탐침 비정상성의 주효한 원인으로써, 이들이 탐침에 높은 열속과 입자속, 그리고 높은 전자방출률을 제공하기 때문인 것으로 확인하였다. 더불어, 앞에서 기술된 비정상성과 해석모델을 바탕으로 하여, 첫 번째, 아르곤 플라즈마가 서로 다른 전하상태(2+, 5+, 6+, ^(8+))로 최적화되어 있는 경우들에서 전자밀도와 온도를 측정/평가하였고, 두번째, 경험적 기술들(고전하생성에 효과적인 챔버표면효과, 가스혼합효과, 전압인가판 효과)이 적용된 경우의 플라즈마에서 플라즈마전위를 측정하였다. 나아가 각각 평가된 전자밀도, 온도, 플라즈마전위들과 인출빔(빔전하분포와 세기)과의 상관관계를 기술하였다. 전자밀도/온도 측정의 경우, 먼저 다중전하를 고려한 modified Bohm criterion을 적용, 전자밀도를 구 할 수 있는 이론적 모델을 새롭게 개발하였고, 그 적용 결과, 최적전하가 2+에서 ^(8+)로 옮겨감에 따라, 전자밀도는 7ⅹ10^(8)에서 5ⅹ10^(7) cm^(-3)으로, 차가운 전자온도는 1.2에서 5.5 eV로, 유효전자온도는 1.2에서 7.8 eV로 변화함을 알 수 있었다. 경험적 기술들을 적용한 플라즈마의 플라즈마전위 측정의 경우, 챔버표면효과가 24 V에서 11 V로, 가스혼합효과가 27 V에서 10 V로, 그리고 전압인가판효과가 33 V에서 23 V로의 전위차를 주었다. 이때 인출빔은 챔버표면효과에 의해 Ar^(8+) 빔이 10에서 20 μA로, 가스혼합에 의해 유효전하가 4.5에서 6.4로, 전압인가판에 의해 3.2에서 3.9로 각각 변화하였다. 따라서 플라즈마전위는 이온감둠시간에, 그리고 이에 상응하여 이온빔의 고전하화에 주효한 역할을 하고 있음을 알 수 있다. 본 논문의 주요결과인, 탐침의 비정상성 규명, 해석모델, 그리고 이를 바탕으로 측정/평가된 내부플라즈마 인자들은 전기탐침법을 다중전하이온과 고에너지 전자를 가진 플라즈마까지 적용/해석하는데 활용될 수 있다.; The electron cyclotron resonance ion source (ECRIS) has played leading role in fundamental research on highly charged ions (HCIs) such as in the field of accelerators, atomic physics, material and surface modification, and material analysis. Also, the interest in using HCIs in applied technology is increasing continuously. However, the ECRIS has not reached its ultimate performance because its internal plasma is not well understood. To overcome the limited accessibilities of diagnostics and the anomalous plasma conditions, electric probes were applied to measure the parameters of internal ECRIS plasmas. Howerver, since both HCIs and highly energetic electrons can cause the characteristics of electric probes to be abnormal, the abnormalities should be characterized beforehand. Electric probes were used along with ion beam and X-ray Bremsstrahlung spectra. Current-voltage (IV) characteristics become more anomalous with the increasing energy and the density of energetic electrons, and with high the charge states of multiply charged ions (MCIs). Based on the observed correlation, a model of sheath formation was extended to a plasma containing MCIs, cold and hot electrons, and emitted electrons either by the plasma heat flux or secondary emission. In the model, modification of the “Bohm criterion” was given, thereby the floating potential, and the critical emission condition was also analyzed. The model calculations were made mainly on the effects of MCIs and highly energetic electrons on the variations of the floating potential, the particle and the heat flux to the probe, by which the possibilities of probe’s self-emission are studied. Then, electron densities and temperatures were deduced for different charge-state optimized plasmas. Plasma potentials were also measured for studying chamber contamination, gas mixing, and biased disk effects on the source performances, i.e. the charge state distribution (CSD) of extracted ion beams. As for the electron density and the temperature measurements in the ORNL 6 GHz volume ECRIS, a new theoretical model employing the modified Bohm criterion was introduced to deduce the electron densities. As expected the electron density decreased while the evaluated temperature increased, as the plasma was optimized for higher charge states of ions. The local electron densities of the edge plasma were estimated to be in the range of 0.5 to 7 ×10^(8) cm^(-3), and the effective electron temperatures were 1.2 to 7.8 eV, indicating the increase of energetic electrons with the charge state (from 2+ to 8+), while the plasma (floating) potential was decreased from 5.1 (2.6) to 0.7 (-10.7) volts. For the plasma potential measurements in the 10 GHz CAPRICE and 14 GHz IKF source, the plasma potential values and corresponding CSD of ion beams were found to be extremely sensitive to the chamber surface condition, i.e. the contaminated surface gave plasma potential values larger by a factor of 2 while the Ar^(8+) ion beam current decreased from 20 to 10 μA. With gas mixing, the plasma potential decreased from 27 to 10 V when the effective charge increased from 4.5 to 6.4. Biasing a disk also lowered the plasma potential by 10 V and increased the effective charge state from 3.2 to 3.9. Therefore, it is inferred that there are strong correlations between plasma potential and ion confinement. In addition, oxygen gas mixing seems to produce much lower plasma potentials, which indicates that significant surface sticking occurres and causes the modification of the chamber surface condition.