Sorgenti di ioni negativi - INFN-LNL
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Sorgenti di ioni negativi Fabio Scarpa INFN Laboratori Nazionali di Legnaro Fabio Scarpa 1 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Argomenti Trattati • • • • • Cenni di richiamo sugli ioni Affinità elettronica Metodi e procedure di ionizzazione Sputtering Scambio carica Sorgenti ioniche negative Sorgenti Sputtering Sorgenti Dupolasmatron con scambio carica Fasci ionici negativi Fabio Scarpa 2 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Cenni di richiamo sugli ioni Viene chiamato ione un atomo di un qualsiasi elemento al quale vengono tolti o aggiunti uno o più elettroni. In questo modo si viene ad alterare il perfetto equilibrio elettrico dell’atomo il quale evidenzia perciò una carica elettrica. Esistono due possibilità: 1. Nel caso di difetto di elettroni, si parla di IONE POSITIVO 2. Nel caso di eccesso di elettroni, si parla di IONE NEGATIVO L’entità della carica elettrica dello ione è un multiplo della carica elettrica del protone (e dell’elettrone) che può quindi essere assunta come unità di misura e indicata solitamente con e. e = 1.6 10-19 C Si parla quindi di ioni +4, +12, -1, ecc. Fabio Scarpa 3 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Qualche formula... Gli ioni quindi essendo elettricamente carichi, interagiscono con un campo elettrico, subendo una forza e possono essere accelerati. La forza subita da una particella di carica elettrica q in una regione caratterizzata da un campo elettrico k, è data da: F=qk E l’energia acquistata dalla stessa particella nel suo spostamento da un potenziale nullo a un potenziale V, è data da: E=qV Fabio Scarpa 4 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Affinità elettronica Dal punto di vista della produzione, mentre è sempre possibile trovare un metodo per togliere elettroni ad un atomo, non è sempre possibile invece un metodo analogo per aggiungerne. L’aggiunta di un elettrone infatti comporta l’esistenza di un livello energetico disponibile da parte dell’atomo, e non sempre ciò si verifica. Questo dipende dalla struttura elettronica dell’ atomo stesso. Inoltre gli ioni negativi hanno la caratteristica di essere quasi tutti di carica unitaria, uno ione negativo di carica superiore a uno è difficilmente producibile. Un parametro molto utile ad esprimere quantitativamente questo concetto è detto AFFINITA’ ELETTRONICA che esprime numericamente la disponibilità dell’atomo ad acquistare un elettrone. Quanto più alto è tale valore tanto più alta è la probabilità di produrre uno ione negativo. Da ciò ci si può rendere conto che non tutti gli elementi sono ionizzabili negativamente. Come si può vedere nella tabella qui accanto, ad esempio, per gli elementi del secondo gruppo la formazione di ioni negativi è impossibile essendo l’affinità elettronica nulla. Fabio Scarpa 5 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Metodi di ionizzazione I metodi di ionizzazione utilizzati presso I LNL ai fini della produzione di fasci ionici negativi, sono I seguenti: • Metodo di sputtering • Metodo di scambio carica Fabio Scarpa 6 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Metodo di sputtering E’ quello attualmente usato per produrre tutti I fasci ionici negativi. Consiste nel bombardamento mediante ioni pesanti di un opportuno materiale (detto Target) che contiene i componenti del fascio da produrre. In seguito a questo bombardamento il materiale viene eroso formando nelle immediate vicinanze un plasma dal quale vengono estratti, mediante un potenziale elettrico, gli ioni negativi che vi si sono formati. Il materiale usato per il bombardamento è solitamente Argon, ma nel nostro caso vengono usati vapori di Cesio perchè, data la sua bassa energia di ionizzazione, favorisce grandemente la formazione di ioni negativi. Vi sono anche sorgenti che li utilizzano entrambi: Argon per il bombardamento e Cesio per aumentare la resa del fascio. Ovviamente tale bombardamento implica la preventiva produzione di un altro fasio ionico, questa volta positivo, accelerato e focalizzato sul target. Nel nostro caso i vapori di Cesio vengono ionizzati per contatto con un filamento o una superficie di forma opportuna portati a 1100 C°. Altri metodi possono comunque essere utilizzati. Fabio Scarpa 7 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Metodo di scambio carica E’ stato utilizzato fino a circa una decina di anni fa per produrre fasci negativi di Elio e Litio. Consiste nel far passare un fascio ionico positivo ben collimato attraverso una cella di scambio carica entro la quale sono presenti vapori di un opportuno materiale (solitamente metallo alcalino) ad una certa pressione. Gli ioni positivi (X+) vengono in collisione con gli atomi del materiale della cella (V) e avvengono le reazioni descritte nelle due relazioni sottostanti. X+(vel)+ V > X0(vel) + V+ X0(vel)+ V > X-(vel) + V+ Gli ioni del fascio cioè subendo una prima collisione con gli atomi del gas, si neutralizzano acquistando un elettrone e mantenendo praticamente la stessa velocità, e in seguito ad una seconda collisione acquistano un altro elettrone uscendo dalla cella con una carica negativa. Può però avvenire anche il contrario, gli atomi del gas (V) in seguito alla collisione possono acquistare un elettrone dagli atoni del fascio (X), ionizzarsi negativamente e quindi venire estratti dal potenziale elettrico formando un altro fascio. Ovviamente esiste una pressione ottimale alla quale si ottiene una resa massima. Fabio Scarpa 8 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Sorgenti ioniche negative Esistono svariati tipi di sorgenti ioniche negative ognuna delle quali fa uso di un diverso principio fisico, inoltre per ogni tipo possono esservi sono molte varianti. Verranno qui descritte solo I due tipi utilizzati ai LNL e di cui vi è esperienza diretta. Sorgente Sputtering Sorgente Duoplasmatron con scambio carica Fabio Scarpa 9 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Sorgenti Sputtering Utilizzano il processo di Sputtering descritto in precedenza, sono molto usate perchè consentono di ottenere una vastissima gamma di fasci ionici con un’intensità adeguata. Sono particolarmente adatte all’impiego di target solidi, ma con opportune modifiche possono utilizzare anche gas. Esistono moltissime varianti, si possono suddividere fondamentalmente in due classi: • Sorgenti a sputtering diretto, in cui il fascio di bombardamento e il fascio negativo estratto vanno nella stessa direzione • Sorgenti a sputtering inverso, in cui il fascio di bombardamento va nella direzione opposta a quello negativo Queste ultime essendo un’evoluzione delle prime. Ai LNL ne esistono alcuni tipi: 834, 860, 860C della G.I.C. e SNICS della N.E.C. caratterizzate tutte dal fatto di impiegare il Cesio per lo sputtering e di avere una ionizzazione positiva di tipo termico. Fabio Scarpa 10 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Sorgente 834 Fabio Scarpa 11 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Sorgente 834 Coni per sorgente 834 Cono diretto Cono Inverso Fabio Scarpa 12 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Sorgente 860 Fabio Scarpa 13 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Sorgente 860C Fabio Scarpa 14 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Sorgente SNICS Fabio Scarpa 15 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Sorgenti Duoplasmatron con scambio carica Il fascio positivo da inviare al canale di scambio carica, è fornito da una sorgente duoplasmatron. Questo tipo di sorgente consente di ottenere sia un fascio positivo che negativo, ma ha una una gamma ristretta di fasci, ed è limitata ad elementi di tipo gassoso. Il plasma da cui si estrae il fascio, presente in due fasi, viene prodotto mediante una scarica elettrica continua innescata da una forte emissione elettronica da parte di un filamento caldo. E’ presente anche un forte campo magnetico allo scopo di intrappolare gli elettroni ed aumentare così la probabilità di collisioni con gli atomi del gas. L’innesco della scarica, essendo dovuta al raggiungimento di condizioni ideali di: - Densità del gas - Emissione elettronica - Intensità di campo magnetico non è comunque agevole e richiede notevole esperienza da parte dell’operatore. Ai LNL è presente una sorgente di questo tipo, la 710 dalla G.I.C. adibita unicamente alla produzione di fasci di Elio e Litio che non viene usata da vari anni data la scarsità di richiesta per questi fasci. Fabio Scarpa 16 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Sorgente 710 Fabio Scarpa 17 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003 Fasci ionici negativi Allo stato attuale i LNL dispongono di una gamma relativamente vasta di fasci negativi disponibili per gli utenti del complesso Tandem-Alpi. La lista può essere consultata in rete all’indirizzo www.lnl.infn.it Come detto in precedenza, alcuni elementi non riescono a formare ioni negativi a causa del basso valore della loro affinità elettronica. Questo è vero ad esempio per Be, N, Mg, Ca, Ti, Zn, Zr ed altri. I fasci di questi elementi tuttavia possono comunque essere prodotti utilizzando fasci molecolari associando loro cioè uno o più atomi diversi, solitamente H. Ciò può essere ottenuto principalmente in due modi. Si utilizza un composto come materiale di sputtering, ad esempio un idruro o un ossido e si estrae direttamente tale composto o una molecola derivata. Si utilizza l’elemento puro in unione ad uno spray di ammoniaca immesso attraverso un condotto terminante nella zona do sputtering attraverso uno speciale target forato. Ciò richiede anche un supporto appositamente progettato. All’uscita della sorgente ionica oltre al fascio richiesto sono inevitabilmente presenti altri fasci aventi un’intensità talvolta superiore. E’ qindi necessario utilizzare un dipolo magnetico analizzatore per evitare di iniettarli nell’acceleratore. Fabio Scarpa 18 Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7-10 Gennaio 2003
