پرتوی یونی

پرتو یونی(به انگلیسی : ion beam) نوعی پرتو ذرات باردار است که از یون تشکیل شده است. پرتوهای یونی کاربردهای زیادی در تولید لوازم الکترونیکی (عمدتاً کاشت یون) و سایر صنایع دارند. منابع پرتوهای یونی متنوعی وجود دارد که برخی از آن ها ، رانشگرهای بخار جیوه ای اند؛ که توسط ناسا در دهه 1960 توسعه یافتند. رایج ترین پرتوهای یونی از یون های تک بار هستند.

واحد های اندازه گیری[ویرایش]

چگالی جریان یون به طور معمول بر حسب mA/cm^2 و انرژی یون بر حسب eV اندازه گیری می شود. استفاده از eV برای تبدیل بین ولتاژ و انرژی، به ویژه در هنگام برخورد با پرتوهای یونی تک بار، و همچنین تبدیل بین انرژی و دما (1eV = 11600k) راحت است.

منابع پرتوی یونی پهن[ویرایش]

اکثر برنامه های تجاری از دو نوع محبوب منبع یونی، شبکه ای و بدون شبکه استفاده می کنند که از نظر ویژگی های جریان و توان و توانایی کنترل مسیرهای یونی متفاوت هستند. در هر دو مورد، برای تولید یک پرتو یونی، به الکترون ها نیاز است. متداول ترین ساطع کننده های الکترون فیلامنت داغ و کاتد توخالی هستند.

منابع یونی شبکه ای

در یک منبع یون شبکه‌ای، تخلیه DC یا RF برای تولید یون‌ها استفاده می‌شود که سپس با استفاده از شبکه‌ها و دیافراگم‌ها تسریع و از بین می‌روند. در اینجا از جریان تخلیه DC یا توان تخلیه RF برای کنترل جریان پرتو استفاده می شود.

چگالی جریان یونی که می توان با استفاده از منبع یون شبکه ای شتاب داد، توسط اثر بار فضایی محدود می شود، که توسط قانون child توضیح داده شده است.

شبکه‌ها تا حد امکان نزدیک به هم قرار می‌گیرند تا چگالی جریان را افزایش دهند. یون های استفاده شده تاثیر قابل توجهی بر حداکثر جریان پرتو یونی دارند، حداکثر جریان پرتو یونی با کریپتون، تنها 69٪ حداکثر جریان یونی یک پرتو آرگون است، و با زنون این نسبت به 55٪ کاهش می یابد.

منابع یونی بدون شبکه

در یک منبع یونی بدون شبکه، یون ها توسط جریانی از الکترون ها (بدون شبکه) تولید می شوند. رایج ترین منبع یونی بدون شبکه، منبع یون انتهایی هال است. در اینجا از جریان تخلیه و جریان گاز برای کنترل جریان پرتو استفاده می شود.

کاربردها[ویرایش]

حکاکی یا کندوپاش پرتو یونی

یکی از انواع منابع پرتو یونی دووپلاسماترون است. پرتوهای یونی را می توان برای کندوپاش یا حکاکی پرتو یونی و برای تجزیه و تحلیل پرتو یونی استفاده کرد.

کاربرد پرتو یونی، اچ کردن، یا کندوپاش کردن، تکنیکی است که از نظر مفهومی شبیه به سندبلاست است، اما از اتم‌های منفرد در یک پرتو یون برای فرسایش هدف استفاده می‌کند. حکاکی یون واکنشی ،یک توسعه مهم است که از واکنش شیمیایی برای تقویت اثر کندوپاش فیزیکی استفاده می کند.

در یک استفاده معمولی، درساخت ادوات نیم‌ رسانا، یک ماسک می تواند به طور انتخابی یک لایه مقاوم به نور را بر روی یک بستر ساخته شده از یک ماده نیمه رسانا، مانند دی اکسید سیلیکون یا ویفر آرسنید گالیم قرار دهد. ویفر توسعه یافته است، و برای مقاومت نوری مثبت، بخش های در معرض ،در یک فرآیند شیمیایی حذف می شوند. نتیجه آن ، الگویی است که بر روی نواحی سطح ویفر که از نوردهی پوشانده شده بود، باقی مانده است. سپس ویفر در یک محفظه خلاء قرار داده می شود و در معرض پرتو یون قرار می گیرد. برخورد یون‌ها هدف را فرسایش می‌دهند و نواحی را که تحت پوشش نور مقاوم نیستند، از بین می‌برد.

ابزارهای پرتو یون متمرکز (FIB) کاربردهای متعددی برای شناسایی دستگاه‌های لایه نازک دارند. با استفاده از یک پرتو یون متمرکز و با روشنایی بالا ،در یک الگوی شطرنجی اسکن شده، مواد با الگوهای مستطیلی دقیق حذف می شوند (پراکنده می شوند) که نمایه دو بعدی یا چینه شناسی یک ماده جامد را نشان می دهد. رایج ترین کاربرد، تأیید یکپارچگی لایه اکسید گیت در یک ترانزیستور CMOS است. یک محل حفاری واحد، یک مقطع را برای تجزیه و تحلیل با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی در معرض دید قرار می دهد. حفاری های دوگانه در دو طرف یک پل لاملا نازک برای تهیه نمونه های میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده می شود.

یکی دیگر از کاربردهای رایج ابزارهای FIB برای تأیید طراحی و یا تجزیه و تحلیل خرابی دستگاه های نیمه رسانا است. تأیید طراحی ترکیبی از حذف انتخابی مواد با رسوب مواد رسانا، دی الکتریک یا عایق به کمک گاز است. دستگاه‌های نمونه اولیه مهندسی ممکن است با استفاده از پرتو یون در ترکیب با رسوب مواد به کمک گاز،اصلاح شوند تا مسیرهای رسانای مدار مجتمع را دوباره سیم‌کشی کنند. این تکنیک ها به طور موثر برای تأیید همبستگی بین طراحی CAD و مدار نمونه اولیه عملکردی واقعی استفاده می شوند، در نتیجه از ایجاد یک ماسک جدید به منظور آزمایش تغییرات طراحی جلوگیری می شود.

علم مواد از کندوپاش برای گسترش تکنیک‌های تحلیلی سطحی مانند طیف‌سنجی جرمی یونی ثانویه یا طیف‌سنجی الکترونی (XPS، AES) استفاده می‌کند تا بتوانند مشخصات عمقی آن‌ها را ایجاد کنند.

زیست شناسی

در رادیوبیولوژی از پرتوهای یونی گسترده یا متمرکز برای مطالعه مکانیسم های ارتباطی بین سلولی و درون سلولی، انتقال سیگنال و آسیب و ترمیم DNA استفاده می شود.

دارو

پرتوهای یون نیز در ذره درمانی، اغلب در درمان سرطان استفاده می شود.

برنامه های فضایی

پرتوهای یونی تولید شده توسط رانشگرهای یونی و پلاسما در یک فضاپیما می توانند برای انتقال نیرو به یک جسم مجاور (مانند فضاپیمای دیگر، یک سیارک و غیره) که توسط پرتو تابش می شود، استفاده شوند. نشان داده شده است که این روش نوآورانه پیشرانه به نام Ion Beam Shepherd در زمینه حذف زباله‌های فضایی فعال و همچنین انحراف سیارک‌ها موثر است.

پرتوهای یونی با انرژی بالا

پرتوهای یونی پرانرژی تولید شده توسط شتاب دهنده های ذرات در فیزیک اتمی، فیزیک هسته ای و فیزیک ذرات استفاده می شود.

سلاح

استفاده از پرتوهای یونی به عنوان یک سلاح پرتو ذرات از نظر تئوری امکان پذیر است، اما اثبات نشده است. سلاح‌های پرتوی الکترونی توسط نیروی دریایی ایالات متحده در اوایل قرن بیستم آزمایش شده‌اند، اما اثر ناپایداری شلنگ ،مانع از دقیق بودن آنها در فاصله بیش از 30 اینچ می‌شود. برای اطلاعات بیشتر در مورد این نوع سلاح به سلاح پرتو ذرات مراجعه کنید.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منبع یونی

پیشرانه یونی

منابع[ویرایش]

http://www.ionsources.com/PDF/Broad-Beam_BookPreview.pdf((PDF). Fort Collins, Colorado 80524: Kaufman & Robinson, Inc. ISBN.9780985266400)
Giannuzzi, Lucille A., Stevie, Fred A. Introduction to Focused Ion Beams: Instrumentation, Theory, Techniques, and Practice, Springer 2005 – 357 pages
"Sputtering limits versus signal-to-noise limits in the observation of Sn balls in a Ga[sup +] microscope" (Castaldo, V.; Hagen, C. W.; Rieger, B.; Kruit, P. (2008).)
Retrieved 2009-08-06. "Introduction : Focused Ion Beam Systems"
C. Bombardelli and J. Peláez, "Sistema de modificación de la posición y actitud de cuerpos en órbita por medio de satélites guía", Patent number P201030354. Presented at the Spanish Patent Office on March 11, 2010. PCT Patent Application PCT/ES2011/000011