Time resolved measurements of hydrogen ion energy distributions in a pulsed 2.45 GHz microwave plasma

Abstract

Se presenta un estudio de las funciones de distribución de energía iónica (IEDF) de H, H2+ y H3+ iones en un reactor de plasma de hidrógeno de 2,45 GHz llamado TIPS. Las medidas fueron realizadas mediante el uso de un espectrómetro de masas de iones de HIDEN Analytical Limited para seleccionar una especie de iones y medir su distribución de energía. El reactor funciona en modo pulsado a 100 Hz con un ciclo de trabajo del 10% (Ancho de pulso de 1 ms). Las IEDF se se obtienen cada 5 microsegundos s con 1 microsegundo de resolución durante todo el pulso. La evolución temporal del potencial del plasma y la temperatura de los iones de H se deriva de los datos. Se muestra que el potencial del plasma está dentro del rango de 15 a 20 V, mientras que la temperatura de los iones alcanza valores de 0.25–1 eV durante el pulso y exhibe un rápido pico cuando se apaga la radiación de microondas. Por último, las temperaturas de los iones se utilizan para predecir la emitancia térmica transversal de un haz de protones extraído de microondas de 2,45 GHz

A plasma diagnostic study of the Ion Energy Distribution Functions (IEDFs) of Hþ, Hþ2 , and Hþ3 ions in a 2.45 GHz hydrogen plasma reactor called TIPS is presented. The measurements are conducted by using a Plasma Ion Mass Spectrometer with an energy sector and a quadrupole detector from HIDEN Analytical Limited in order to select an ion species and to measure its energy distribution. The reactor is operated in the pulsed mode at 100 Hz with a duty cycle of 10% (1 ms pulse width). The IEDFs of H, H2+ , and H3+ are obtained each 5 ls with 1 ls time resolution throughout the entire pulse. The temporal evolution of the plasma potential and ion temperature of Hþ is derived from the data. It is shown that the plasma potential is within the range of 15–20 V, while the ion temperature reaches values of 0.25–1 eV during the pulse and exhibits a fast transient peak when the microwave radiation is switched off. Finally, the ion temperatures are used to predict the transverse thermal emittance of a proton beam extracted from 2.45 GHz microwave discharges