Sorgenti di ioni negativi
Fabio Scarpa
INFN
Laboratori Nazionali di Legnaro
Fabio Scarpa
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Corso Acceleratori LNL
Legnaro, 7-10 Gennaio 2003
Argomenti Trattati
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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Sorgente 834
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Sorgente 834
Coni per sorgente 834
Cono diretto
Cono Inverso
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Sorgente 860
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Sorgente 860C
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Sorgente SNICS
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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.
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Sorgente 710
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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.
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