Debrecen, MTA Atomki 2013. Június 21 .

1. Plazmadiagnosztikai vizsgálatok, ionnyaláb és műszaki fejlesztések az ATOMKI elektron-ciklotronrezonanciás (ECR) ionforrásán PhD értekezés munkahelyi vitája Rácz Richárd Péter Témavezető: Dr. Biri Sándor Debreceni Egyetem Fizikai Tudományok Doktori Iskola Magyar Tudományos Akadémia Atommagkutató Intézet Debrecen, MTA Atomki 2013. Június 21.

2. Tartalom • Az ECR ionforrások • Az ATOMKI ECR ionforrás • Ionnyaláb és műszaki fejlesztés • Negatív töltésű ionnyaláb és plazma előállítása és vizsgálata • Molekula ionnyaláb előállítása • Fém ionok előállítása • Műszaki fejlesztés • Plazmadiagnosztikai vizsgálatok • Láthatófény alapú diagnosztika • Röntgendiagnosztika • Plazmaszimuláció

3. Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Az ECR ionforrások Sematikus felépítés Rezonancia alapegyenlete Lorentz-erő e- Mikrohullám Rezonáns tér Rezonáns zóna Hideg ionkomponens Töltött részecskék csapdázás Hexapól mágnes Csapdázás feltétele Axiális csapdázás Radiális csapdázás Veszteségi kúp Tükrözési arány B-minimum

4. Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Az ATOMKI ECR ionforrás • ECR (elektron-ciklotronrezonancia) elv alapján előállított nagytöltésű plazma és ionnyaláb. • Különálló, független ECR ionforrás, kisenergiás gyorsító. Nincs utógyorsítás. • Az előállított plazma és az abból kivont ionnyaláb széles körben alkalmazható kutatási és gyakorlati célokra.

5. Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Ionnyaláb fejlesztés • Negatív töltésű ionnyaláb és plazma előállítása és vizsgálata Standard ECRIS Negatív ionok képződése • a, Szétesést keltő (elektron) befogás • AB + e- A- + B • AB + e- A- + B* • AB* + e- A- + B • b, Poláris disszociáció • AB + e- A- + B+ + e- • c, Szétesést keltő rekombináció • AB+ + e- A- + B+ • d, Az elektromágneses sugárzást keltő elektronbefogás • A + e- A- + h𝜐, • A + B + e- A- + B • A + 2e- A- + e- • e, Töltéscsere • A+ + B  A* + B+ + ΔE • A* + B  A- + B+ • Fordított polarítások • HCI módhoz képes nagy gáznyomás • Kétfrekvenciás üzemmód • Hibrid ECR-multicuspüzemállapot

6. Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Ionnyaláb fejlesztés • Negatív töltésű ionnyaláb és plazma előállítása és vizsgálata H- képződése O2 keverés hatására Kettős üzemmód • Negatív ionképződésre opt. • Fordított polaritás • Ionoptika opt. Becsülhető összetétel Az O- nyalábra optimalizált plazma, és a negatív ionkomponens százalékos összetétele. Növekvő H- képződési csatornák: OH széteső rekombinációja, H2O széteső e-befogása Töltéscsere más negatív ionokkal (O-, O2-,stb.).

7. Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Ionnyaláb fejlesztés • Molekulaionok előállítása • HCI módhoz képest nagy gáznyomás • Sűrű plazma (nagy elektróda-áram) • Kétfrekvenciás üzemmód (9.3 GHz+ 14.3 GHz) • Hibrid ECR-multicuspüzemállapot + 10 % - 20% Nemzetközi szinten versenyképes eredmény.

8. Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Ionnyaláb fejlesztés • Fém ionok előállítása Motiváció: Felületek funkcionalizálásanano-skálán (implantátumok) Cél: megfelelő intenzitás, jelentős átalakítások nélkül porlasztásos technika (Ca, Au) Au ionnyaláb Moderált nyalábáram (csatolt viselkedés) de Kiemelkedő hosszú távú stabilitás

9. Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Műszaki fejlesztés • Asztali ECR plazmaforrás • Nagyméretű plazmakamra(ID=10 cm, L=40 cm) • VékonyNdFeBhexapólmágnes • Független vákuum és gázkezelő rendszer • Sweep oszcillátor (6-18 GHz), TWT erősítő • Nincs nyalábkivonás (plazmaforrás) és mágneses tekercs. • Multifunkciós berendezés: • Oktatási célokat szolgáló egyszerű, gazdaságos és biztonságos munkahely. Demonstrációs eszköz. • Langmuir-szondás plazmafizikai kísérletek. • Röntgen és láthatófény tartományban végzett kísérletek. • Bonyolult technikát igénylő amplitúdó és frekvenciamodulált mikrohullámú üzemmódok tesztelése.

10. 1. Tézispont • Az ATOMKI ECR ionforrás laboratóriumban ionnyaláb és műszaki fejlesztéseket végeztem, melynek eredményeként: • Megmutattam, hogy egy nagytöltésű ionok előállítására tervezett ECR ionforrás segítségével jelentős nyalábintenzitással lehetséges (néhány esetben mA tartományba eső) egyszeresen töltött H2+, H3+, OH+, H2O+, H3O+, O2+ molekula ionnyaláb, µA tartományba eső H-, O-, OH-, O2-, és nA nagyságrendű C-, és C60- negatív ionnyaláb létrehozása. A nyalábok előállítását egy szokatlan hibrid un. multicusp és ECR, kétfrekvenciás üzemállapot alkalmazásával értem el. • A negatív ionnyalábok ECR ionforrásban való képződésének plazmafizikai vizsgálatát végeztem úgynevezett kettős üzemmódban. A negatív ionképződésre optimalizált plazmák beállítási paraméterei mellett a plazma negatív és pozitív komponensét egyaránt megmértem. Meghatároztam százalékos összetételüket. Szoros, lineáris korrelációt találtam az adott negatív ionkomponensből elért maximális nyalábáram és a plazmáját jellemző százalékos összetétel között. • H- ionnyaláb intenzitásának egy nagyságrenddel való növekedését tapasztaltam oxigén segédgáz alkalmazásakor, melyet kvalitatív módon magyaráztam a keverés hatására fellépő H- képződési csatornák számának növekedésével. • Speciális porlasztásos technikával, számottevő átalakítások nélkül, µA tartományba eső arany és kalcium nyalábokkal növeltem az ionforrás ionválasztékát. • Az ATOMKI ECR ionforrás tartalék alkatrészeinek felhasználásával megépítettünk egy elektromágneses tekercseket és kivonó rendszert nem tartalmazó kisméretű, asztali ECR plazmaforrást. A különböző plazmafizikai kísérletek előkészítésén túl a berendezés oktatási és demonstrációs feladatok ellátására is kiválóan alkalmas. R. Rácz, S. Biri, Z. Juhász, B. Sulik and J. Pálinkás, Molecular and negative ion production by a standard electron cyclotron resonance ion source, Review of Scientific Instruments 83 (2012) 02A313 S. Biri, R. Rácz and J. Pálinkás, Status and special features of the Atomki ECR ion source, Review of Scientific Instruments 83 (2012) 02A341 R. Rácz, S. Biri, J. Pálinkás, An ECR table plasma generator, Proceedings of the 19th International Workshop on ECR Ion Source, ECRIS 10. Grenoble, France, 23-26 Aug., 2010. (www.jacow.org) 0 (2011) 124-126. R. Rácz, S. Biri, I.Csarnovich, S. Kökényesi, Gold and calcium ion beams for materials research by the Atomki ECR Ion Source. ActaPhysicaDebrecina 46 (2012)133-141

11. Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Globális diagnosztika Plazmaszimuláció ECR plazmadiagnosztika Plazmaszimuláció Lokális plazmadiagnosztika Globális plazmadiagnosztika • Láthatófény alapú diagnosztika • Röntgendiagnosztika TrapCAD Diagnosztikai módszerek Az ECR ionforrások által kibocsátott elektromágneses sugárzás

12. Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Globális diagnosztika Plazmaszimuláció Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Láthatófény alapú diagnosztika Argon Kölcsönhatások ion-atom, atom-atom, ion-ion, e- - ion, e- - atom Láthatófény fotonok Hideg ionkomponens, nagyrészt elektronok 15eV-50eV A spektrumvonalak nagy száma és a VL spektrum bonyolultsága miatt elemi vizsgálat szinte lehetetlen. Fényképezőgép mint detektor Fényképsorozat készítése, az ECR paraméterek szisztematikus változtatása mellett.

13. Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Globális diagnosztika Plazmaszimuláció Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Láthatófény alapú diagnosztika Mérési összeállítás: ECR plazmafotó szerkezete • Változó ECR paraméterek: • Gáznyomás • Mikrohullám teljesítménye • Axiális mágneses tér • Mikrohullám frekvenciája • Gázösszetétel Intenzitás: ADU (8 bit) Spektrális információ: RGB

14. Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Globális diagnosztika Plazmaszimuláció Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Láthatófény alapú diagnosztika Gáznyomás hatása: Neon plazma 4.4*10-7- 8.5*10-6 mbar f = 14.5 GHz P = 100 W • Logaritmikusan szaturáló függvény • Telítési érték gázkomponens függő Maradékgáz plazma () 8.5*10-6mbar7.0*10-6 mbar2.5*10-6 mbar1.1*10-6 mbar8.0*10-7mbar 5.0*10-7 mbar4.4*10-7mbar

15. Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Globális diagnosztika Plazmaszimuláció Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Láthatófény alapú diagnosztika Mikrohullám teljesítményének hatása: • Teljesítmény növelésének hatására szaturáló intenzitás görbék • Eltérő karakterisztika argon és neon gázkomponensre • Neon plazma semleges (45%) illetve 1+ (55%) • Argon semleges atom (18%), az egyszeresen (81%) és kétszeresen (1%) pozitív ion

16. Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Globális diagnosztika Plazmaszimuláció Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Láthatófény alapú diagnosztika Kripton plazma Bax=1.1T – 0.11T P= 1.1x10-5 mbar f = 9.3 GHz P = 10 W Axiális mágneses tér változásának hatása: 3D intenzitástérkép f(Bax) • Radiális kiterjedés növekedése • Optimummal (~0.66 Tesla) rendelkező intenzitás görbék • Plazma középső tartományának kiüresedése

17. Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Globális diagnosztika Plazmaszimuláció Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Láthatófény alapú diagnosztika Mikrohullám frekvenciájának hatása: • Radiális kiterjedés növekedése • Optimummal rendelkező intenzitás görbék • Instabil szakasz f = 11 GHz – 12 GHz ? • Üregrezonátorként működő kamra • Külső rezonáns pont  „plazmadugó”

18. Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Globális diagnosztika Plazmaszimuláció Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Láthatófény alapú diagnosztika Handbook of ch. and phys. Spektrális vizsgálat: Normált xenon átmenetek Xenon átmenetek • Homogén gerjesztést feltételezve • RGB komponensekre bontva • Maxwell-Helmholtz additív színkeverés

19. Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Globális diagnosztika Plazmaszimuláció Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Láthatófény alapú diagnosztika Asztali ECR plazmaforrás • Képek készítése • Kis mélységélesség • Fényképezőgép tengely menti mozgatása • Fényképsorozat intenzitásszűrése • 3D rekonstruálás A plazma 3D szerkezete: 3D szerkezet tDOF= tback-tfront • nagy gyújtótávolság • nagy rekeszérték • kis tárgytávolság alkalmazása • Inhomogén eloszlás • Gázcső pozíciója meghatározó Kis mélységélesség (~1cm)

20. Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Globális diagnosztika Plazmaszimuláció Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Röntgendiagnosztika Röntgen tartományban lyukkamera Pinhole Ø = 70µm CCD (1 foton, spektrális kiértékelés) Argon ionfelhő 2003 • Röntgen-komponensek szűrése: • Teljes Röntgen tartomány (a.,) • Karakterisztikus Ar Kα (b.,) • Fékezési Röntgen (c.,)

21. 2. Tézispont Globális plazmadiagnosztikai vizsgálatokat végeztem az ATOMKI ECR ionforráson. Korszerű digitális fényképezőgépet, mint detektort használtam a plazma szisztematikus vizsgálatára. A plazma elektromágneses spektrum láthatófény tartományában adott válaszát az olyan alapvetőnek számító beállítási paraméterek hatására, mint a gáznyomás, gázösszetétel, axiális mágneses tér erőssége, mikrohullám teljesítménye és frekvenciája, a képekhez tartozó intenzitás értékek alapján tanulmányoztam. Megmutattam a homogén gerjesztésekhez tartozó, normalizált és alapszínekre szétválasztott elméleti spektrumvonalak egyezőségét az emberi szem, illetve a fényképezőgép által érzékelt spektrális információkkal. Kidolgoztam és alkalmaztam egy eljárást, melynek segítségével képesek vagyunk visszaadni a plazma háromdimenziós szerkezetét jól meghatározott optikai feltételek mellett készült kétdimenziós fényképsorozat segítségével. Bekapcsolódtam az ATOMKI ECR csoport, Debreceni Egyetemmel és a NIST (National Institute of Standards and Technology) intézettel együttműködésben, 2002/2003-ban az ionforrás plazmáiról röntgentartományban üzemelő lyukkamerával készített felvételek kiértékelési fázisába. Az eredmények segítségével alacsonyan ionizált argon plazma kétdimenziós képe, sűrűségviszonyai kerültek meghatározásra. R. Rácz, S. Biri and J. Pálinkás, Electron cyclotron resonance plasma photos, Review of Scientific Instruments 81 (2010) 02B708 (3pp). R. Rácz, S. Biri and J. Pálinkás, Visible light emission of Electron Cyclotron Resonance plasmas, IEEE Transactions on Plasma Science 39/11 (2011) 2462-2463. S. Biri, E. Takács, R. Rácz, L. T. Hudson and J. Pálinkás, Pinhole X-Ray camera photographs of an ECR Ion Source plasma, IEEE Transactions on Plasma Science 39/11 (2011) 2494-2495. R. Rácz, S. Biri, J. Pálinkás, An ECR table plasma generator, Proceedings of the 19th International Workshop on ECR Ion Source, ECRIS 10. Grenoble, France, 23-26 Aug., 2010. (www.jacow.org) 0 (2011) 124-126. S. Biri, R. Rácz, and J. Pálinkás, Studies of the ECR plasma in the visible light range, Proceedings of the 19th International Workshop on ECR Ion Source. ECRIS’10. Grenoble, France, 23-26 Aug., 2010. (www.jacow.org) 0 (2011) 168-170. R. Rácz, Frequency dependence of the ECR plasma ActaPhysicaDebrecina 44 (2010) 108-117. R. Rácz, Color of the ECR plasma. ActaPhysicaDebrecina 45 (2011) 250-257.

22. Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Globális diagnosztika Plazmaszimuláció Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Plazmaszimuláció TrapCAD: Egy-elektron szimuláció Megmaradó, elvesző elektronok Energia eloszlása Térbeli eloszlása

23. Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Globális diagnosztika Plazmaszimuláció Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Plazmaszimuláció Megmaradó elektronok • Futtatás: • 3 millió e-, rez. zóna • f = 14.5 GHz • t = 200 ns (CPU idő 127 óra) • v⊥, v‖ = 1-100 eV • Komponensek: • Elvesző (51 %) • Megmaradó: hideg (1-200eV), átmeneti (0.2 -3keV) • meleg (3-10 keV), forró (E>10 keV) Elvesző elektronok

24. Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Globális diagnosztika Plazmaszimuláció Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Plazmaszimuláció Tengely menti részecskesűrűség függvény Tengely menti eloszlás vizsgálata • Az egyre melegedő elektronok, lokalizáltsága nő. • Az elektronok egy a rezonáns zóna által meghatározott nagy sűrűségű plazmára és egy az ezt körülvevő főleg alacsony energiájú elektronok által dominált ritka burokra válnak szét

25. 3. Tézispont Az ATOMKI ECRIS plazmájának elektronkomponensét szimuláltam a TrapCAD program segítségével. A megmaradó elektronkomponenst energia szerint négy csoportra osztottam. Az egyes komponensek szerint szűrt elektronok térbeli eloszlásának vizsgálatával megállapítottam, hogy az elektronok a rezonáns zóna által meghatározott nagy sűrűségű plazmára és az ezt körülvevő főleg alacsony energiájú elektronok által dominált ritka burokra válnak szét. S. Biri, R. Rácz, J. Imrek, A. Derzsi, Zs. Lécz, Imaging of ECR plasma by computer simulation, IEEE Transactions on Plasma Science 39/11 (2011) 2474-2475. S. Biri, R. Rácz, Z. Perduk, I. Vajda and J. Pálinkás, Recent developments and electron density simulations at the ATOMKI 14.5 GHz ECRIS, Proceedings of the 20th International Workshop on ECR Ion Source. ECRIS 12. Online publikálás a www.jacow.org honlapon folyamatban.

26. Ionnyaláb és műszaki fejlesztés Globális diagnosztika Plazmaszimuláció Az ECR ionforrások Az Atomki ECR ionforrás Plazmadiagnosztikai vizsgálatok Eredmények összehasonlítása Szimulált plazmakomponensek (TrapCAD)  hideg - (E < 200eV) és meleg elektronok (3 keV < E < 10 keV) Látható fény és röntgen tartományban készült képek VL kép hideg e- Röntgen kép meleg e- Tranziens analízis Nyalábkivonás

27. 4. Tézispont A diagnosztikai módszerek (beleértve a plazma elektronkomponensének szimulációját is) eredményeinek összehasonlító elemzését végeztem. Jó általános egyezést tapasztaltam a hideg elektronok térbeli eloszlása és a látható fény felvételek, valamint a meleg elektronok és az ionfelhő térbeli eloszlása között. A képeket, modellezéseket, az azok közti hasonlóságokat és különbözőségeket magyarázó kvalitatív megállapításokat tettem. R. Rácz, S. Biri and J. Pálinkás, ECR plasma photographs as a plasma diagnostic, Plasma Sources Science and Technology 20 (2011) 025002 (7pp).

28. Köszönetnyilvánítás • Témavezetőm; Dr. Biri Sándor • Prof. Dr. Pálinkás József • Társszerzők: • Sulik Béla • Juhász Zoltán • Takács Endre • Imrek József • Derzsi Aranka • Lécz Zsolt • Kökényesi Sándor • L. T. Hudson • Csarnovich István • Perduk Zoltán • Vajda István • TÁMOP - 4.2.2/B-10/1-2010-0024 • TÁMOP- 4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0036 A prezentáció elkészítését a 4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0036 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. A prezentáció elkészítését a TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0024 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

29. Értekezés témájában született publikációk Impakt faktorral rendelkező közlemények 1. R. Rácz, S. Biri, Z. Juhász, B. Sulik and J. Pálinkás, Molecular and negative ion production by a standard electron cyclotron resonance ion source, Review of Scientific Instruments 83 (2012) 02A313 (3pp). A folyóirat impakt faktora 1.367. 2. S. Biri, R. Ráczand J. Pálinkás, Status and special features of the Atomki ECR ion source, Review of Scientific Instruments 83 (2012) 02A341 (3pp). A folyóirat impakt faktora 1.367. 3. R. Rácz, S. Biri and J. Pálinkás, Electron cyclotron resonance plasma photos, Review of Scientific Instruments 81 (2010) 02B708 (3pp). A folyóirat impakt faktora 1.598. 4. R. Rácz, S. Biri and J. Pálinkás, Visible light emission of Electron Cyclotron Resonance plasmas, IEEE Transactions on Plasma Science 39/11 (2011) 2462-2463. A folyóirat impakt faktora 1.174. 5. S. Biri, E. Takács, R. Rácz, L. T. Hudson and J. Pálinkás, Pinhole X-Ray camera photographs of an ECR Ion Source plasma, IEEE Transactions on Plasma Science 39/11 (2011) 2494-2495. A folyóirat impakt faktora 1.174. 6. S. Biri, R. Rácz, J. Imrek, A. Derzsi, Zs. Lécz, Imaging of ECR plasma by computer simulation, IEEE Transactions on Plasma Science 39/11 (2011) 2474-2475. A folyóirat impakt faktora 1.174. 7. R. Rácz, S. Biri and J. Pálinkás, ECR plasma photographs as a plasma diagnostic, Plasma Sources Science and Technology 20 (2011) 025002 (7pp). A folyóirat impakt faktora 2.521. Konferencia kiadványok 8. R. Rácz, S. Biri, J. Pálinkás, An ECR table plasma generator, Proceedings of the 19th International Workshop on ECR Ion Source, ECRIS 10. Grenoble, France, 23-26 Aug., 2010. (www.jacow.org) 0 (2011) 124-126. 9. S. Biri, R. Rácz, and J. Pálinkás, Studies of the ECR plasma in the visible light range, Proceedings of the 19th International Workshop on ECR Ion Source. ECRIS’10. Grenoble, France, 23-26 Aug., 2010. (www.jacow.org) 0 (2011) 168-170. 10. S. Biri, R. Rácz, Z. Perduk, I. Vajda and J. Pálinkás, Recent developments and electron density simulations at the ATOMKI 14.5 GHz ECRIS, Proceedings of the 20th International Workshop on ECR Ion Source. ECRIS’12, Sydney, Australia 25-28 Sept. 2012. Online publikálása a www.jacow.org honlapon folyamatban. Egyéb közlemények 11.R. Rácz, S. Biri, I.Csarnovich, S. Kökényesi, Gold and calcium ion beams for materials research by the Atomki ECR Ion Source. ActaPhysicaDebrecina46 (2012) 133-141. 12. R. Rácz, Frequency dependence of the ECR plasma ActaPhysicaDebrecina44 (2010) 108-117. 13. R. Rácz, Color of the ECR plasma. ActaPhysicaDebrecina45 (2011) 250-257.

30. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 1/19 A dolgozat elején nem ártana leírni, hogy a (teslában, T, mért) B mágneses indukció­vektor mező egyszerűen csak „mágneses tér” elnevezéssel fog szerepelni. Ugyanis tekercsek és ál­lan­dó mág­ne­sek egyaránt szolgáltatják a teret, de a töltéshordozókra fellépő erőt kell a pálya­szá­mí­tá­sokhoz figyelembevenni. (Itt jegyzem meg, hogy a röntgen-spektroszkópiai diagnosztikánál a fékezési sugárzás energiaeloszlásának képletét fel lehetett volna írni.) Az említett hiányosságokat, pontatlanságokat pótolni fogom. 2/19 A 24-27. oldalakon nem logikus a tagolás, viszont nagyon egybemosódnak egyes részek, ami miatt további alpontok szükségesek. További alpontokat fogok beilleszteni.

31. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 3/19 A „nyalábáram – m/q” spektrumokban helyenként nagy folytonos háttéren ülnek a csú­csok (pl. 3.5, 3.7), amelynek nagysága a kisebb m/q-nál a csúcsok magasságával egyezik. Mitől szár­­ma­zik ez? A 3.7. spektrumnál mit jelöl az „X” és az „Y”? 3.5. ábra 3.7. ábra • Folytonos háttér: Negatív ionnyaláb spektrumok felvétele esetén a plazmából kivont ionáramon túl elektronok is elhagyják a plazmát. Ezek szóródása az analizáló mágnes kamrájának falán, a nyalábcsatornában okozhat ilyen jelenséget. • „X” és „Y” csúcsok lehetséges magyarázatát a mérések során több szempontból is megvizsgáltam. Az „Y” csúcs pontosan az O2- m/q értékének megfelelően észleltük. Azonban a nemzetközi irodalomban megjelent publikációk alapján ennek detektálására nincs lehetőségünk. Az „X” csúcs megjelenése magyarázható az O2- nyalábkomponens AM kamrájának merevítésén való szóródásával.

32. Két azonosítatlan csúcs m/q= 8 és 5.6-nál • O2- nem stabil, de létezhet (m/q = 8). Detektálható? • Valamelyik nagy intenzitású csúcs szóródása az analizáló mágnes kamrájának merevítésén. 3/19 • *M.F.C. Ladd, et al., ActaCryst. 13 (1960) 959 • O2- O–ΔE=7.8eV  τ = 10-10 s  nem mérhetnénk (20µm) • *W. K. Stuckey, et al. Nature 211 (1966) 963  τ = 10-4 s • *M. BacalNucl. Fusion 46 (2006) 250 nem létezik • ????

33. Szóródás az AM kamra merevítésén? T 3/19 rT T’ O r0 Hasonló háromszögek: TO/T’O = rT/r0  rT/r0= 2.2 Akkor lehet egy adott atom adott töltésállapotának szóródási csúcsa, ha a szóródási csúcshoz tartozó analizáló mágnes a szóródó nyalábot éppen 2.2-szer nagyobb körre kényszeríti, mint a kamra középsugara. 32 vs 8 X = 1.9 32 vs 5.6 X = 2.3 T T’ 16 vs 8 X = 1.4 Két nagy csúcs O- és O2- Csak ezek esetleges szóródásai lehetnek. [(m/q)1/(m/q)2] / [I1/I2] = X ~ 2.2 I(32) = 23.11 A I(8) = 11.41 I(16) = 16.26 A I(5.6) = 9.49 O 16 vs 5.6 X =1.7

34. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 4/19 Milyen az ECR legjobb vákuuma esetén (vagyis amikor nincs szándékos gázbevitel) a mara­dék­gáz-spektrum? Figyelembeveszik-e ezt az eloszlások kiértékelésé­nél, kvanti­ta­tív inter­pretálásánál? A fémionok előállításánál (41.o.) lehetnek-e zavaró egyezések emiatt az m/q-ban? Ideális esetben (melyre mindig törekedni szoktunk), plazma nem gyújtható be szándékos gázbevitel nélkül. Azonban, ha ez mégis megtehető (az ionforrás „bontását” követő első üzemek során), a maradékgáz-spektrum a víz molekula ionját, CH származékok ionjait, kevés nitrogént tartalmaz. A töltésállapot eloszlásuk illetve az, hogy molekuláris vagy atomi ionos formában jelennek-e meg, a betáplált teljesítménytől függ. Nagyságuk a munkagáz beinjektálását követően a „hasznos” csúcsokhoz képest elhanyagolhatóvá csökken. Így az esetleges átlapolások sem okoznak problémát. Speciális esetekben a kvantitatív kiértékelések során az átlapolt csúcsok maradékgáz komponense becsülhető az adott atom nem átlapolt csúcsai segítségével. Emiatt elvileg lehetnek zavaró egyezések az m/q-ban, azonban a fém ionok esetén (a porlasztó) oxigén plazma miatt az átlapolások az oxigéncsúcsoknál jelentősek.

35. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 5/19 A 3.5. ábrán az egyik csúcs jelölése: C2H2-. Máshol szóbakerül a fullerén. Ezeknél és más nem-szokványos molekuláknál mivel lehet bizonyítani a megadott kémiai formát? Molekula­spektroszkópia, azaz az IR-tartomány szükséges lehet a későbbiekben emiatt is és a plazma további vizsgálatához. A gerjesztés az ECR-nél szélessávú, még szub-milliméteres tartomány felé is el lehet men­ni. A lézerspektroszkópusok ma a tera-Hz-es tartományt ostromolják. Kapcsolat a pécsiekkel és az ELI-programmal? Molekula rezgések gerjesztésével, infravörös tartományban kibocsátott elektromágneses sugárzás detektálásával lenne rá lehetőség. Ezen rezgések gerjesztése lehetséges a plazmában lejátszódó folyamatok eredményeként, vagy akár külső gerjesztés becsatolásával. A molekulák azonosításának másik módja, a kivont analizált nyaláb makroszkopikus mennyiségének összegyűjtése, majd vizsgálata, Raman spektroszkópiai, XPS, HPLC eljárásokkal. Természetesen nyitottak vagyunk minden együttműködésre.

36. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 6/19 35.o.: az O2-adagolás szerepe a H- képződésében: folyamatosan növelt oxigén bevitellel meg lehetne határozni a küszöbmennyiséget. Ezzel lehetne-e kvantitatívabb magyarázatot adni? Igen, bár a keverés hatására fellépő H- képződésben szerepet játszó domináns folyamatok száma nagy. Tovább nehezíti a kvantitatív kiértékelés lehetőségét, hogy az oxigénkeverés hatása ezekre a csatornákra vélhetően eltérő optimális adagolást igényel. A folyamatok nem szétválaszthatók, így az optimum megtalálása kompromisszum révén kell hogy létrejöjjön. A H- áramának mérése O2 keverés mennyiségének függvényében hasznos lehet. Főleg abban az esetben ha a keverés hatására lokális optimumok jeleneznének, melyek már illesztéses számolást tennének lehetővé az egyes rezonáns viselkedésű képződési csatornákra vonatkozóan.

37. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 7/19 A közölt spektrumokból számítható ion-összetétel mennyire stabil időben (folyamatosan és ismételve)? Mely ECR-paraméterek befolyásolják ezt? Az ECR ionforrás beállítási paramétereinek száma nagy és kombinációjuk végtelen. Ezért egy optimálisnak nevezett beállítás egy új nyalábkomponens esetén hosszú iterációs folyamat révén jön létre. Reprodukálhatóság: Ha lényegi változás az ionforráson nem történik, az eredmények jól reprodukálhatóak. Ekkor meghatározó paraméterek a hangolóelektróda, a tekercsek illetve a kivonóelektródapozíciója. Ha ezek két üzem közt nem változnak a reprodukálhatóság 10%-20%-os tűrésen belül van, mely finomhangolással a már korábban tapasztalt optimális értékre javítható. Rövidtávú stabilitás: Az említett optimalizálási folyamat során az is szempont, hogy olyan beállítási paramétereket találjunk, melyek nem feltétlenül a maximális nyalábáramot produkálják, de időben (néhány óra) stabilak. Ekkor az elektromos kisülések, instabil plazmaállapotok kerülése a legfontosabb.

38. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 8/19 50.o.: a Si(Li) és a HpGe félvezetők nem hullámhossz-diszperzív detektorok! Ez elírás a dolgozatban. Javítom. (A mondat további részében már helyesen utaltam rá.) 9/19 A 31. képletben a hatáskeresztmetszetnek nevezett Qexvégülis milyen dimenziójú mennyi­ség? Mértékegysége (x10-20) m2.

39. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 10/19 A digitális fényképezésnél használt kamerában CMOS-szenzor vagy CCD van? Régen az utóbbi volt a gyakoribb, aztán az előbbi lett az az egyszerűbb gyárthatóság miatt. Ma egy­forma az áruk, versengés van a piacon. De: a CCD pixelérzékenysége talán egyenletesebb. A másik fontos jellemző: Peltier-hűtéssel speciális eszközök kaphatók, amivel a szerző által említett zaj nagy­­mérték­ben csökkenthető és így hosszabb expozíciót választva az érzékenység növelhető. A digitális fényképezésnél használt kamerában CCD szenzor található.

40. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 11/19 60-61.o.: Az ADU-egység magyarázatánál és a hitelesítésnél vigyázni kell az energia és intenzitás szavak használatára! A fény által vitt teljes energia Etot = N·hn (joule), ahol N a fotonok száma. Az intenzitás jellege I = N/t (foton/s), illetve a teljesítmény P=Etot/t (watt). A pixel I-vel arányos (ADU) mennyi­ségű töltést gyűjt, amit befolyásol a fotoeffektus hullámhossz-függése. A képet a teljes energiával arányos töltések jellemzik. Az 5.3 és hasonló képeken a szín a fényintenzitástól is függhet technikai okok miatt. Általában: az intenzitásviszonyok adnák a kvantitatív spektroszkópiát. Ehhez nemcsak a szín­keverést kell figyelembevenni, hanem az érzé­kenység l-függését is. További nehézséget okoz­hat a gáz(ok)ban az önabszorpció, illetve a rezo­nancia-abszorpció (alapállapotoknál). Köszönöm a megjegyzést és pontosítást. Az ide vonatkozó részt javítom. És a dolgozat további részében következetesen alkalmazom. 12/19 A képek analíziséből nyert diagramok függőleges tengelyén mit jelent a „beütésszám”? Ez a képet jellemző ADU érték, ami I-vel arányos, ami meg N-nel. (Így lett beütésszámnak nevezve, következetesen javítom)

41. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 13/19 63.o. és 5.7. ábra: A fotó és a diagram közötti magyarázat helytelen: az intenzitás mere­dek­sége csökken, nem az abszolútértéke. 60 W alatt Ne-nál miért nincs mérés? Ez az inter­pre­tá­lás­hoz nagy segítséget jelenthetne. A 64.oldallal együtt: a magyarázatok nem teljesen logi­ku­sak az 5.7. ábrát szemlélve. Továbbá: az „igazi telítési görbe” nem egyszerű hatvány­függvény, bár annak lát­szik néha, hanem „1 – exp(-…)” alakú. Így kellene az Ar és Ne lát­szó­lagos ellentétét vizsgálni. Ha „exp abszorpciós törvény” érvényesül(ni látszik) valamilyen jelenségben, akkor a fenti telítési görbe lényegében a térfogatban maradt, leadott, abszorbeált energiát/részecskét jelentheti (pl. bizonyos detek­toroknál a hatásfokkal arányos). 60 W alatt nem volt lehetséges a Ne plazma begyújtása. Az eltérések valóban nem feltétlenül csak a sugárzó töltésállapotok arányával hozható összefüggésbe, hanem esetleg az abszorpciós képességekkel is. A pontok megillesztését 1-exp(-...) függvénnyel is el fogom végezni.

42. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 14/19 65.o., 5.9. ábra: a Rtg-spektroszkópia és az egyéb módszerekkel nyert eredmények hogyan korrelálnak a fényképezéssel kapottakkal? Az 5.1.2.2. alfejezetben Ar és Ne, az 5.1.2.3.-ban pedig a Ne és Kr volt vizsgálva. Ha ugyanaz a kettő, vagy mindhárom gáz került volna analízisre a két kísérletben, a következtetések biztosabbak, általánosabbak lehetnének. 5.9.ábra Röntgen és láthatófény tartományban kapott eredmények összehasonlítása az axiális mágneses tér csökkenésének hatására. A fékezési röntgensugárzás mérésével kapott röntgenspektroszkópiai eredmények* korrelálnak, de legalábbis nincsenek ellentmondásba a mi eredményeinkkel. Az elvesző elektronok energialeoszlása az alacsony energiák irányába tolódik, ami kezdetben kedvez a látható fény fotonok keletkezésének (az optimumig). *C. Lyneis, et al., Measurements of bremsstrahlung production and x-ray cryostat heating in VENUS, Review of Scientific Instruments 77/3 (2006) 03A342

43. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 15/19 67.o., 5.12. ábra: a kamera a geometriai viszonyok miatt tükörből nézte a plazmát. A tükör hullámhossztól függő reflexióképessége mennyiben befolyásolta a színek arányait? Spektrális áteresztő képesség (üveg) Spektrális reflexiós tényező (Alumínium) Bk7 (optikai, „szokványos” ablak) üveg A tükör esetében meg kell vizsgálni az üveg spektrális áteresztőképességét, illetve az alumínium spektrális reflexiós tényezőjét. Az üveg áteresztő képessége láthatófény tartományban jó közelítéssel a hullámhossztól független. Az alumínium reflexiós tényezőjét jellemző függvény kéktől a vörös felé haladva folyamatosan növekvő, 5%-on belüli eltérést mutat az átlagértéktől. Ennek megfelelően a színek arányait, bár kis mértékben, de a nagyobb hullámhosszak (vörös) irányába tolja.

44. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 16/19 68., 69.o.: Az ionáramokra, lefosztásra vonatkozó korábbi adatokkal együtt kellene tár­gyal­ni az optikai jelenségeket. Az instabilitást korábban is észlelték? Az optikai módszer segíthet-e egy­szerűségével az ECR optimális beállításának gyorsításában? (Frekvencia változásának következtében megjelenő instabilitások.) Korábban normál üzem során nem észleltünk instabilitásokat, mert nem változtattuk a frekvenciát. Egy keskeny sávszélességű cirkulátor szokta védeni az erősítőt a visszaverődő hullámoktól. Éppen ezért a jelenségnek véleményem szerint nem az ionáram maximalizálásában van elsősorban szerepe hanem aláhúzza a frekvenciahangolás szükségességét és fontosságát, a „megszokott” frekvenciákhoz képest.Egy szisztematikus töltésállapot eloszlással egybekötött kalibráló méréssel az optikai módszer segíthetné az ECR paraméterek optimális beállításának lehetőségét, vagy legalábbis meglétének ellenőrzését.

45. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 17/19 72-73.o.: Fordított a szem és a napfény logikája: a valóságban a szemnek azért ilyen az érzékenységi görbéje, mert a Nap sugárzása és a légkör abszorpciója ezt a hullámhossz-tartományt adja a Földön. És ezért készítette ilyenre Bayer a szűrőt, mert a szemnek ilyen az érzékenységi görbéje. Azt is figyelembe kell venni, hogy ez fényerősségtől is függ („éjszakai látás”). Ez a dol­go­zat­ban úgy jön elő, hogy a kisteljesítményű gerjesztésnél gyengébbnek és vörösebbnek látjuk a plaz­mát. A fényképezőgépeknél ez figyelembe van véve, általában? Fényképezőgépek esetén a színekre való érzékenységet a fehéregyensúly állításával lehet meghatározni. A fotósorozatok készítésénél mindvégig fixen tartott értéket használtunk, ezért az („éjszakai látás”) problémája esetünkben nem merült fel. Automata üzemmódban ez eltéréseket okozhatott volna.

46. Referensi vélemény, szakmai kérdések, megjegyzések 18/19 89. és következő oldalak: A diagnosztikai módszerekből levonható következtetések, az eredmények értelmezése nem foglalkozik a 63. és 64. ábrákon bemutatott jelenségekkel. Az említett szövegrész foglalkozik az ábrákkal csak a szövegben az adott helyen nincs rá hivatkozás. A hiányosságot javítani fogom. 19/19 A hideg elektronok és az általuk keltett fotonok nem azonos térfogatot láttatnak a Szerző szerint. Ennek így is kell lennie: a fotonemisszió iránykarakterisztikája véletlenszerű, hacsak a B-mező nem polarizálja a legerjedő atomokat-ionokat mindenhol ugyanolyan módon. Az eltérésnek több lehetséges magyarázatot adom a dolgozatomban.