Анотація до роботи:

Мельник К.І. Гранична роздільна здатність зондоформуючих систем на базі параметричних мультиплетів квадрупольних лінз. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико–математичних наук зі спеціальності 01.04.20 – фізика пучків заряджених частинок. – Інститут прикладної фізики НАН України, Суми, 2007.

Дисертаційну роботу присвячено розв’язанню задачі підвищення просторової роздільної здатності іонних мікрозондів з енергією від одного до 10 МеВ та струмом близько 100 пкА.

Розглянуто процеси формування іонних зондів, подальшого розвитку отримала модель, що описує нелінійну динаміку пучка заряджених частинок у зондоформуючих системах магнітних і електростатичних квадрупольних лінз і враховує всі власні і паразитні аберації до третього порядку включно.

Визначено граничну роздільну здатність мультиплетів магнітних квадрупольних лінз із урахуванням паразитних компонент поля в наближенні рівномірного розподілу частинок пучка в початковому фазовому об’ємі. Вперше розглянуто вплив збільшення числа лінз на роздільну здатність.

Визначено гранично допустимі паразитні компоненти поля магнітних квадрупольних лінз, коли їх внесок в уширення пучка на мішені є значно меншим від впливу власних аберацій, що дало можливість встановити вимоги на допуски виготовлення магнітопроводів лінз.

Вперше показано наявність оптимуму робочої відстані та відстані між прямокутними об’єктним та кутовим коліматорами, коли система формує пучок з максимальною густиною струму.

У дисертації було розв’язано багатопараметричну оптимізаційну задачу визначення граничної роздільної здатності зондоформуючих систем на базі параметричних мультиплетів квадрупольних лінз із урахуванням внеску власних і паразитних аберацій. Зокрема:

1. Подальшого розвитку набула теоретична модель, яка описує нелінійну динаміку пучка заряджених частинок в ЗФС на базі мультиплетів квадрупольних лінз, що заснована на заміні розв’язків нелінійних диференційних рівнянь траєкторій частинок пучка системою лінійних перетворень в просторі фазових моментів, яка виражається через матрицю спеціального виду – матрицант. Вперше було використано повний фазовий простір третього порядку, включаючи всі дисперсійні члени;

2. Скалярні потенціали стаціонарних полів електростатичної і магнітної квадрупольних лінз записано в вигляді ряду, що являє собою суперпозицію мультипольних полів. Знайдено аналітичний вигляд елементів матрицантів третього порядку, які описують перетворення фазових координат в квадрупольних лінзах. Розв’язок отримано в наближенні прямокутної моделі поздовжнього осьового розподілу скалярного потенціалу, що враховує всі похідні від потенціалу в області крайового поля, власні та паразитні аберації;

3. Отримано аналітичний вигляд матрицантів крайового поля магнітної і електростатичної квадрупольних лінз в наближенні прямокутної моделі поздовжнього осьового розподілу скалярного потенціалу, що дає можливість розглядати лінзи із тривимірним розподілом поля спеціального виду;

4. Розв’язано багатопараметричну оптимізаційну задачу із функцією цілі – величиною аксептансу ЗФС, яка проводить фокусування в пляму на мішені заданих розмірів в наближенні рівномірного розподілу частинок пучка в початковому фазовому об’ємі – та системою обмежень, пов’язаних із необхідними параметрами зонду на мішені. Метою був пошук систем, що забезпечують оптимальне формування зонда для різних розмірів зонду на мішені;

5. Вперше розглянуто вплив збільшення числа лінз в ЗФС із двома незалежними джерелами живлення лінз на граничну роздільну здатність. Показано, що гранична роздільна здатність систем на базі квадруплетів перевищує роздільну здатність триплетів в 1,6 2,3 рази (в залежності від необхідних розмірів зонду); тоді, як роздільна здатність пентуплетів лише на 30 % більше, ніж квадруплетів, а секступлетів – на 13 % більше, ніж пентуплетів. Таким чином, збільшення числа лінз в системах з двома незалежними джерелами живлення не приводить до суттєвого покращення роздільної здатності. У випадку використання сучасних джерел іонів і прискорювачів гранична роздільна здатність параметричних мультиплетів квадрупольних лінз складає: 0,26 мкм для секступлетів, 0,28 мкм для пентуплетів, 0,3 мкм для квадруплетів і 0,38 мкм для триплетів, якщо струм пучка I 100 пкА;

6. Розглянуто ступінь впливу різних рівнів паразитних компонент поля на роздільну здатність триплетів і квадруплетів квадрупольних лінз. Із вимоги, що порушення симетрії поля лінз повинні приводити до уширення пучка на мішені не більш ніж на 10 %, визначено максимально допустимі рівні паразитних компонент поля лінз, які складають U₃/W₂ = = W₃/W₂ = 0,000375 см^-1 (секступольні) і U₄/W₂ = W₄/W₂ = = 0,000538 см^-2 (октупольні компоненти) для розглянутих типів систем. Проведено кількісний аналіз впливу технологічних похибок виготовлення лінз на величину паразитних компонент поля, це дало можливість встановити вимоги на допуски виготовлення магнітопроводів квадрупольних лінз з тим, щоб рівень паразитних компонент поля не перевищував максимально допустимих;

7. Вперше для триплетів і квадруплетів квадрупольних лінз було розглянуто вплив величини робочої відстані на густину струму при заданих розмірах зонда на мішені. Показано, що існує оптимальна величина робочої відстані, коли густина струму є максимальною;

8. Для триплетів і квадруплетів проведено дослідження впливу відстані між прямокутними об’єктним та кутовим коліматорами на аксептанс і густину струму пучка, вперше встановлено, що ця відстань впливає на аксептанс ЗФС. При виборі оптимальної величини цієї відстані та розмірів коліматорів система формує пучок з максимальною густиною струму при заданих розмірах зонду на мішені.

Публікації автора:

1. Ponomarev A.G., Melnik K.I., Miroshnichenko V.I., Storizhko V.E., Sulkio–Cleff B. Resolution limit of probe–forming systems with magnetic quadrupole lens triplets and quadruplets // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research – 2003. – Vol. В 201. – P. 637–644.

2. Ponomarev A.G., Melnik K.I., Miroshnichenko V.I. Parametric multiplets of magnetic quadrupole lenses: application prospects for probe–forming systems of nuclear microprobe // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research – 2005. – Vol. В 231. – P. 86–93.

3. Melnik K.I., Ponomarev A.G. Permissible technological limitations of quadrupole lenses used in parameter multiplets for ion microprobe forming // Питання атомної науки і техніки, серія: Плазмова електроніка та нові методи прискорення. – 2003. – № 4. – С. 301–304.

4. Абрамович С.Н., Завьялов Н.В., Звенигородский А.Г., Игнатьев И.Г., Магилин Д.В., Мельник К.И., Пономарев А.Г. Оптимизация зондоформирующей системы ядерного сканирующего микрозонда на базе электростатического перезарядного ускорителя ЭГП–10 // Журнал технической физики. – 2005. – том 75, вып. 2. – С. 6–12.

5. Игнатьев И.Г., Магилин Д.В., Мельник К.И., Пономарев А.Г., Абрамович С.Н., Завьялов Н.В., Звенигородский А.Г. Ядерный сканирующий микрозонд на базе электростатического перезарядного ускорителя ЭГП–10 ВНИИЭФ // Труды XV Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям. – Обнинск (Россия). – 2003. – С. 231–237.

6. Ponomarev A.G., Melnik K.I., Miroshnichenko V.I. Parametric multiplets of magnetic quadrupole lenses: application prospects for probe–forming systems of nuclear microprobe // Book of abstracts of 9–th International Conference on Nuclear Microprobe Technology and Applications. – Cavtat, Dubrovnik (Croatia). – 2004. – P. 35.