شعاع أيوني

في مصدر الأيونات الشبكي، يُستخدم التفريغ المستمر أو التفريغ بترددات الراديو لتوليد الأيونات، والتي يتم بعد ذلك تسريعها وتقليل كثافتها باستخدام الشبكات والفتحات. هنا، يُستخدم تيار التفريغ المستمر أو قدرة التفريغ بترددات الراديو للتحكم في تيار الحزمة.

كثافة التيار الأيوني${\displaystyle j}$إن القدرة على تسريعها باستخدام مصدر أيوني شبكي محدودة بتأثير الشحنة الفضائية ، والذي يصفه قانون تشايلد : $${\displaystyle j\approx {\frac {4\epsilon _{0}}{9}}{\sqrt {\frac {2e}{m}}}{\frac {(\Delta V)^{\frac {3}{2}}}{d^{2}}},}$$ أين${\displaystyle \Delta V}$يمثل الجهد الكهربائي بين الشبكتين،${\displaystyle d}$هي المسافة بين الشبكات، و${\displaystyle m}$كتلة الأيون.

يتم وضع الشبكات على مسافات متقاربة قدر الإمكان لزيادة كثافة التيار، عادةً${\displaystyle d\sim 1\ \mathrm {mm} }$تؤثر الأيونات المستخدمة بشكل كبير على الحد الأقصى لتيار حزمة الأيونات، حيث${\displaystyle j\propto m^{-{1}/{2}}}$وبافتراض تساوي جميع العوامل الأخرى، فإن الحد الأقصى لتيار حزمة الأيونات باستخدام الكريبتون لا يتجاوز 69% من الحد الأقصى لتيار الأيونات لحزمة الأرجون ؛ ومع الزينون تنخفض النسبة إلى 55%. ^{[ 1 ]}

في مصدر الأيونات غير الشبكي، تُولَّد الأيونات بتدفق الإلكترونات دون استخدام شبكات. يُعدّ مصدر أيونات إند-هول الأكثر شيوعًا في هذا النوع ، حيث يُستخدم تيار التفريغ وتدفق الغاز للتحكم في تيار الحزمة.

يمكن استخدام حزم الأيونات لتعديل المواد (على سبيل المثال عن طريق التذرية أو الحفر بحزمة الأيونات) ولتحليل حزم الأيونات .

يُعدّ تطبيق حزمة الأيونات، أو الحفر، أو التذرية، تقنيةً مشابهةً من حيث المبدأ للتفجير الرملي ، ولكنها تستخدم ذراتٍ منفردةً في حزمة أيونية لإزالة الهدف . ويُمثّل الحفر الأيوني التفاعلي امتدادًا هامًا لهذه التقنية، إذ يستخدم التفاعل الكيميائي لتعزيز تأثير التذرية الفيزيائية.

في الاستخدام الشائع في صناعة أشباه الموصلات ، تُستخدم قناع لتعريض طبقة من المقاوم الضوئي بشكل انتقائي على ركيزة مصنوعة من مادة شبه موصلة ، مثل رقاقة من ثاني أكسيد السيليكون أو زرنيخيد الغاليوم . تُطوَّر الرقاقة، وفي حالة المقاوم الضوئي الموجب، تُزال الأجزاء المعرضة للضوء بعملية كيميائية. ينتج عن ذلك نمط متبقٍ على أسطح الرقاقة التي كانت محجوبة عن التعرض للضوء. ثم توضع الرقاقة في حجرة مفرغة من الهواء ، وتُعرَّض لحزمة أيونية. يؤدي اصطدام الأيونات إلى تآكل الهدف، وإزالة المناطق غير المغطاة بالمقاوم الضوئي.

تُستخدم أجهزة الحزمة الأيونية المركزة (FIB) في العديد من التطبيقات لتوصيف الأجهزة ذات الأغشية الرقيقة. فباستخدام حزمة أيونية مركزة عالية السطوع بنمط مسح ضوئي، تُزال المادة (تُرش) بأنماط مستقيمة دقيقة، كاشفةً عن صورة ثنائية الأبعاد، أو طبقية، لمادة صلبة. ويُعدّ التحقق من سلامة طبقة أكسيد البوابة في ترانزستور CMOS التطبيق الأكثر شيوعًا. إذ يكشف موقع حفر واحد عن مقطع عرضي لتحليله باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح. بينما تُستخدم حفرتان على جانبي جسر صفائحي رقيق لإعداد عينات المجهر الإلكتروني النافذ. ^{[ 2 ]}

يُستخدم جهاز FIB بشكل شائع في التحقق من تصميم أشباه الموصلات وتحليل أعطالها . يجمع التحقق من التصميم بين إزالة المواد بشكل انتقائي وترسيب المواد الموصلة أو العازلة أو غير الموصلة بمساعدة الغاز. يمكن تعديل نماذج الأجهزة الهندسية الأولية باستخدام شعاع الأيونات مع ترسيب المواد بمساعدة الغاز لإعادة توصيل مسارات التوصيل في الدائرة المتكاملة. تُستخدم هذه التقنيات بفعالية للتحقق من التطابق بين تصميم CAD والدائرة الأولية الوظيفية الفعلية، مما يغني عن إنشاء نموذج أولي جديد لاختبار تغييرات التصميم.

تُستخدم حزم الأيونات أيضًا لأغراض التحليل في علم المواد. فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام تقنيات التذرية لتحليل السطح أو تحديد العمق من خلال إجراء قياس الطيف الكتلي للأيونات الثانوية . كما يُمكن الحصول على معلومات من طيف الأيونات الأولية المنقولة أو المتناثرة عكسيًا، مثل الحصول على بيانات العمق من أطياف التشتت العكسي لروثرفورد (RBS). ^{[ 2 ]} وعلى عكس طيف الأيونات الثانوية، فإن التقنيات القائمة على التشتت، مثل RBS، غالبًا ما تكون أقل ضررًا بالعينة.

في علم الأحياء الإشعاعي، يتم استخدام حزمة أيونية واسعة أو مركزة لدراسة آليات الاتصال بين الخلايا وداخلها، ونقل الإشارات ، وتلف الحمض النووي وإصلاحه .

تُستخدم حزم الأيونات أيضاً في العلاج بالجسيمات ، وغالباً ما تُستخدم في علاج السرطان.

يمكن استخدام حزم الأيونات المُنتجة بواسطة محركات الدفع الأيونية والبلازمية على متن مركبة فضائية لنقل قوة إلى جسم قريب (مثل مركبة فضائية أخرى، أو كويكب، إلخ) يتعرض للإشعاع بواسطة الحزمة. وقد أثبتت تقنية الدفع المبتكرة هذه، المسماة " راعي حزمة الأيونات"، فعاليتها في مجال إزالة الحطام الفضائي النشط، وكذلك في تغيير مسار الكويكبات.

تُستخدم حزم الأيونات عالية الطاقة التي تنتجها مسرعات الجسيمات في الفيزياء الذرية والفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات .

من الناحية النظرية، يمكن استخدام حزم الأيونات لصنع سلاح، لكن هذا لم يُثبت عملياً. وقد اختبرت البحرية الأمريكية أسلحة حزم الإلكترونات في أوائل القرن العشرين، إلا أن تأثير عدم استقرار الخرطوم يمنعها من أن تكون دقيقة على مسافة تزيد عن 30 بوصة تقريباً.