x : “ a 2 . u a v t 0 . . 1 3 . a " w \ , . € ? a " a . 3 5 2 $ . a ‘ i . . ; g a g : a i a g i a v a f y é a ! ? % 5 . 2 4 3 . ? . 4 3 $ . fi . ) h x n w s : 3 . ( . . . t L r , C v . < v I . u . . . . N i . 4 w . k “ 1 3 . 6 ? l 3 ‘ 1 ; I “ : 3 3 “ 3 a \ . t 1 $ i J . R ‘ W 3 ? W - . “ . . . r : t i " W 2 " N P W 1 W ” \ - 2 I t a l . ! . u A 5 i 3 , r y e M ” 4 . F 3 m : 8 u . q 3 . m 4 s 1 1 . i l . I l l l l l l l l l l l l “ I l l “ l l l l l l l l l l l l l l l 0 H ( m a t s ) R S I T Y L I I B F I A R I I E S 3 1 2 9 3 0 1 5 5 T h i s i s t o c e r t i f y t h a t t h e d i s s e r t a t i o n e n t i t l e d P R O P E R T I E S O F E L E C T R O N C Y C L O T R O N R E S O N A N C E P L A S M A S O U R C E S p r e s e n t e d b y A S E E M K U M A R S R I V A S T A V A h a s b e e n a c c e p t e d t o w a r d s f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r D o c t o r o f E h i l n s n p h L d e g r e e i n J l e c m n a l E n g i n e e r i n g k 3 m : R f M a j o r p r o f e s s o r V D a t e N o v e m b e r 1 6 l 1 9 9 5 M S U i s a n A f fi r m a t i v e A c t i o n / E q u a l O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n 0 - 1 2 7 7 1 . i M L h n c U I i i B g v R a r e A s n R S i Y t t a y t e P L A C E I N R E T U R N B O X t o r o m a n t h i s o h o o k o u t f r o m y o u r r o o o r d . T O A V O I D F I N E S r e t u r n o n o r M o r o d o t . d u o . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E r " ‘ 1 ’ . . . . “ ’ 5 L I I — l j fl ' m ' " ‘ M S U l o A n N fl r m o t i v o A c t i o n / E q u a l O p p o m m i t y l n o t i M i o n W y n - 9 . 1 P R O P E R T I E S O F E L E C T R O N C Y C L O T R O N R E S O N A N C E P L A S M A S O U R C E S B y A s e e m K u m a r S r i v a s t a v a A D I S S E R T A T I O N V O L U M E I S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 5 A B S T R A C T P R O P E R T I E S O F E L E C T R O N C Y C L O T R O N R E S O N A N C E P L A S M A S O U R C E S B Y A s e e m K u m a r S r i v a s t a v a O v e r t h e p a s t f e w d e c a d e s , m i c r o w a v e e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e ( E C R ) p l a s m a / i o n s o u r c e s h a v e f o u n d u s e i n v a r i o u s d i v i s i o n s o f p h y s i c s a n d e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g . T h e d e s i g n a n d o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f a n E C R i o n s o u r c e i s h e a v i l y d e p e n d e n t o n i t s e v e n t u a l a p p l i c a t i o n . E x p e r i m e n t s i n n u c l e a r a n d a t o m i c p h y s i c s f o r e x a m p l e . r e l y o n E C R i o n s o u r c e s ( E C R I S ) o p e r a t i n g a t e x t r e m e l y l o w p r e s s u r e s ( a b o u t 1 0 ' 7 T o r r ) , a n d g e n e r a t i n g m u l t i p l y c h a r g e d i o n s . H i g h e n e r g y i o n b e a m s a r e e x t r a c t e d f r o m t h e s e E C R I S f o r i n j e c t i o n i n t o p a r t i c l e a c c e l e r a t o r s . T h e e m p h a s i s f o r e n g i n e e r i n g p l a s m a s o u r c e s o n t h e o t h e r h a n d . i s o n t h e g e n e r a t i o n o f l o w e n e r g y , l o w c h a r g e s t a t e i o n s a n d r e a c t i v e r a d i c a l s p e c i e s . T h e s e p l a s m a / f r e e r a d i c a l s o u r c e s . o p e r a t e a t r e l a t i v e l y h i g h p r e s s u r e s ( a b o u t 1 m ’ l ‘ o r r ) a n d a r e u s e d f o r s u b s t r a t e p r o c e s s i n g . l i k e p l a s m a a s s i s t e d c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n , p l a s m a a s s i s t e d a n i s o t r o p i c e t c h i n g , h i g h T c s u p e r c o n d u c t i n g . fi l m d e p o s i t i o n . e t c . S u c h p r o c e s s e s r e q u i r e l o w e n e r g t i o n s s i n c e t h e s u b s t r a t e c o u l d b e d a m a g e d b y e n e r g e t i c i o n b o m b a r d m e n t . E C R I S t h e r e f o r e , m u s t b e d e s i g n e d t o p r o d u c e t h e r e q u i r e d p l a s m a s p e c i e s i n a w i d e r a n g e o f p a r a m e t e r s . T h i s d i s s e r t a t i o n e v a l u a t e s s e v e r a l d i f f e r e n t E C R i o n / p l a s m a s o u r c e s . T h e M P D R 6 1 0 - a c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e c o m p a c t , c o a x i a l p l a s m a / f r e e r a d i c a l s o u r c e i s c o m p r e h e n s i v e l y c h a r a c t e r i z e d i n t e r m s o f t h e p l a s m a o u t p u t ( i o n d e n s i t y , e l e c t r o n a n d i o n e n e r g i e s , e t c . ) a s t h e i n p u t v a r i a b l e s ( l i k e m i c r o w a v e p o w e r , f r e q u e n c y o f e x c i t a t i o n , d i s c h a r g e p r e s s u r e , g a s t y p e , e t c . ) a r e c h a n g e d . T h e i o n s o u r c e g e n e r a t e s h i g h i o n d e n s i t i e s ( 1 0 1 1 c m ‘ 3 ) a t s u b - m T o r r p r e s s u r e s , w i t h l o w i n p u t p o w e r l e v e l s ( l e s s t h a n 2 0 0 W ) . T h e d e s i g n . d e v e l o p m e n t a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f a 6 1 0 l i k e s o u r c e - t h e 6 1 0 - a i s t h e n d e s c r i b e d . T h i s s o u r c e w a s u s e f u l i n s t u d y i n g t h e e l e c t r i c fi e l d p a t t e r n s i n s i d e t h e c a v i t y s t r u c t u r e o f t h e M P D R 6 1 0 . T h e n o r m a l e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h a t t h e c a v i t y w a l l o f t h e 6 1 0 a r e a b o u t 3 0 t o 4 0 k V / m . T h e e x i s t e n c e o f T E M s t a n d i n g w a v e s i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e c a v i t y i s c o n fi r m e d . A n o t h e r s m a l l s o u r c e - t h e M P D R 5 i s a l s o c h a r a c t e r i z e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n . W h i l e d i f f e r e n t f r o m t h e 6 1 0 , t h i s s o u r c e t o o i s E C R b a s e d o p e r a t i n g a t 2 . 4 5 G H z w i t h p e r m a n e n t m a g n e t s , a n d a t u n a b l e r e s o n a n t c a v i t y s t r u c t u r e t h a t s e t s u p T E I 1 1 fi e l d p a t t e r n t o c o u p l e p o w e r i n t o t h e p l a s m a . T h e h i g h e n e r g y s e c t o r o f E C R I S i s s t u d i e d u s i n g t h e 6 . 4 G H z S u p e r c o n d u c t i n g E C R i o n s o u r c e ( S C E C R ) a t t h e N a t i o n a l S u p e r c o n d u c t i n g C y c l o t r o n L a b o r a t o r y . S e v e r a l m u t u a l e x p e r i m e n t s b e t w e e n t h e E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d t h e C y c l o t r o n E C R r e s e a r c h g r o u p s h a d b e e n i d e n t i fi e d , a n d t h e r e s u l t s a r e d i s c u s s e d i n V o l u m e T w o o f t h i s d i s s e r t a t i o n . T h e p e r f o r m a n c e o f I t h e S C E C R a t 2 . 4 5 G H z m i m i c s o t h e r h i g h f r e q u e n c y s o u r c e s , l i k e t h e 6 . 4 G H z R T E C R . T h i s u n i q u e m o d i fi c a t i o n o f t h e S C E C R h a s b e e n t h e b a s i s o f a n o n g o i n g p a t e n t p r o c e d u r e a t M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y . 1 C o p y r i g h t b y A S E E M K U M A R S R I V A S T A V A 1 9 9 5 h i m F o r m y p a r e n t s . M r s . H . K . S r i v a s t a v a a n d D r . P . B . L . S r i v a s t a v a , w i t h o u t w h o s e u n c e a s i n g g u i d a n c e a n d e x t r e m e s a c r i fi c e s t h i s d i s s e r t a t i o n c o u l d n e v e r . h a v e b e e n w r i t t e n . A C K N O W L E D G E M E N T S T h e o p p o r t u n i t y o f w o r k i n g o n c u t t i n g e d g e r e s e a r c h r a r e l y c o m e s b y o n e s w a y . I t w a s t h e r e f o r e a n a u s p i c i o u s d a y w h e n P r o f e s s o r J e s A s m u s s e n o f f e r e d m e a p o s i t i o n t o w o r k w i t h h i m . M y d e e p e s t a p p r e c i a t i o n s g o t o h i m f o r a l l t h e t i m e . e n e r g y a n d e f f o r t t h a t h e h a s s p e n t w i t h m e i n t h e l a b o r a t o r y , i n h i s I o f fi c e s , a t t h e v a r i o u s c o n f e r e n c e s , a n d a t h i s h o u s e . I h a v e l e a r n e d a l o t f r o m h i m , n o t j u s t a b o u t o u r w o r k , b u t t h r o u g h h o u r s o f d i s c u s s i o n s t h a t c o v e r e d a s p e c t r u m o f p o l i t i c a l , h i s t o r i c a l a n d p h i l o s o p h i c a l i d e o l o g i e s . M y a p p r e c i a t i o n s a l s o g o t o D r . T i m o t h y A . A n t a y a , f o r m e r l y o f t h e N a t i o n a l S u p e r c o n d u c t i n g C y c l o t r o n L a b o r a t o r y f o r p r o v i d i n g m e w i t h t h e o p p o r t u n i t y o f w o r k i n g w i t h h i m a n d t h e E C R g r o u p a t t h e c y c l o t r o n . H i s e f f o r t s t o w a r d s m y c o n t i n u e d e d u c a t i o n , i n P l a s m a p h y s i c s a n d o t h e r e x t r a - c u r r i c u l a r s u b j e c t s , a r e v e r y m u c h a p p r e c i a t e d . T h a n k s m u s t a l s o g o t o D r . D o n n i e K . R e i n h a r d a n d t o D r . T i m o t h y A . G r o t j o h n , b o t h o f t h e D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g f o r p r o v i d i n g v a l u a b l e i n p u t d u r i n g t h e c o u r s e o f t h e r e s e a r c h a n d a l s o d u r i n g t h e w r i t i n g o f t h i s d i s s e r t a t i o n . A l l h a v e b e e n a r i c h i n fl u e n c e a s m y d o c t o r a l c o m m i t t e e . T h e a t t a i n m e n t o f k n o w l e d g e g o e s w e l l b e y o n d a s e t o f e x p e r i m e n t s . o r a s e r i e s o f l e c t u r e s a n d e x a m i n a t i o n s . I n m y t r a d i t i o n , t h e t e a c h e r i s e s t e e m e d . b e y o n d a n y o n e e l s e i n t h e e n t i r e u n i v e r s e ( . . . G U R O O R S A A K S H A A T P A R A M B R A H M A - S a n s k r i t f o r “ . . . t h e t e a c h e r i s B r a h m a h i m s e l f . . . ” ) . A n d s o I s a l u t e a l l m y t e a c h e r s f r o m t h e d a y s o f S a i n t J o s e p h ' s A c a d e m y i n D e h r a D u n , T h e v i M o d e r n S c h o o l i n N e w D e l h i . t o t h e d o z e n s o f p r o f e s s o r s a t M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y w h o h e l p e d l a y t h e f o u n d a t i o n o f m y p r o f e s s i o n a l c a r e e r . I n t h a t c a p a c i t y . I a l s o a c k n o w l e d g e D r . J . H o p w o o d . D r . M . D a h i m e n e a n d M r . D . C o l e f o r t h e i r a c t i v e h e l p a n d s u p p o r t w i t h m y e x p e r i m e n t s w h e n I n e e d e d i t m o s t . L i f e e x t e n d s o f c o u r s e . b e y o n d t h e c l a s s r o o m s a n d l a b o r a t o r i e s . w h e r e s o c i e t y a n d e x p e r i e n c e d o n t h e g a r b o f t u t o r a n d t e a c h e r . A n d i n t h e s e e x t r a - c u r r i c u l a r m o m e n t s . o u r f r i e n d s i n fl u e n c e u s i n u n c o u n t a b l e w a y s . I h a v e b e e n b l e s s e d w i t h w o n d e r f u l f r i e n d s l i k e F l i g h t L i e u t e n a n t A l o k S h a r m a - m y b e s t f r i e n d i n I n d i a . a n d t h e b e s t p i l o t t h a t e v e r fl e w a M i r a g e 2 0 0 0 . M r . S a n j a y V a z i r a n i . n o w w a s t i n g h i s t i m e a w a y a t a c u s h y j o b i n C a l i f o r n i a . h a s a l w a y s b e e n t h e r e t o h e l p a n d a d v i c e . e v e n w h e n t h e l a t t e r w a s n o t s o l i c i t e d . D r . G . K i n g - t h e b e s t o f f r i e n d s . a n d c o l l e a g u e s . M y g o o d f r i e n d M r . K . M e d i n a - o n e o f t h e m o s t g r a c i o u s p e o p l e I k n o w , a n d t h e b e s t h o s t i n C h i c a g o . M r . J . R i c h a r d s - m y fi r s t f r i e n d i n E a s t L a n s i n g h a s b e e n t h r o u g h i t a l l f o r t h e l a s t n i n e y e a r s . A n d m y f r i e n d s M s . N . C h a t u r v e d i a n d M r . M . P e r r i n w h o m I g o t t o k n o w w e l l . F i n a l l y ; m y t e n n i s p a r t n e r s M r . J . E r o c a t o . M r . K . W e i s p f e n n i g a n d M r . M . L o r e i - t h e p a s t f e w y e a r s h a v e b e e n b e t t e r w i t h y o u a r o u n d t o b e a t u p o n t h e c o u r t s ! M s . M r i d v i k a - w o r d s a l o n e c a n n o t d e s c r i b e m y f r i e n d s h i p w i t h y o u . I n c l o s i n g o n c e a g a i n . I a c k n o w l e d g e m y f a m i l y . M y f a t h e r - t h e fi r s t P h D . o f t h e e x t e n d e d f a m i l y , w h o s e s t e l l a r e x a m p l e h a s i n s p i r e d m e t o a t t a i n t h i s g o a l . a n d o t h e r s . M y m o t h e r - t h e k i n d e s t a n d n i c e s t p e r s o n I k n o w . w h o h a s p r o f o u n d l y i n fl u e n c e d m y w a y . M y s i s t e r . D r . B h a v n a S r i v a s t a v a - h o p e y o u k n o w h o w g o o d a s i s t e r y o u a r e . a n d t h e b e s t d o c t o r . A n d A r n i t - m y b r o t h e r , h o w w e l l w e c o n n e c t . Y o u r i d e a l i s m i s e n r i c h i n g . e n l i g h t e n i n g a n d a s o u r c e o f i n s p i r a t i o n f o r u s a l l . v i i T A B L E O F C O N T E N T S P a g e N o . L i s t o f T a b l e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - x i i i L i s t o f F i g u r e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - x i v C h a p t e r 1 P r e l u d e t o a D i s s e r t a t i o n 1 . 1 I n t r o d u c t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 1 . 2 E C R P l a s m a S o u r c e s — a n I n t r o d u c t i o n t o P o w e r T r a n s f e r . . . . . . . . . . . . 5 1 . 2 . 1 “ P u r e ” E C R - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6 1 . 2 . 2 P o w e r t r a n s f e r t h r o u g h M e c h a n i s m s O t h e r t h a n E C R - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 0 l . 3 M i c r o w a v e E C R I o n S o u r c e s - a B l a c k B o x M o d e l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 3 1 . 4 O r g a n i z a t i o n a n d M o t i v a t i o n o f t h i s R e s e a r c h E f f o r t - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 6 C h a p t e r 2 C o m p a c t P l a s m a S o u r c e s - a B r i e f R e v i e w 2 . 1 I n t r o d u c t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 2 2 . 2 T h e R e v i e w P r o c e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 2 . 2 . 1 T h e K y o t o U n i v e r s i t y M i c r o w a v e E C R I o n B e a m S o u r c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 8 2 . 2 . 2 T h e H i t a c h i n o n - E C R M i c r o w a v e I o n S o u r c e - - - - - - - - - - - - - - - 3 6 2 . 2 . 3 C o m p a c t E C R S o u r c e o f I o n s a n d R a d i c a l s ‘ f r o m R u s s i a - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 9 2 . 2 . 4 T h e J a p a n e s e E C R R a d i c a l G u n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 3 2 . 2 . 5 T h e C o m p a c t E C R I o n S o u r c e f r o m R I K E N , J a p a n - - - - - - - - - - - 4 7 2 . 2 . 6 T h e N . C . S t a t e / A S T e X I n c . C o m p a c t E C R p l a s m a S o u r c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 0 2 . 2 . 7 T h e N . T . T . L S I L a b o r a t o r i e s C o m p a c t E C R I o n S o u r c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 4 2 . 2 . 8 T h e O x f o r d A p p l i e d R e s e a r c h A t o m / R a d i c a l B e a m S o u r c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6 3 2 . 2 . 9 A 2 . 4 5 G H z . C o m p a c t E C R I o n S o u r c e f r o m F r a n c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6 6 v i i i 2 . 2 . 1 0 M i c r o s c i e n c e . I n c . I o n B e a m S o u r c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 7 0 2 . 3 D i s c u s s i o n - I o n / I o n B e a m / P l a s m a S o u r c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6 2 . 4 D i s c u s s i o n - F i g u r e s o f M e r i t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 2 . 5 C o n c l u d i n g R e m a r k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 5 C h a p t e r 3 C h a r a c t e r i z a t i o n P r i n c i p l e s 3 . 1 I n t r o d u c t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8 8 3 . 2 T h e o r y o f L a n g m u i r P r o b e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9 0 3 . 2 . 1 A s s u m p t i o n s o f a S i m p l i fi e d P r o b e T h e o r y - - - - - - - - - - - - - - - - - 9 2 3 . 2 . 2 S i n g l e L a n g m u i r P r o b e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9 4 3 . 2 . 3 D o u b l e L a n g m u i r P r o b e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 0 2 3 . 2 . 4 L i m i t a t i o n s o f P r o b e A n a l y s i s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 0 8 3 . 2 . 5 D a t a A c q u i s i t i o n u s i n g L a n g m u i r P r o b e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 1 0 3 . 3 M u l t i - G r i d I o n E n e r g y A n a l y z e r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - L - - - - - - - - - - - - 1 2 1 3 . 3 . 1 T h e o r y o f t h e I o n E n e r g y A n a l y z e r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 2 2 3 . 3 . 2 D e s i g n o f t h e I o n E n e r g y A n a l y z e r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 2 4 3 . 3 . 3 L i m i t a t i o n s o f t h e I o n E n e r g y A n a l y z e r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 2 6 3 . 3 . 4 D a t a A c q u i s i t i o n u s i n g t h e I o n E n e r g y A n a l y z e r - - - - - - - - - - - - 1 2 9 3 . 4 E n e r g y D i s t r i b u t i o n s - P r o p o s a l f o r a N e w M e t h o d - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 3 4 3 . 5 M i c r o - c o a x i a l P r o b e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - : - - - - - - - - - - - - - - 1 3 6 3 . 5 . 1 T h e o r y a n d D e s i g n o f t h e M i c r o - c o a x i a l P r o b e s - - - - - - - - - - - - - - 1 3 7 3 . 5 . 2 S o u r c e s o f E r r o r w i t h t h e M i c r o - c o a x i a l P r o b e s . . . . . . . . . . . . . 1 4 1 3 . 6 I o n B e a m C h a r a c t e r i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2 3 . 6 . 1 C h a r g e S t a t e D i s t r i b u t i o n o f t h e I o n B e a m - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 4 3 3 . 6 . 2 E m i t t a n c e o f t h e I o n B e a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 4 3 . 6 . 3 E m i t t a n c e M e a s u r e m e n t T e c h n i q u e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 4 8 3 . 7 C o n c l u d i n g R e m a r k s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 5 2 C h a p t e r 4 E v a l u a t i o n : T h e M P D R 6 1 0 a t 2 . 4 5 G H z 4 . 1 I n t r o d u c t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 5 4 ' 4 . 2 D e s c r i p t i o n o f t h e P l a s m a S o u r c e - t h e M P D R 6 1 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 5 6 4 . 3 D e s c r i p t i o n o f t h e V a c u u m S y s t e m - t h e Y o r k t o w n T - - - - - - - - - - - - - - - - 1 6 3 4 . 4 D e s c r i p t i o n o f t h e M i c r o w a v e A p p a r a t u s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 7 0 4 . 5 D i s c h a r g e I g n i t i o n i n t h e 6 1 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 7 1 4 . 6 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 - A R G O N - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 7 6 4 . 6 . 1 A r g o n D e n s i t y A n a l y s i s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 7 7 4 . 6 . 2 A r g o n E l e c t r o n a n d I o n E n e r g y A n a l y s i s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 9 1 4 . 6 . 3 C o m p a r i s o n o f M e a s u r e d D a t a w i t h T h e o r e t i c a l P r e d i c t i o n s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 9 9 4 . 6 . 4 D i s c u s s i o n o f T h e o r e t i c a l a n d M e a s u r e d D a t a - - - - - - - - - - - - - - 2 0 5 4 . 7 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 - N I T R O G E N - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 0 7 4 . 7 . 1 N i t r o g e n E l e c t r o n E n e r g y A n a l y s i s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 0 8 4 . 7 . 2 N i t r o g e n I o n E n e r g y A n a l y s i s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 1 2 4 . 7 . 3 A S u m m a r y o f t h e A n o m a l i e s o f a N i t r o g e n D i s c h a r g e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 2 2 4 . 8 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 - H E L I U M - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 2 3 4 . 9 C o n c l u d i n g R e m a r k s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 2 5 C h a p t e r 5 E v a l u a t i o n : T h e M P D R 6 1 0 a t 9 1 5 M H z v e r s u s 2 . 4 5 G h z 5 . 1 I n t r o d u c t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 2 9 5 . 2 E x p e r i m e n t a l D e s c r i p t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 3 3 5 . 3 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e : T e m p e r a t u r e a n d D e n s i t y C o m p a r i s o n s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 3 5 5 . 4 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e : I o n E n e r g r C o m p a r i s o n s - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 4 9 5 . 5 C o n c l u d i n g R e m a r k s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 5 7 E r r a t a C h a p t e r 6 E v a l u a t i o n : 6 1 0 - a a n d t h e E l e c t r i c F i e l d s o f t h e M P D R 6 1 0 6 . 1 I n t r o d u c t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 6 2 6 . 2 D e s c r i p t i o n o f E x p e r i m e n t a l C o n fi g u r a t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 6 5 6 . 2 . 1 D e s c r i p t i o n o f t h e v 6 1 0 - a - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 6 6 6 . 2 . 2 D e s c r i p t i o n o f t h e M i c r o - c o a x i a l P r o b e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 7 9 6 . 3 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - P l a s m a L o a d e d M e a s u r e m e n t s - - - - - - - - - - - - 2 8 l 6 . 4 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - E m p t y C a v i t y M e a s u r e m e n t s - - - - - - - - - - - - - 2 9 0 6 . 5 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - W a l l L o s s e s . P l a s m a L o a d e d Q a n d C o u p l i n g E f fi c i e n c y E s t i m a t e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 9 6 6 . 6 S u m m a r y o f R e s u l t s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 0 1 6 . 7 C o n c l u d i n g R e m a r k s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 0 5 E r r a t a C h a p t e r 7 E v a l u a t i o n : T h e M P D R 5 - a M u l t i p o l a r E C R P l a s m a S o u r c e 7 . 1 I n t r o d u c t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - , - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 0 7 7 . 2 D e s c r i p t i o n o f t h e S o u r c e - t h e M P D R 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 0 9 - 7 . 2 . 1 S o u r c e D e s i g n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 1 0 7 . 2 . 2 M i c r o w a v e C a v i t y D e s i g n C o n s i d e r a t i o n s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 1 5 7 . 3 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e M P D R 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 1 7 7 . 3 . 1 P r e v i o u s C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e M P D R 5 - a S y n o p s i s - - - - - - - 3 1 7 7 . 3 . 2 F u r t h e r C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e M P D R 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 2 7 7 . 4 C o n c l u d i n g R e m a r k s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 3 4 1 1 0 0 . . 1 2 I T n h t e r o o r d e u t c i t c i a o l n B . a . c . k . g . r . . o . u . n . d . . o . f . E . C . R . . I . S . . . D e . s . i . g . n . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - 4 4 4 4 2 4 C h a p t e r 8 A p p l i c a t i o n : T h e 6 1 0 a s a n I n j e c t o r t o t h e S C E C R 8 . 1 I n t r o d u c t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 3 7 8 . 2 M u l t i p l y C h a r g e d E C R I S - a B r i e f I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 . 0 8 . 3 M u l t i p l y C h a r g e d E C R I S - a B l a c k B o x M o d e l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 4 5 8 . 4 T h e S u p e r c o n d u c t i n g E C R I o n S o u r c e ( S C E C R ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 9 8 . 5 E x p e r i m e n t a l H a r d w a r e D e s c r i p t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 3 8 . 6 O p e r a t i o n o f t h e H y b r i d S o u r c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 6 2 8 . 7 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - 6 1 0 o n , S C E C R o f f - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 6 4 8 . 8 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - 6 1 0 o n . S C E C R o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 2 8 . 9 S u m m a r y o f R e s u l t s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 8 0 8 . 1 0 C o n c l u d i n g R e m a r k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 2 C h a p t e r 9 E v a l u a t i o n : B e a m E x t r a c t i o n f r o m t h e M P D R 6 1 0 9 . 1 I n t r o d u c t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 8 3 9 . 2 I o n b e a m s - a B r i e f I n t r o d u c t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 8 5 9 . 2 . 1 S p a c e C h a r g e E f f e c t s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 8 8 9 . 3 B e a m E x t r a c t i o n f r o m t h e M P D R 6 1 0 - I n i t i a l T r i a l s - - - - - - - - - - - - - - - , - 3 8 9 9 . 4 F u r t h e r B e a m D e v e l o p m e n t - t h e M P D R 6 1 0 o n t h e B e a m L i n e o f t h e S C E C R - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 9 2 9 . 5 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e T w o E l e c t r o d e E x t r a c t i o n A p p a r a t u s o n t h e M P D R 6 1 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 9 6 9 . 5 . 1 E m i t t a n c e M e a s u r e m e n t s f o r t h e T w o E l e c t r o d e S y s t e m - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 0 0 9 . 5 . 2 B e a m C u r r e n t M e a s u r e m e n t s f o r t h e T w o E l e c t r o d e S y s t e m - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 0 3 9 . 5 . 3 P h o t o g r a p h i c C o n fi r m a t i o n o f t h e “ M e n i s c u s E f f e c t ” - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 0 6 9 . 5 . 4 D i s c u s s i o n o f t h e M e n i s c u s E f f e c t - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 1 5 9 . 6 F u r t h e r B e a m D e v e l o p m e n t - t h e P i e r c e ' I y p e “ A c c e l - D e c e l ” ‘ E x t r a c t i o n S y s t e m f o r t h e M P D R 6 1 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 1 9 9 . 6 . 1 T h e T e s t S t a n d - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 2 0 9 . 6 . 2 T h e N e w E x t r a c t i o n S y s t e m - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 2 3 9 . 7 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e I m p r o v e d T h r e e E l e c t r o d e E x t r a c t i o n S y s t e m - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 3 2 9 . 8 C o n c l u d i n g R e m a r k s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 3 6 C h a p t e r 1 0 E v a l u a t i o n : T h e 2 . 4 5 G H z E x c i t a t i o n o f t h e S C E C R x i 1 0 . 2 . 1 T h e F r e q u e n c y S q u a r e d S c a l i n g L a w - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 4 5 1 0 . 2 . 2 T h e S C E C R . a n d i t s “ H i g h - B ” M o d e o f O p e r a t i o n - - - - - - - - - - - 4 4 8 1 0 . 3 T h e 2 . 4 5 G I - I z O p e r a t i o n o f t h e S C E C R - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 5 2 1 0 . 3 . 1 E x p e r i m e n t a l H a r d w a r e D e s c r i p t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 5 3 1 0 . 4 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R a t 2 . 4 5 G H z - - - - - - - - - - - - - - - 4 5 9 1 0 . 4 . 1 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - O X Y G E N - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 6 2 1 0 . 4 . 2 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - A R G O N - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 6 8 1 0 . 5 D i s c u s s i o n o f R e s u l t s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 7 2 1 0 . 5 . 1 P r o b l e m s w i t h C o n v e n t i o n a l E C R I S f o r M u l t i p l y C h a r g e d I o n s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 7 7 1 0 . 5 . 2 B e n e fi t s o f t h i s “ N e w S o u r c e ” - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 7 8 1 0 . 6 C o n c l u d i n g r e m a r k s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 8 1 C h a p t e r 1 l E p i l o g u e t o a d i s s e r t a t i o n 1 1 . 1 I n t r o d u c t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 8 5 1 1 . 2 R e v i e w o f t h e S u b — s t u d i e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 8 6 1 1 . 3 P r o p o s a l s f o r F u t u r e R e s e a r c h - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 0 1 A P P E N D I X R e f e r e n c e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 0 6 x i i L I S T O F T A B L E S P a g e N o . C h a p t e r 2 T a b l e l : A c o m p a r i s o n o f c o m p a c t i o n / p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e s - - - - - - - - 7 7 C h a p t e r 4 T a b l e 1 : C o m p a r i s o n o f t h e o r y a n d m e a s u r e d d a t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 6 C h a p t e r 8 T a b l e 1 : P a r t i c l e c u r r e n t s o f o x y g e n c h a r g e s t a t e s i n t h e h y b r i d s o u r c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 7 5 C h a p t e r 9 T a b l e 1 : V a r i a t i o n o f d r a i n c u r r e n t v e r s u s a p p l i e d b i a s o n t h e M P D R 6 1 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 0 4 C h a p t e r 1 0 T a b l e l : H i g h - B m a g n e t c u r r e n t s c a l i n g f o r t h e 2 . 4 5 G H z o p e r a t i o n o f t h e S C E C R - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 6 0 T a b l e 2 : T u n i n g e f f e c t s o n o x y g e n p r o d u c t i o n f r o m t h e 2 . 4 5 G H z S C E C R - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 6 5 T a b l e 3 : T u n i n g e f f e c t s o n a r g o n p r o d u c t i o n f r o m t h e 2 . 4 5 G H z S C E C R - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 7 0 x i i i L I S T O F F I G U R E S P a g e N o . C h a p t e r 2 F i g . 2 . l K y o t o U n i v e r s i t y M i c r o w a v e E C R I o n B e a m S o u r c e - - - - - - - - - - - - - 2 9 F i g . 2 . 2 H i t a c h i N o n E C R M i c r o w a v e I o n S o u r c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 7 F i g . 2 . 3 C o m p a c t E C R S o u r c e o f I o n s / R a d i c a l s f r o m R u s s i a - ' - - - - - - - - - - - - 4 0 F i g . 2 . 4 J a p a n e s e R a d i c a l G u n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 4 F i g . 2 . 5 C o m p a c t I o n S o u r c e f r o m R I K E N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 F i g . 2 . 6 N . C . S t a t e / A S T e X C o m p a c t E C R P l a s m a S o u r c e - - - - - - - - - - - - - - - - 5 1 F i g . 2 . 7 N I T L S I L a b o r a t o r i e s C o m p a c t E C R I o n S o u r c e - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 5 F i g . 2 . 8 N ' I T L S I L a b o r a t o r i e s C o m p a c t E C R I o n S o u r c e w i t h P e r m a n e n t M a g n e t s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 6 F i g . 2 . 9 O x f o r d A p p l i e d R e s e a r c h A t o m / R a d i c a l B e a m S o u r c e - - - - - - - - - - - - 6 4 F i g . 2 . 1 0 C o m p a c t E C R I o n B e a m S o u r c e f r o m F r a n c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6 7 F i g . 2 . 1 1 M i c r o s c i e n c e . I n c . C o m p a c t E C R I o n B e a m S o u r c e - - - ' - - - - - - - - - - 7 1 C h a p t e r 3 F i g . 3 . 1 A n I - V c h a r a c t e r i s t i c s o f a S i n g l e L a n g m u i r P r o b e - - - - - - - - - - - - - - - 9 6 F i g . 3 . 2 T h e S i n g l e L a n g m u i r P r o b e c i r c u i t - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9 9 F i g . 3 . 3 A t y p i c a l E E D F o f t h e M P D R 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 0 1 F i g . 3 . 4 ( a ) A D C i s o l a t e d D o u b l e L a n g m u i r P r o b e c i r c u i t - - - - - - - - - - - - - - - - 1 0 3 F i g . 3 . 4 ( b ) R e c e s s e d L a n g m u i r P r o b e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 0 3 x i v F i g . 3 . 5 ( a ) P o t e n t i a l d r o p s a c r o s s t h e D o u b l e L a n g m u i r P r o b e s - - - - - - - - - - - 1 0 5 F i g . 3 . 5 ( b ) A n I - V c h a r a c t e r i s t i c s o f a D o u b l e L a n g m u i r P r o b e . . . . . . . . . . . 1 0 5 F i g . 3 . 6 D o u b l e L a n g m u i r P r o b e d a t a a c q u i s i t i o n c i r c u i t r y . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3 F i g . 3 . 7 A f u l l y a u t o m a t e d G P I B c o n t r o l l e d s i n g l e L a n g m u i r p r o b e c i r c u i t - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 1 7 F i g 3 . 8 T h e i o n e n e r g y a n a l y z e r w i t h t h r e e g r i d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 7 F i g . 3 . 9 ( a ) T h e p o t e n t i a l d r o p s f o r a t h r e e g r i d I E A - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 2 8 F i g . 3 . 9 ( b ) T h e p o t e n t i a l d r o p s f o r t h e I E A w i t h a f o u r t h g r i d - - - - - - - - - - - - - 1 2 8 F i g . 3 . 1 0 I o n e n e r g y a n a l y z e r m e a s u r e m e n t c i r c u i t r y - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 3 1 F i g . 3 . 1 1 F u l l y a u t o m a t e d G P I B c o n t r o l l e d I E D F m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e . . . . . . . . . . . . ‘ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 2 F i g . 3 . 1 2 T y p i c a l I E D F s f o r t h e M P D R 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 3 3 F i g . 3 . 1 3 D e s i g n o f t h e t w o m i c r o - c o a x i a l p r o b e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 9 F i g . 3 . 1 4 C h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n m e a s u r e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 5 F i g . 3 . 1 5 A t y p i c a l c h a r g e s t a t e . d i s t r i b u t i o n o f t h e S C E C R a t t h e N S C L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 6 F i g . 3 . 1 6 T h e d y n a m i c e m i t t a n c e m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e - - - - - - - - - - - - - - - 1 5 0 F i g . 3 . 1 7 T y p i c a l e m i t t a n c e d i a g r a m o f t h e S C E C R + 6 1 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 5 1 C h a p t e r 4 F i g . 4 . 1 M P D R 6 1 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 5 8 F i g . 4 . 2 ( a ) T h e m a g n e t d e s i g n o f t h e M P D R 6 1 0 ( o r i g i n a l ) - - - - - - - - - - - - - - - - 1 6 0 F i g . 4 . 2 ( b ) O t h e r m a g n e t a n d q u a r t z d e s i g n s t h a t w e r e a l s o t e s t e d - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 6 0 F i g . 4 . 3 D e s c r i p t i o n o f t h e “ Y o r k t o w n " I " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F i g . 4 . 4 T o p v i e w o f t h e v a c u u m c h a m b e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 5 F i g . 4 . 5 ( a ) G a s f l o w s y s t e m f o r t h e Y o r k t o w n T v a c u u m s t a t i o n - - - - - - - - - - - 1 6 8 X V F i g . 4 . 5 ( b ) M i c r o w a v e a p p a r a t u s f o r t h e i o n s o u r c e c h a r a c t e r i z a t i o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 6 8 F i g . 4 . 6 S l i d i n g s h o r t a n d c e n t e r c o n d u c t o r a s s e m b l y ( a r g o n p l a s m a ) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 7 4 F i g . 4 . 7 T r a n s i e n t a n a l y s i s o f a n a r g o n d i s c h a r g e i n t h e 6 1 0 - - - - - - - - - - - - - 1 7 8 F i g . 4 . 8 A r g o n i o n d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 7 9 F i g . 4 . 9 I o n d e n s i t y d e p e n d e n c e f o r a r g o n a n d o x y g e n p r e s s u r e - - - - - - - - - - 1 8 2 F i g . 4 . 1 0 E l e c t r o n t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 8 4 F i g . 4 . l 1 I o n s a t u r a t i o n c u r r e n t v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e - - - - - - - - - - - - - - - - 1 8 7 F i g . 4 . 1 2 I o n s a t u r a t i o n c u r r e n t v a r i a t i o n w i t h r a d i a l p o s i t i o n . . . . . . . . . . . 1 8 8 ‘ F i g . 4 . 1 3 I o n s a t u r a t i o n c u r r e n t v a r i a t i o n w i t h p o s i t i o n d o w n s t r e a m - - - - - - - - - - - - - - - - . . - - . - - - ¢ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 9 F i g . 4 . 1 4 I o n s a t u r a t i o n c u r r e n t v a r i a t i o n w i t h p o s i t i o n d o w n s t r e a m f o r f o u r d i f f e r e n t d i s c h a r g e g a s e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 0 F i g . 4 . 1 5 A t y p i c a l E E D F f o r a n a r g o n d i s c h a r g e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 9 2 F i g . 4 . 1 6 A r g o n p l a s m a p o t e n t i a l v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e - - - - - - - - - - - - - - - 1 9 4 F i g . 4 . 1 7 A r g o n I E D F v a r i a t i o n w i t h p o w e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 6 F i g . 4 . l 8 A r g o n I E D F v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 9 8 F i g . 4 . 1 9 A t y p i c a l E E D F f o r a n i t r o g e n d i s c h a r g e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 0 9 F i g . 4 . 2 0 N i t r o g e n e l e c t r o n e n e r g y a n d p l a s m a p o t e n t i a l v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 1 0 F i g . 4 . 2 1 ( N i t r o g e n e l e c t r o n e n e r g y a n d p l a s m a p o t e n t i a l v a r i a t i o n w i t h i n p u t p o w e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 1 F i g . 4 . 2 2 N i t r o g e n e l e c t r o n e n e r g a n d p l a s m a p o t e n t i a l v a r i a t i o n w i t h p o s i t i o n d o w n s t r e a m - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 1 3 F i g . 4 . 2 3 N i t r o g e n i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n v a r i a t i o n w i t h i n p u t p o w e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 4 F i g . 4 . 2 4 N i t r o g e n a v e r a g e i o n e n e r g y v a r i a t i o n w i t h i n p u t p o w e r - - - - - - - - - 2 1 5 F i g . 4 . 2 5 N i t r o g e n i o n e n e r g r d i s t r i b u t i o n v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e - - - - - - - - 2 1 7 x v i F i g F i g F i g F i g . F i g . F i g . F i g . F i g . F i g . F i g . F i g . F i g . F i g . F i g . F i g F i g F i g . 4 . 2 6 N i t r o g e n a v e r a g e i o n e n e r g y v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e - - - - - - - - - - - - 2 1 8 . 4 . 2 7 N i t r o g e n i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n v a r i a t i o n w i t h d o w n s t r e a m d i s t a n c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 1 9 . 4 . 2 8 N i t r o g e n a v e r a g e i o n e n e r g y v a r i a t i o n w i t h d o w n s t r e a m d i s t a n c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ' 2 2 1 4 . 2 9 H e l i u m i o n d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h i n p u t p o w e r - - - - - - - - - - - - - - - - 2 2 4 4 . 3 0 H e l i u m i o n d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 2 6 ' C h a p t e r 5 5 . 1 E l e c t r o n t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n f o r t h e t w o f r e q u e n c i e s - - - - - - - - - - - 2 3 6 5 . 2 I o n d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e f o r t h e t w o f r e q u e n c i e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 4 0 5 . 3 S a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e f o r t h e t w o f r e q u e n c i e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 4 1 5 . 4 I o n d e n s i t y a n d s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h i n p u t p o w e r f o r t h e t w o f r e q u e n c i e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 4 3 5 . 5 I o n d e n s i t y a n d s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h d i s t a n c e d o w n s t r e a m f o r t h e t w o f r e q u e n c i e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 4 4 5 . 6 I o n d e n s i t y a n d c u r r e n t d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h r a d i a l p o s i t i o n a t t h e t w o f r e q u e n c i e s 3 c m d o w n s t r e a m - - - - - - - - - - - - - - 2 4 5 5 . 7 I o n d e n s i t y a n d c u r r e n t d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h r a d i a l p o s i t i o n a t ‘ t h e t w o f r e q u e n c i e s 5 c m d o w n s t r e a m - - - - - - - - - - - - - - 2 4 7 5 . 8 I o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n v a r i a t i o n w i t h i n p u t p o w e r a t 9 1 5 M H z - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 5 0 5 . 9 I o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n v a r i a t i o n w i t h i n p u t p o w e r a t 2 . 4 5 G H z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 1 . 5 . 1 0 A v e r a g e i o n e n e r g y v a r i a t i o n w i t h i n p u t p o w e r f o r t h e t w o f r e q u e n c i e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 5 2 . 5 . 1 1 I o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n v a r i a t i o n w i t h d i s c h a r g e p r e s s u r e a t 2 . 4 5 G H z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 4 . 5 . 1 2 I o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n v a r i a t i o n w i t h d i s c h a r g e p r e s s u r e a t 9 1 5 M H z - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 5 5 x v i i F i g . 5 . 1 3 A v e r a g e i o n e n e r g ' v a r i a t i o n w i t h d i s c h a r g e p r e s s u r e f o r t h e t w o fi ' e q u e n c i e s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 5 6 C h a p t e r 6 F i g 6 . 1 C r o s s s e c t i o n o f t h e . M P D R 6 1 0 - a ( n o t t o s c a l e ) - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 6 7 F i g . 6 . 2 O u t e r w a l l o f t h e 6 1 0 - a - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 6 8 F i g . 6 . 3 ( a ) Q u a r t z p l a s m a c h a m b e r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 6 9 F i g . 6 . 3 ( b ) Q u a r t z c h i m n e y o f t h e 6 1 0 - a - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 7 0 F i g . 6 . 4 B a s e p l a t e f o r t h e 6 1 0 - a - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 7 1 F i g . 6 . 5 M a g n e t s f o r t h e 6 1 0 - a - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 7 3 F i g . 6 . 6 ( a ) a n d ( b ) T h e t w o m a g n e t h o l d e r s e c t i o n s f o r t h e 6 1 0 - a - - - - - - - - - 2 7 5 F i g . 6 . 6 ( c ) T h e a s s e m b l e d m a g n e t h o l d e r f o r t h e 6 1 0 - a - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 7 6 F i g . 6 . 7 T h e M P D R 6 1 0 a n d 6 1 0 - a o n t h e v a c u u m c h a m b e r - - - - - - - - - - - - - 2 7 8 F i g . 6 . 8 T y p i c a l m e a s u r e d r a d i a l e l e c t r i c fi e l d c u r v e v e r s u s l e n g t h o f t h e 6 1 0 - a - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 8 3 F i g . 6 . 9 E l e c t r i c fi e l d v e r s u s c a v i t y l e n g t h s h o w i n g a r g o n p r e s s u r e d e p e n d e n c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 8 6 F i g . 6 . 1 0 E l e c t r i c fi e l d v e r s u s c a v i t y l e n g t h s h o w i n g a r g o n p o w e r d e p e n d e n c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 8 8 F i g . 6 . 1 1 E l e c t r i c fi e l d v e r s u s c a v i t y l e n g t h s h o w i n g n i t r o g e n p r e s s u r e d e p e n d e n c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 8 9 F i g . 6 . 1 2 E m p t y c a v i t y m e a s u r e m e n t s o n t h e 6 1 0 - a - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 9 3 F i g . 6 . l 3 T o p o l o g o f t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e 6 1 0 - a - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 9 5 F i g . 6 . 1 4 E q u i v a l e n t c i r c u i t f o r t h e E C R m i c r o w a v e p l a s m a s o u r c e - - - - - - - 3 0 2 C h a p t e r 7 F i g . 7 . 1 T h e M P D R 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 1 1 F i g . 7 . 2 T h e M P D R 5 m o u n t e d o n t h e v a c u u m c h a m b e r - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 1 2 x v i i i F i g . 7 . 3 T h e o c t a p o l a r m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n f o r t h e M P D R 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 1 4 F i g . 7 . 4 V a r i a t i o n s i n p l a s m a d e n s i t y w i t h d o w n s t r e a m d i s t a n c e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 2 0 F i g . 7 . 5 R a d i a l d i s t r i b u t i o n o f p l a s m a d e n s i t y a t d i f f e r e n t d o w n s t r e a m p o s i t i o n s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 2 1 F i g . 7 . 6 R a d i a l d i s t r i b u t i o n o f p l a s m a d e n s i t y a t d i f f e r e n t d i s c h a r g e c o n d i t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 2 F i g . 7 . 7 T y p i c a l E E D F f o r t h e M P D R 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 2 4 F i g . 7 . 8 R a d i a l a n d d o w n s t r e a m v a r i a t i o n o f p l a s m a p o t e n t i a l - - - - - - - - - - - 3 2 5 F i g . 7 . 9 E l e c t r i c fi e l d p a t t e r n m e a s u r e m e n t s f o r t h e M P D R 5 - - - - - - - - - - - - 3 2 9 F i g . 7 . 1 0 V e r t i c a l v a r i a t i o n o f t h e e l e c t r i c fi e l d s i n t h e M P D R 5 - - - - - - - - - - - 3 3 0 F i g . 7 . 1 1 I E D F v a r i a t i o n w i t h p o w e r f o r t h e M P D R 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 3 1 F i g . 7 . 1 2 I E D F v a r i a t i o n w i t h d i s c h a r g e p r e s s u r e - - - - - - - - - - - - ' - - - - - - - - - - - 3 3 3 C h a p t e r 8 F i g . 8 . 1 S c h e m a t i c o f a t y p i c a l E C R I S f o r m u l t i p l y c h a r g e d i o n s - - - - - - - - - - 3 4 6 F i g . 8 . 2 S c h e m a t i c o f t h e S C E C R - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 5 0 F i g . 8 . 3 S c h e m a t i c o f t h e S C E C R + 6 1 0 “ H y b r i d S o u r c e ” - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 5 5 F i g . 8 . 4 S c h e m a t i c o f t h e q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r . - ' - - - - - - - - ' - - - - - - - - - - 3 5 6 F i g . 8 . 5 T h e h i g h v o l t a g e i s o l a t i o n j o i n t o n t h e w a v e g u i d e b i d i r e c t i o n a l c o u p l e r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 6 0 ' F i g . 8 . 6 C S D o f 6 1 0 o n . S C E C R o f f - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 6 5 F i g . 8 . 7 D e t a i l s o f t h e C S D i n F i g u r e 8 . 6 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 6 7 F i g . 8 . 8 E m i t t a n c e p l o t o f t h e 6 1 0 ( S C E C R o f f ) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 6 9 F i g . 8 . 9 E m i t t a n c e p l o t o f t h e 6 1 0 ( S C E C R o f f ) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 7 0 F i g . 8 . 1 0 A r 1 + c u r r e n t v e r s u s p r e s s u r e i n t h e i n j e c t i o n s t a g e - - - - - - - - - - - - - 3 7 1 x i x F i g . 8 . 1 1 C u r r e n t v e r s u s c h a r g e s t a t e s ( 6 1 0 o n . S C E C R o n ) f o r v a r i o u s 6 1 0 b i a s e s w i t h r e s p e c t t o t h e S C E C R - - - - - - - - - - - - - - - - 3 7 6 F i g . 8 . 1 2 C S D . 6 1 0 o n . S C E C R o n , + 1 k V r e l a t i v e b i a s o n 6 1 0 - - - - - - - - - - - 3 7 7 F i g . 8 . 1 3 C S D . 6 1 0 o n , S C E C R o n , 0 r e l a t i v e b i a s o n 6 1 0 - - - - - - - - - - - - - - 3 7 8 F i g . 8 . 1 4 C S D . 6 1 0 o n . S C E C R o n , - 1 k V r e l a t i v e b i a s o n 6 1 0 - - - - - - - - - 3 7 9 C h a p t e r 9 F i g . 9 . 1 I n i t i a l b e a m e x t r a c t i o n f r o m t h e 6 1 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 9 3 F i g . 9 . 2 P A N D I R A s i m u l a t i o n s f o r e l e c t r i c fi e l d s o n t h e 6 1 0 - - - - - - - - - - - - - 3 9 5 F i g . 9 . 3 C S D o f t h e M P D R 6 1 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 9 9 F i g . 9 . 4 T y p i c a l e m i t t a n c e d i a g r a m o f t h e 6 1 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 0 2 F i g . 9 . 5 V a r i a t i o n o f b e a m c u r r e n t w i t h e x t r a c t i o n b i a s - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 0 5 F i g 9 . 6 ( a ) t h r o u g h ( I ) B i a s e s o n t h e 6 1 0 - f r o m 0 k V t o 1 0 k V - - - - - - - - - - - 4 0 7 F i g . 9 . 7 T h e t e s t s t a n d f o r a u t o n o m o u s b e a m c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e 6 1 0 - - - - - - - - - - - j - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 2 1 F i g . 9 . 8 ( a ) C o m p o s i t e o f t h e t h r e e g r i d a c c e l - d e c e l e x t r a c t i o n s y s t e m - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 2 7 F i g . 9 . 8 ( b ) a n d ( c ) S i d e v i e w o f t h e t w o t y p e s o f p l a s m a e l e c t r o d e s - - - - - - - 4 2 8 F i g . 9 . 8 ( d ) T o p v i e w o f t h e p l a s m a e l e c t r o d e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 2 8 F I g . 9 . 8 ( e ) S i d e v i e w o f t h e a c c e l e r a t i o n e l e c t r o d e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 2 9 F i g . 9 . 8 ( f ) D e c e l e r a t i n g e l e c t r o d e ( n o r m a l l y g r o u n d e d - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 3 0 F i g . 9 . 8 ( g ) T h e M a y c o r r i n g t h a t i s o l a t e s t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e f r o m t h e d e c e l e r a t i n g e l e c t r o d e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 3 0 F i g . 9 . 9 ( a ) P l a s m a e l e c t r o d e a t 6 k V . - a c c e l - d e c e l e l e c t r o d e s g r o u n d e d - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 3 4 F i g . 9 . 9 ( b ) P l a s m a e l e c t r o d e a t 3 k V . a c c e l e l e c t r o d e a t - 3 k V . d e c e l e l e c t r o d e g r o u n d e d - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 3 4 F i g . 9 . 1 0 3 e l e c t r o d e s y s t e m a t 1 0 . 0 k V . 0 . 8 4 c m s e p a r a t i o n - - - - - - - - - - - - 4 3 7 X X F i g . 9 . 1 0 ( b ) 2 e l e c t r o d e s y s t e m . 1 0 . 0 k V . 0 . 8 4 c m s e p a r a t i o n - - - - - - - - - - - - 4 3 7 F i g . F i g . F i g . F i g . . F i g . F i g . F i g . F i g . F i g . F i g . C h a p t e r 1 0 1 0 . 1 T h e m o d i fi e d fi r s t s t a g e o f t h e S C E C R f o r 2 . 4 5 G H z o p e r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 5 1 0 . 2 F r o n t v i e w ( t o p ) a n d s i d e v i e w ( b o t t o m ) o f t h e 2 . 4 5 G H z q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 5 7 1 0 . 3 C o m p a r i s o n o f t h e “ n o r m a l ” m a g n e t i c fi e l d ( t o p ) a n d t h e “ H i g h - B ” fi e l d ( b o t t o m ) a t 2 . 4 5 G H z f o r t h e S C E C R - - - - - - - - - - - - - - 4 6 1 1 0 . 4 T h e fi r s t O x y g e n C S D f r o m t h e 2 . 4 5 G H z S C E C R - - - - - - - - - - - - - - - 4 6 4 1 0 . 5 T h e fi n a l o x y g e n / h e l i u m C S D f r o m t h e 2 . 4 5 G H z S C E C R - - - - - - - 4 6 7 1 0 . 6 T h e fi r s t a r g o n / o x y g e n C S D f r o m t h e 2 . 4 5 G H z S C E C R - - - - - - - - 4 6 9 1 0 . 7 T h e fi n a l a r g o n / o x y g e n C S D f r o m t h e 2 . 4 5 G H z S C E C R - - - - - - - - 4 7 1 1 0 . 8 C o m p a r i s o n o f c u r r e n t p r o d u c t i o n ( i n e u A ) o f fi v e . E C R I S - a r g o n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 7 3 1 0 . 9 C o m p a r i s o n o f c u r r e n t p r o d u c t i o n ( i n e u A ) o f fi v e E C R I S - o x y g e n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 7 4 1 0 . 1 0 C o m p a r i s o n o f t h e O R N L s o u r c e a t 2 . 4 5 G H z a n d 6 . 4 G H z w i t h t h e S C E C R a t 2 . 4 5 G H z - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 7 6 x x i C h a p t e r 1 P r o l g g g g t o a D i u e g t i g n 1 . 1 I n t r o d u c t i o n 1 . 2 E C R - a n I n t r o d u c t i o n t o P o w e r T r a n s f e r 1 . 2 . 1 “ P u r e ” E C R 1 . 2 . 2 P o w e r T r a n s f e r T h r o u g h M e c h a n i s m s O t h e r t h a n E C R 1 . 3 M i c r o w a v e E C R I o n S o u r c e s - a B l a c k B o x M o d e l 1 . 4 O r g a n i z a t i o n a n d M o t i v a t i o n o f t h i s R e s e a r c h E f f o r t C / i a p t e r 1 T r o l o g u e t o a fl u s e r t a t i o n l . 1 I n t r o d u c t i o n T h e w o r d “ p l a s m a “ i s d e r i v e d f r o m t h e G r e e k l a n g u a g e f o r “ s o m e t h i n g m o l d e d . ” I t w a s fi r s t a p p l i e d b y T o n k s a n d L a n g m u i r i n 1 9 2 9 t o t h e i n n e r r e g i o n . a w a y f r o m t h e b o u n d a r i e s . o f a g l o w i n g i o n i z e d g a s p r o d u c e d b y a n e l e c t r i c a l d i s c h a r g e i n a t u b e [ B i t - 8 6 . N i c - 8 3 ] . T h e t e r m i s n o w u s e d t o d e s c r i b e a n y c o n c e n t r a t i o n o f c h a r g e d a n d n e u t r a l p a r t i c l e s t h a t h a s a z e r o n e t s p a c e c h a r g e a n d i s i n t e r n a l l y fi e l d f r e e . a n d w h e r e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n e a c h c h a r g e d s p e c i e s a r e g o v e r n e d b y l o n g r a n g e C o u l o m b f o r c e s ( B i t — 8 6 ] . F o r p r a c t i c a l p u r p o s e s . a p l a s m a m a y i n f a c t b e t r e a t e d a s a c o n d u c t o r b e c a u s e o f i t s l a r g e p o p u l a t i o n o f e n e r g e t i c c h a r g e d p a r t i c l e s ( b o t h n e g a t i v e a n d p o s i t i v e ) , w i t h i t s c o n d u c t i v i t y I b e i n g d e fi n e d b y t h e c h a r g e d e n s i t y a n d e l e c t r o n m o b i l i t y . I f e n o u g h e n e r g y i s i m p a r t e d t o a s o l i d . i t s i n t e r n a l k i n e t i c e n e r g y i n c r e a s e s t o t h e p o i n t w h e r e i t s b i n d i n g p o t e n t i a l i s o v e r c o m e , c o n v e r t i n g t h e s o l i d t o a l i q u i d . T h e s o l i d i s t h e n s a i d t o h a v e u n d e r g o n e a p h a s e t r a n s i t i o n . A n o t h e r s u c h t r a n s i t i o n o c c u r s w h e n t h e l i q u i d i s h e a t e d u p t o t h e l e v e l b e y o n d w h i c h i t c h a n g e s t o a g a s . A p l a s m a i s o f t e n c a l l e d t h e f o u r t h s t a t e o f m a t t e r . s i n c e i t i s a s u p e r h e a t e d , a n d i o n i z e d g a s [ N i c — 8 3 ] . T h i s i s s o m e w h a t m i s l e a d i n g , s i n c e t h e p h a s e t r a n s i t i o n s f r o m s o l i d t o l i q u i d , a n d f r o m l i q u i d t o g a s o c c u r a t a t e m p e r a t u r e k n o w n a s t h e l a t e n t h e a t o f t h a t p h a s e t r a n s i t i o n . F o r a g i v e n p r e s s u r e t h e l a t e n t h e a t o f t h e s e p h a s e t r a n s i t i o n s i s c o n s t a n t . H o w e v e r . t h e t r a n s i t i o n f r o m a g a s t o a p l a s m a i s n o t a p h a s e t r a n s i t i o n i n t h i s t h e r m o d y n a m i c s e n s e . b e c a u s e t h i s t r a n s i t i o n o c c u r s g r a d u a l l y w i t h i n c r e a s i n g p l a s m a t e m p e r a t u r e s . A p l a s m a d i s c h a r g e i s c r e a t e d w h e n s u f fi c i e n t e n e r g y i s i m p a r t e d t o t h e n e u t r a l d i s c h a r g e g a s s u c h t h a t a s i g n i fi c a n t n u m b e r o f t h e g a s m o l e c u l e s ( o r a t o m s ) l o s e o n e o r m o r e o f t h e i r v a l e n c e s h e l l e l e c t r o n s . H e n c e t h e p l a s m a i s a m i x t u r e o f a v e r y l a r g e n u m b e r o f n e u t r a l g a s a t o m s ( o r m o l e c u l e s ) , a n d i n d i v i d u a l c h a r g e d , e n e r g e t i c , m e t a s t a b l e a n d u n s t a b l e s p e c i e s , w i t h c o m p l e x i n t e r a C t i o n s o c c u r r i n g b e t w e e n t h e m . N o t e t h a t t h e i o n s g e n e r a t e d i n t h e d i s c h a r g e m a y b e s i n g l y . o r m u l t i p l y i o n i z e d d e p e n d i n g o n t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f t h e d i s c h a r g e . P l a s m a d i s c h a r g e s o c c u r n a t u r a l l y i n t h e u n i v e r s e i n m a n y s h a p e s a n d s i z e s - t h e s u n ' s c o r o n a . t h e e a r t h ’ s i o n o s p h e r e a n d t h e V a n A l l e n b e l t s . l i g h t n i n g b o l t s . e t c . M o s t o f i n t e r g a l a c t i c s p a c e i s p r e s u m e d t o b e a ( v e r y l o w d e n s i t y ) p l a s m a w h e r e t h e c h a r g e d s p e c i e s a r e s p r e a d o u t o v e r v a s t v o l u m e s . I t i s i n f a c t e s t i m a t e d t h a t a b o u t 9 9 % o f t h e u n i v e r s e i s a p l a s m a a n d c o l d p l a n e t s l i k e t h e e a r t h a r e r a r e a r e a s w h e r e n a t u r a l p l a s m a s ( l i k e l i g h t e n i n g b o l t s ) e x i s t o n l y u n d e r s e v e r e c i r c u m s t a n c e s . W h i l e t h e r e a r e m a n y a r t i fi c i a l l y g e n e r a t e d p l a s m a d i s c h a r g e s o n e a r t h t h a t a r e u s e d i n e v e r y d a y l i f e . l i k e fl u o r e s c e n t l i g h t i n g . a p l a s m a c a n n o t b e c r e a t e d o n e a r t h a t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e s e x c e p t f o r e l e c t r i c a l d i s c h a r g e s , o r c o m b u s t i o n . S t r i n g e n t r e q u i r e m e n t s o f p r e s s u r e ( o r l a c k t h e r e o f ) a n d e n e r g y t r a n s f e r t o i n d i v i d u a l c o n s t i t u e n t s o f t h e p l a s m a n e e d t o b e s a t i s fi e d b e f o r e t h e s e a r t i fi c i a l d i s c h a r g e s c a n b e s u s t a i n e d u n d e r t h e n o r m a l a t m o s p h e r i c c o n d i t i o n s . T h e s e r e q u i r e m e n t s a r e m e t t h r o u g h t h e u s e o f c o m p l e x s y s t e m s t h a t i n c o r p o r a t e v a c u u m t e c h n o l o g y , t h e o r y o f e l e c t r o m a g n e t i c e n e r g y t r a n s p o r t . o f t e n c r y o g e n i c s a n d s u p e r c o n d u c t i v i t y . a n d m a n y o t h e r b r a n c h e s o f p h y s i c s a n d e n g i n e e r i n g . A p p r o p r i a t e l y . t h e m a c h i n e t h a t a c t u a l l y g e n e r a t e s a n d s u s t a i n s a p l a s m a i s k n o w n a s a n i o n s o u r c e , o r a p l a s m a s o u r c e . T h e t w o t e r m s m a y i n g e n e r a l b e u s e d i n t e r c h a n g e a b l y ( e x c e p t w h e n a n i o n b e a m i s e x t r a c t e d ' f r o m t h e s o u r c e , i n w h i c h c a s e t h e m a c h i n e i s s p e c i fi c a l l y r e f e r r e d t o a s a n i o n . o r a n i o n b e a m s o u r c e ) . T h e r e a r e m a n y d i f f e r e n t w a y s t h r o u g h w h i c h e n e r g y m a y b e t r a n s f e r r e d i n t o t h e p l a s m a . b o t h a r t i fi c i a l a n d n a t u r a l . T h e i o n o s p h e r e o f t h e e a r t h , f o r e x a m p l e . i s s u s t a i n e d d u e t o n a t u r a l l y o c c u r r i n g p h o t o - i o n i z a t i o n . A p l a s m a o n t h e e a r t h ' s s u r f a c e i s g e n e r a l l y a g a s d i s c h a r g e t h a t h a s b e e n g e n e r a t e d b y t r a n s f e r o f e l e c t r i c a l p o w e r i n t o t h e g a s . F o r w e a k l y i o n i z e d p l a s m a d i s c h a r g e s ( l e s s t h a n 5 % i o n i z a t i o n ) , t h e n e u t r a l ( u h - i o n i z e d ) g a s i s t h e l a r g e s t c o n s t i t u e n t . H o w e v e r . t h e i d e n t i fi c a t i o n o f a l l t h e p l a s m a s p e c i e s i s a v e r y c o m p l i c a t e d p u r s u i t . a n d e v e n t h e s i m p l e s t p l a s m a d i s c h a r g e s h a v e n o t y e t b e e n c o m p l e t e l y c h a r a c t e r i z e d ( o t h e r t h a n t h e e x h a u s t i v e w o r k d o n e o n fl u o r e s c e n t l i g h t s b y c o m p a n i e s l i k e G e n e r a l E l e c t r i c a n d G T E ) . I n i t i a l r e s e a r c h i n t o p l a s m a t h e o r y i n t h e fi f t i e s a n d s i x t i e s w a s d o n e m a i n l y t o s a t i s f y t h e d e m a n d s o f t h e c o n t r o l l e d t h e r m o n u c l e a r f u s i o n p r o g r a m a n d t h e m a g n e t o h y d r o d y n a m i c ( M I - I D ) c o n v e r s i o n o f t h e r m a l p o w e r i n t o e l e c t r i c a l e n e r g y [ G a l - 8 3 ] . A l s o a b o u t t h a t t i m e , p l a s m a d i s c h a r g e s i n o u t e r s p a c e a n d a r o u n d t h e h u l l s o f s p a c e v e h i c l e s w e r e s t u d i e d b y N A S A . I n r e c e n t t i m e s . a n u m b e r o f s p i n o f f t e c h n o l o g i e s h a v e b e e n s p a w n e d . m a i n l y d u e t o t h e i m p r o v e m e n t s i n t h e a b i l i t y t o c r e a t e t h e r e q u i r e d p l a s m a s p e c i e s w i t h r e l a t i v e e a s e . a n d a l s o d u e t o a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e p l a s m a c h e m i s t r y . T h e s u c c e s s o f p l a s m a p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y f o r i n t e g r a t e d c i r c u i t f a b r i c a t i o n . p l a s m a a s s i s t e d c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n . a n d o t h e r a p p l i c a t i o n s u t i l i z i n g s o m e k i n d o f p l a s m a d i s c h a r g e h a s b e e n a m p l y d e m o n s t r a t e d b o t h i n t h e r e s e a r c h a n d i n d u s t r i a l e n v i r o n m e n t s . D u e t o t h i s s u c c e s s . t h e r e h a s b e e n a c o n c e r t e d e f f o r t i n i o n / p l a s m a s o u r c e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t . A v a r i e t y o f p l a s m a s o u r c e s w i t h i n n o v a t i v e d e s i g n s h a v e b e e n d e v e l o p e d w i t h t h e i r d i m e n s i o n s a n d c h a r a c t e r i s t i c s b e i n g d e fi n e d b y t h e e n d p r o c e s s a n d a p p l i c a t i o n . a n d b y t h e e n g i n e e r i n g t a l e n t s o f t h e d e s i g n e r s . T o d o b a t c h p r o c e s s i n g o f s i l i c o n w a f e r s f o r e x a m p l e , a l o w e n e r g y b r o a d b e a m i o n / f r e e r a d i c a l s o u r c e i s n e c e s s a r y [ K a n - 8 5 . l i a r - 8 9 ] . I n i t i a l r e s e a r c h i n t o s u c h a b r o a d b e a m i o n s o u r c e w a s a c t u a l l y c o n d u c t e d a t N A S A f o r s p a c e ( e l e c t r i c ) e n g i n e d e s i g n . O n t h e o t h e r h a n d . n a r r o w , e n e r g e t i c s l i t s h a p e d i o n b e a m s a r e e x t r a c t e d f r o m s p e c i a l l y d e s i g n e d s o u r c e s . a n d t h e s e i o n b e a m s a r e r a s t e r e d o v e r t h e s u b s t r a t e i n i o n i m p l a n t a t i o n m a c h i n e s [ S t e — 9 2 . K e l - 8 9 ] . Y e t o t h e r a p p l i c a t i o n s r e q u i r e s m a l l e r i o n s o u r c e s t h a t c a n a d a p t t o p r e - e x i s t i n g a p p a r a t u s . o r b e a b l e t o p r o d u c e t h e r e q u i s i t e p l a s m a s p e c i e s i n t h e a p p r o p r i a t e a b u n d a n c e c l o s e t o t h e s u b s t r a t e s u r f a c e . T h i s d i s s e r t a t i o n d o c u m e n t s a c o m p r e h e n s i v e s t u d y o f a n u m b e r o f p l a s m a a n d i o n b e a m s o u r c e s t h a t w e r e d e s i g n e d a t t h e D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ( E E ) a t M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y ( M S U ) . ‘ J o i n t e x p e r i m e n t s o n i o n s o u r c e s w i t h t h e i o n s o u r c e r e s e a r c h g r o u p a t t h e N a t i o n a l S u p e r c o n d u c t i n g C y c l o t r o n L a b o r a t o r y ( N S C L ) a t M S U a r e a l s o d e t a i l e d . T h e r e s e a r c h d e t a i l e d i n t h e f o r t h c o m i n g c h a p t e r s w a s p e r f o r m e d a t t h e B E a n d t h e N S C L l a b o r a t o r i e s a t M S U . a n d e n c o m p a s s e d t h e l a s t fi v e y e a r s . I n t h i s c h a p t e r a b r i e f i n t r o d u c t i o n i n t o t h e e n e r g y t r a n s f e r t e c h n i q u e s f r o m t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d s t o t h e p l a s m a d i s c h a r g e i s p r e s e n t e d . A s i m p l e b l a c k - b o x m o d e l o f a g e n e r i c m i c r o w a v e i o n s o u r c e i s a l s o p r e s e n t e d , t o l a y a f o u n d a t i o n f o r u n d e r s t a n d i n g c o n c e p t s d e v e l o p e d h e r e . a n d i n l a t e r c h a p t e r s . T h i s i s f o l l o w e d b y a c h a p t e r - w i s e b r e a k d o w n o f t h e r e s t o f t h i s d i s s e r t a t i o n , t h a t w i l l a l s o e x p l a i n t h e m o t i v a t i o n b e h i n d t h e e f f o r t s o f t h e p a s t fi v e y e a r s . I n d i v i d u a l i o n s o u r c e s t h a t w e r e e x p e r i m e n t a l l y e v a l u a t e d , a n d a l l t h e i r p e r i p h e r a l s y s t e m s ( l i k e t h e v a c u u m s t a t i o n s , t h e m i c r o w a v e a p p a r a t u s . e t c . ) w i l l b e i n t r o d u c e d a n d d e s c r i b e d i n d e t a i l i n t h e a p p r o p r i a t e c h a p t e r . a l o n g w i t h t h e r e s u l t s o f e a c h s u b - s t u d y . 1 . 2 E Q R P l a s m a g u r u s - g I n a d u c t i o n t o P g w e r T r a n s f e r T h e r e a r e s e v e r a l w a y s o f c r e a t i n g a n e l e c t r i c a l d i s c h a r g e - t h e s i m p l e s t o f t h e m b e i n g a g l o w d i s c h a r g e i n a n e v a c u a t e d t u b e b e t w e e n t w o b i a s e d e l e c t r o d e s . I o n s o u r c e c o n s t r u c t i o n o f c o u r s e v a r i e s i n c o m p l e x i t y w i t h e a c h n e w a n d u n i q u e d e s i g n . t h e d e s i g n i t s e l f p r e d i c a t e d b y t h e e n d u s e r d e m a n d s . P r o b a b l y t h e m o s t i m p o r t a n t a s p e c t o f i o n s o u r c e d e s i g n i s t h e m e t h o d l s ) o f e n e r g y t r a n s f e r t o t h e p l a s m a l o a d f r o m t h e i m p r e s s e d e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s . O n e o f t h e s e m e t h o d s o f p o w e r t r a n s f e r i s e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e ( E C R ) a n d t h e i o n s o u r c e s e m p l o y i n g t h i s t e c h n i q u e a r e a p p r o p r i a t e l y k n o w n a s E C R i o n s o u r c e s ( E C R I S ) . A s w i l l b e s e e n . E C R i s a v e r y e f fi c i e n t m e t h o d o f p o w e r t r a n s f e r . a n d t a k e s a d v a n t a g e o f t h e n a t u r a l c y c l o t r o n i c r e s o n a n c e o f e l e c t r o n s ( h e n c e t h e n a m e E C R ) t o s e l e c t i v e l y t r a n s f e r p o w e r f r o m t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d s a n d i n t o t h e e l e c t r o n g a s . F r o m t h i s h e a t e d e l e c t r o n g a s . t h e e n e r g y i s t r a n s f e r r e d t o t h e o t h e r c o n s t i t u e n t s o f t h e p l a s m a t h r o u g h c o l l i s i o n s . W h i l e t h e t h e o r y o f “ p u r e ” E C R i s s i m p l e t o u n d e r s t a n d a n d a b a s i c E C R I S i s n o t t o o c o m p l i c a t e d t o d e s i g n a n d d e v e l o p . t h e a c t u a l p i c t u r e o f p o w e r t r a n s f e r t o t h e p l a s m a i s m u c h m o r e c o m p l e x . I n t h e f o l l o w i n g s u b — s e c t i o n s a s i m p l i fi e d E C R t h e o r y i s p r e s e n t e d . a f t e r w h i c h a m o r e c o m p l e t e a n a l y s i s o f m i c r o w a v e p o w e r a b s o r p t i o n i n E C R p l a s m a s o u r c e s i s d i s c u s s e d . T h i s a n a l y s i s i s b a s e d o n a m o n o g r a p h b y P o p o v [ P o p - 9 4 a ] . 1 . 2 . 1 “ P u r e ” E C R I n t h e p r e s e n c e o f a s t a t i c m a g n e t i c fi e l d . a c h a r g e d p a r t i c l e r e s o n a t e s a r o u n d m a g n e t i c l i n e s o f f o r c e a t a p a r t i c u l a r f r e q u e n c y . k n o w n a s i t s r o t a t i o n o r c y c l o t r o n f r e q u e n c y . F o r a n e l e c t r o n . t h i s i s g i v e n b y n i c e = q B / m . w h e r e ( r i c e i s t h e c y c l o t r o n f r e q u e n c y , B i s t h e n e c e s s a r y s t a t i c m a g n e t i c fi e l d . a n d q a n d m a r e t h e e l e c t r o n i c c h a r g e a n d m a s s r e s p e c t i v e l y . W h i l e i n t h i s s t a t i c m a g n e t i c fi e l d , i f t h e p a r t i c l e i s t h e n s u b j e c t e d t o a t i m e h a r m o n i c ' A C e l e c t r i c fi e l d o s c i l l a t i n g a t t h e c y c l o t r o n f r e q u e n c y o f t h e p a r t i c l e , a n d a c o m p o n e n t o f t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d i s p e r p e n d i c u l a r t o t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d , t h e c h a r g e d p a r t i c l e w i l l r a p i d l y a b s o r b p o w e r f r o m t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d . T h i s p h e n o m e n o n o f e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e ( E C R ) i s u s e d t o c o u p l e e n e r g y i n t o t h e e l e c t r o n g a s t h a t c o n s t i t u t e s a p l a s m a . A c o m p l e t e a n a l y s i s o f E C R h e a t i n g ( E C R H ) i s a v a i l a b l e i n s e v e r a l r e f e r e n c e s [ B i t - 8 6 . N i c - 8 3 , K e l - 8 9 , A s m - 8 9 a , E l d - 7 2 , L i e - 9 4 ] , a n d o n l y a b r i e f i n t r o d u c t i o n i s n o w p r e s e n t e d t o a i d i n d e v e l o p m e n t o f t h e f o r t h c o m i n g c h a p t e r s . I n a n E C R I S . n e u t r a l d i s c h a r g e g a s i s i n c r e m e n t a l l y i n j e c t e d i n t o a c o n fi n e d s t r u c t u r e ( l i k e a q u a r t z . a l u m i n a o r c o p p e r t u b e ) u n d e r h i g h v a c u u m c o n d i t i o n s . A s t a t i c ( t i m e c o n s t a n t ) m a g n e t i c fi e l d o f s p e c i fi c s t r e n g t h a n d o r i e n t a t i o n e x i s t s s u c h t h a t a l l . o r p a r t , o f t h e c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e i s i m m e r s e d i n t h i s fi e l d . A s m e n t i o n e d e a r l i e r . i n t h e p r e s e n c e o f t h i s s t a t i c m a g n e t i c fi e l d , t h e c h a r g e d p a r t i c l e f o l l o w s a h e l i c a l p a t h g y r a t i n g a b o u t t h e m a g n e t i c fi e l d l i n e s . N o w i f a t i m e h a r m o n i c e l e c t r i c fi e l d w i t h f r e q u e n c y e q u a l t o t h e c y c l o t r o n f r e q u e n c y o f t h e c h a r g e d p a r t i c l e ( t o = ( s e e ) i s i m p r e s s e d o n t h e c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e . i f t h e a p p r o p r i a t e m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h i s p r e s e n t a t s o m e p o i n t . a n d i f t h e r e e x i s t s a c o m p o n e n t . o f t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d t h a t i s p e r p e n d i c u l a r t o t h i s s t a t i c m a g n e t i c fi e l d . t h e c h a r g e d p a r t i c l e w i l l a b s o r b e n e r g y f r o m t h i s i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d . B a s e d o n s e v e r a l a s s u m p t i o n s ( s o m e o f w h i c h a r e a c t u a l l y i n a c c u r a t e , u s e d o n l y t o g e n e r a t e a c l o s e d f o r m s o l u t i o n f r o m a c o m p l e x s e t o f e q u a t i o n s - s e e R e f e r e n c e P o p - 9 4 a ) . t h i s e n e r g y a b s o r p t i o n b y t h e e l e c t r o n g a s m a y b e m o d e l l e d b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n [ A s m - 8 9 a , P o p - 9 4 a ] : e N e E E v : v i 1 ' P = R e ( J X E ) = 4 m 2 2 + 2 ( 1 . 1 ) v + ( m — o ) ) v + ( a ) + m ) c e e c e H e r e E , i s t h e c o m p o n e n t o f t h e e l e c t r i c fi e l d t h a t ' i s p e r p e n d i c u l a r t o t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d a n d v e i s t h e e l e c t r o n - n e u t r a l e l a s t i c c o l l i s i o n f r e q u e n c y . A s c a n b e s e e n . t h e fi r s t t e r m i n t h e r i g h t h a n d p a r t o f t h e e q u a t i o n ( c u r l y b r a c k e t s ) d e n o t e s a r e s o n a n c e b e t w e e n t h e i m p r e s s e d m i c r o w a v e a n d t h e e l e c t r o n c y c l o t r o n f r e q u e n c i e s w h e r e t h e e l e c t r o n r o t a t e s a r o u n d t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d l i n e i n t h e s a m e d i r e c t i o n a s t h e v e c t o r o f t h e m i c r o w a v e e l e c t r i c fi e l d . S u c h a n e l e c t r o m a g n e t i c w a v e i s c a l l e d t h e r i g h t h a n d c i r c u l a r l y p o l a r i z e d ( R H C P ) w a v e . T h e s e c o n d t e r m i n t h e c u r l y b r a c k e t s d e n o t e s a n e l e c t r i c fi e l d w h o s e v e c t o r r o t a t e s i n a d i r e c t i o n o p p o s i t e t o t h a t o f t h e e l e c t r o n r o t a t i o n i n t h e m a g n e t i c fi e l d . T h i s i s k n o w n a s t h e l e f t h a n d c i r c u l a r l y p o l a r i z e d ( L H C P ) w a v e . N o t e t h a t a n y e l e c t r i c fi e l d m a y b e r e p r e s e n t e d a s a l i n e a r s u p e r p o s i t i o n o f t h e R H C P a n d t h e L H C P w a v e . T h e e n e r y a b s o r p t i o n b y t h e y r a t i n g e l e c t r o n r e s u l t s i n a n i n c r e a s i n g r a d i u s o f t h e e l e c t r o n ’ s h e l i c a l p a t h a b o u t t h e m a g n e t i c fi e l d l i n e ( s e e F i g u r e 3 , R e f e r e n c e A s m - 8 9 a ) . T h e r e g i o n s i n s i d e t h e p l a s m a c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e t h a t h a v e t h e r e q u i r e d m a g n e t i c . fi e l d s t r e n g t h a n d t h e a p p r o p r i a t e e l e c t r i c fi e l d o r i e n t a t i o n f o r E C R H a r e k n o w n a s t h e “ E C R z o n e s . “ F o r e x a m p l e . t h e r e q u i r e d B fi e l d s t r e n g t h f o r t h e o p e r a t i n g m i c r o w a v e f r e q u e n c y o f 2 . 4 5 G H z , i s 8 7 5 g a u s s . a n d E C R H o f t h e e l e c t r o n g a s w o u l d o c c u r i n r e g i o n s o f t h e p l a s m a c o n f i n e m e n t s t r u c t u r e w h e r e B = 8 7 5 g a u s s . a n d t h e e l e c t r i c fi e l d h a s a c o m p o n e n t p e r p e n d i c u l a r t o t h i s B fi e l d . T h e e n e r g e t i c . o r “ h o t “ e l e c t r o n s t h e n t r a n s f e r t h i s e n e r y t o v a l e n c e e l e c t r o n s o f n e u t r a l a t o m s ( o r m o l e c u l e s ) o f t h e w o r k i n g g a s t h r o u g h i n e l a s t i c c o l l i s i o n s . N o t e t h a t t h i s p r o c e s s i n v o l v e s u s i n g t h e h o t e l e c t r o n ' s k i n e t i c e n e r y t o i n c r e a s e t h e p o t e n t i a l e n e r y o f t h e b o u n d e l e c t r o n . I o n i z a t i o n o c c u r s w h e n s u f fi c i e n t e n e r y i s t r a n s f e r r e d f r o m t h e h o t e l e c t r o n s ( u s u a l l y b y s i n g l e . s o m e t i m e s b y m u l t i p l e c o l l i s i o n s ) t o t h e v a l e n c e e l e c t r o n o f t h e d i s c h a r g e g a s . s u c h t h a t t h e v a l e n c e e l e c t r o n i s s t r i p p e d a w a y f r o m t h e a t o m ( o r m o l e c u l e ) . A n i o n - e l e c t r o n p a i r i s t h e n f o r m e d . O n c e t h e l o s s m e c h a n i s m s ( d i f f u s i o n a n d r e c o m b i n a t i o n ) a r e b a l a n c e d . b y i o n i z a t i o n i n a s t e a d y s t a t e . a d i s c h a r g e c a n b e s u s t a i n e d . E C R H i s . t h e r e f o r e . a l o w p r e s s u r e ( m - T o r r o r l o w e r ) p h e n o m e n o n t h a t r e l i e s o n c o l l i s i o n f r e q u e n c i e s t h a t a r e h i g h e n o u g h t o s u s t a i n t h e d i s c h a r g e , y e t s u f fi c i e n t l y l o w s u c h t h a t t h e e l e c t r o n g a s m a y g a i n s u b s t a n t i a l e n e r y f r o m t h e h i g h f r e q u e n c y i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d b e f o r e t r a n s f e r r i n g t h i s e n e r y t o t h e o t h e r c o n s t i t u e n t s o f t h e d i s c h a r g e . T y p i c a l l y t h e e l e c t r i c fi e l d s a r e l a u n c h e d w i t h f r e q u e n c i e s i n t h e m i c r o w a v e r a n g e - s e v e r a l h u n d r e d M H z t o a b o u t 1 0 0 G H z , a l t h o u g h s o m e ( n o n - E C R ) p l a s m a ] f r e e r a d i c a l s o u r c e s ( n o t a b l y t h e i n d u c t i v e l y c o u p l e d d e v i c e s ) o p e r a t e a t t h e l o w e r r a d i o f r e q u e n c y ( r t ) o f 1 3 . 5 6 M H z . I t h a s b e e n s h o w n b y P o p o v [ P o p - 9 4 a ) a n d o t h e r s ( s e e F i g u r e 1 3 . 5 . p a g e 4 1 8 . R e f e r e n c e L i e - 9 4 ) t h a t r e a l E C R h e a t i n g o c c u r s o n l y t h r o u g h a b s o r p t i o n o f t h e e n e r y f r o m R H C P w a v e s b y t h e d i s c h a r g e . T h i s m a y h a p p e n . h o w e v e r . f o r a v e r y l i m i t e d s e t o f c i r c u m s t a n c e s - a t m i c r o w a v e b r e a k d o w n a n d f o r v e r y l o w p o w e r a b s o r p t i o n l e v e l s t h a t g e n e r a t e s a n o v e r d e n s e ( i o n d e n s i t y g r e a t e r t h a n t h e c r i t i c a l d e n s i t y f o r t h a t e x c i t a t i o n f r e q u e n c y ) m a g n e t o a c t i v e p l a s m a . ( M o r e d i s c u s s i o n s o f c r i t i c a l d e n s i t y . a n d o v e r d e n s e d i s c h a r g e s w i l l b e t a k e n u p l a t e r . ) i F o r m o s t i o n s o u r c e s t h a t a r e u s e d i n i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s . t h e e x t e r n a l p l a s m a c o n d i t i o n s ( f o r e x a m p l e , i n p u t p o w e r l e v e l s . g a s fl o w r a t e s . d i s c h a r g e p r e s s u r e e t c . ) v a r y s i g n i fi c a n t l y f r o m t h i s . a n d m e c h a n i s m s o t h e r t h a n p u r e E C R f o r e l e c t r o n m o m e n t u m t r a n s f e r a r e n e e d e d t o e x p l a i n t h e p o w e r t r a n s f e r t h a t o c c u r s i n t h e s e d i s c h a r g e s . S o m e o f t h e s e a l t e r n a t e e n e r y t r a n s f e r t e c h n i q u e s a r e n o w p r e s e n t e d . I O 1 . 2 o w h t h R M a n y i o n s o u r c e s c u r r e n t l y i n u s e e m p l o y e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e f o r h e a t i n g t h e e l e c t r o n g a s w h i c h t h e n i n d i r e c t l y h e a t s a n d i o n i z e s t h e n e u t r a l g a s t h r o u g h i n e l a s t i c c o l l i s i o n s . T h i s . o f c o u r s e i s n o t t h e o n l y m e t h o d o f p o w e r t r a n s f e r t o s u s t a i n a d i s c h a r g e . A s i m i l a r p h e n o m e n o n f o r i o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e ( I C R ) a l s o e x i s t s t h a t d i r e c t l y c o u p l e s e n e r y t o t h e i o n g a s . I C R h o w e v e r , i s n o t a p r a c t i c a l m e t h o d o f p o w e r t r a n s f e r f o r m o s t i o n s o u r c e s . S i n c e t h e m a g n e t i c fi e l d r e q u i r e m e n t s c a l e s l i n e a r l y w i t h t h e m a s s o f r e s o n a t i n g p a r t i c l e . t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h f o r I C R h e a t i n g i s a p p r o x i m a t e l y 1 8 4 0 t i m e s t h a t o f t h e e l e c t r o n s f o r a g i v e n e x c i t a t i o n f r e q u e n c y . T h e o n l y m a c h i n e s t h a t m a y u t i l i z e I C R H i n a p r a c t i c a l m a n n e r a r e t h e l a r g e t o r o i d a l t o k a m a k s u s e d i n c o n t r o l l e d t h e r m o n u c l e a r f u s i o n t h a t h a v e p l a s m a c h a m b e r s u p t o t w o m e t e r s h i g h . T h e r e i s a n o t h e r , l e s s k n o w n m e t h o d o f e n e r y t r a n s f e r f o r t h e g e n e r a t i o n o f a s t a b l e d i s c h a r g e - t h e P e n n i n g e f f e c t ( S t e - 9 2 ) b a s e d o n m u l t i p l e c o l l i s i o n s o f a d i s c h a r g e s p e c i e s w i t h t h e o t h e r c o n s t i t u e n t s o f t h e p l a s m a . I n t h i s c a s e . a n e n e r g e t i c a t o m ( o r m o l e c u l e ) c o l l i d e s w i t h a n a t o m t h a t i s i n a m e t a s t a b l e s t a t e d u e t o e n e r y a b s o r p t i o n f r o m p r i o r e l e c t r o n - a t o m ( o r m o l e c u l e ) c o l l i s i o n s . I f t h e i o n i z a t i o n p o t e n t i a l o f t h e a t o m i n t h e m e t a s t a b l e s t a t e i s o n l y s l i g h t l y h i g h e r t h a n i t s m e t a s t a b l e s t a t e . e v e n a s m a l l a m o u n t o f e n e r y t r a n s f e r f r o m t h e s e c o n d c o l l i s i o n t o t h e m e t a s t a b l e a t o m l e a d s t o i o n i z i n g t h e l a t t e r . R a r e g a s e s . l i k e n e o n c a n u t i l i z e t h i s e f f e c t t o s u s t a i n a d i s c h a r g e . F o r i n s t a n c e , n e o n h a s a m e t a s t a b l e s t a t e a t 1 6 . 5 e V w i t h a l o n g l i f e t i m e . w h i l e i t s i o n i z a t i o n e n e r y i s 2 l . 6 e V . I f a n a t o m - m e t a s t a b l e c o l l i s i o n t r a n s f e r s a b o u t 5 e V o f e n e r y f r o m t h e l l a t o m t o t h e m e t a s t a b l e . t h e l a t t e r w i l l i o n i z e . S i n c e a t o m s h a v e l a r g e c o l l i s i o n c r o s s s e c t i o n s , e n e r y c a n m o r e e a s i l y b e t r a n s f e r r e d t h r o u g h e l a s t i c , o r i n e l a s t i c c o l l i s i o n s b e t w e e n a t o m s a n d / o r i o n s . H e n c e . f o r s p e c i fi c r a r e e a r t h g a s e s t h a t c a n t a k e a d v a n t a g e o f t h i s p h e n o m e n o n , t h i s s e e m s t o b e a n e f fi c i e n t m e t h o d o f e n e r y t r a n s f e r . I f t h e e x c i t a t i o n f r e q u e n c y o f t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d i s d i f f e r e n t f r o m t h e c y c l o t r o n f r e q u e n c i e s . p o w e r t r a n s f e r c a n s t i l l o c c u r f r o m t h e e l e c t r i c fi e l d t o t h e p l a s m a i f t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e i s h i g h e n o u g h . T h i s i s k n o w n a s J o u l e , o r c o l l i s i o n a l . o r O h m i c h e a t i n g . T h e e f f e c t i v e c o l l i s i o n f r e q u e n c y a t h i g h p r e s s u r e s g o e s u p . a n d t h i s a l l o w s f o r s i g n i fi c a n t e n e r y t r a n s f e r t o t h e d i s c h a r g e c o n s t i t u e n t s t h r o u g h t h e s e c o l l i s i o n s . M a n y h i g h p r e s s u r e i o n s o u r c e s ( 1 0 0 m T o r r t o s e v e r a l t e n s o f T o r r s ) i n t h e B E P l a s m a S c i e n c e s L a b o r a t o r i e s o f M S U i n v o l v e d w i t h c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n o f d i a m o n d a n d d i a m o n d - l i k e t h i n fi l m s e m p l o y t h e p r i n c i p l e o f J o u l e h e a t i n g t o c r e a t e a n d s u s t a i n a p l a s m a . I n h i s m o n o g r a p h , P o p o v [ P o p - 9 4 a ] p r e s e n t s a n e x c e l l e n t d i s c u s s i o n o f a t l e a s t n i n e m e c h a n i s m s o f m i c r o w a v e a b s o r p t i o n i n E C R p l a s m a s o u r c e s . o t h e r t h a n “ p u r e “ E C R H . T h e s e a r e : ( 1 ) D o p p l e r s h i f t e d E C R . ( 2 ) W h i s t l e r w a v e s a b s o r p t i o n i n o v e r d e n s e m a g n e t o a c t i v e p l a s m a s . ( 3 ) L H C P a n e a b s o r p t i o n . ( 4 ) U p p e r h y b r i d r e s o n a n c e ( U H R ) . ( 5 ) H i g h e r h a r m o n i c r e s o n a n c e . s p e c i fi c a l l y s e c o n d ( S H R ) a n d t h i r d h a r m o n i c s . ( 6 ) P l a s m a g e o m e t r i c a l r e s o n a n c e s , ( 7 ) . S t o c h a s t i c h e a t i n g , ( 8 ) N o n - l i n e a r p o w e r a b s o r p t i o n a t h i g h m i c r o w a v e e l e c t r i c fi e l d s . a n d ( 9 ) N o n - r e s o n a n t c o l l i s i o n a l a b s o r p t i o n o f L H C P w a v e s . A p p r o p r i a t e r e f e r e n c e s i n h i s m o n o g r a p h a c t i v e l y s u p p l e m e n t e a c h s u b t o p i c . I t i s n o t t h e p u r p o s e h e r e t o d e t a i l e v e r y s u c h m e t h o d o f m i c r o w a v e p o w e r t r a n s f e r , b u t t h e p o i n t b e i n g m a d e i s t h a t i n g e n e r a l . w h i l e d e s i g n i n g E C R I S . 1 2 o n l y c o n d i t i o n s s a t i s f y i n g E C R h e a t i n g ( f o r e x a m p l e . w h e t h e r E C R z o n e s e x i s t s o m e w h e r e i n t h e p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n . o r w h e t h e r t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d h a s a c o m p o n e n t t h a t i s p e r p e n d i c u l a r t o t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d i n t h e s e E C R z o n e s ) a r e a c c o u n t e d f o r . H o w e v e r , t h e a c t u a l m e c h a n i s m o f p o w e r t r a n s f e r i s v e r y m u c h m o r e c o m p l e x , a n d t h i s t r a n s f e r c a n o c c u r u n d e r c o n d i t i o n s t h a t v a r y s i g n i fi c a n t l y f r o m E C R s p e c i fi c a t i o n s . F o r e x a m p l e . a h i g h l e v e l o f m i c r o w a v e p o w e r a b s o r p t i o n o f t r a n s v e r s e e l e c t r o m a g n e t i c w a v e s a t 2 . 4 5 G H z c a n o c c u r a t m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h s m u c h l e s s t h a n 8 7 5 G a u s s . a s w e l l a s f o r fi e l d s t r e n g t h s m u c h g r e a t e r t h a n 8 7 5 G a u s s p r o v i d e d t h e p l a s m a d e n s i t y i s n o t l o w e r t h a n t h e c r i t i c a l d e n s i t y a t t h a t f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n . T h i s p o w e r a b s o r p t i o n . p r o b a b l y d u e t o L a n d a u d a m p i n g o f w h i s t l e r w a v e s . w a s e x p e r i m e n t a l l y v e r i fi e d b y M u s i l e t a 1 . [ M u s - 7 5 ] . A n o t h e r m e t h o d o f e n e r y t r a n s f e r - s e c o n d h a r m o n i c r e s o n a n c e ( S H R ) h a s i n f a c t b e e n c o n s i d e r e d i n t h e n e a r p a s t a s a p r i m e c a n d i d a t e f o r p o w e r i n g t h e n e x t g e n e r a t i o n o f r r r i c r o w a v e p l a s m a s o u r c e s . S e v e r a l s u c h d e v i a t i o n s f r o m t h e p u r e E C R H o f m i c r o w a v e p l a s m a s a r e l i s t e d b y P o p o v , l e a d i n g t o a n i n e s c a p a b l e c o n c l u s i o n : w h i l e t h e d e s i g n o f m i c r o w a v e E C R I S i s u s u a l l y b a s e d o n s a t i s f y i n g e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e c o n d i t i o n s a l o n e , p o w e r a b s o r p t i o n i n t o t h e p l a s m a l o a d i s s i g n i fi c a n t l y d i v e r s e ' a n d c a n o c c u r u n d e r c o n d i t i o n s a t y p i c a l f o r E C R . A t o t a l r e l i a n c e o n E q m . ( 1 . 1 ) i s t h e r e f o r e i n a p p r o p r i a t e . T h i s e q u a t i o n w a s d e r i v e d u s i n g s e v e r a l a s s u m p t i o n s ( l i k e t h e c o l d p l a s m a a p p r o x i m a t i o n . h o m o g e n e o u s p l a s m a d e n s i t y a n d h o m o g e n e o u s m a g n e t i c fi e l d . l i n e a r e l e c t r o d y n a m i c s [ P o p - 9 4 a ] . e t c . ) w h i c h s i m p l i f y t h e c o m p l e x e q u a t i o n s a n d p r o d u c e a c l o s e d f o r m s o l u t i o n . H o w e v e r . o v e r - s i m p l i fi c a t i o n o f t h e p r o b l e m . m a y a l s o r e s u l t i n l o s s o f i n f o r m a t i o n . 1 3 P e r h a p s t h a t i s w h y E C R I S a r e g e n e r a l l y v e r y r o b u s t a n d c h a r a c t e r i s t i c a l l y f o r g i v i n g - e v e n p o o r l y d e s i g n e d E C R I S m a n a g e t o p e r f o r m w e l l . A l l f o u r p l a s m a s o u r c e s t h a t a r e e x p e r i m e n t a l l y e v a l u a t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n a r e m i c r o w a v e E C R I S . T h e M P D R 6 1 0 , t h e 6 1 0 - a , a n d t h e M P D R 5 w e r e d e s i g n e d a t t h e E E P l a s m a S c i e n c e s L a b o r a t o r y a t M S U . w h i l e t h e S u p e r c o n d u c t i n g E C R I o n S o u r c e ( S C E C R ) w a s d e s i g n e d . a n d i s u n d e r c o n t i n u o u s o p e r a t i o n a t t h e N S C L . W h i l e a l l t h e s o u r c e s a r e i n d e e d E C R I S , t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e d e s i g n . t h e e x t e r n a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ( l i k e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n . i n p u t p o w e r l e v e l s , d i s c h a r g e p r e s s u r e , e t c . ) a n d t h e fi n a l s o u r c e ‘ o u t p u t ( l i k e i o n d e n s i t y . i o n b e a m e n e r y . e t c . ) w i l l b e c o m e a p p a r e n t a s t h i s d i s s e r t a t i o n p r o g r e s s e s . F o r e x a m p l e . t h e f r e q u e n c y o f e x c i t a t i o n r a n g e s f r o m 9 1 5 M H z t o 6 . 4 G H z f o r t h e v a r i o u s i o n s o u r c e s . w h i l e t h e o p e r a t i n g d i s c h a r g e p r e s s u r e r a n g e s f r o m 1 0 ' 7 T o r r f o r t h e S C E C R , t o 1 0 ' 4 T o r r m o r e t y p i c a l l y f o u n d i n t h e B E s o u r c e s . T o e n h a n c e t h e i m p o r t a n c e o f E C R e f f e c t s , a n d a l s o t o s e r v e a s a b a s i s f o r t h e r e v i e w o f s e v e r a l E C R ( a n d s o m e n o n - E C R ) p l a s m a s o u r c e s i n t h e n e x t c h a p t e r . a g e n e r i c m o d e l o f a n e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e i o n s o u r c e i s n o w p r e s e n t e d . I t w i l l b e s e e n t h a t t h i s m o d e l a c c o u n t s f o r s a t i s f y i n g p u r e E C R c o n d i t i o n s o n l y . . M 1 v s n e s - B l a c B x M o d l I n p r a c t i c e . a n E C R i o n s o u r c e c o n s i s t s o f a d i s c h a r g e c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e t h a t m a y b e m a d e o f q u a r t z , a l u m i n a . b o r o n - n i t r i d e . s t a i n l e s s s t e e l . o r c o p p e r . T h i s q u a r t z t u b e , o r c o p p e r v e s s e l i s s u r r o u n d e d b y p e r m a n e n t m a g n e t s . 1 4 o r e l e c t r o m a g n e t i c c o i l s ( w h i c h m i g h t b e s u p e r c o n d u c t i n g ) t h a t g e n e r a t e t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d t o p o l o y f o r E C R . a n d a l s o t o c o n t r o l ( o r r e s t r i c t ) t h e fl o w o f c h a r g e d s p e c i e s w i t h i n . a n d o u t s i d e t h e s o u r c e . T h e d i s c h a r g e v e s s e l i s s e a l e d t o a v a c u u m s y s t e m w h i c h e n s u r e s s u f fi c i e n t l y l o w b a s e p r e s s u r e s ( u s u a l l y o f t h e o r d e r o f 1 0 ‘ 8 T o r r ) . T h e s e l o w p r e s s u r e s a r e c r e a t e d w i t h o n e o r a c o m b i n a t i o n o f s e v e r a l t y p e s o f p u m p s - d i f f u s i o n . c r y o g e n i c , t u r b o - m o l e c u l a r , t i t a n i u m s u b l i m a t i o n a n d t h e r e g u l a r m e c h a n i c a l b a c k i n g p u m p . D i s c h a r g e g a s ( o r a m i x t u r e o f s e v e r a l g a s e s ) i s f e d i n t o t h e p l a s m a v e s s e l t h r o u g h a c o n t r o l l e d l e a k . E l e c t r o m a g n e t i c e m e r y a t t h e a p p r o p r i a t e A C f r e q u e n c y i s i m p r e s s e d o n t h e n e u t r a l g a s , g e n e r a l l y t h r o u g h a n a p p l i c a t o r t h a t e n s u r e s m a x i m u m p o s s i b l e p o w e r t r a n s f e r t o t h e g a s . S o m e w h e r e i n s i d e t h e d i s c h a r g e c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e , t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d i s d e s i g n e d s u c h t h a t i t h a s t h e c o r r e c t o r i e n t a t i o n a n d s t r e n g t h ( w i t h r e s p e c t t o t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d ) . E C R z o n e s a r e t h e r e b y f o r m e d w h e r e t h e p o w e r a b s o r b e d b y t h e e l e c t r o n g a s i s e n h a n c e d . S u b s e q u e n t i o n i z i n g c o l l i s i o n s b e t w e e n t h e h o t e l e c t r o n s a n d a t o m s ( o r m o l e c u l e s ) c r e a t e a n d s u s t a i n t h e d i s c h a r g e . I n g e n e r a l . s o m e s o r t o f c o o l i n g ( e i t h e r a i r . o r w a t e r ) i s n e c e s s a r y f o r t h e i o n s o u r c e . d u e t o t h e h e a t g e n e r a t e d f r o m t h e w a l l l o s s e s o f t h e e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s . a n d a l s o f r o m t h e e n e r y d i s s i p a t e d b y c o l l i s i o n s a n d r e c o m b i n a t i o n s o n t h e p l a s m a c o n t a i n m e n t v e s s e l w a l l s . O n c e t h e d i s c h a r g e i s i n a s t e a d y s t a t e . p l a s m a c o n s t i t u e n t s c a n d i f f u s e o u t f r e e l y f r o m t h e g e n e r a t i o n r e g i o n a n d i n t o t h e p r o c e s s i n g c h a m b e r . o r a s p e c i fi c s u b s p e c i e s f r o m t h e q u a s i — n e u t r a l p l a s m a m a y b e s e l e c t i v e l y e x t r a c t e d u s i n g a n a p p r o p r i a t e e x t r a c t i o n a p p a r a t u s . E C R t e c h n o l o y h a s s e v e r a l o u t s t a n d i n g a d v a n t a g e s o v e r p r e v i o u s l y 1 5 e s t a b l i s h e d i o n s o u r c e t e c h n o l o g i e s ( l i k e P e n n i n g g a u g e s t h a t t y p i c a l l y h a v e c a t h o d e s . o r fi l a m e n t s t h a t g e n e r a t e t h e h o t e l e c t r o n s ) . F i l a m e n t s ( o r c a t h o d e s ) t h a t a r e p r e s e n t i n t h e d i s c h a r g e r e g i o n a r e b o m b a r d e d b y h i g h e n e r y i o n s a n d a r e l i a b l e t o d e g r a d e o v e r t i m e . T h i s l e a d s t o s h o r t l i f e t i m e s . a n d a l s o c o n t a m i n a t i o n f r o m t h e s p u t t e r e d m a t e r i a l o f f t h e e l e c t r o d e s . E C R s o u r c e s d o n o t r e q u i r e a n y e l e c t r o d e s . o r fi l a m e n t s t o i g n i t e o r s u s t a i n t h e d i s c h a r g e . A l t h o u g h t h e r e a r e s o m e i o n s o u r c e s r e v i e w e d i n t h e n e x t c h a p t e r t h a t d o h a v e a n t e n n a e w i t h i n t h e d i s c h a r g e z o n e . E C R i o n s o u r c e s a r e t y p i c a l l y e l e c t r o d e l e s s i n n a t u r e . H e n c e t h e r e i s n o q u e s t i o n o f c o n t a m i n a t i o n f r o m a n e l e c t r o d e . o r a fi l a m e n t ( a l t h o u g h w a l l c o l l i s i o n s m i g h t l e a d t o s p u t t e r i n g o f t h e w a l l m a t e r i a l ) . A l s o . i n a w e l l d e s i g n e d s o u r c e . t h e o n l y m a t e r i a l t h a t n e e d s c o n t i n u o u s r e p l e n i s h m e n t i s t h e w o r k i n g g a s - a l l o t h e r c o m p o n e n t s s h o u l d b e r e l a t i v e l y u n h a r m e d a f t e r e x t e n d e d u s e . T h e r e a r e s o u r c e s t h a t c a n o p e r a t e u p t o 2 0 0 h o u r s w i t h o u t p r o b l e m s - E C R i o n s o u r c e s h a v e l o n g l i f e t i m e s . w h i c h u l t i m a t e l y l e a d s t o l o w e r o p e r a t i o n a l c o s t s . A n o t h e r a d v a n t a g e o f E C R t e c h n o l o y i s t h a t t h e p l a s m a e l e c t r o n s a r e p r e f e r e n t i a l l y h e a t e d b y t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d . T h i s c o n t a i n s t h e t h e r m a l i o n e n e r y t o e x t r e m e l y l o w l e v e l s . L o w t h e r m a l e n e r y o f i o n s i s e x t r e m e l y g o o d f o r s e v e r a l r e a s o n s - i o n b o m b a r d m e n t o f s u b s t r a t e s d o e s n o t c a u s e p r o h i b i t i v e d a m a g e i f t h e i o n e n e r g i e s a r e l o w . H e n c e t h e p e r f o r m a n c e o f E C R p l a s m a s o u r c e s i s d o m i n a t e d b y l o w p l a s m a t e m p e r a t u r e c h e m i s t r y . A l s o . f o r i o n b e a m s o u r c e s , o n e o f t h e f a c t o r s t h a t l e a d s t o b e a m d i v e r g e n c e i s h i g h t h e r m a l e n e r y o f t h e i o n s . w h i c h g e n e r a t e s r a d i a l l y d i r e c t e d s p a c e c h a r g e fi e l d s a n d i n c r e a s e s t h e r e p u l s i v e f o r c e b e t w e e n t h e i o n s c o n s t i t u t i n g t h e b e a m . u l t i m a t e l y c a u s i n g p r o h i b i t i v e b e a m d i v e r g e n c e . 1 6 T h e p u r p o s e o f a n i o n s o u r c e i s t h e r e f o r e t w o f o l d . F i r s t . t h e d i s c h a r g e c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e i s o l a t e s t h e ( l o w p r e s s u r e ) p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n f r o m e x t e r n a l a t m o s p h e r i c ( h i g h p r e s s u r e ) c o n t a m i n a t i o n a n d f r o m t h e d o w n s t r e a m p r o c e s s i n g r e g i o n . w h i l e d e l i v e r i n g t h e p l a s m a c o n s t i t u e n t s a t a s t e a d y r a t e . A n d s e c o n d . e n e r y f r o m t h e p o w e r s u p p l y ( a t - a n a p p r o p r i a t e A C f r e q u e n c y ) , i s n o r m a l l y c o u p l e d i n t o t h e p l a s m a t h r o u g h a s p e c i a l l y d e s i g n e d a p p l i c a t o r t h a t e n a b l e s m a x i m u m p o w e r t r a n s f e r . T h e i o n s o u r c e s d e s i g n e d i n t h e E B l a b s , f o r e x a m p l e . h a v e a r e s o n a n t m i c r o w a v e c a v i t y s t r u c t u r e t h a t a c t s a s a n a p p l i c a t o r , i n w h i c h p o w e r r e s o n a t e s b e f o r e b e i n g a b s o r b e d b y t h e p l a s m a . M o r e d e t a i l s a b o u t t h e s e i o n s o u r c e a n d t h e p l a s m a a p p l i c a t o r s a r e p r e s e n t e d i n t h e f o r t h c o m i n g c h a p t e r s a s t h e i o n s o u r c e s e x p e r i m e n t a l l y e v a l u a t e d f o r t h i s s t u d y a r e i n t r o d u c e d a n d d e s c r i b e d . 1 . 4 t i o n a n d M o t i v a o n o f R o s e E f f o r t N o s t u d y i s c o m p l e t e w i t h o u t a n a t t e m p t a t r e l a t i n g t h e o b t a i n e d r e s u l t s t o p r e v i o u s a n d c u r r e n t d e v e l o p m e n t s o f t h e t e c h n o l o y . T h i s i s b e s t a c c o m p l i s h e d t h r o u g h a s u r v e y o f t h e e x i s t i n g l i t e r a t u r e . C h a p t e r ’ I \ v o o f t h i s d i s s e r t a t i o n i s a r e v i e w o f s e v e r a l c o m p a c t m i c r o w a v e a n d r a d i o f r e q u e n c y ( r t ) i o n s o u r c e s . P r a c t i c a l l y . i t i s v e r y d i f fi c u l t t o c o m p a r e a n d c o n t r a s t e a c h i o n s o u r c e r e v i e w e d i n C h a p t e r T w o d u e t o t h e m a n y d i f f e r e n t fi g u r e s o f m e r i t t h a t r e s e a r c h e r s e m p l o y t o c h a r a c t e r i z e t h e i r i o n s o u r c e s . T h i s a l s o m a k e s i t d i f fi c u l t t o c o m p a r e t h e e x p e r i m e n t a l l y m e a s u r e d r e s u l t s o f t h e v a r i o u s i o n s o u r c e s s t u d i e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n . w i t h t h e r e s u l t s o f t h e r e v i e w e d s o u r c e o f C h a p t e r T w o . H o w e v e r . w h e r e p o s s i b l e . t h i s c o m p a r i s o n i s m a d e . I t i s e x p e c t e d t h a t a l 7 s c r u t i n y o f t h e c u r r e n t t e c h n o l o y p e r f o r m e d i n C h a p t e r T w o w i l l a l s o h e l p i n u n d e r s t a n d i n g t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f t h e s o u r c e s t h a t a r e e x p e r i m e n t a l l y e v a l u a t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n . C h a p t e r T h r e e e x p l a i n s t h e v a r i o u s c h a r a c t e r i z a t i o n p r i n c i p l e s a n d e x p e r i m e n t a l t e c h n i q u e s t h a t w e r e u s e d t o e v a l u a t e t h e i o n s o u r c e s o f t h i s s t u d y . T h i s c h a p t e r i s n o t m e a n t t o p r o v i d e e x h a u s t i v e ‘ d e t a i l s o f e a c h c h a r a c t e r i z a t i o n t e c h n i q u e . b u t i n s t e a d t o l a y a f o u n d a t i o n f o r a b a s i c u n d e r s t a n d i n g o f e a c h t e c h n i q u e . a l o n g w i t h i t s s h o r t c o m i n g s , a n d e x a c t d a t a a c q u i s i t i o n m e t h o d o l o y . S e v e r a l p e r t i n e n t r e f e r e n c e s f o r e a c h t e c h n i q u e a r e p r o v i d e d i f f u r t h e r s t u d y i s r e q u i r e d . F o r m e a s u r e m e n t o f s o m e p a r a m e t e r s ( l i k e t h e i o n e n e r y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n ) , n e w - a n d p o s s i b l y n e x t g e n e r a t i o n m e t h o d s o f d a t a a c q u i s i t i o n a r e a l s o d e s c r i b e d . C h a p t e r F o u r b e g i n s t h e e x p e r i m e n t a l s e c t i o n o f t h i s d i s s e r t a t i o n . T h e m i c r o w a v e p l a s m a d i s c r e a c t o r 6 1 0 ( M P D R 6 l o w ) i s i n t r o d u c e d a n d d e s c r i b e d . ( N o t e t h a t d u r i n g t h e c o u r s e o f t h i s d i s s e r t a t i o n . t h e t e r m s “ M P D R 6 1 0 ” a n d “ 6 1 0 ” m a y b e u s e d i n t e r c h a n g e a b l y . a n d n e i t h e r i s t o b e c o n f u s e d w i t h t h e “ 6 1 0 - a , ” w h i c h i s a m o d i fi c a t i o n o f t h e 6 1 0 . a n d w i l l b e i n t r o d u c e d i n C h a p t e r S i x . ) W h i l e t h e c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e 6 1 0 w a s c o n d u c t e d o n s e v e r a l v a c u u m s y s t e m s , t h e “ Y o r k t o w n - ' 1 ' ” t h a t w a s u s e d f o r a m a j o r i t y o f t h e e x p e r i m e n t s i s 1 d e s c r i b e d i n t h i s c h a p t e r . O t h e r v a c u u m s y s t e m s t h a t w e r e u s e d w i l l b e d e s c r i b e d i n t h e a p p r o p r i a t e c h a p t e r s . C h a r a c t e r i z a t i o n r e s u l t s o f o p e r a t i n g t h e M P D R 6 1 0 a t 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e f r e q u e n c y a r e p r e s e n t e d . T h e s e r e s u l t s i n c l u d e m e a s u r e m e n t s o f i o n d e n s i t y . e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . p l a s m a p o t e n t i a l . e l e c t r o n a n d i o n e n e r y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s , a s t h e s e o u t p u t p a r a m e t e r s v a r y w i t h i n p u t p r e s s u r e , p o w e r l e v e l s a n d p o s i t i o n d o w n s t r e a m f r o m t h e 6 l 0 . T h e 1 8 r e s u l t s d i s c u s s e d i n t h i s c h a p t e r w e r e p r e s e n t e d a t s e v e r a l c o n f e r e n c e s . i n c l u d i n g t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s ( 1 0 1 8 - 9 1 ) i n B e n s h e i r n . G e r m a n y a n d s u b s e q u e n t l y p u b l i s h e d i n t h e p r o c e e d i n g s . T h e 6 1 0 i s a u n i q u e i o n s o u r c e t h a t c a n o p e r a t e a t a n y o f a l a r g e b a n d o f m i c r o w a v e f r e q u e n c i e s d u e t o i t s c o a x i a l s t r u c t u r e ( r e f e r t o C h a p t e r F o u r f o r f u r t h e r e x p l a n a t i o n s ) . T h e r e s u l t s o f e x c i t i n g t h e 6 1 0 a t 9 1 5 M H z a r e p r e s e n t e d i n C h a p t e r F i v e . S i m i l a r e x p e r i m e n t s a s t h o s e d o n e f o r C h a p t e r F o u r w e r e a l s o c o n d u c t e d a t t h e o p e r a t i n g f r e q u e n c y o f 9 1 5 M H z , a n d t h e r e s u l t s ( s i m i l a r i t i e s a n d d i f f e r e n c e s ) o f t h e t w o f r e q u e n c i e s o f e x c i t a t i o n a r e c o m p a r e d i n C h a p t e r . ' F i v e . T h e s e r e s u l t s w e r e p r e s e n t e d a t t h e A m e r i c a n V a c u u m S o c i e t y s y m p o s i u m ( A V S - 9 2 ) i n C h i c a g o , U S A a n d s u b s e q u e n t l y p u b l i s h e d i n t h e p r o c e e d i n g s . F u r t h e r c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 n e c e s s i t a t e d t h e d e v e l o p m e n t o f t h e 6 1 0 - a . A s w i l l b e i n f e r r e d f r o m C h a p t e r s F o u r a n d F i v e . t h e M P D R 6 1 0 w a s d e s i g n e d t o b e i n s e r t e d d e e p i n t o v a c u u m s y s t e m s t o g e n e r a t e a p l a s m a c l o s e t o t h e s u b s t r a t e s u r f a c e , a n d a w a y f r o m t h e v a c u u m s e a l . T h e 6 1 0 - a d o e s n o t e x t e n d i n s i d e t h e v a c u u m c h a m b e r a s d o e s t h e M P D R 6 1 0 . I n s t e a d , i n t h e 6 1 0 - a . t h e p l a s m a i s g e n e r a t e d c l o s e t o t h e v a c u u m s e a l . T h i s a l l o w s f o r t h e e n t i r e b o d y o f t h e 6 1 0 - a t o s t a y o u t s i d e o f v a c u u m . M i c r o - c o a x i a l p r o b e s c a n t h e n b e u s e d t o d e t e r m i n e t h e e l e c t r i c fi e l d p a t t e r n s . a n d t h e a b s o l u t e ( c a l i b r a t e d ) e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h o n t h e i n n e r s u r f a c e o f t h e 6 1 0 — a . A l l i n t e r n a l d i m e n s i o n s o f t h e 6 1 0 — a a r e s i m i l a r t o t h o s e o f t h e o r i g i n a l 6 1 0 . a n d t h e s l i d i n g s h o r t / c e n t e r c o n d u c t o r a s s e m b l y o f t h e l a t t e r w a s i n t e r c h a n g e a b l y u s e d f o r b o t h s o u r c e s . C h a p t e r S i x e x p l o r e s t h e s e e l e c t r i c fi e l d s t h a t e x i s t i n s i d e t h e 6 1 0 - a . a n d b y i n f e r e n c e i n s i d e t h e 6 1 0 . a n d h o w t h e s e fi e l d s c h a n g e a s t h e p r e s s u r e . p o w e r a n d g a s t y p e a r e v a r i e d . T h i s c h a p t e r a l s o b r i n g s t o g e t h e r c o n c e p t s o f l 9 l o a d e d . a n d e m p t y c a v i t y q u a l i t y f a c t o r s t o d e t e r m i n e t h e c o u p l i n g e f fi c i e n c y o f t h e “ c a v i t y a p p l i c a t o r " o f t h e 6 1 0 . P o w e r l o s s t o t h e w a l l s i s c a l c u l a t e d b a s e d o n t h e m e a s u r e d a b s o l u t e e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h s . a n d t h i s p r o v i d e s f u r t h e r i n f o r m a t i o n o n t h e c o u p l i n g e f fi c i e n c y o f t h e M P D R 6 1 0 c a v i t y s t r u c t u r e . F i n a l l y . a l u m p e d c i r c u i t m o d e l f o r t h e 6 1 0 e m e r g e s , b a s e d o n t h e c a l c u l a t i o n o f c o u p l i n g e f fi c i e n c y . R e s u l t s o f t h i s c h a p t e r w e r e p r e s e n t e d a t t h e I E E E C o n f e r e n c e o n P l a s m a S c i e n c e s ( I C O P S - 9 4 ) i n S a n t a F e , N e w M e x i c o . U S A a n d s u b s e q u e n t l y p u b l i s h e d i n a r e f e r e e d j o u r n a l . C h a p t e r S e v e n s h i f t s g e a r s s l i g h t l y w h e n a t t e n t i o n i s m o v e d f r o m t h e 6 1 0 ( a n d 6 l O — a ) t o a n o t h e r c o m p a c t E C R m i c r o w a v e i o n s o u r c e t h a t w a s d e v e l o p e d a t t h e B E l a b o r a t o r y s e v e r a l y e a r s a g o - t h e M P D R 5 . W h i l e t h i s s o u r c e h a s b e e n e v a l u a t e d e a r l i e r . t h e r e w e r e s i g n i fi c a n t g a p s i n i t s c h a r a c t e r i z a t i o n . F u r t h e r e x p e r i m e n t a t i o n o n t h i s s o u r c e w a s t h e r e f o r e c o n d u c e d f o r t h i s c h a p t e r i n t e r m s o f i t s i o n e n e r y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s , i o n d e n s i t y . e t c . a s t h e u s u a l p a r a m e t e r s o f p r e s s u r e , p o w e r a n d p o s i t i o n w e r e v a r i e d . R e s u l t s o f t h i s c h a p t e r w e r e i n c o r p o r a t e d w i t h p r i o r s t u d i e s b y o t h e r r e s e a r c h e r s . a n d p r e s e n t e d a t t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s ( I C I S - 9 3 ) i n B e i j i n g . C h i n a a n d s u b s e q u e n t l y c o - p u b l i s h e d i n t h e p r o c e e d i n g s . C h a p t e r s E i g h t . N i n e a n d T e n d e p a r t f r o m t h e E B P l a s m a S c i e n c e l a b o r a t o r y a n d t o t h e i o n s o u r c e f a c i l i t y o f t h e N S C L . w h e r e s e v e r a l i n t e r e s t i n g j o i n t e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d . T h e S u p e r c o n d u c t i n g E C R i o n s o u r c e ( S C E C R ) p r o d u c e s m u l t i p l y c h a r g e d i o n s f o r i n j e c t i o n i n t o t h e t w o p a r t i c l e a c c e l e r a t o r s ( c y c l o t r o n s ) a t t h e N S C L . E C R I S t h a t a r e u s e d t o c r e a t e m u l t i p l y c h a r g e d i o n b e a m s g e n e r a l l y h a v e t w o s t a g e s . T h e fi r s t s t a g e w a s n o r m a l l y t h o u g h t t o p r e - i o n i z e t h e d i s c h a r g e g a s b e f o r e i n j e c t i o n i n t o t h e m a i n s t a g e o f 2 0 t h e m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S . C h a p t e r E i g h t i s a n a p p l i c a t i o n s o r i e n t e d s t u d y o f t h e 6 1 0 a s a n i n j e c t o r s t a g e f o r t h e 6 . 4 G H z S C E C R t o s t u d y t h e e x a c t e f f e c t s o f t h e fi r s t s t a g e o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R . T h e 6 1 0 c o u l d b e p o s i t i v e l y b i a s e d r e l a t i v e t o t h e m a i n s t a g e f o r i o n i n ] e c t i o n , o r n e g a t i v e l y b i a s e d ( a g a i n , r e l a t i v e t o t h e m a i n s t a g e ) f o r e l e c t r o n i n j e c t i o n i n t o t h e m a i n s t a g e . O r i t c o u l d b e fl o a t e d f o r n e u t r a l p l a s m a i n j e c t i o n . H e n c e i t c o u l d b e d e t e r m i n e d w i t h o n e s e t o f e x p e r i m e n t s w h e t h e r t h e m a i n s t a g e o f t h e m u l t i p l y c h a r g e d i o n s o u r c e r e q u i r e s n e g a t i v e . p o s i t i v e o r n e u t r a l i n j e c t i o n f r o m t h e fi r s t s t a g e . R e s u l t s o f t h i s s t u d y w e r e p r e s e n t e d a t t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s ( I C I S - 9 3 ) i n B e i j i n g , C h i n a a n d s u b s e q u e n t l y p u b l i s h e d i n t h e p r o c e e d i n g s . C h a p t e r N i n e i s a s t u d y o f t h e 6 1 0 a s a n i o n b e a m s o u r c e . w h e r e t h e s o u r c e i s s e t u p o n a t e s t s t a n d ( a n o t h e r v a c u u m s y s t e m ) a t t h e N S C L . a n d a n i o n b e a m i s e x t r a c t e d f r o m i t . D e s c r i p t i o n o f t h e n e w v a c u u m s t a t i o n i s f o l l o w e d b y t h e r e s u l t s o f b e a m e x t r a c t i o n f r o m t h e M P D R 6 1 0 . T h e fi r s t k n o w n p h o t o g r a p h s o f t h e e f f e c t s o f i n c r e a s i n g e x t r a c t i o n v o l t a g e o n t h e p l a s m a m e n i s c u s ( t h e i o n e m i t t i n g s u r f a c e ) a r e p r e s e n t e d . P r i o r r e s u l t s o f t h e 6 1 0 o n t h e a n a l y s i s m a g n e t o f t h e S C E C R b e a m l i n e a r e a l s o p r e s e n t e d . a l o n g w i t h c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n s p e c t r a , a n d e m i t t a n c e m e a s u r e m e n t r e s u l t s . R e s u l t s o f t h i s s t u d y w e r e p r e s e n t e d a s a l a t e e n t r y t o t h e I E E E C o n f e r e n c e o n P l a s m a S c i e n c e s ( I C O P S - 9 4 ) i n S a n t a F e . N e w M e x i c o . U S A . C h a p t e r T e n i s a n a n a l y s i s o f t h e p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R w h e n i t i s e x c i t e d a t a ' l o w e r m i c r o w a v e f r e q u e n c y o f 2 . 4 5 G H z . T h i s r a t h e r i n t e r e s t i n g s e t o f e x p e r i m e n t s i n d i c a t e d t h a t w h i l e t h e S C E C R p e r f o r m a n c e i n i t ’ s “ H i g h - B “ m o d e a t 2 . 4 5 G H z i s n o t a s i m p r e s s i v e a s t h e S C E C R H i g h - B p e r f o r m a n c e a t 6 . 4 G H z , i t i s p e r f e c t l y f e a s i b l e t o d e s i g n a m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e i o n s o u r c e a t t h e 2 1 m o r e a b u n d a n t l y a v a i l a b l e ( a n d t h e r e f o r e m u c h c h e a p e r ) f r e q u e n c y o f 2 . 4 5 G H z . T h e s u r p r i s i n g r e s u l t s o f t h i s c h a p t e r a l s o c a l l i n t o q u e s t i o n t h e d e p e n d e n c e o f t h e d e s i g n e r s o f m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S o n t h e o f t e n q u o t e d “ l a w o f f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g o f t h e i o n d e n s i t y . “ A n i n v e n t i o n d i s c l o s u r e f o r t h e d e s i g n o f t h i s n e w m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S a t 2 . 4 5 G H z h a s b e e n s u b m i t t e d t o t h e O f fi c e o f I n t e l l e c t u a l P r o p e r t y o f M S U . a n d a n i n t e r n a t i o n a l a n d U S p a t e n t i s c u r r e n t l y p e n d i n g . A l s o . r e s u l t s o f t h i s s t u d y w i l l b e p r e s e n t e d a t t h e f o r t h c o m i n g I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s ( I C I S - 9 5 ) i n W h i s t l e r . C a n a d a . a n d s u b s e q u e n t l y p u b l i s h e d i n t h e p r o c e e d i n g s . C h a p t e r E l e v e n t h e n b r i n g s t o a c l o s u r e t h e e f f o r t s o f t h e p a s t fi v e y e a r s w i t h a r e c a p i t u l a t i o n o f t h e c o n c l u s i o n s a b o u t t h e M P D R 6 1 0 . t h e 6 1 0 - a , a n d t h e c o l l a b o r a t i v e e x p e r i m e n t s a t t h e N S C L . N o e x p e r i m e n t a l w o r k i s e v e r q u i t e c o m p l e t e h o w e v e r . a n d p r o p o s a l s f o r f u r t h e r r e s e a r c h o n t h i s s e t o f i o n s o u r c e s a r e c i t e d a t t h e c u l m i n a t i o n o f t h i s d i s s e r t a t i o n a s a g u i d e f o r f u t u r e r e s e a r c h e r s . C h a p t e r 2 C o n t a c t P l u m ; S o m e s - 3 B r i e f R e v i e w 2 . 1 I n t r o d u c t i o n 2 . 2 T h e R e v i e w P r o c e s s 2 . 2 . 1 T h e K y o t o U n i v e r s i t y M i c r o w a v e E C R I o n B e a m S o u r c e 2 . 2 . 2 T h e H i t a c h i n o n - E C R M i c r o w a v e I o n S o u r c e 2 . 2 . 3 C o m p a c t E C R S o u r c e o f I o n s a n d R a d i c a l s f r o m R u s s i a 2 . 2 . 4 T h e J a p a n e s e E C R R a d i c a l G u n 2 . 2 . 5 T h e C o m p a c t E C R I o n S o u r c e f r o m R I K E N , J a p a n 2 . 2 . 6 T h e N . C . S t a t e / A S T e X I n c . C o m p a c t E C R P l a s m a S o u r c e 2 . 2 . 7 T h e N . T . T . L S I l a b o r a t o r i e s C o m p a c t E C R I o n s o u r c e 2 . 2 . 8 T h e O x f o r d A p p l i e d R e s e a r c h A t o m / R a d i c a l B e a m s o u r c e 2 . 2 . 9 A 2 . 4 5 G H z . C o m p a c t E C R S o u r c e f r o m F r a n c e 2 . 2 . 1 0 T h e M i c r o s c i e n c e . I n c . I o n B e a m S o u r c e 2 . 3 D i s c u s s i o n - I o n / I o n B e a m / P l a s m a S o u r c e s 2 . 4 D i s c u s s i o n - F i g u r e s o f M e r i t 2 . 5 C o n c l u d i n g R e m a r k s C fi a p t e r Z g o m g a c t f I a s m a S o u r c e s : ) 1 t h i e f r e v i e w 2 . 1 I n t r o d u c t i o n W i t h t h e a d v e n t o f p l a s m a p r o c e s s i n g t e c h n o l o y i n t h e i n d u s t r i a l e n v i r o n m e n t . t h e r e h a s b e e n a c o n c e r t e d e f f o r t i n i o n a n d f r e e r a d i c a l s o u r c e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t s t e m m i n g f r o m t h e d e m a n d s o f a v a r i e d fi e l d o f r e s e a r c h - i n c l u d i n g p l a s m a p h y s i c s . a t o m i c p h y s i c s , i o n a c c e l e r a t o r s , b u t m o s t s p e c i fi c a l l y f r o m t h e s e m i c o n d u c t o r i n d u s t r y . A v a r i e t y o f i n n o v a t i v e p l a s m a s o u r c e d e s i g n s h a v e b e e n d e v e l o p e d w i t h t h e i r d i m e n s i o n s a n d c h a r a c t e r i s t i c s b e i n g p r e d i c a t e d b y t h e p r o c e s s a n d t h e a p p l i c a t i o n . P l a s m a s o u r c e s h a v e b e e n d e s i g n e d t o w o r k t h r o u g h a v a s t r a n g e o f p o w e r ( f e w t e n s o f w a t t s t o f e w h u n d r e d s o f k W a t t s ) . p r e s s u r e ( s e v e r a l a t m o s p h e r e s t o s u b m i l l i T o r r ) a n d f o r c r a c k i n g s e v e r a l t y p e s o f g a s e s o r m e t a l v a p o r s . . O f t h e v a s t v a r i e t y o f p l a s m a s o u r c e s t h a t h a v e b e e n d e v e l o p e d , o n e s u b s e t c o n s i s t s o f t h e c o m p a c t m i c r o w a v e i o n / p l a s m a s o u r c e s . S o m e o f t h e s e a r e u s e d a s a I s o u r c e o f i o n s . w h i l e o t h e r s a s r e a c t i v e f r e e r a d i c a l s o u r c e s , a n d y e t o t h e r s h a v e e n e r g e t i c i o n b e a m s e x t r a c t e d f r o m t h e m . A p p l i c a t i o n s o f t h e s e 2 2 2 3 p l a s m a s o u r c e s r a n g e f r o m m o l e c u l a r b e a m e p i t a x y ( M B E ) n i t r i d i n g o f G a N a n d I m N . h i g h T c s u p e r c o n d u c t i n g t h i n fi l m d e p o s i t i o n u s i n g r e a c t i v e o x y g e n r a d i c a l s . f r e e r a d i c a l p r e - c l e a n i n g o f G a A s w a f e r s u s i n g r e a c t i v e a t o m i c h y d r o g e n . l o w t e m p e r a t u r e e t c h i n g . o x y g e n i m p l a n t a t i o n u s i n g a n e n e r g e t i c o x y g e n b e a m a m o n g o t h e r u s e s . P l a s m a t e c h n o l o y . a n d i o n s o u r c e d e v e l o p m e n t c o n t i n u e s t o e x e r t i t s s t r o n g i n fl u e n c e o n t h e s e m i c o n d u c t o r a n d m a t e r i a l s p r o c e s s i n g i n d u s t r y . 2 . 2 T h e R e v i e w P r o c e s s F o r a b a s i c u n d e r s t a n d i n g o f t h e s t a t e o f t h e a r t i n i o n s o u r c e d e s i g n . a n d a l s o t o p r o v i d e a p l a t f o r m o f c o m p a r a t i v e i n f o r m a t i o n ( l i k e s o u r c e d i m e n s i o n s . d i a g n o s t i c s d a t a . e t c . ) . t h i s c h a p t e r r e v i e w s s e v e r a l c o m p a c t p l a s m a s o u r c e s c u r r e n t l y u s e d i n t h e s e m i c o n d u c t o r i n d u s t r y . W h i l e t h e d e fi n i t i o n o f “ c o m p a c t “ i s r a t h e r s u b j e c t i v e , a n i n n e r s o u r c e d i a m e t e r o f a b o u t 1 0 c m o r l e s s i s c o n s i d e r e d t o b e c o m p a c t i n t h i s s t u d y . H o w e v e r . t h e a d h e r e n c e t o t h i s “ c u t o f f ‘ c r i t e r i o n d u r i n g t h i s r e v i e w p r o c e s s i s l o o s e a t b e s t , s o a s t o s t u d y a v a r i e t y o f i n t e r e s t i n g a n d u n i q u e c o m p a c t i o n / p l a s m a s o u r c e s . B a s e d o n t h i s s o m e w h a t f l e x i b l e c r i t e r i o n . t e n c o m p a c t p l a s m a s o u r c e s a r e r e v i e w e d i n t h i s c h a p t e r . T o f u r t h e r s p e c i a l i z e t h i s r e v i e w . t h e f r e q u e n c y o f e x c i t a n n f o r t h e s e s o u r c e s i s i n t h e S b a n d - t h e m i c r o w a v e r a n g e ( s e v e r a l h u n d r e d M H z u p t o 1 0 0 G H z ) i n m o s t i o n s o u r c e s . w h i l e o n e o f t h e s o u r c e s i s e x c i t e d a t r a d i o f r e q u e n c y ( r f - s o m e t e n s o f M H z ) . E a c h s o u r c e i s i n d i v i d u a l l y d e s c r i b e d i n t e r m s o f i t s p h y s i c a l d e s i g n . a s s i s t e d b y d e t a i l e d ( t h o u g h n o t t o s c a l e ) fi g u r e s . T h e s e fi g u r e s a r e 2 4 r e p r o d u c t i o n s f r o m t h e p u b l i s h e d l i t e r a t u r e o n t h a t i o n / p l a s m a s o u r c e . D u r i n g t h e s o u r c e d e s c r i p t i o n . n u m b e r s i n p a r e n t h e s e s i n d i c a t e t h e l a b e l l e d p a r t s i n t h e a c c o m p a n y i n g fi g u r e . A n i m p o r t a n t a s p e c t t h a t d e fi n e s e a c h s o u r c e i s t h e m e t h o d o f p o w e r t r a n s f e r . i n t o t h e d i s c h a r g e g a s f r o m t h e s o u r c e ’ s p o w e r c o u p l i n g s t r u c t u r e . W h i l e t h e s p e c i fi c p o w e r c o u p l i n g s t r u c t u r e i s r e l a t i v e l y e a s y t o d e s c r i b e . t h e a c t u a l m e c h a n i s m o f p o w e r t r a n s f e r i s u s u a l l y n o t t h a t e a s y t o e x p l a i n . W h e r e p o s s i b l e . t h e p o w e r c o u p l i n g m e c h a n i s m s f o r e a c h s o u r c e a r e d i s c u s s e d . o r s p e c u l a t e d i f s u i t a b l e i n f o r m a t i o n i s n o t s p e c i fi c a l l y p r o v i d e d i n t h e s o u r c e l i t e r a t u r e . P e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o u r c e a r e t h e n p r e s e n t e d . W h i l e d i f f e r e n t r e s e a r c h e r s p e r f o r m d i f f e r e n t c h a r a c t e r i z a t i o n e x p e r i m e n t s , c e r t a i n fi g u r e s o f m e r i t f o r e a c h i o n s o u r c e a r e c o m m o n l y m e a s u r e d . l i k e i o n / e l e c t r o n d e n s i t y ( i n c m ‘ 3 ) , e l e c t r o n t e m p e r a t u r e ( i n d e g r e e K e l v i n , o r e V ; 1 e V = 1 1 . 6 0 4 . 4 K ) , a v e r a g e i o n / e l e c t r o n e n e r y ( i n e V ) a n d t h e i o n / e l e c t r o n e n e r y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s , a n d i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y ( i n m A - c m ‘ z ) . F r e e r a d i c a l s o u r c e s a r e g e n e r a l l y c h a r a c t e r i z e d i n t e r m s o f t h e i r a t o m i c fl u x ( i n m A - c m ‘ z - s ‘ l ) a n d fi l m g r o w t h a n a l y s e s . m e a s u r e d i n d i r e c t l y b y X P S , r e fl e c t i o n h i g h e n e r y e l e c t r o n d i f f r a c t i o n ( R H E E D ) . o r q u a r t z c r y s t a l r n i c r o b a l a n c e ( Q C M ) s t u d i e s o f t h e fi l m . O p t i c a l e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y ( O E S ) d a t a a r e a l s o p r o v i d e d b y s o m e r e s e a r c h e r s t o i d e n t i f y i n d i v i d u a l s p e c i e s w i t h i n t h e p l a s m a . I o n b e a m d a t a a r e g e n e r a l l y p r o v i d e d a s t h e t o t a l b e a m c u r r e n t ( i n m A o r 1 1 A . a s s u m i n g 1 0 0 % b e a m a c c e p t a n c e b y a s h i e l d e d F a r a d a y c u p ) . o r b e a m c u r r e n t d e n s i t y ( i n m A - c m ’ z ) t h a t a c c o u n t s f o r t h e F a r a d a y c u p ' s c o l l e c t i o n a r e a . T h e e m i t t a n c e ( i n m m - m R a d ) . o r t h e n o r m a l i z e d e r r r i t t a n c e w h e r e r e l a t i v i s t i c e f f e c t s o f t h e b e a m a r e t a k e n i n t o a c c o u n t ( a l s o i n m m - m R a d ) . a n d b r i g h t n e s s ( i n A - m ’ z - r a d ‘ z ) o f t h e 2 5 b e a m a r e a l s o c h a r a c t e r i s t i c o f t h e i o n b e a m s o u r c e a n d i t s e x t r a c t i o n a p p a r a t u s . T h e s e t w o m e a s u r e m e n t s o f t h e i o n b e a m i n d i c a t e t h e e f fi c i e n c y o f t h e e x t r a c t i o n a p p a r a t u s . a n d t h e t r a n s m i s s i o n p r o p e r t i e s o f t h e b e a m t r a n s p o r t s y s t e m . M a s s s p e c t r o m e t r y o f a d i s c h a r g e , t y p i c a l l y u s i n g a q u a d r u p o l e m a s s s p e c t r o m e t e r ( Q M S ) . c a n p r o d u c e a c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n ( C S D ) t h a t g i v e s t h e r e l a t i v e c u r r e n t i n t e n s i t y f o r e a c h c h a r g e s t a t e p r e s e n t i n t h e b e a m . D e t a i l s o f s e v e r a l c h a r a c t e r i z a t i o n t e c h n i q u e s m e n t i o n e d a b o v e a r e p r e s e n t e d i n C h a p t e r T h r e e - t h e s e t e c h n i q u e s w e r e u t i l i z e d t o e v a l u a t e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e f o u r m a j o r E C R p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e s s t u d i e d d u r i n g t h e c o u r s e o f t h i s d i s s e r t a t i o n . I n p u t p o w e r . i n a l l c a s e s i m p l i e s t h e n e t p o w e r b e i n g a b s o r b e d b y t h e d i s c h a r g e a n d / o r t h e i o n s o u r c e . I t i s t h e d i f f e r e n c e o f t h e t o t a l i n c i d e n t p o w e r a n d t h e r e fl e c t e d p o w e r f r o m t h e p l a s m a s o u r c e . t a k i n g i n t o a c c o u n t a l l a t t e n u a t i o n f a c t o r s p e r t a i n i n g t o p o w e r l o s s i n t h e c a b l e s . c o n n e c t o r s . s o u r c e w a l l s , e t c . T h i s r e v i e w p r o c e s s c o n c l u d e s w i t h a g e n e r a l d i s c u s s i o n o f c o m p a c t m i c r o w a v e i o n s o u r c e s t h a t a r e s t u d i e d i n t h i s c h a p t e r . w i t h a b r i e f c o m p a r i s o n . w h e r e p o s s i b l e . o f t h e fi g u r e s o f m e r i t t h a t d e fi n e t h e s e s o u r c e s . A d i s c u s s i o n o f t h e n e c e s s i t y t o s t a n d a r d i z e c e r t a i n fi g u r e s o f m e r i t a l s o f o l l o w s . M a n y o f t h e s o u r c e s d i s c u s s e d h e r e h a v e c o m m e r c i a l v e r s i o n s a v a i l a b l e . a n d a l l a r e u s e d f o r p r o c e s s i n g a p p l i c a t i o n s , o r a s t o o l s f o r f u n d a m e n t a l p l a s m a p h y s i c s a n d c h e m i s t r y i n v e s t i g a t i o n s . W h e r e r e p o r t e d i n l i t e r a t u r e , t h e v a r i o u s a p p l i c a t i o n s o f t h e p l a s m a / i o n / i o n b e a m s o u r c e s a r e d e t a i l e d . T h i s r e v i e w c o n fi n e s i t s e l f t o c o m p a c t p l a s m a s o u r c e s a n d s o m e i o n b e a m s o u r c e s u s e d ‘ i n m a t e r i a l s p r o c e s s i n g a n d s e m i c o n d u c t o r a p p l i c a t i o n s . A 2 6 s i g n i fi c a n t o m i s s i o n f r o m t h i s s t u d y . t h e r e f o r e . i s t h e f a m i l y o f m i c r o w a v e i o n b e a m s o u r c e s u s e d i n a c c e l e r a t o r l a b o r a t o r i e s t h r o u g h o u t t h e w o r l d . W h i l e . m o s t o f t h e s e i o n s o u r c e s u s e d i n a t o m i c a n d p a r t i c l e p h y s i c s r e s e a r c h ( i n c l u d i n g p a r t i c l e a c c e l e r a t o r s ) a r e l a r g e a n d b u l k y , s o m e m a y b e c l a s s i fi e d a s “ c o m p a c t . ” T h e m a i n d i f f e r e n c e b e t w e e n a c c e l e r a t o r i o n b e a m s o u r c e s a n d t h o s e u s e d i n p r o c e s s i n g a p p l i c a t i o n s i s t h a t t h e f o r m e r a r e d e s i g n e d t o p r o d u c e h i g h l y c h a r g e d s p e c i e s w i t h m u l t i p l y s t r i p p e d i o n s , w h i c h a r e t h e n e x t r a c t e d a s a v e r y e n e r g e t i c b e a m ( u p t o s e v e r a l t e n s o f k V e x t r a c t i o n p o t e n t i a l ) . a n d i n j e c t e d i n t o t h e a c c e l e r a t o r s f o r f u r t h e r e n e r y g a i n . T h e l a t t e r v a r i e t y o n t h e o t h e r h a n d ( t h e p l a s m a / i o n s o u r c e s u s e d i n s u b s t r a t e p r o c e s s i n g a p p l i c a t i o n s ) . r e q u i r e o n l y s i n g l y c h a r g e d i o n s t o p r e v e n t s u b s t r a t e d a m a g e f r o m e n e r g e t i c i o n b o m b a r d m e n t . ( T h e h i g h e r t h e c h a r g e s t a t e o f t h e i o n , t h e m o r e e n e r y i t g a i n s w h i l e b e i n g a c c e l e r a t e d t h r o u g h a n e x t r a c t i o n p o t e n t i a l , o r e v e n w h i l e f a l l i n g t h r o u g h t h e p l a s m a p o t e n t i a l w i t h i n t h e d i s c h a r g e . ) N o t e t h a t w h i l e i o n b e a m s o u r c e s u s e d i n i o n i r n p l a n t e r s d o p r o d u c e m u l t i p l y c h a r g e d s p e c i e s ( l i k e 0 2 * ) t o r e d u c e t h e r e q u i r e d a c c e l e r a t i o n p o t e n t i a l . t h e b e a m e n e r g i e s a n d m o s t o t h e r o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f i o n i r n p l a n t e r s o u r c e s a r e s t i l l v e r y d i f f e r e n t f r o m h i g h c h a r g e s t a t e p r o d u c i n g i o n s o u r c e s . W h i l e e a c h p l a s m a s o u r c e d i s c u s s e d i n t h i s c h a p t e r v a r i e s f r o m t h e o t h e r . t h e y h a v e m a n y t h i n g s i n c o m m o n . M o s t a r e e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e ( E C R ) b a s e d i o n s o u r c e s t h a t r e q u i r e a s t a t i c m a g n e t i c fi e l d t o c r e a t e r e s o n a n t c o n d i t i o n s f o r t h e e l e c t r o n g a s . w h i l e s o m e a r e o f f r e s o n a n c e d e v i c e s ( n o n E C R ) . N o n E C R s o u r c e s e m p l o y e s s e n t i a l l y J o u l e h e a t i n g a n d o t h e r m e c h a n i s m s o f p o w e r t r a n s f e r s u c h a s s t o c h a s t i c ( n o n c o l l i s i o n a l ) h e a t i n g - a s d i s c u s s e d i n C h a p t e r O n e - t o c r e a t e a n d s u s t a i n t h e p l a s m a . T h e r e a r e u s u a l l y s o m e 2 7 m a g n e t s e v e n i n n o n E C R p l a s m a s o u r c e s t o c o n fi n e a n d c o n t r o l t h e d i f f u s i o n o f c h a r g e d s p e c i e s . o u t o f t h e s o u r c e . S o m e s o u r c e s u s e p e r m a n e n t m a g n e t s , m a i n l y t o s i m p l i f y t h e d e s i g n a n d r e d u c e o v e r a l l s i z e a n d p e r i p h e r a l a p p a r a t u s c o s t s , w h i l e o t h e r s r e l y o n c u r r e n t c o i l s f o r b e t t e r c o n t r o l o f fi e l d s t r e n g t h w h i l e s a c r i fi c i n g s o m e o f t h e s i m p l i c i t y a n d c o s t b e n e fi t s o f p e r m a n e n t m a g n e t s ( c u r r e n t c o i l s r e q u i r e w a t e r c o o l i n g . a n d p e r i p h e r a l p o w e r s u p p l i e s t o c o n t r o l t h e m a g n e t i c f l u x ) . A n i m p o r t a n t p o i n t n e e d s t o b e m a d e a b o u t r e s o n a n c e - a t o p i c t h a t w i l l c o m e u p w h i l e d e s c r i b i n g s e v e r a l s o u r c e s . T h e r e a r e t w o t y p e s o f “ r e s o n a n t s o u r c e s ” t h a t w i l l b e d i s c u s s e d . T h e m i c r o w a v e p l a s m a d i s k r e a c t o r s ( M P D R s ) d e s i g n e d a t M S U i n t h e E E l a b o r a t o r i e s h a v e t u n a b l e r e s o n a n t c a v i t i e s t h a t s e t u p s p e c i fi c e l e c t r o m a g n e t i c r e s o n a n t m o d e s w i t h i n t h e a d j u s t a b l e c a v i t i e s . T h i s t y p e o f r e s o n a n c e h a s t o b e d i f f e r e n t i a t e d f r o m t h e e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e . w h i c h a l l E C R b a s e d s o u r c e s i n c o r p o r a t e . H e n c e . a “ r e s o n a n t c a v i t y ” m a y s i m p l y b e t h e s o u r c e ' s r e l i a n c e o n E C R , o r i t m a y m e a n t h a t t h e s o u r c e h a s a d j u s t a b l e d i m e n s i o n s t h a t a r e t u n a b l e t o a p p r o p r i a t e E M m o d e s , a s i n t h e c a s e o f t h e M P D R f a m i l y o f s o u r c e s . T h i s d i s t i n c t i o n w i l l b e p o i n t e d o u t w h e n t h e s o u r c e s a r e d i s c u s s e d d u r i n g t h e a p p r o p r i a t e s e c t i o n s . I t i s e x p e c t e d t h a t o n c e t h i s r e v i e w i s c o m p l e t e d . i t w i l l p r o v i d e a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f i o n s o u r c e s ( b o t h E C R a n d n o n - E C R ) i n t e r m s o f t h e i r d e s i g n p a r a m e t e r s . o p t i m a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a n d p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . A l s o . a s a w a r e n e s s g r o w s a b o u t t h e s e v a r i o u s p l a s m a s o u r c e s , a b a s i s w i l l b e f o r m e d t o m o r e t h o r o u g h l y u n d e r s t a n d a n d c o m p a r e t h e e v a l u a t i v e r e s u l t s o b t a i n e d d u r i n g t h e p a s t fi v e y e a r s o f r e s e a r c h o n t h e f o u r p r i m a r y p l a s m a s o u r c e s t h a t a r e d e t a i l e d i n C h a p t e r s F o u r t h r o u g h T e n o f t h i s d i s s e r t a t i o n . 2 8 2 . 5 ' n e w ; ' 1 : 1 0 : = a m 1 o L I n 1 9 8 3 . I s h i k a w a e t a l . a t K y o t o U n i v e r s i t y i n J a p a n r e p o r t e d t h e d e v e l o p m e n t o f a l o w p o w e r c o m p a c t E C R m i c r o w a v e i o n s o u r c e w i t h a n o n r e s o n a n t c a v i t y s t r u c t u r e [ I s h - 8 4 . S a k - 8 9 ] . S h o w n i n F i g u r e 2 . 1 ( n o t t o s c a l e ) , t h e s o u r c e h a s a n o v e r a l l d i a m e t e r o f 5 . 0 c m . a n d h e i g h t o f 6 . 5 c m . T h e p l a s m a c h a m b e r i s 1 . 6 c m i n d i a m e t e r a n d 5 m m i n e f f e c t i v e h e i g h t , e n d i n g i n a 2 m m n o n f e r r o - m a g n e t i c a p e r t u r e . T h e g a p b e t w e e n t h i s a p e r t u r e a n d t h e e x t r a c t i o n e l e c t r o d e ( 5 ) i s 3 m m . T h e b a s e fl a n g e i s w a t e r c o o l e d . a l l o w i n g t h e u s e o f a V i t o n O - r i n g f o r s e a l i n g t h i s fl a n g e t o t h e r e s t o f t h e s o u r c e . a l t h o u g h t h e s o u r c e i t s e l f u s e s a c o p p e r g a s k e t t o s e a l t o t h e v a c u u m c h a m b e r . A s h e a t h h e a t e r ( 2 ) i s w o u n d a r o u n d t h e i o n s o u r c e t o r a i s e t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s o u r c e w h e n a m e t a l v a p o r i s t o b e i o n i z e d . D e s i g n o f t h e a x i a l m a g n e t i c fi e l d s t r u c t u r e i s c r i t i c a l t o t h i s i o n s o u r c e . a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f t h e b e a m e x t r a c t i o n a n d m a g n e t i c l i n e s o f f o r c e w a s u s e d t o o p t i m i z e t h i s m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n . T h e S m - C o p e r m a n e n t m a g n e t ( 3 ) u s e d i n t h i s s o u r c e i s d o n u t s h a p e d m e a s u r i n g 5 0 m m o u t e r d i a m e t e r , 4 0 m m i n n e r d i a m e t e r a n d 1 5 m m h i g h . T h e e x t r a c t i o n e l e c t r o d e ( 5 ) . t h e m a g n e t a n d a c o n n e c t i n g fl a n g e m a d e o f f e r r o - m a g n e t i c m a t e r i a l f o r m s a c l o s e d m a g n e t i c c i r c u i t f r o m t h e b o t t o m o f t h e d i s c h a r g e r e g i o n t o t h e t o p o f t h e s o u r c e . T h i s e f f e c t i v e l y c r e a t e s a m a g n e t i c fi e l d r e s i d u a l fl u x d e n s i t y o f a b o u t 0 . 9 7 k i l o G a u s s . w i t h t h e fi e l d s t r e n g t h v a r y i n g f r o m 8 0 0 G t o 1 2 0 0 G b e t w e e n t h e a n t e n n a ( 7 ) a n d t h e e x t r a c t i o n e l e c t r o d e . T h e “ E C R z o n e s ” t h e r e f o r e f a l l w e l l w i t h i n t h e p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n o f t h e s o u r c e . T h e fi e l d l i n e s a r e a l s o a r r a n g e d t o e n h a n c e i o n d i v e r g e n c e . 8 \ ' / / / / / / / / / / , 5 ‘ ' I I I I I I I I I I I ' r / I / I / I A - s fi D fi l " 4 F 1 2 2 9 M I C R O W A V E S V " ‘ 1 g : r i ‘ . 1 1 ‘ i , . r . g g g - W I / I l l a I O N B E A M l . B o r o n N i t r i d e P l u g 2 . S h e a t h H e a t e r 3 . P e r m a n e n t M a g n e t s 4 . C o o l a n t . 1 K o t o U n i v e r s i t M i c r o w a v e E C R I o n B e a m S o u r c e 5 . E x t r a c t i o n E l e c t r o d e 6 . M a y c o r I n s u l a t o r 7 . A n t e n n a 8 . G a s I n l e t 9 . A p e r t u r e 3 O M i c r o w a v e s a t 2 . 4 5 G H z a r e f e d t h r o u g h a fl e x i b l e c o a x i a l c a b l e . t o a s e a l e d c o a x i a l c o n n e c t o r a n d i n t o t h e d i s c h a r g e c h a m b e r v i a a “ ' 1 " s h a p e d a n t e n n a ( 7 ) . T h i s a n t e n n a . m a d e o f m o l y b d e n u m o r s t a i n l e s s s t e e l w i r e o f 1 . 5 m m d i a m e t e r , p r o t r u d e s i n t o t h e p l a s m a p r o d u c t i o n c h a m b e r . T h e u n i q u e s h a p e o f t h e a n t e n n a m a i n t a i n s a h i g h e l e c t r i c fi e l d w i t h i n t h e c h a m b e r w a l l s , a n d t h i s e l e c t r i c fi e l d i s a b l e t o s u s t a i n a s t a b l e d i s c h a r g e e v e n a t l o w p r e s s u r e s ( f e w m T o r r ) . A b o r o n n i t r i d e ( B N ) p l u g ( 1 ) p r e v e n t s p l a s m a g e n e r a t i o n n e a r t h e a n t e n n a s h a n k . F o r i n p u t p o w e r ( i n c i d e n t m i n u s r e fl e c t e d ) o f a b o u t 2 0 t o 3 0 W , t h e p o w e r c o u p l i n g h a s a r e fl e c t i o n r a t i o o f a b o u t 3 0 - 4 0 % f o r m e t a l v a p o r . a n d a b o u t 3 0 % f o r a r g o n . n i t r o g e n . a n d o t h e r g a s e o u s d i s c h a r g e s . T h i s r e fl e c t i o n r a t i o i s s o m e w h a t h i g h . a n d s h o u l d b e e x p e c t e d b e c a u s e o f l a c k o f a n y t u n i n g m e c h a n i s m t o c o u n t e r a c t t h e c h a n g i n g l o a d i m p e d a n c e a s t h e d i s c h a r g e a p p r o a c h e s s t e a d y s t a t e . I t i s . t h e r e f o r e . i m p o s s i b l e t o m a t c h t h e m i c r o w a v e s t o t h e p l a s m a f o r a l l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s . H o w e v e r . t h e h i g h r e fl e c t i o n c o e f fi c i e n t d o e s n o t a f f e c t t h e i o n s o u r c e p e r f o r m a n c e . ' T h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o u r c e w e r e m e a s u r e d u s i n g a m u l t i - g r i d F a r a d a y c u p p l a c e d 6 c m d o w n s t r e a m f r o m t h e p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n [ I s h - 8 4 ] . A l ' s o , m a s s s p e c t r a w e r e a n a l y z e d , a n d e m i t t a n c e m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e . T h e e l e c t r o n s u p p r e s s o r v o l t a g e o n t h e fi r s t g r i d o f t h e F a r a d a y c u p w a s k e p t s u f fi c i e n t l y h i g h ( n e g a t i v e 1 5 0 V ) t o p r e v e n t h i g h e n e r y e l e c t r o n s f r o m e n t e r i n g t h e c u p a n d p o l l u t i n g t h e r e a d i n g s w i t h s e c o n d a r y e l e c t r o n e m i s s i o n s . A t l o w i n p u t p o w e r l e v e l s o f a b o u t 2 0 - 3 0 W , a n d a n e x t r a c t i o n v o l t a g e o f 1 5 k V . t h e a r g o n i o n c u r r e n t d e n s i t y a t a r e l a t i v e l y l o w p r e s s u r e o f 1 m T o r r i s a l m o s t 1 0 0 m A - c m ' z . T h e i o n b e a m c u r r e n t v a r i a t i o n w i t h e x t r a c t i o n v o l t a g e i s l e s s t h a n t h e m a x i m u m c u r r e n t p r e d i c t e d b y t h e c l a s s i c a l C h i l d - L a n g m u i r l a w - a l i n e a r 3 1 r e l a t i o n b e t w e e n t h e e x t r a c t i o n v o l t a g e a n d t h e b e a m c u r r e n t o n t h e l o g - l o g s c a l e ( a s s u m i n g a s p e c i fi c i o n d e n s i t y i n t h e g e n e r a t i o n r e g i o n ) . T h e c u r r e n t - v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o u r c e i n d i c a t e a n i n i t i a l l i n e a r i n c r e a s e i n b e a m c u r r e n t w i t h i n c r e a s i n g p o t e n t i a l , l e a d i n g t o a s a t u r a t i o n b e y o n d a c e r t a i n v o l t a g e . T y p i c a l l y , t h e l i n e a r r e g i o n i s i o n d e n s i t y l i m i t e d , w h i l e t h e s a t u r a t i o n r e g i o n i s s a i d t o b e s p a c e c h a r g e l i m i t e d . S i m i l a r h i g h c u r r e n t d e n s i t i e s a r e o b s e r v e d f o r n i t r o g e n , c a r b o n d i o x i d e a n d o x y g e n g a s , a n d a l s o f o r C s a n d R b m e t a l v a p o r s . F o r a m e t a l v a p o r ( l i k e c e s i u m ) a t a b o u t 2 0 w a t t s i n p u t p o w e r a n d 1 5 k V e x t r a c t i o n v o l t a g e . t h e c u r r e n t d e n s i t y w a s o v e r 8 0 m A - c m ' z , t h e t o t a l c u r r e n t b e i n g 2 . 7 m A . P l a s m a d e n s i t y c a n b e c o n t r o l l e d b y p r e s s u r e a n d p o w e r v a r i a t i o n . Q M S a n a l y s i s s h o w e d a h i g h r a t i o o f a b o u t 9 5 : 5 f o r t h e A r 1 + : A r ‘ 2 + i o n s , p o s s i b l y d u e t o t h e d i v e r g e n t a n d n o n - c o n fi n i n g s t r u c t u r e o f t h e m a g n e t i c fi e l d . T h e r a t i o o f d o u b l y c h a r g e d i o n s d o e s i n c r e a s e a s t h e p r e s s u r e d e c r e a s e s , i n p a r t d u e t o t h e i n c r e a s e d l i f e t i m e o f h o t e l e c t r o n s w i t h t h e f a l l i n g e l e c t r o n - n e u t r a l c o l l i s i o n f r e q u e n c y w i t h r e d u c e d d i s c h a r g e p r e s s u r e . T h e o r e t i c a l e s t i m a t i o n s o f t h e i o n d e n s i t y , b a s e d o n t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e i n t h e p l a s m a i s 5 e V a r e m a d e t o b e i n t h e l o w 1 0 1 2 c m ‘ 3 - n o t e t h a t i o n d e n s i t y a n d e l e c t r o n t e m p e r a t u r e i s n o t d i r e c t l y m e a s u r e d . A p l a s m a d e n s i t y o f 1 0 1 2 c m " 3 f o r a 2 . 4 5 G l - l z d i s c h a r g e a t a b o u t 1 m T o r r p r e s s u r e i s r e l a t i v e l y h i g h . T h i s m a y b e e x p l a i n e d b y t h e e f fi c i e n t p o w e r t r a n s f e r f r o m t h e E M fi e l d s t o t h e d i s c h a r g e a s c l a i m e d b y t h e a u t h o r s . T h e s k i n d e p t h , w h i c h ( i s d e fi n e d a s t h e d e p t h a t w h i c h t h e a t t e n u a t i n g e l e c t r i c fi e l d i s e x p ( - 1 ) o f i t s a m p l i t u d e b e f o r e b e i n g a t t e n u a t e d b y t h e d i s c h a r g e , i s g i v e n b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n fi s h - 8 4 ) : 3 2 8 = C ( 2 . 1 ) w h e r e 5 i s t h e s k i n d e p t h , c i s t h e s p e e d o f l i g h t . c o p i s t h e p l a s m a a n g u l a r f r e q u e n c y , a n d 0 ) i s t h e f r e q u e n c y o f e x c i t a t i o n . A t 2 . 4 5 G H z a n d w i t h a n e s t i m a t e d i o n d e n s i t y o f 1 0 1 2 c m ‘ 3 , 8 i s c a l c u l a t e d t o b e a b o u t 5 . 5 m m ; t h e h e i g h t o f t h e p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n i s 5 m m . H e n c e , t h e a u t h o r s s p e c u l a t e t h a t s u c h h i g h d e n s i t y i s p r o b a b l y d u e t o e f f e c t i v e p e n e t r a t i o n o f t h e r i g h t h a n d c i r c u l a r l y p o l a r i z e d ( R H C P ) u p t o t h e s k i n d e p t h i n t h e m a g n e t i z e d p l a s m a . E m i t t a n c e c a l c u l a t i o n s w e r e d o n e t o c h a r a c t e r i z e t h e b e a m e x t r a c t i o n a n d t r a n s p o r t f o r t h i s i o n s o u r c e . T h e m e a s u r e m e n t s y s t e m c o n s i s t e d o f a p l a t e w i t h a s e r i e s o f 0 . 5 m m d i a m e t e r h o l e s ; t h i s p l a t e i s s e p a r a t e d f r o m t h e m o b i l e w i r e d e t e c t o r o f 2 5 u m d i a m e t e r b y a d i s t a n c e o f 1 6 . 5 c m . W i t h 8 6 . 5 % o f t h e t o t a l i o n b e a m c u r r e n t c o v e r e d b y t h e fi t t e d e m i t t a n c e c o n t o u r , t h e n o r m a l i z e d e m i t t a n c e o f t h e b e a m w a s e s t i m a t e d t o b e 3 . 7 X 1 0 ‘ 8 m - r a d , o r 3 . 7 X 1 0 ' 2 m m — m R a d . T h e n o r m a l i z e d b r i g h t n e s s i s c a l c u l a t e d t o b e a b o u t 1 . 8 X 1 0 1 1 A - m ‘ z r a d ’ z . B o t h t h e e m i t t a n c e a n d b r i g h t n e s s w e r e a f u n c t i o n o f i n p u t p o w e r . T h e i o n b e a m d i v e r g e n c e a n g l e m e a s u r e d w i t h t h e e m i t t a n c e a p p a r a t u s w a s e s t i m a t e d t o b e a b o u t 5 ° . T h i s d i v e r g e n c e i s r e l a t i v e l y h i g h p r e s u m a b l y b e c a u s e o f t h e i n a d e q u a c i e s o f t h e d o u b l e g r i d e x t r a c t i o n s y s t e m a n d s h o u l d d e c r e a s e w i t h t h e u s e o f a p r o p e r a c c e l - d e c e l s y s t e m . T h e i o n s o u r c e c a n t h e r e f o r e w o r k a t e x t r e m e l y l o w p o w e r a n d l o w p r e s s u r e c o n d i t i o n s . a n d c a n e f f e c t i v e l y a b s o r b m i c r o w a v e p o w e r e v e n t h o u g h i t d o e s n o t h a v e a r e s o n a n t c a v i t y s t r u c t u r e . P o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s o f t h e i o n s o u r c e a r e p o s t u l a t e d t o b e i n a c c e l e r a t o r s , s p u t t e r i n g a n d i o n b e a m a s s i s t e d 3 3 e t c h i n g m a c h i n e s . A s i m i l a r s o u r c e i s c u r r e n t l y u n d e r c o n s t r u c t i o n a t t h e c y c l o t r o n l a b o r a t o r y o f C a t a n i a , S i c i l y f o r p o s s i b l e b e a m i n j e c t i o n i n t o t h e m a i n s t a g e o f a m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e i o n s o u r c e [ S a m - 9 4 ] . A s c a l e d u p v a r i a t i o n o f t h e a b o v e s o u r c e w a s i n t r o d u c e d i n 1 9 8 9 [ T s u - 8 9 ] . A l t h o u g h n o t a c o m p a c t s o u r c e a n y m o r e ( o u t e r d i a m e t e r i s 2 2 c m , a n d h e i g h t i s 1 0 c m ) . i t i s a s i g n i fi c a n t m o d i fi c a t i o n - t h e r e a r e t h r e e s i m i l a r h e l i c a l m o l y b d e n u m ( o r s t a i n l e s s s t e e l ) a n t e n n a e i n s t e a d o f o n e . T h e s c a l i n g i s d o n e t h e r e f o r e , b y e f f e c t i v e l y s t a c k i n g t h r e e s o u r c e s t o g e t h e r . T h e p l a s m a p r o d u c t i o n r e g i o n i s l a r g e r - 1 . 6 X 6 . 6 X 0 . 5 c m 3 . E a c h a n t e n n a i s f e d v i a a q u a s i c o a x i a l l i n e , a s i n t h e p r e v i o u s v e r s i o n , u s i n g a B N p l u g a s a n i n s u l a t o r t h a t p r e v e n t s p l a s m a f r o m b e i n g g e n e r a t e d n e a r t h e a n t e n n a e s h a n k s . E v e n w i t h t h i s l a r g e r a r e a t h e s o u r c e i s n o t a r e s o n a n t c a v i t y s t r u c t u r e . 1 0 s m a l l S m - C o p e r m a n e n t m a g n e t s ( 3 . 0 X 0 . 8 X 2 . 0 e m s ) a r e c i r c u l a r l y a r r a n g e d a n d . a l o n g w i t h t h e f e r r o m a g n e t i c m a t e r i a l s o f t h e b o t t o m p l a t e . p r o v i d e d t h e a x i a l l y d i v e r g e n t m a g n e t i c fi e l d s f o r E C R a n d i o n t r a n s p o r t r e q u i r e m e n t s . T w o m i c r o w a v e p o w e r s o u r c e s a t 2 . 4 5 G l - I z w e r e u s e d t o p o w e r t h e t h r e e i n p u t l i n e s - o n e s u p p l y i n g p o w e r f o r t h e c e n t e r a n t e n n a . a n d t h e o t h e r s o u r c e f o r t h e t w o o u t e r a n t e n n a e . T y p i c a l m i c r o w a v e p o w e r w a s a b o u t 4 0 W . w i t h a t o t a l o f a b o u t 2 7 W r e fl e c t e d . A b o u t 8 0 % o f t h e i n p u t p o w e r f r o m e a c h a n t e n n a w a s a b s o r b e d b y t h e p l a s m a , a f a c t c o n fi r m e d b y a l t e r n a t e l y s w i t c h i n g o n i n d i v i d u a l a n t e n n a w h i l e k e e p i n g t h e o t h e r a n t e n n a e o f f . T h i s a l s o i n d i c a t e d t h a t t h e E M fi e l d s f r o m a n y a n t e n n a d i d n o t a d v e r s e l y a f f e c t t h e fi e l d s o f t h e o t h e r a n t e n n a e . A “ s h e e t b e a m ” w a s e x t r a c t e d f r o m t h e i o n e x i t s l i t ( 0 . 6 X 6 0 m 2 ) , w i t h a 4 X 7 0 m m 2 l o n g e x t r a c t i o n a p e r t u r e . A n e n i z e l l e n s ( t h r e e p a i r s o f p l a t e e l e c t r o d e s w i t h a n o p e n i n g a r e a o f 3 . 0 X 9 . 0 c m 2 ) w a s u s e d t o f o c u s t h e s h e e t 3 4 b e a m . S u c h a s h e e t b e a m i s t y p i c a l l y u s e d i n i o n i r n p l a n t e r s . P e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s w e r e m e a s u r e d u s i n g a m u l t i g r i d F a r a d a y c u p p l a c e d 2 7 c m a w a y f r o m t h e i o n e x i t a p e r t u r e . A n e l e c t r o n s u p p r e s s o r v o l t a g e o f 1 . 2 k V i s a p p l i e d t o t h e t o p g r i d t o p r e v e n t c o n t a m i n a t i o n o f c o l l e c t e d c u r r e n t d a t a f r o m s e c o n d a r y e l e c t r o n s . A s f o r t h e p r e v i o u s v e r s i o n o f t h e s o u r c e . t h e p l a s m a d e n s i t y g e n e r a t e d w i t h i n t h e s o u r c e i s e s t i m a t e d t o b e a b o u t 1 0 1 2 c m ‘ 3 . A t a n e x t r a c t i o n v o l t a g e o f 2 0 - 2 5 k V a n d 1 0 0 W i n p u t p o w e r . a 1 0 - 2 0 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e p r o d u c e s a t o t a l c u r r e n t o f 1 2 . 5 m A . N o t e t h a t t h i s i s a r e l a t i v e l y h i g h p r e s s u r e d i s c h a r g e . s p e c i a l l y i f t h e p r e s s u r e m e a s u r e m e n t i s c o n d u c t e d d o w n s t r e a m — t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e i n t h a t c a s e m a y b e s e v e r a l t i m e s h i g h e r t h a n t h e p r o c e s s i n g c h a m b e r p r e s s u r e . F o r t h e s a m e p r e s s u r e a n d p o w e r c o n d i t i o n s . a n i t r o g e n d i s c h a r g e p r o d u c e d a n i o n c u r r e n t o f a b o u t 1 3 . 5 m A . w h i l e t h e o x y g e n c u r r e n t w a s 5 . 6 m A f o r a n o x y g e n p l a s m a - a . m a r k e d i n c r e a s e i n t h e t o t a l c u r r e n t p r o d u c t i o n o v e r t h e p r e v i o u s s o u r c e d e s i g n . T h i s m o d i fi e d s o u r c e . t h e r e f o r e . o p e r a t e s a t h i g h e r p r e s s u r e a n d p o w e r l e v e l s . w h i l e p r o v i d i n g h i g h e r b e a m c u r r e n t s . A s c a n b e s e e n . a m a j o r a d v a n t a g e o f t h i s s o u r c e i s t h a t f o r m o r e i n t e n s e i o n c u r r e n t s . o r a l a r g e r b e a m a r e a . t h e p l a s m a s o u r c e c a n b e e a s i l y s c a l e d u p b e c a u s e o f i t s q u a s i - m o d u l a r d e s i g n . a n d a l s o b e c a u s e i t i s n o t a r e s o n a n t c a v i t y s t r u c t u r e d e s p i t e b e i n g a n “ E C R s o u r c e " . A d d i t i o n o f s i m i l a r a n t e n n a e a n d e x t r a c t i o n a p p a r a t u s i s p o s s i b l e w i t h o u t s a c r i fi c i n g t h e s o u r c e p e r f o r m a n c e i n a n y w a y . W h i l e r e s o n a n t c a v i t y b a s e d p l a s m a s o u r c e s l i k e t h e m i c r o w a v e p l a s m a d i s k r e a c t o r s ( M P D R s ) t h a t w i l l b e d i s c u s s e d l a t e r i n t h e d i s s e r t a t i o n . m a y a l s o b e s c a l e d u p . f a c t o r s l i k e c h o i c e o f r e s o n a n c e a t s p e c i fi c e l e c t r o m a g n e t i c m o d e s m i g h t a f f e c t t h e s c a l i n g p r o c e s s . T h e d i f f e r e n t “ s t a c k i n g t o g e t h e r ” m e t h o d o f 3 5 s c a l i n g u s e d i n t h i s ' s o u r c e e n s u r e s t h a t s u c h p r o b l e m s a r e n o t a n i s s u e . s p e c i fi c a l l y b e c a u s e t h e s o u r c e i s n o t b a s e d o n a r e s o n a t i n g a n y s p e c i fi c m o d e i n t h e c a v i t y s t r u c t u r e . . l . Y e t a n o t h e r v e r s i o n o f t h i s c o m p a c t i o n s o u r c e w a s p r e s e n t e d a t t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s i n 1 9 9 l i n B e i j i n g . C h i n a b y a r e s e a r c h g r o u p a t t h e P e k i n g U n i v e r s i t y . P R C [ S o n - 9 2 ] . T h e s o u r c e d e s i g n r e m a i n e d e s s e n t i a l l y t h e s a m e a s t h e o r i g i n a l s i n g l e a n t e n n a s o u r c e o f I s h i k a w a e t a l . T h e t o t a l s o u r c e d i a m e t e r i s 4 . 6 c m . a n d i t s h e i g h t i s 5 . 0 c m . T h e c o p p e r d i s c h a r g e c h a m b e r h a s a d i a m e t e r o f 2 c m . a n d i s e q u i p p e d w i t h a 2 m m e x t r a c t i o n h o l e i n t h e b o t t o m s t a i n l e s s s t e e l p l a t e . T h e f e r r o m a g n e t i c e x t r a c t i o n e l e c t r o d e i s 3 - 7 m a w a y f r o m t h e i o n e x i t p l a n e . a n d h a s a 4 m m d i a m e t e r h o l e . A s i m i l a r a n n u l a r a x i a l p e r m a n e n t m a g n e t i s u s e d c r e a t e t h e m a g n e t i c fi e l d s i n s i d e t h e d i s c h a r g e c h a m b e r . T h e “ T “ s h a p e d a n t e n n a i s m a d e o f s t a i n l e s s s t e e l w i t h a d i a m e t e r o f 2 m m . I n i t i a l p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h i s v e r s i o n o f t h e p l a s m a s o u r c e h a s i n d i c a t e d a s i m i l a r t e n d e n c y o f a h i g h r e fl e c t i o n c o e f fi c i e n t - a b o u t 4 0 % o f t h e p o w e r i s r e fl e c t e d b a c k . W i t h l e s s t h a n 6 0 % o f t h e p o w e r c o u p l i n g i n t o t h e p l a s m a . t h e a u t h o r s c o n c l u d e t h a t f u r t h e r r e s e a r c h i n t o t h e p l a s m a i m p e d a n c e m a t c h i n g m e c h a n i s m n e e d s t o b e d o n e . A n i t r o g e n d i s c h a r g e w a s u s e d t o o b t a i n p r e l i m i n a r y i o n e x t r a c t i o n d a t a . A t a p r e s s u r e o f 1 0 m T o r r , a n d a b o u t 5 0 w a t t s o f p o w e r a b s o r b e d . t h e n i t r o g e n d i s c h a r g e p r o d u c e d a t o t a l b e a m c u r r e n t o f a b o u t 1 . 2 m A w i t h a n e x t r a c t i o n v o l t a g e o f 1 0 k V . F u r t h e r e x p e r i m e n t s t o c h a r a c t e r i z e t h e i o n s o u r c e . a n d a l s o t o i m p r o v e i t s d e s i g n a n d p e r f o r m a n c e a r e c u r r e n t l y u n d e r w a y . 3 6 2 . 2 . 2 T h e R i g e l } ; n o n - E C R fl c m w a v e l o g M g A n o t h e r o f f r e s o n a n c e m i c r o w a v e i o n s o u r c e w a s d e v e l o p e d b y S a k u d o a n d a s s o c i a t e s i n t h e T o k y o l a b o r a t o r i e s o f H i t a c h i L i m i t e d i n 1 9 7 7 [ S a k — 7 7 ] a n d f u r t h e r r e v i e w e d l a t e r [ S a k - 8 7 . S a k - 8 9 ) . T h e s o u r c e . w h i c h i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 ( n o t t o s c a l e ) . h a s a d i s c h a r g e c h a m b e r d i a m e t e r o f a b o u t 6 c m . T h e p l a s m a c h a m b e r i s e s s e n t i a l l y a n e x t e n s i o n o f t h e 5 0 O h m c i r c u l a r c o a x i a l w a v e g u i d e ( 2 ) . M i c r o w a v e s a t 2 . 4 5 G H z a r e f e d t h r o u g h a r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e ( 1 ) - t h i s i s i n t e r s e c t e d b y t h e c o a x i a l w a v e g u i d e . t e r m i n a t i n g i n a w a t e r c o o l e d a n t e n n a ( 4 ) t h a t e x t e n d s i n t o t h e c h a m b e r . T h e d i s c h a r g e c h a m b e r i s a l s o w a t e r c o o l e d s o a s t o p r e v e n t t h e c e r a m i c v a c u u m w i n d o w ( 9 ) f r o m b e i n g o v e r h e a t e d . a n d / o r d e s t r o y e d b y p a r t i c u l a t e b o m b a r d m e n t . A m a g n e t i c m i r r o r r a t i o o f a b o u t t w o i s c r e a t e d b y t h r e e e l e c t r o m a g n e t c o i l s ( 3 ) . T h e m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n t h u s g e n e r a t e d h e l p s i n p r e v e n t i n g b a c k s t r e a m i n g o f e n e r g e t i c p a r t i c l e s . T h e m a i n p u r p o s e . h o w e v e r . o f t h e m a g n e t i c m i r r o r . i s t o g r a d u a l l y v a r y t h e r e s i s t i v i t y o f t h e p l a s m a l o a d . T h e i n t e n s i t y o f t h e fi e l d g e n e r a t e d b y t h e c o i l s t h r o u g h o u t t h e s o u r c e l e n g t h i s h i g h e r t h a n t h a t r e q u i r e d f o r E C R a t 2 . 4 5 G l - l z . A s s u m i n g t h a t t h e p l a s m a i s a r e s i s t i v e ( l o s s y ) d i e l e c t r i c . a m i r r o r r a t i o h e l p s i n c r e a t i n g a p l a s m a s o u r c e t h a t t e r m i n a t e s i n a g r a d u a l l y v a r y i n g r e s i s t i v e l o a d . w h i c h i n t u r n h e l p s i n m i c r o w a v e c o u p l i n g i n t o t h e p l a s m a f o r a l l d i s c h a r g e c o n d i t i o n s . W i t h n o e x t e r n a l t u n i n g m e c h a n i s m s . t h i s g r a d u a l l y v a r y i n g r e s i s t i v e l o a d a u t o - t u n e s t h e r e s i s t i v e c o m p o n e n t o f t h e p l a s m a l o a d t o t h e 2 . 4 5 G H z w a v e g u i d e i m p e d a n c e . T h i s w a s d e m o n s t r a t e d b y a t e s t i n w h i c h t h e a b s o r p t i o n o f m i c r o w a v e e n e r y i n c r e a s e d f r o m a b o u t 6 0 % t o o v e r 9 0 % a s t h e m a g n e t i c fi e n d I ] N / o o V I I / I I I I / 1 l I l l I l , k \ \ \ \ \ \ ‘ \ § X \ \ \ \ \ F i e 2 . 2 H i t a h i N o n E C R M i c r o w a v e I o n S o u r c e 1 - R e c t a n g u l a r W a v e g u i d e 5 . M o v a b l e L a n g m u i r P r o b e 2 - C i r c u l a r W a v e g u i d e 6 . M u l t i - a p e r t u r e L e n s 3 - M a g n e t C o i l s 7 . M u l t i - g r i d F a r a d a y C u p 4 ' A n t e n n a 8 . G a s I n l e t 9 . C e r a m i c W i n d o w 3 8 i n t e n s i t y w a s i n c r e a s e d f r o m 4 0 % t o 1 0 0 % . N o t e t h a t a l t h o u g h t h e r e m i g h t b e r e g i o n s w h e r e t h e m a g n e t i c fi e l d c o n f o r m s t o t h e r e q u i r e m e n t s o f E C R . t h i s i s n o t a n E C R b a s e d s o u r c e — s p e c i fi c a l l y . t h e s o u r c e p r o d u c e s a t y p e o f “ w a v e h e a t e d ” d i s c h a r g e ( a s d i s c u s s e d i n R e f e r e n c e L i e - 9 4 ) . I t w o r k s o n t h e p r i n c i p l e t h a t i f t h e m a g n e t i c fi e l d i n s i d e t h e s o u r c e i s h i g h e r t h a n t h a t r e q u i r e d f o r e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e . b u t l o w e r t h a n t h a t f o r i o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e ( I C R ) . a p l a s m a d i s c h a r g e m a y b e i g n i t e d a n d s u s t a i n e d w i t h o u t r e l y i n g o n E C R [ M u s - 7 4 ] . A t h r e e g r i d ( w i t h m u l t i p l e a p e r t u r e s - 1 2 4 h o l e s . e a c h 3 m m i n d i a m e t e r ) a c c e l - d e c e l e x t r a c t i o n s y s t e m ( 6 ) i s u s e d t o e x t r a c t t h e e n e r g e t i c p a r t i c l e b e a m s . w i t h a n e g a t i v e 3 0 0 V s u p p r e s s o r v o l t a g e o n t h e m i d d l e g r i d . P e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h i s s o u r c e w e r e m e a s u r e d u s i n g a c o n e s h a p e d m u l t i g r i d F a r a d a y c u p ( 7 ) p l a c e d 1 5 c m f r o m t h e e x t r a c t i o n g r i d s . a n d a m o v a b l e L a n g m u i r p r o b e ( 5 ) . E l e c t r o n t e m p e r a t u r e s f o r b o t h h y d r o g e n a n d a r g o n d i s c h a r g e s i n c r e a s e d s l i g h t l y w i t h i n c r e a s i n g i n p u t p o w e r r a n g i n g f r o m 3 - 4 e V a t 2 0 0 W . t o 5 - 6 e V a t 1 k W i n p u t p o w e r . A t 1 m T o r r p r e s s u r e . t h e a r g o n i o n d e n s i t y i n c r e a s e d f r o m 1 0 1 2 c m ’ 3 t o 1 0 1 3 c m ' 3 a s i n p u t p o w e r w a s r a i s e d f r o m 4 0 0 W t o 1 k W - t h i s s o u r c e g e n e r a t e s d e n s i t i e s a b o u t 1 0 t o 1 0 0 t i m e s t h o s e i n a s o u r c e t h a t r e l i e s o n E C R f o r p l a s m a g e n e r a t i o n . T h e s o u r c e t h e r e f o r e . h a s a v e r y h i g h i o n i z a t i o n e f fi c i e n c y . I o n d e n s i t y i n h y d r o g e n w e r e t y p i c a l l y s e e n t o b e a l i t t l e l e s s t h a n t h o s e i n a n a r g o n d i s c h a r g e . S i n c e t h e s o u r c e d o e s n o t r e l y o n E C R . i t n e e d n o t c o n f o r m t o t h e c r i t i c a l d e n s i t y d e v e l o p m e n t t h a t , t h e o r e t i c a l l y . l i m i t s t h e m a x i m u m d e n s i t y o f a 2 . 4 5 G H z p l a s m a t o 7 . 4 X 1 0 1 0 c m ’ 3 . O v e r t h e e n t i r e p r e s s u r e r a n g e . t h e p o w e r a b s o r p t i o n w a s n o t e d t o b e a b o u t 7 5 % . w h i c h m a y b e i n c r e a s e d t o 9 0 % b y u s i n g a n e x t e r n a l E l - I s t u b t u n e r 3 9 b e t w e e n t h e d i r e c t i o n a l c o u p l e r a n d t h e i o n s o u r c e . A t a p r e s s u r e o f 1 . 3 m T o r r a n d w i t h 1 k W i n c i d e n t p o w e r . a m a x i m u m h y d r o g e n i o n c u r r e n t o f a b o u t 3 8 0 m A a t 4 . 5 k V e x t r a c t i o n v o l t a g e . a n d a m a x i m u m a r g o n i o n c u r r e n t o f a b o u t 2 0 0 m A a t 5 k V e x t r a c t i o n v o l t a g e w a s m e a s u r e d w i t h t h e m u l t i - g r i d F a r a d a y c u p ( 7 ) p l a c e d d o w n s t r e a m f r o m t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n ( s e e F i g u r e 2 . 2 ) . A s t h e e x t r a c t i o n p o t e n t i a l w a s r a i s e d f r o m z e r o t o 5 k V . t h e a r g o n i o n b e a m c u r r e n t i n c r e a s e d m o n o t o n i c a l l y w i t h e x t r a c t i o n v o l t a g e . T h e h y d r o g e n i o n b e a m c u r r e n t h o w e v e r . s e e m s t o s a t u r a t e b e y o n d 5 k V b i a s . T h e f u n d a m e n t a l a d v a n t a g e o f t h i s o f f r e s o n a n c e i o n s o u r c e o v e r o t h e r “ E C R s o u r c e s ” s e e m s t o b e t h a t t h e i o n c u r r e n t i n t e n s i t y a n d i o n d e n s i t i e s p r o d u c e d i n t h i s s o u r c e a r e m u c h h i g h e r . D u e t o t h e h i g h m a g n e t i c m i r r o r r a t i o . t h e c e r a m i c w i n d o w i s r e l a t i v e l y s a f e f r o m e n e r g e t i c i o n b o m b a r d m e n t . h e n c e t h e s o u r c e h a s a l o n g l i f e t i m e . H o w e v e r . p a r t i c u l a t e g e n e r a t i o n o f f t h e a n t e n n a t h a t i s s u r r o u n d e d b y t h e d i s c h a r g e h a s n o t b e e n a c c o u n t e d f o r b y a n a l y z i n g t h e p l a s m a c o n s t i t u e n t s . w h i c h m i g h t l e a d t o p r o b l e m s w i t h U H V a p p l i c a t i o n s u n l e s s s p e c i fi c i o n s p e c i e s a r e m a s s s e p a r a t e d d o w n s t r e a m f r o m t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n . 2 2 I o n s R a f r o m R i A c o m p a c t E C R i o n a n d f r e e r a d i c a l s o u r c e w i t h a v e r y s i m p l e d e s i g n w a s i n t r o d u c e d i n 1 9 9 1 b y t h e t h e n U S S R A c a d e m y o f S c i e n c e s . M o s c o w [ S h a - 9 0 . S h a - 9 2 ) . T h e s o u r c e , w h i c h i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 3 ( n o t t o s c a l e ) h a s a l e n g t h o f 1 6 . 0 c m . a n d a d i a m e t e r o f 1 1 . 3 c m . I t m a y b e i n s t a l l e d o n e x i s t i n g c h e m i c a l b e a m e p i t a x y ( C B E ) m a c h i n e s a n d o t h e r U H V e q u i p m e n t u s i n g a s t a n d a r d C F 6 3 4 0 F i g u _ r e 2 . 3 C o m p a c t E C R s o u r c e o f I o n i s a d i c a l s f r o m R u s s i a 1 . 5 0 W C o a x i a l c a b l e c o n n e c t o r 5 . A n t e n n a 2 . P l a s m a c a v i t y 6 . R i n g s h a p e d p e r m a n e n t m a g n e t 3 . G a s f e e d 7 . E l e c t r o m a g n e t i c c o i l 4 . C e r a m i c c u p 8 . Q u a r t z t u b e l i n e r 4 1 fl a n g e . T h e s o u r c e u t i l i z e s S m - C o p e r m a n e n t m a g n e t s t o c r e a t e t h e m a g n e t i c fi e l d s r e q u i r e d f o r E C R . T h e s e r i n g s h a p e d m a g n e t s ( 6 ) a r e p l a c e d i n s i d e t h e d i s c h a r g e c h a m b e r ( 2 ) w i t h s p e c i a l a d j u s t i n g r o d s . c r e a t i n g s u f fi c i e n t m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h f o r h i g h p l a s m a d e n s i t i e s ( a b o u t 1 0 1 1 c m ' 3 ) a t a p r e s s u r e r a n g e o f 0 . 1 m T o r r t o 1 0 m T o r r . A n e l e c t r o m a g n e t i c c o i l ( 7 ) i s p l a c e d o u t s i d e t h e s o u r c e ( b u t i n t h e v a c u u m c h a m b e r ) f o r e f fi c i e n t c o n t r o l o f c h a r g e d p a r t i c l e fl u x . T h i s v a r i a b l e m a g n e t i c fi e l d m a y b e u s e d t o e i t h e r e x t r a c t o r d e fl e c t t h e i o n s a w a y . T h e s t a i n l e s s s t e e l b o d y o f t h e s o u r c e i s w a t e r c o o l e d . A s t a n d a r d 5 0 O h m c o a x i a l c a b l e t e r m i n a t e s i n t o a n a n t e n n a ( 5 ) . c o u p l i n g m i c r o w a v e s a t 2 . 4 5 G H z i n t o t h e p l a s m a c h a m b e r . T h e a n t e n n a i s i s o l a t e d f r o m v a c u u m v i a a c e r a m i c c u p ( 4 ) . T h e d i a m e t e r o f t h e a n t e n n a . a n d i t s p o s i t i o n w i t h r e s p e c t t o t h e m a g n e t s a r e c r i t i c a l f o r s t a b l e o p e r a t i o n o f t h e i o n s o u r c e ; b o t h c o n d i t i o n s w e r e d e t e r m i n e d e m p i r i c a l l y . a n d t h e r e p o r t e d a n t e n n a d i a m e t e r w a s 4 m m . T h e v a r i a b l e p o s i t i o n o f t h e a n t e n n a i s t h e t u n i n g m e c h a n i s m f o r m a t c h i n g t h e l o a d i m p e d a n c e . A q u a r t z t u b e l i n e r ( 8 ) i s i n s e r t e d i n t o t h e s o u r c e t o r e d u c e l o s s e s o f r a d i c a l s a n d i o n s t o t h e s t a i n l e s s s t e e l w a l l s . I t m a y a l s o p r e v e n t p a r t i c u l a t e g e n e r a t i o n ( a n d t h e r e f o r e c o n t a m i n a t i o n o f t h e d i s c h a r g e ) f r o m t h e m e t a l l i c w a l l s . w h i l e a t t h e s a m e t i m e p r o v i d i n g s e c o n d a r y e l e c t r o n s t o t h e d i s c h a r g e - q u a r t z h a s a h i g h s e c o n d a r y e l e c t r o n e m i s s i o n c o e f fi c i e n t . P e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s w e r e m e a s u r e d u s i n g c y l i n d r i c a l a n d d i s c s h a p e d L a n g m u i r p r o b e s . T h e s e p r o b e s w e r e l o c a t e d a b o u t 1 0 c m d o w n s t r e a m a n d w e r e D C b i a s e d w i t h a n e g a t i v e p o t e n t i a l o f 3 5 v o l t s . M e a s u r e d s a t u r a t i o n i o n c u r r e n t d e n s i t y f o r a 1 0 0 W i n p u t p o w e r h y d r o g e n p l a s m a s h o w e d a t y p i c a l p r e s s u r e d e p e n d e n c e - i n i t i a l l y i n c r e a s i n g t o a b o u t 2 m A - c m ' 2 a t 1 m T o r r , a n d 4 2 t h e n g r a d u a l l y d e c r e a s i n g t o a b o u t 1 m A - c m ‘ 2 a s p r e s s u r e w a s f u r t h e r r a i s e d t o 4 m T o r r . W h e n e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d o v e r v a r i o u s p o w e r a n d p r e s s u r e r a n g e s . i t w a s f o u n d t h a t t h e o p t i m a l o p e r a t i n g p r e s s u r e r a n g e w a s 0 . 1 m T o r r t o 5 m T o r r f o r m o d e r a t e p o w e r l e v e l s o f 5 0 0 W o r l e s s . H i g h i o n c u r r e n t d e n s i t i e s c o u l d b e o b t a i n e d a t t h e s e l o w p o w e r s . a n d s o t h e r e w a s n o n e e d f o r e x t e n s i v e c o o l i n g o f t h e s o u r c e a s r e q u i r e d f o r o t h e r s o u r c e s t h a t r e l y o n h i g h e r i n p u t p o w e r l e v e l s t o g e n e r a t e t h e h i g h i o n d e n s i t i e s . A t a c o n s t a n t p r e s s u r e . t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y i n c r e a s e d m o n o t o n i c a l l y w i t h i n c r e a s i n g p o w e r . r a n g i n g f r o m 0 . 5 m A - c m ‘ 2 a t 1 0 W . t o o v e r 3 m A - c m ’ 2 a t 2 0 0 W i n p u t p o w e r . T h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e o f a h y d r o g e n d i s c h a r g e . c a l c u l a t e d u s i n g L a n g m u i r p r o b e I - V c h a r a c t e r i s t i c s . w a s e s t i m a t e d t o b e a b o u t 4 . 7 e V f o r 5 0 W . a n d 4 . 3 e V f o r 2 5 W n e t i n p u t p o w e r . T h e s o u r c e h a s b e e n s u c c e s s f u l l y u s e d f o r i n s i t u c l e a n i n g o f G a A s s u b s t r a t e u s i n g a r s i n e ( A n g a n d t r i e t h y l g a l l i u m ( T E G ) i n a c h e m i c a l b e a m e p i t a x y ( C B E ) r e a c t o r m a d e b y E P I Q U I P T M o f S w e d e n . F o r t h i s p r o c e s s . a h y d r o g e n p l a s m a a t 0 . 2 m T o r r w a s u s e d t o b o m b a r d t h e s u b s t r a t e p l a c e d a b o u t 4 0 c m a w a y f o r 1 0 - 1 5 m i n u t e s . I n s i t u R H E E D . X P S a n d Q M S s t u d i e s c o n fi r m e d a c o m p l e t e r e m o v a l o f t h e G a A s n a t i v e o x i d e f r o m t h e s u b s t r a t e s u r f a c e . a n d a l s o c o n fi r m e d t h e a b s e n c e o f a n y c a r b o n a n d o x y g e n p e a k s o n t h e s u r f a c e . F u r t h e r . fi l m g r o w t h e x p e r i m e n t s d e m o n s t r a t e d a s i g n i fi c a n t i n c r e a s e i n . g r o w t h r a t e s o f G a A s . a n d g o o d s u r f a c e m o r p h o l o g y a f t e r t h e s u b s t r a t e w a s e x p o s e d t o a h y d r o g e n p l a s m a f r o m t h i s c o m p a c t E C R i o n s o u r c e . F u t u r e a p p l i c a t i o n s f o r t h i s s o u r c e a r e f o r e s e e n i n C B E g r o w t h o f I I I - V s e m i c o n d u c t o r s , a n d a s a n i o n b e a m s o u r c e w i t h e x t r a c t i o n g r i d s . 4 3 . . 4 T h e c a l T h e I n s t i t u t e o f P h y s i c a l a n d C h e m i c a l R e s e a r c h ( R I K E N ) . t h e T o y o U n i v e r s i t y . a n d t h e I r i e K o k e n C o . L t d . . a l l o f S a i t a m a . J a p a n r e p o r t e d i n 1 9 9 1 t h e d e v e l o p m e n t o f a c o m p a c t E C R s o u r c e [ O k e - 9 1 a ] . a n d a l s o r e p o r t e d o n s o m e o f i t s a p p l i c a t i o n s [ 0 k e — 9 1 b ] . T h e s o u r c e i s s k e t c h e d i n F i g u r e 2 . 4 ( n o t t o s c a l e ) . E s s e n t i a l l y a f r e e r a d i c a l s o u r c e . t h e r a d i c a l g u n h a s a l o w i o n c u r r e n t d e n s i t y b u t a h i g h a t o m i c fl u x . a n d i s t h e r e f o r e m o s t s u i t a b l e f o r a p p l i c a t i o n s t h a t r e q u i r e h i g h r a d i c a l s p e c i e s c o n c e n t r a t i o n . T h e s i m p l e d e s i g n o f t h e s o u r c e c o n s i s t s o f a r e s o n a n t c a v i t y s t r u c t u r e m a d e o f s t a i n l e s s s t e e l 2 . 5 c m l o n g . w i t h a l . 0 c m d i a m e t e r . N o t e t h a t . a s m e n t i o n e d i n t h e i n t r o d u c t i o n . t h e “ r e s o n a n t c a v i t y ” i n t h i s s o u r c e m e a n s o n l y t h a t t h e s o u r c e i s b a s e d o n E C R . a n d n o t t h a t t h e d i m e n s i o n s o f t h e c a v i t y c h a n g e t o g e n e r a t e r e s o n a n t s t a n d i n g e l e c t r o m a g n e t i c w a v e s ( a s i n t h e c a s e o f t h e M P D R s o u r c e s ) . T h e o v e r a l l d i a m e t e r o f t h e p l a s m a s o u r c e i s a b o u t 3 5 m m . a n d t h e o v e r a l l l e n g t h o f t h e s o u r c e i s v a r i a b l e . d e p e n d i n g o n t h e a p p l i c a t i o n . I t i s m o u n t e d o n a s t a n d a r d 7 0 m m c o n fl a t fl a n g e ( 7 ) . M i c r o w a v e p o w e r a t 2 . 4 5 G H z i s f e d v i a a fl e x i b l e c o a x i a l c a b l e ( 1 ) . t h e c e n t e r c o n d u c t o r o f w h i c h c o n t i n u e s i n t o t h e v a c u u m c r e a t i n g a v a r i a b l e l e n g t h . . i n - v a c u u m c o a x i a l c a v i t y s t r u c t u r e . T h e c e n t e r c o n d u c t o r t h e n t e r m i n a t e s i n t o a n a n t e n n a ( 4 ) t h a t p r o t r u d e s i n t o t h e p l a s m a c r e a t i o n r e g i o n . T h e a n t e n n a i s e n c a s e d i n s i d e a q u a r t z t u b e ( 6 ) . a n d a B N . c e n t e r i n g r i n g ( 3 ) . T h e r e a r e t w o r i n g s h a p e d w a t e r c o o l e d p e r m a n e n t m a g n e t s ( 5 ) t h a t p r o v i d e t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d f o r E C R . A b e a m m a y b e e x t r a c t e d t h r o u g h a n o r i fi c e o f v a r i a b l e d i a m e t e r - f r o m 1 m m t o 1 0 m m . s t e n g a M t n e n a m e g h n g a u l o r F r e P h t t a d fl e e n b p o u a C T d e e F h t z n S m t a g r m l n a o i u 0 o R Q 7 C . . . . 5 7 6 8 r o t c e n n o C g e h n g i l ' b u R a g o C n r h i e t r v d e a e t a w n e n o F e n r e C c t s i a n N M G E A . . . . 1 2 3 4 \ \ E , l > A k \ 4 5 T h e p e r f o r m a n C e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o u r c e w e r e m e a s u r e d u s i n g a q u a r t z c r y s t a l m i c r o b a l a n c e ( Q C M ) . o p t i c a l e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y ( O E S ) . a m u l t i - g r i d F a r a d a y c u p . a n d L a n g m u i r p r o b e s f o r a v a r i e t y o f g a s e s a n d u n d e r m a n y d i s c h a r g e p r e s s u r e a n d i n p u t p o w e r c o n d i t i o n s . F o r a 0 . 1 m T o r r a r g o n p l a s m a . O E S i n d i c a t e d a p r e d o m i n a n c e o f t h e A r 1 + i o n a n d A r . r a d i c a l s . T h e d o m i n a n t p e a k i n a n o x y g e n d i s c h a r g e a t 1 0 m T o r r i s t h e o x y g e n r a d i c a l 0 ' . a l t h o u g h t h e r e a r e s o m e m i n o r 0 1 + a n d 0 2 1 + p e a k s a s w e l l . A n i t r o g e n p l a s m a a t 1 m T o r r h a s p r e d o m i n a n t l y N 2 1 + p e a k s . b u t N . a n d N 2 . r a d i c a l p e a k s a r e a l s o v i s i b l e . T h e t h r e e B a l m e r l i n e s o f h y d r o g e n a r e i n e v i d e n c e f o r a 2 0 m T o r r h y d r o g e n p l a s m a . A F a r a d a y c u p w i t h a n e g a t i v e 8 0 V e l e c t r o n s u p p r e s s o r g r i d a n d a n e f f e c t i v e a r e a o f 1 2 c m 2 w a s p l a c e d 4 c m d o w n s t r e a m f r o m t h e r a d i c a l g u n t o m e a s u r e t h e c u r r e n t d e n s i t y p r o d u c e d b y t h e s o u r c e . F o r a 0 . l m T o r r h y d r o g e n d i s c h a r g e . t h e i o n c u r r e n t i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g p o w e r ; t h e m a x i m u m c u r r e n t d e n s i t y w a s 1 2 ” A m p s - c m ” 2 w i t h 1 6 0 W i n p u t p o w e r . ( c o r r e s p o n d i n g t o a fl u x o f a b o u t 8 X 1 0 1 2 c m ‘ z - s ' l ) . S i m i l a r i o n c u r r e n t d e n s i t y b e h a v i o r w a s s e e n w i t h a n o x y g e n d i s c h a r g e a t 1 0 m T o r r - a s t h e i n p u t p o w e r w a s i n c r e a s e d f r o m 5 0 W t o l 5 0 W t h e o x y g e n i o n c u r r e n t d e n s i t y i n c r e a s e d a l m o s t l i n e a r l y w i t h a m a x i m u m o f a p p r o x i m a t e l y 1 6 0 ( i a r n p s - c m ' 2 ( a n d a n e q u i v a l e n t i o n fl u x o f 1 0 1 5 c m ' z - s ‘ l ) . F o r t h e s a m e r a n g e o f i n p u t p o w e r ( i n c r e a s e d f r o m 5 0 W t o 1 5 0 W ) . L a n g m u i r p r o b e d a t a i n a 1 0 m T o r r o x y g e n d i s c h a r g e i n d i c a t e d t h a t t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e d r o p p e d f r o m a b o u t 3 e V t o a b o u t 1 . 5 t o 2 e V . a n d t h e o x y g e n i o n d e n s i t y w a s a b o u t 1 0 1 0 c m ’ 3 . Q C M a n a l y s i s w a s u s e d t o o b t a i n q u a n t i t a t i v e v a l u e s o f r a d i c a l o x y g e n fl u x . W h e n t h e p l a s m a p r e s s u r e w a s d e c r e a s e d f r o m 1 0 ' 2 T o r r t o 1 0 ‘ 3 T o r r . t h e 4 6 i o n fl u x d e c r e a s e d f r o m 1 0 1 5 c m ’ z - s ' 1 t o a b o u t 1 0 1 4 c m ‘ Z - s ‘ l . b u t t h e r a d i c a l fl u x r e m a i n e d a l m o s t u n c h a n g e d a t a b o u t 1 0 1 5 c m ' z - s ' l . S o d e c r e a s i n g t h e p r e s s u r e i n c r e a s e d t h e r a d i c a l c o n t e n t o f t h e b e a m w i t h r e s p e c t t o t h e i o n i c c o n c e n t r a t i o n . T h i s m a y b e d u e t o t h e d r o p i n i o n d e n s i t y ( 0 2 + a n d 0 * ) a s t h e p r e s s u r e i s r e d u c e d . A s a n e x a m p l e . f o r a n o x y g e n d i s c h a r g e p r e s s u r e o f 1 0 m T o r r . t h e 0 2 1 + / O ' p e r c e n t a g e w a s 3 4 % , w h e r e a s f o r a l m T o r r d i s c h a r g e . t h i s r a t i o h a d d e c r e a s e d t o a p p r o x i m a t e l y 8 % . T h e r a d i c a l g u n w a s u s e d i n t w o p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s : f o r t h e i n s i t u o x i d a t i o n o f a s u p e r c o n d u c t i n g t h i n fi l m d u r i n g d e p o s i t i o n . a n d l o w t e m p e r a t u r e G a A s s u b s t r a t e c l e a n i n g ( c o n fi r m e d b y R H E E D ) u s i n g a h y d r o g e n p l a s m a [ O k e - 9 1 b ] . H i g h q u a l i t y s u p e r c o n d u c t i n g t h i n fi l m s w e r e p r o d u c e d w i t h t h e u s e o f t h i s o x y g e n r a d i c a l g u n . B y m a g n e t i c a l l y d e fl e c t i n g t h e c h a r g e d s p e c i e s a w a y a n d r e d u c i n g t h e i o n . c u r r e n t b y a s m u c h a s 4 0 % . a n o x y g e n r a d i c a l ( 0 ‘ ) r i c h b e a m w a s c r e a t e d . W h e n t h e s u p e r c o n d u c t i n g fi l m w a s e x p o s e d t o t h i s o x y g e n r a d i c a l b e a m d u r i n g d e p o s i t i o n . t h e c h a r a c t e r i s t i c t e m p e r a t u r e o f t h e fi l m i n c r e a s e d . a n d t h e c o r r e s p o n d i n g p r o p e r t i e s l i k e t h e p h a s e t r a n s i t i o n f r o m n o r m a l . t o s u p e r c o n d u c t i n g p h a s e a l s o g o t b e t t e r . T h e i m p r o v e m e n t i n t h e fi l m p r o p e r t i e s m a y b e a r e s u l t o f t h e d e c r e a s e i n t h e d a m a g i n g i o n b o m b a r d m e n t f r o m t h e b e a m . o n c e t h e i o n s h a v e b e e n m a g n e t i c a l l y d e fl e c t e d a w a y f r o m t h e b e a m t h a t i m p i n g e s o n t h e fi l m . F o r t h e o t h e r a p p l i c a t i o n . t h e r a t e o f l o w t e m p e r a t u r e ( a b o u t 1 0 0 ° C ) G a A s s u b s t r a t e c l e a n i n g w a s i n c r e a s e d b y u s i n g h i g h e r p o w e r . F u r t h e r a p p l i c a t i o n s f o r t h i s r a d i c a l g u n a r e e x p e c t e d t o i n c l u d e d i g i t a l i n t e g r a t e d c i r c u i t s e t c h i n g . s u r f a c e p a s s i v a t i o n a n d s e m i c o n d u c t o r s u b s t r a t e d o p i n g . 4 7 2 . 2 R n f r o a C o l l a b o r a t i o n b e t w e e n R I K E N , t h e U n i v e r s i t y o f T o k y o . t h e T o k y o I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y a n d t h e T O Y O U n i v e r s i t y . a l l o f J a p a n p r o d u c e d a n o t h e r c o m p a c t h i g h c u r r e n t E C R - t y p e i o n s o u r c e t h a t w a s r e p o r t e d i n 1 9 8 9 [ T a m - 8 9 ] . T h e s o u r c e w a s d e s i g n e d w i t h a s p e c i fi c a p p l i c a t i o n i n m i n d : p r o d u c i n g t h i n o x i d e l a y e r s o f c o m p o s i t e m a t e r i a l . T h e s o u r c e i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 5 ( n o t t o s c a l e ) . T h e u n i q u e a n d s i m p l e d e s i g n o f t h i s n o n - r e s o n a n t E C R p l a s m a s o u r c e c o n s i s t s o f a c y l i n d r i c a l p y r e x v a c u u m v e s s e l ( 8 ) i n t e r s e c t i n g a r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e ( 5 ) t h a t i s u s e d t o t r a n s p o r t t h e 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e s f r o m t h e m a g n e t r o n ( 1 ) t h a t i s p l a c e d c l o s e t o t h e s o u r c e . T h e w a v e g u i d e t e r m i n a t e s i n t o a p l u n g e r t y p e t u n e r w h o s e p o s i t i o n i s a d j u s t e d f o r o p t i m a l p o w e r t r a n s f e r i n t o t h e i o n s o u r c e . T h e m i c r o w a v e s a r e l o c a l i z e d i n t h e p l a s m a c r e a t i o n r e g i d n b y a c o n e s h a p e d s t r u c t u r e ( 2 ) . T h e o u t e r d i a m e t e r o f t h e v e s s e l i s 7 . 0 c m . a n d i t s h e i g h t i s 5 . 0 c m . A m o d i fi e d c u s p s h a p e d m a g n e t i c fi e l d s t r u c t u r e i s c r e a t e d b y t w o p e r m a n e n t m a g n e t s . T h e fi r s t i s a w a t e r c o o l e d S m - C o c y l i n d r i c a l m a g n e t ( 4 ) w i t h a d i a m e t e r o f 1 . 0 c m . a n d l e n g t h o f 3 . 0 c m . I t i s p l a c e d i n s i d e a p i p e w i t h i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r t h a t a c t s l i k e a n a n t e n n a ( 3 ) . T h e o t h e r m a g n e t i s a r i n g s h a p e d s t r u c t u r e ( 6 ) m a d e o f f e r r i t i c s t e e l ( I D o f 6 . 0 c m . C D o f 1 0 . 0 c m . a n d t h i c k n e s s o f 1 . 5 c m ) . a n d i s p l a c e d o u t s i d e t h e c h a m b e r w i t h i t s n o r t h p o l e f a c i n g t h e n o r t h p o l e o f t h e c y l i n d r i c a l m a g n e t . T h i s m a g n e t i s a l s o w a t e r c o o l e d . T h e m a g n e t s a r e 2 . 0 c m ( a w a y f r o m e a c h o t h e r a n d t h e m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h i n s i d e t h e s o u r c e i s s t r o n g e n o u g h t o s a t i s f y t h e E C R c o n d i t i o n ( 8 7 5 G a u s s a t 2 . 4 5 G H z o p e r a t i o n ) . T h e m a g n e t i c fi e l d s t r u c t u r e i s s u c h t h a t t h e fi e l d l i n e s a l s o t e n g a m l e t s e s n d e e i n u s v u g e v a m t m a u r r u e a a c P p W a p r a d v a e l n l a p o u a c g h t r i i n a S c d a n t g r i c n t l e i x y R R E C . . . . 5 6 7 8 t e n g a m t n e n a m r e P n l o r a a c i t n r e n d n e e n g n t i l a o n y M C A C . 1 . . . 2 3 4 4 8 4 9 e f fi c i e n t l y t r a n s p o r t t h e i o n s t o t h e b o t t o m o f t h e s o u r c e w h e r e t h e y a r e e x t r a c t e d b y a t h r e e e l e c t r o d e a c c e l - i d e c e l e x t r a c t i o n s y s t e m ( 7 ) . P l a s m a c h a r a c t e r i s t i c s w e r e m e a s u r e d u s i n g a L a n g m u i r p r o b e . a n d a n i o n c o l l e c t o r e l e c t r o d e - a s i n g l e p l a t e p l a c e d a b o u t 1 6 c m b e l o w t h e e x t r a c t i o n e l e c t r o d e s . T h e p r o b e w a s l o c a t e d i n t h e e x t r a c t i o n a p e r t u r e o f t h e fi r s t e l e c t r o d e . F o r a 2 8 0 W h y d r o g e n p l a s m a . a s t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e i n c r e a s e d f r o m 0 . 0 2 m T o r r t o a b o u t 1 m T o r r . t h e i o n d e n s i t y i n c r e a s e d f r o m 2 X 1 0 1 0 c m ' 3 t o a b o u t 2 X 1 0 1 1 . c m ' 3 . H e n c e a n o v e r d e n s e d i s c h a r g e i s a c h i e v a b l e i n t h i s s o u r c e . ( T h e c r i t i c a l d e n s i t y a t 2 . 4 5 G H z i s a b o u t 7 X 1 0 1 0 c m ' 3 . ) A t t h e s a m e ‘ t i m e . e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s f e l l f r o m a b o u t 1 2 e V t o a b o u t 3 . 5 e V . F o r a 2 8 0 W . 0 . 0 1 m T o r r h y d r o g e n d i s c h a r g e . a b e a m c u r r e n t o f a b o u t 4 . 5 m A w a s e x t r a c t e d w i t h a n a c c e l - d e c e l v o l t a g e o f 2 k V a n d n e g a t i v e 2 0 0 V r e s p e c t i v e l y . T h e c u r r e n t d e n s i t y a t t h e o u t p u t o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r c o u l d t h e n b e c a l c u l a t e d t o b e a b o u t 5 . 7 m A - c m ' 2 s i n c e t h e a r e a o f t h e e x t r a c t i o n h o l e i s 0 . 7 8 5 c m z . F o r a 3 X 1 0 ' 5 T o r r h y d r o g e n d i s c h a r g e . t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a n d i o n d e n s i t y w e r e c a l c u l a t e d t o b e a b o u t 1 1 e V . a n d a b o u t 3 X 1 0 1 0 c m ' 3 r e s p e c t i v e l y . A Q M S a n a l y s i s i n d i c a t e d t h a t t h e p r o t o n y i e l d o f t h e s o u r c e w a s a b o u t 2 0 % f r o m a 3 X 1 0 ’ 5 T o r r h y d r o g e n d i s c h a r g e . T h i s s o u r c e w a s u s e d t o e f fi c i e n t l y p r o d u c e H ' i o n s . F r o m a 0 . 4 m T o r r h y d r o g e n d i s c h a r g e a t 2 8 0 W i n p u t p o w e r . t h e H ' b e a m h a d a c u r r e n t o f a b o u t 0 . 5 m A - c m ‘ 2 ( T a m - 9 0 ] . E m i t t a n c e d a t a w a s t a k e n f o r t h e b e a m c h a r a c t e r i z a t i o n . T h e . m e a s u r e m e n t s y s t e m c o n s i s t e d o f t w o p l a t e s 7 5 m m a p a r t . w i t h a 0 . 5 m m w i d e s l i t . T h e e m i t t a n c e a r e a w a s e s t i m a t e d t o b e a b o u t 2 6 0 1 : m m - m r a d w i t h a n i o n b e a m d i v e r g e n c e h a l f a n g l e o f a b o u t 8 ° . T h i s d i v e r g e n c e a n g l e i s r e l a t i v e l y h i g h p r i m a r i l y b e c a u s e o f t h e l a r g e i o n e x t r a c t i o n a p e r t u r e . 5 0 I t h a s b e e n s h o w n t h a t t h i s E C R i o n s o u r c e i s v e r y c o m p a c t . e c o n o m i c a l a n d s t a b l e . c h a r a c t e r i z e d b y h i g h e l e c t r o n d e n s i t y a n d h i g h c u r r e n t i n t e n s i t i e s f o r b o t h p o s i t i v e a n d n e g a t i v e h y d r o g e n i o n s . T h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s a r e s l i g h t l y h i g h e r t h a n t h o s e o b t a i n e d w i t h o t h e r s o u r c e s f o r s i m i l a r i n p u t p o w e r l e v e l s . p r o b a b l y b e c a u s e t h e o p e r a t i n g p r e s s u r e s a r e m u c h l o w e r f o r t h i s s o u r c e . ( A s p r e s s u r e d e c r e a s e s . t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e m u s t i n c r e a s e t o s u s t a i n t h e d i s c h a r g e . ) T h e b e a m c h a r a c t e r i s t i c s m a y b e i m p r o v e d b y u s i n g a r e d e s i g n e d e x t r a c t i o n a p p a r a t u s . ' _ L L : i n n 1 7 - . i t . “ e ' , 1 g m ! " ' ; 1 3 . 3 . ; ” - 1 . S o u r c e I n 1 9 9 0 . A S T e X I n c . o f M a s s a c h u s e t t s a n d a n e n g i n e e r i n g t e a m f r o m N o r t h C a r o l i n a S t a t e U n i v e r s i t y r e p o r t e d a d i s t r i b u t e d . o r ' m u l t i c u s p E C R i o n s o u r c e [ S i t - 9 0 a . D a v - 9 0 a ] . T h i s c o m p a c t U H V c o m p a t i b l e p l a s m a s o u r c e . S h o w n i n F i g u r e 2 . 6 ( n o t t o s c a l e ) . m a y b e i n s e r t e d i n t o a n e x i s t i n g 2 . 2 5 M i n c h d i a m e t e r M B E e f f u s i o n c e l l . T h e b a s i c s t r u c t u r e i s s i m i l a r t o t h a t o f t h e J a p a n e s e r a d i c a l g u n ( S e c t i o n 2 . 2 . 4 ) - a n E C R r e s o n a n t c o a x i a l m i c r o w a v e a p p l i c a t o r . a n d a l s o t o t h a t o f t h e M P D R 6 1 0 - d e t a i l e d l a t e r i n t h e d i s s e r t a t i o n . N o t e o n c e a g a i n . t h a t . t h e “ r e s o n a n t ” c a v i t y f o r t h i s s o u r c e r e f e r s t o i t b e i n g a n E C R b a s e s o u r c e . a n d n o t t h e t u n a b l e c a v i t y s t r u c t u r e o f t h e M P D R s o u r c e s ( a s w a s m e n t i o n e d f o r t h e J a p a n e s e r a d i c a l g u n i n S e c t i o n 2 . 2 . 4 ) . T h r e e s m a l l w a t e r c o o l e d e l e c t r o m a g n e t s ( 8 ) p r o d u c e t h e E C R . m i r r o r i n g a n d e x t r a c t i O n m a g n e t i c fi e l d s w i t h i n t h e s o u r c e . T h e m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h i s g r e a t e r t h a n t h e 8 7 5 G a u s s r e q u i r e d f o r E C R a t 2 . 4 5 G H z t h r o u g h o u t t h e s t e t n t g e t a e l l t u m n u p o i o n r i r r t e e c s t t e a a a l G E W W . . . . 5 7 6 8 h g u o r h t d e r e o f t l a a l a i x n u n s a e n i o t c y n e t d i A Q i v a e r 0 t c v i 5 a N a w e p y m n o s o r t a r c - l i o N M B P . . . . 1 2 3 4 I n 5 1 5 2 p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n . a s m e a s u r e d o n t h e a x i s o f t h e s o u r c e . S e p a r a t e p o s i t i o n a n d c u r r e n t c o n t r o l s f o r e a c h m a g n e t p r o v i d e fl e x i b i l i t y w i t h s p e c i fi c m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n s . p r o v i n g s p e c i fi c a l l y u s e f u l d u r i n g t h e i n i t i a l d e s i g n t e s t i n g a n d o p t i m i z a t i o n o f t h e s o u r c e . D u e t o l o w i n p u t p o w e r r e q u i r e m e n t s f o r p l a s m a i g n i t i o n ( m a x i m u m o f a b o u t 1 2 0 W ) . a n d a n e x t e r n a l t u n i n g m e c h a n i s m f o r i m p e d a n c e m a t c h i n g . n o c i r c u l a t o r o r d u m m y l o a d i s n e e d e d . m a k i n g t h e m i c r o w a v e c i r c u i t r y s i m p l e . T h e b o d y o f t h e s o u r c e i s m a d e o f a 1 3 i n c h ( 3 3 . 0 c m ) l o n g s t a i n l e s s s t e e l t u b e a n d h a s a n i n n e r d i a m e t e r o f 2 . 3 c m . a n d a n o u t e r d i a m e t e r o f a b o u t 5 . 7 c m . S i n c e t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n i s fi x e d i n ' d i m e n s i o n s . t h e o v e r a l l l e n g t h o f t h e s o u r c e m a y b e v a r i e d . a s r e q u i r e d b y t h e a p p l i c a t i o n . s i m i l a r t o t h e M P D R 6 1 0 - t h e p l a s m a s o u r c e t h a t i s t h e m a i n s u b j e c t o f t h i s d i s s e r t a t i o n . L i k e t h e J a p a n e s e r a d i c a l g u n a n d t h e M P D R 6 1 0 . a s t a n d a r d 5 0 O h m c o a x i a l c a b l e f e e d s m i c r o w a v e p o w e r t h r o u g h a t y p e N m i c r o w a v e c o n n e c t o r ( 1 ) i n t o t h e s o u r c e , c o n t i n u i n g i n t o v a c u u m a s t h e c e n t e r c o n d u c t o r o f a c o a x i a l c a v i t y s t r u c t u r e . a n d t e r m i n a t i n g i n t o a n a n t e n n a ( 3 ) t h a t p r o t r u d e s i n s i d e t h e d i s c h a r g e c h a m b e r ( 2 ) . A s l i d i n g s l u g t u n e r p l a c e d b e t w e e n t h e s o u r c e a n d t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y i s u s e d t o m a t c h t h e p l a s m a i m p e d a n c e . a n d r e d u c e r e fl e c t e d p o w e r . A B N p l u g ( 4 ) a c t s a s a n i n s u l a t i o n w i n d o w a t t h e t o p o f t h e s o u r c e . a n d a l s o p r e v e n t s a d i s c h a r g e f r o m b e i n g g e n e r a t e d t h e r e . T h e d i a m e t e r a n d l e n g t h o f t h e a n t e n n a i s c r i t i c a l f o r t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d i s c h a r g e . w i t h b e s t r e s u l t s b e i n g o b t a i n e d w h e n t h e a n t e n n a l e n g t h i s b e t w e e n o n e - q u a r t e r a n d o n e - h a l f w a v e l e n g t h o f t h e e x c i t i n g m i c r o w a v e e n e r g y ( t h i s w a v e l e n g t h i s 1 2 . 2 c m f o r 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e s ) . T h e e f f e c t s o f a n t e n n a d i a m e t e r o n p l a s m a c h a r a c t e r i s t i c s w e r e s t u d i e d : a l a r g e d i a m e t e r ( ~ 5 m m d i a m e t e r ) g i v e s a 5 3 s o m e w h a t “ h o l l o w ” d i s c h a r g e w i t h a l o c a l m i n i m u m i n t h e c e n t e r . w h i l e a t h i n a n t e n n a ( ~ 1 m m d i a m e t e r ) g i v e s a m o r e t y p i c a l r a d i a l p r o fi l e - m a x i m u m c u r r e n t d e n s i t y a t t h e c e n t e r . f a l l i n g r a p i d l y a c r o s s t h e r a d i a l d i r e c t i o n . A t M B E c o n d i t i o n s . f o r w h i c h t h i s s o u r c e w a s t e s t e d . n o c o o l i n g o f t h e a n t e n n a w a s r e q u i r e d . T h e h o u s i n g t u b e o f t h e s o u r c e m a y b e m o u n t e d o n t h e t e s t s t a n d . o r a n e x i s t i n g p o r t o f a n M B E m a c h i n e u s i n g a s t a n d a r d 4 . 5 i n c h c o n fl a t fl a n g e . G a s b r e a k d o w n b e g i n s a t a b o u t 0 . 1 m T o r r o f p r e s s u r e a n d f o r l e s s t h a n 1 0 W o f p o w e r . w i t h o u t a n y n e e d f o r p r e - i o n i z a t i o n o f t h e g a s . A s t a b l e d i s c h a r g e c a n b e m a i n t a i n e d o v e r f o u r d e c a d e s o f p r e s s u r e r a n g i n g f r o m 1 0 ' 5 T o r r t o 1 0 m T o r r . P l a s m a p a r a m e t e r s w e r e m e a s u r e d u s i n g a c y l i n d r i c a l s i n g l e L a n g m u i r p r o b e p l a c e d 1 5 . 0 c m d o w n s t r e a m f r o m t h e s o u r c e . w i t h a n a r e a o f 0 . 1 c m 2 . A F a r a d a y c u p w i t h a c o l l e c t i n g a r e a o f a b o u t 1 c m 2 . a n d a Q M S w e r e a l s o u s e d t o e v a l u a t e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e p l a s m a s o u r c e . T h e s o u r c e w a s c h a r a c t e r i z e d f o r 2 . 4 5 G H z i n p u t m i c r o w a v e p o w e r o f 5 0 W i n a n i t r o g e n d i s c h a r g e a t a p r e s s u r e o f 0 . l m T o r r . I t w a s o b s e r v e d t h a t t h e fl o a t i n g p o t e n t i a l a n d c u r r e n t d e n s i t y d e c r e a s e d e x p o n e n t i a l l y w i t h d i s t a n c e d o w n s t r e a m . i n d i c a t i n g t y p i c a l a m b i p o l a r d i f f u s i o n i n t h e v a c u u m p r o c e s s i n g c h a m b e r . A t a c o n s t a n t p r e s s u r e o f 0 . 1 m T o r r . t h e i o n c u r r e n t d e n s i t y w a s a b o u t 0 . 0 4 m A - c m ' 2 f o r 1 0 W i n p u t p o w e r . a n d a b o u t 0 . 3 m A - c m ' 2 a t 1 2 0 W - t h e i o n c u r r e n t t h e r e f o r e i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g i n p u t p o w e r . F o r a c o n s t a n t i n p u t p o w e r o f 5 0 W . t h e i o n c u r r e n t d e n s i t y w a s 0 . 2 m A - c m ' 2 a t 0 . 1 m T o r r , a n d a b o u t 0 . 4 m A — c m ’ 2 a t 1 m T o r r - t h e i o n c u r r e n t i n c r e a s e d a s p r e s s u r e w a s r a i s e d . A t 0 . 1 m T o r r a n d 5 0 W a b s o r b e d p o w e r . e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s o f a b o v e 1 0 0 . 0 0 0 K a n d i o n d e n s i t i e s o f a b o u t 1 0 1 0 c m ’ 3 w e r e m e a s u r e d o u t s i d e t h e p l a s m a c a v i t y . 5 4 W h e n t h e d i s c h a r g e g a s w a s s w i t c h e d f r o m n i t r o g e n t o h y d r o g e n . n o f u r t h e r t u n i n g o f t h e s o u r c e w a s r e q u i r e d t o o p t i m i z e p o w e r t r a n s f e r t o t h e p l a s m a l o a d . I o n c u r r e n t d e n s i t i e s f o r a h y d r o g e n p l a s m a w e r e a b o u t 5 - 6 t i m e s h i g h e r t h a n t h o s e f o r n i t r o g e n a t s i m i l a r g a s fl o w r a t e s a n d p o w e r c o n d i t i o n s . A l s o . t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e o f a h y d r o g e n d i s c h a r g e w a s l o w e r ( a b o u t 7 0 , 0 0 0 K ) t h a n t h a t o f a n i t r o g e n p l a s m a f o r t h e s a m e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s . T h e fl o a t i n g p o t e n t i a l f o r h y d r o g e n w a s f o u n d t o b e p o s i t i v e ( + 5 V ) . w h i l e i t w a s n e g a t i v e f o r n i t r o g e n ( - 1 5 V ) . Q M S s t u d i e s i n d i c a t e d t h e p r e s e n c e o f N 2 1 + a n d N 1 + i o n s i n a n i t r o g e n d i s c h a r g e . w i t h t h e N 1 + c o n c e n t r a t i o n c o n s t i t u t i n g a b o u t 1 5 % - 2 0 % o f t h e t o t a l i o n i z e d s p e c i e s . T h i s r a t i o w a s s e e n t o b e s o m e w h a t i n d e p e n d e n t o f d i s c h a r g e p r e s s u r e a n d i n p u t p o w e r . T h e s o u r c e h a s b e e n s u c c e s s f u l l y u s e d i n a n M B E m a c h i n e f o r l o w t e m p e r a t u r e ( 4 0 0 ° - 6 0 0 ° C ) a n d l o w p r e s s u r e ( 5 X 1 0 ' 5 t o l X 1 0 ’ 4 T o r r ) e p i t a x i a l g r t h o f I I I - V n i t r i d e t h i n fi l m s ( l i k e G a N . a n d A I M [ S i t - 9 0 b . P a l - 9 0 . M o u - 9 3 ] . O t h e r p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s i n c l u d e h i g h T c s u p e r c o n d u c t i n g t h i n fi l m d e p o s i t i o n u s i n g o x y g e n r a d i c a l s . f o r c r a c k i n g v a r i o u s m o l e c u l a r g a s e s ( l i k e o r g a n o m e t a l l i c s ) . a n d a l s o f o r i n s i t u s u b s t r a t e c l e a n i n g p r i o r t o d e p o s i t i o n u s i n g r e a c t i v e a t o m i c h y d r o g e n . A c o m m e r c i a l v e r s i o n o f t h e s o u r c e i s a v a i l a b l e f r o m A S T e X I n c . o f W o b u m . M a s s a c h u s e t t s . . m a R I o n u r c T h e p a r e n t d e s i g n o f t h i s h i g h c u r r e n t i o n s o u r c e w a s d e v e l o p e d i n 1 9 8 7 [ T o r - 8 7 ] f o r m a s s p r o d u c t i o n o f S I M O X s u b s t r a t e s i n o x y g e n i o n i r n p l a n t e r s . S i n c e t h e n . v e r y a c t i v e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t h a s l e d t o s e v e r a l v a r i a t i o n s _ _ | ‘ “ 5 5 M e 2 . 7 N T T L S I L a b o r a t o r i e s C o m p a c t E C R I o n S o u r c e 1 . W a v e g u i d e F i l l e d w i t h A l u m i n a 5 . M a g n e t i c C o i l s 2 . Q u a r t z 6 . P l a s m a C h a m b e r 3 . B o r o n N i t r i d e / A l u m i n a . 7 . G a s I n l e t 4 . W a t e r C o o l i n g 8 . E x t r a c t i o n E l e c t r o d e s fl M I C R O W A V E S J L 4 — 7 2 . N T T I L a b o r a t o r i C o r n a c t E C R I n u r c w i t h r m a n e n t m m 1 . W a v e g u i d e F i l l e d w i t h A l u m i n a 5 . P e r m a n e n t M a g n e t s 2 . Q u a r t z 6 . P l a s m a C h a m b e r 3 . A l u m i n a 7 . G a s I n l e t 4 . W a t e r C o o l i n g 5 7 b e i n g r e p o r t e d i n a t l e a s t t h r e e j o u r n a l s . e a c h w i t h m i n o r m o d i fi c a t i o n s t o t h e p r e c e d i n g d e s i g n a l o n g w i t h t h e o p e r a t i o n a l r e s u l t s o f t h e s e m o d i fi c a t i o n s [ S h i - 8 9 . T o r - 9 0 . S h i - 9 1 . T o r - 9 2 . S h i - 9 3 ] . S i n c e t h i s s e c t i o n d i s c u s s e s s e v e r a l v e r s i o n s o f e s s e n t i a l l y t h e s a m e s o u r c e . a b r i e f i n t r o d u c t i o n t o t h e o r i g i n a l s o u r c e i s fi r s t p r e s e n t e d . B r o a d e r c o v e r a g e o f t h e c o m p a c t v e r s i o n s i s p r o v i d e d l a t e r i n t h i s s e c t i o n . T w o o f t h e c o m p a c t v e r s i o n s a r e s h o w n i n F i g u r e s 2 . 7 a n d 2 . 8 ( n o t t o s c a l e ) . T h e b a s i c d e s i g n o f a l l t h e v a r i a t i o n s o f t h i s s o u r c e c o n s i s t s o f e s s e n t i a l l y f o u r c o m p o n e n t s . a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 7 : a c y l i n d r i c a l p l a s m a c h a m b e r ( 6 ) ; a m u l t i - l a y e r e d d i e l e c t r i c w i n d o w f o r m i c r o w a v e t r a n s p o r t . v a c u u m s e a l a n d p r e v e n t i o n o f d a m a g e f r o m b a c k - s t r e a m i n g e n e r g e t i c e l e c t r o n s ( 1 , 2 . 3 ) ; a n e x t r a c t i o n s y s t e m ( 8 ) w h e n b e a m s a r e t o b e e x t r a c t e d ; a n d e i t h e r s o m e c o i l s . o r p e r m a n e n t m a g n e t s ( 5 ) . ‘ I n t h e o r i g i n a l r e p o r t [ T o r - 8 7 ] . t h e p l a s m a c h a m b e r h a d a d i a m e t e r o f l 1 . 0 c m . w i t h a h e i g h t o f 9 c m . M i c r o w a v e s w e r e t r a n s m i t t e d i n t o t h e s o u r c e t h r o u g h a r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e . A d o u b l e l a y e r e d m i c r o w a v e w i n d o w w a s u s e d f o r t h e e l e c t r o m a g n e t i c w a v e t r a n s m i s s i o n a n d v a c u u m s e a l . a n d s e v e r a l c o m b i n a t i o n s o f q u a r t z . b o r o n n i t r i d e ( B N ) a n d a l u m i n a w e r e t e s t e d . I t w a s f o u n d t h a t t h e h i g h e s t i o n c u r r e n t d e n s i t y w a s a c h i e v e d w i t h a q u a r t z a n d a l u m i n a c o m b i n a t i o n . t h e a l u m i n a l a y e r f a c i n g t h e p l a s m a . T h r e e s o l e n o i d c o i l s w e r e u s e d t o c r e a t e t h e m a g n e t i c fi e l d s r e q u i r e d f o r E C R a n d i o n t r a n s p o r t o u t o f t h e s o u r c e . A t h r e e g r i d a c c e l - d e c e l e x t r a c t i o n s t r u c t u r e w i t h s e v e n h o l e s ( 5 m m . d i a m e t e r ) a r r a n g e d o v e r a n a r e a o f 2 . 0 c m d i a m e t e r w a s u s e d t o e x t r a c t a n i o n b e a m . T h e b e a m c h a r a c t e r i s t i c s w e r e m e a s u r e d w i t h a w a t e r c o o l e d c o p p e r p l a t e b i a s e d p o s i t i v e l y t o s u p p r e s s s e c o n d a r y e l e c t r o n e m i s s i o n T h e p l a t e w a s p l a c e d 5 8 a b o u t 4 0 c m d o w n s t r e a m o f t h e e x t r a c t i o n s y s t e m . A t a n e x t r a c t i o n v o l t a g e o f 3 0 k V . a v e r y h i g h o x y g e n i o n c u r r e n t o f a b o u t 1 6 0 m A . o r a n e q u i v a l e n t c u r r e n t d e n s i t y o f a b o u t 1 2 0 m A - c m ' 2 w a s o b t a i n e d . M a s s s p e c t r u m s t u d i e s i n d i c a t e d t h a t t h e r a t i o o f 0 1 + i o n s i s m o r e t h a n 8 0 % . w i t h a n e q u i v a l e n t O 1 + i o n c u r r e n t o f m o r e t h a n 1 2 5 m A . A d i s a d v a n t a g e o f t h i s s o u r c e w a s t h a t t h e a l u m i n a w i n d o w f a c i n g t h e d i s c h a r g e w a s h e a v i l y b o m b a r d e d b y b a c k s t r e a m i n g e n e r g e t i c p a r t i c l e s . l e a d i n g t o d e g r a d a t i o n o f t h e w i n d o w , a n d a d e c r e a s e d l i f e t i m e o f t h e s o u r c e . A n i m p r o v e m e n t i n t h e s o u r c e d e s i g n w a s r e p o r t e d i n 1 9 8 9 [ S h i - 8 9 ] w h e n a t r i p l e l a y e r e d w i n d o w w a s u s e d . Q u a r t z f o r m e d t h e v a c u u m s e a l , a l u m i n a h e l p e d i n m i c r o w a v e t r a n s m i s s i o n a n d i m p e d a n c e m a t c h i n g o f t h e s o u r c e . a n d a B N l a y e r - d u e t o i t s h a r d n e s s a n d b e t t e r t h e r m a l c o n d u c t i v i t y - w a s u s e d t o p r e v e n t d a m a g e f r o m e n e r g e t i c b a c k s t r e a m i n g p a r t i c l e s . T h e o p t i m a l t h i c k n e s s o f t h e . B N l a y e r w a s d e t e r m i n e d b y s t u d y i n g t h e r e fl e c t i o n c o e f fi c i e n t o f t h e s o u r c e a s t h i s c o e f fi c i e n t v a r i e d f o r d i f f e r e n t B N l a y e r t h i c k n e s s e s . t h e c h o i c e b e i n g ' m a d e f o r a t h i c k n e s s t h a t m i n i m i z e d t h e r e fl e c t i o n c o e f fi c i e n t . T h e w i n d o w . a n d h e n c e t h e s o u r c e l i f e t i m e w a s i n c r e a s e d t o o v e r 2 0 0 h o u r s . w i t h l i t t l e d a m a g e t o t h e B N l a y e r . A n i m p r o v e d e x t r a c t i o n s y s t e m a l l o w e d f o r s t a b l e o p e r a t i o n o v e r e x t e n d e d p e r i o d s . w i t h t h e s a m e h i g h c u r r e n t d e n s i t y a s i t s p r e d e c e s s o r w a s a c h i e v e d ( L e . 8 0 % 0 1 " i o n s w i t h o v e r 1 8 0 m A t o t a l c u r r e n t a t 3 0 k V e x t r a c t i o n p o t e n t i a l ) . I t w a s a l s o o b s e r v e d t h a t a s t h e m i c r o w a v e p o w e r i n c r e a s e d f r o m 1 0 0 W t o o v e r 6 0 0 W . t h e O 1 ” c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d . w h i l e t h e 0 2 1 * d e n s i t y d e c r e a s e d . T h e n e x t m o d i fi c a t i o n t o t h i s s o u r c e d e s i g n w a s r e p o r t e d i n 1 9 9 0 [ T o r - 9 0 ] w h e n t h e t r i p l e l a y e r e d w i n d o w w a s f u r t h e r m o d i fi e d t o c o u p l e m i c r o w a v e s m o r e 5 9 e f fi c i e n t l y i n t o a n a r r o w h i g h d e n s i t y p l a s m a m o d e . T h e c h a m b e r l e n g t h w a s o p t i m i z e d r e l a t i v e t o m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n . w h i c h w a s i t s e l f o p t i m i z e d t o p r o d u c e a h i g h d e n s i t y p l a s m a i n t h e c e n t e r o f t h e s o u r c e . T h i s a l l o w e d h i g h l y e f fi c i e n t i o n b e a m e x t r a c t i o n . w h e r e t h e e x t r a c t i o n r e g i o n c o i n c i d e d w i t h t h e h i g h e s t d e n s i t y p l a s m a c o n fi n e d t o t h e c e n t e r o f t h e s o u r c e . T h e o p t i m i z e d m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n a l s o l e a d s t o l o w e r i m p u r i t i e s c o n c e n t r a t i o n i n t h e p l a s m a s i n c e w a l l b o m b a r d m e n t b y h i g h e n e r g y p a r t i c l e s i s r e d u c e d . T h e O 1 + i o n b e a m w a s t r a n s p o r t e d t h r o u g h a c o m m e r c i a l N V - 2 0 0 i m p l a n t e r b e a m t r a n s p o r t s y s t e m w i t h a n e f fi c i e n c y o f a b o u t 6 0 % i n d i c a t i n g l o w b e a m d i v e r g e n c e . a n d a n e f fi c i e n t u s e o f t h e e x t r a c t e d c u r r e n t . J u s t l i k e i n i t s p r e d e c e s s o r . t h e s o u r c e t o o c a n p r o v i d e o v e r 2 0 0 h o u r s o f a s t a b l e o x y g e n p l a s m a . D a m a g e t o t h e B N l a y e r i s m i n i m i z e d b y t h e c e n t r a l i z e d l o c a t i o n o f t h e p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n . a n d a l s o b y t h e e f fi c i e n t e x t r a c t i o n o f i o n s . 8 A c o m p a c t v e r s i o n o f t h e s o u r c e w a s i n t r o d u c e d a t t h e A m e r i c a n V a c u u m S o c i e t y ( A V S ) s y m p o s i u m . 1 9 9 0 [ S h i - 9 1 ] w i t h a n o t h e r r e p o r t s o o n t h e r e a f t e r [ T o r - 9 2 ] . S h o w n i n F i g u r e 2 . 7 ( n o t t o s c a l e ) . t h e c o m p a c t s o u r c e h a s a c y l i n d r i c a l p l a s m a c h a m b e r w i t h a d i a m e t e r o f 5 c m . s u r r o u n d e d b y t w o m a g n e t i c c o i l s ( o u t e r d i a m e t e r 1 1 c m ) . T h e s e m a g n e t s p r o v i d e t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d n e c e s s a r y f o r E C R . c o n t a i n m e n t o f h o t e l e c t r o n s . a n d a l s o i o n d i v e r g e n c e o u t o f t h e s o u r c e . A s b e f o r e . m i c r o w a v e p o w e r a t 2 . 4 5 G H z i s f e d f r o m t h e t o p o f t h e s o u r c e t h r o u g h a w a v e g u i d e . H o w e v e r s i n c e t h e p l a s m a c h a m b e r d i a m e t e r i s t o o s m a l l f o r t h e l o w e s t c u t o f f w a v e m o d e - T E ” - t o b e p r o p a g a t e d ( w h i c h r e q u i r e s a m i n i m u m o f 7 . 2 c m d i a m e t e r f o r p r o p a g a t i o n t h r o u g h a i r / v a c u u m a t 2 . 4 5 G H z ) . t h e m i n i a t u r i z e d r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e f e e d i n g t h e m i c r o w a v e s i s fi l l e d w i t h a l u m i n a . S i n c e a l u m i n a h a s a d i e l e c t r i c c o n s t a n t o f 9 . a n d t h e c u t o f f d i a m e t e r i s 6 O p r o p o r t i o n a l t o o n e o v e r t h e s q u a r e r o o t o f t h e d i e l e c t r i c c o n s t a n t . fi l l i n g t h e w a v e g u i d e w i t h a l u m i n a e f f e c t i v e l y d e c r e a s e s t h e c u t o f f d i a m e t e r b y a b o u t a t h i r d o f t h a t r e q u i r e d f o r a v a c u u m , o r a i r fi l l e d w a v e g u i d e . T h i s a l u m i n a fi l l e d w a v e g u i d e i s n o w a b l e t o p r o p a g a t e m i c r o w a v e s a t 2 . 4 5 G H z . T h e c e r a m i c w i n d o w u s e d i n t h i s m o d i fi c a t i o n w a s t h e o r i g i n a l d o u b l e l a y e r e d d e s i g n - q u a r t z f o r v a c u u m s e a l . a n d a h a r d B N l a y e r f o r p r o t e c t i o n f r o m h o t e l e c t r o n s . T h e t h i c k n e s s o f t h e t w o l a y e r s w a s c a l c u l a t e d s u c h t h a t f o r a n a s s u m e d p l a s m a d e n s i t y o f 1 0 1 2 c m ‘ 3 . t h e t r a n s m i s s i o n c o e f fi c i e n t o f t h e m i c r o w a v e fi e l d s i s o n e . A 2 c m d i a m e t e r d o u b l e g r i d e x t r a c t i o n s y s t e m ( 3 7 h o l e s . e a c h w i t h a 2 m m d i a m e t e r ) w i t h a 1 m m g r i d s e p a r a t i o n w a s u s e d t o e x t r a c t l o w e n e r g y i o n b e a m s . P l a s m a p a r a m e t e r s w e r e m e a s u r e d u s i n g a p l a n e L a n g m u i r p r o b e ( 6 m m d i a m e t e r ) m o u n t e d a t t h e c e n t e r o f t h e e x t r a c t i o n e l e c t r o d e . A l s o . a n i o n c o l l e c t o r p l a c e d 5 c m d o w n s t r e a m f r o m t h e e x t r a c t i o n r e g i o n m e a s u r e d t h e b e a m c h a r a c t e r i s t i c s . T h e p r e s s u r e d e p e n d e n c e o f a 2 0 0 W o x y g e n p l a s m a w a s s t u d i e d . A s t h e p r e s s u r e i n c r e a s e d f r o m 9 X 1 0 ' 5 T o r r t o a b o u t 4 X 1 0 " ? T o r r ( c o r r e s p o n d i n g t o a c h a n g e i n o x y g e n fl o w r a t e f r o m 1 s e e m t o a b o u t 4 . 5 s e e m ) . t h e i o n d e n s i t y d e c r e a s e d s l i g h t l y f r o m 4 X 1 0 1 1 c m ' 3 t o a b o u t 2 . 5 X 1 0 1 1 c m ’ 3 . F o r t h e s a m e i n c r e a s e i n fl o w / p r e s s u r e . t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e d e c r e a s e d f r o m 1 2 e V t o a b o u t 7 e V . W h e n t h e B N l a y e r w a s r e p l a c e d b y a l u m i n a . t h e r e . w a s a t w e n t y f o l d i n c r e a s e i n t h e o x y g e n i o n d e n s i t y . t h e m a x i m u m b e i n g a b o u t 1 0 1 3 c m ' 3 ( 2 0 0 W a b s o r b e d p o w e r . 0 . 2 4 m T o r r p r e s s u r e ) . H o w e v e r , t h e s o u r c e l i f e t i m e s u f f e r s w i t h t h i s r e p l a c e m e n t s i n c e a l u m i n a i s n o t a s r e s i s t a n t t o s p u t t e r i n g a s B N . A n a n o m a l o u s b e h a v i o r w a s o b s e r v e d i n t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o n i n p u t p o w e r f o r t h e t w o t y p e s o f m i c r o w a v e 6 1 w i n d o w s : T e i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g p o w e r f o r a q u a r t z - B N w i n d o w . b u t T e d e c r e a s e d w h e n p o w e r w a s r a i s e d f o r a q u a r t z - a l u m i n a w i n d o w . T h i s a b n o r m a l t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o n w i n d o w t y p e h a s n o t b e e n e x p l a i n e d y e t . P r e l i m i n a r y i o n e x t r a c t i o n e x p e r i m e n t s a t 1 k V e x t r a c t i o n v o l t a g e ( 1 0 0 W o x y g e n p l a s m a . 1 s e e m fl o w ) . i n d i c a t e d t h a t t h e s o u r c e w a s a b l e t o p r o v i d e a m a x i m u m i o n c u r r e n t d e n s i t y o f a b o u t 1 . 3 m A - c m ' z . B e y o n d 1 0 0 W . t h e i o n c u r r e n t d e n s i t y ( m e a s u r e d w i t h a c o l l e c t o r p l a c e d 5 c m d o w n s t r e a m ) d e c r e a s e d . a l t h o u g h t h e t o t a l c u r r e n t d e n s i t y i n c r e a s e d . T h i s m a y b e b e c a u s e a s t h e p o w e r w a s r a i s e d . t h e p l a s m a d e n s i t y i n c r e a s e d . a n d h e n c e . t h e p l a s m a b o u n d a r y ( t h e m e n i s c u s ) b e g a n t o e x t e n d b e y o n d t h e e x t r a c t i o n h o l e s . t h e r e b y i n c r e a s i n g t h e s p e c i e s ' d i v e r g e n c e . T h e t o t a l i o n c u r r e n t i n c r e a s e d d u e t o t h e h i g h e r i o n d e n s i t y , h o w e v e r t h e c u r r e n t d e n s i t y m e a s u r e d b y t h e c o l l e c t o r d e c r e a s e d d u e t o t h e l a r g e r d i v e r g e n c e o f t h e b e a m a t h i g h e r p o w e r s . T h e r a d i a l p r o fi l e o f i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t a t 2 0 c m d o w n s t r e a m ( 6 s e e m . 2 0 0 W o x y g e n p l a s m a ) s h o w s a r e l a t i v e l y fl a t d i s t r i b u t i o n . w i t h a m a x i m u m o f a b o u t 1 . 5 m A - c m ' z . P o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s f o r t h i s c o m p a c t v e r s i o n o f t h e s o u r c e a r e e x p e c t e d t o b e i n e t c h i n g . o x i d a t i o n a n d p l a s m a a s s i s t e d d e p o s i t i o n . Y e t a n o t h e r v e r s i o n o f t h e o r i g i n a l i o n s o u r c e w a s i n t r o d u c e d a t t h e 1 9 9 2 A V S s y m p o s i u m [ 5 1 1 1 - 9 3 ] . T h i s d e s i g n i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 8 ( n o t t o s c a l e ) . T h i s . t o o i s a c o m p a c t s o u r c e . w i t h m o s t d e s i g n p a r a m e t e r s t h e s a m e a s a b o v e . b u t w i t h o n e m a j o r c h a n g e - t h e e l e c t r o m a g n e t i c c o i l s o f t h e p r e v i o u s v e r s i o n s a r e r e p l a c e d b y p e r m a n e n t m a g n e t s ( 5 ) . . T h i s s i m p l i fi e s t h e s o u r c e d e s i g n . a l t h o u g h t h e d i a m e t e r o f t h e p l a s m a c h a m b e r h a d t o b e f u r t h e r r e d u c e d t o 4 0 m m t o a c c o m m o d a t e t h e b u l k y a x i a l l y d i r e c t e d S m - C o m a g n e t s ( o u t e r d i a m e t e r 1 0 c m . i n n e r d i a m e t e r 6 . 2 c m . 1 0 c m h i g h ) . T h e m a g n e t s s u c c e s s f u l l y p r o d u c e a 6 2 m a g n e t i c c u s p m i r r o r fi e l d . w i t h a m i r r o r r a t i o o f a b o u t 2 a t t h e e x i t o f t h e s o u r c e . T h e p e a k fi e l d s t r e n g t h i s a b o u t 9 2 0 G a u s s , a n d i s m a i n t a i n e d r e l a t i v e l y u n i f o r m o v e r t h e e n t i r e p l a s m a e x c i t a t i o n r e g i o n . T h e m a x i m u m c u r r e n t d e n s i t y i s o b s e r v e d a t 9 2 0 g a u s s . r a t h e r t h a n t h e 8 7 5 g a u s s f o r E C R 2 . 4 5 G H z . T h e m u l t i - c u s p m i r r o r c o n fi g u r a t i o n e f f e c t i v e l y c o n fi n e s e x c i t e d e l e c t r o n s i n a d o n u t s h a p e d r e g i o n a t t h e o u t p u t o f t h e s o u r c e . w h i c h i s t h e n a b l e t o g e n e r a t e h i g h d e n s i t y o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s . T h e r e s u l t i n g h i g h d e n s i t y m o d e p l a s m a s t r e a m w a s v e r y c o l l i m a t e d a n d d i r e c t i o n a l w i t h a d i a m e t e r o f a b o u t 1 . 8 c m . a n d a d i v e r g e n c e a n g l e o f a b o u t 3 4 d e g r e e s . S a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y m e a s u r e d w i t h a L a n g m u i r p r o b e ( 6 m m d i a m e t e r . p l a c e d 1 2 c m d o w n s t r e a m ) a t a b i a s . o f n e g a t i v e 8 0 V w a s s e e n t o b e a b o u t 1 8 m A - c m ' 2 f o r a 2 0 0 W . 1 0 s c c m ( a b o u t 1 . 2 m T o r r ) a r g o n d i s c h a r g e . T h i s c u r r e n t d e n s i t y w a s h i g h e r t h a n t h a t o b t a i n e d i n t h e p r e v i o u s p l a s m a s o u r c e d e s i g n w i t h t h e m a g n e t i c c o i l s . A t 5 c m d o w n s t r e a m . t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y p e a k e d a t a b o u t 8 0 m A - c m ' 2 f o r a 2 0 0 W . 1 0 s c c m a r g o n d i s c h a r g e . d e c r e a s i n g r a p i d l y w i t h r a d i a l d i s t a n c e . A s t h e a r g o n fl o w r a t e w a s r e d u c e d f u r t h e r , t h e p e a k c u r r e n t d e c r e a s e d a l s o . u n t i l a t a b o u t 2 s e e m . t h e r e w a s a l o c a l m i n i m u m a t t h e c e n t e r o f t h e d i s t r i b u t i o n - a “ h o l l o w ” b e a m . T h i s i s c l a i m e d b y t h e a u t h o r s t o b e d u e i n p a r t . t o t h e s m a l l e r n u m b e r o f a v a i l a b l e e n e r g e t i c e l e c t r o n s a t s u c h l o w p r e s s u r e s i n t h e d o n u t s h a p e d c o n fi n e m e n t r e g i o n n e a r t h e o u t p u t o f t h e s o u r c e . A t a c o n s t a n t p o w e r ( 2 0 0 W ) a n d fl o w ( 1 0 s e e m ) . t h e r a d i a l p r o fi l e o f t h e i o n b e a m b e c a m e m o r e u n i f o r m a s t h e p r o b e , w a s p o s i t i o n e d ’ f u r t h e r d o w n s t r e a m f r o m t h e g e n e r a t i o n r e g i o n . A s e x p e c t e d . t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y i n c r e a s e d m o n o t o n i c a l l y a s i n p u t p o w e r w a s r a i s e d ( a t fi x e d fl o w r a t e s o f 4 . 1 6 a n d 1 0 s c c m ) . a n d a l s o a s fl o w r a t e / p r e s s u r e w a s i n c r e a s e d ( a t fi x e d 6 3 p o w e r l e v e l s o f 5 0 - 2 0 0 W ) . Q M S m e a s u r e m e n t s i n d i c a t e a h i g h l e v e l o f A r 2 + i o n s i n t h e p l a s m a . t h e r a t i o o f A r 2 + t o t h e t o t a l i o n c u r r e n t ( A r + + A r 2 * ) i n c r e a s i n g w i t h a r g o n fl o w . a n d b e i n g a s h i g h a s 5 0 % f o r a 6 s c c m a r g o n d i s c h a r g e . A c c o r d i n g t o t h e a u t h o r s . t h e i n c r e a s e i n t h e 2 + c h a r g e s t a t e p r o d u c t i o n i s p r o b a b l y d u e t o a n e l e v a t e d i o n d e n s i t y a t h i g h e r p r e s s u r e s . T h i s e l e v a t e d 2 + p r o d u c t i o n m a y a l s o b e d u e t o t h e c o n fi n i n g c u s p s h a p e d fi e l d p r o d u c e d n e a r t h e e x i t o f t h e s o u r c e . T h e a p p l i c a t i o n s f o r t h e v a r i o u s v e r s i o n s o f t h i s s o u r c e a r e p o s t u l a t e d t o b e f o r t h i n fi l m p r o c e s s i n g s u c h a s M B E . a n d t o p r o v i d e m u l t i p l y c h a r g e d i o n s ( o x y g e n ) f o r h i g h e n e r g y i o n i m p l a n t a t i o n . 2 . 2 . T h o r d l i e h A t o m R a d i c a l B e a m . u r c e A n a t o m / f r e e r a d i c a l b e a m s o u r c e h a s b e e n d e v e l o p e d b y O x f o r d A p p l i e d R e s e a r c h o f U K a n d w a s i n t r o d u c e d a t t h e E u r o p e a n V a c u u m C o n f e r e n c e i n 1 9 9 0 [ D a v — 9 0 b ] . S i n c e t h e n . s e v e r a l s t u d i e s o n t h i s s o u r c e - m o s t l y a p p l i c a t i o n s o r i e n t e d h a v e b e e n c o n d u c t e d [ C l a - 8 8 . H o k - 9 1 . P a r - 9 0 . Q i u - 9 1 . W a t - 9 1 ] . T h e e l e c t r o d e l e s s s o u r c e , o p e r a t i n g a t t h e r a d i o f r e q u e n c y ( r i ) o f 1 3 . 5 6 M H z e x c i t a t i o n f r e q u e n c y i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 9 ( n o t t o s c a l e ) . a n d i s e s s e n t i a l l y a f r e e r a d i c a l s o u r c e d u e . a s c l a i m e d b y t h e a u t h o r s . t o t h e u n i q u e e l e c t r i c p o t e n t i a l s g e n e r a t e d w i t h i n t h e d i s c h a r g e t u b e ( 6 ) t h a t p r e v e n t m o s t c h a r g e d p a r t i c l e s f r o m e s c a p i n g t h e t u b e . T h e i o n / e l e c t r o n d e n s i t y i n t h e b e a m i s . t h e r e f o r e c l a i m e d t o b e n e g l i g i b l e . N o t e t h a t t h i s i s t h e o n l y i n d u c t i v e l y c o u p l e d r f s o u r c e t h a t i s r e v i e w e d i n t h i s c h a p t e r . T h e s t a n d a r d b o d y l e n g t h i s 2 9 . 0 c m a n d t h e v a c u u m s e a l i s m a d e t h r o u g h a D N 6 3 C F fl a n g e ( 3 ) . S i m i l a r t o t h e t i n U e b g r u n t o i t a h e d g l d r c r e e e t a i e n a h h F e M c S G s s F i F F a R D R G R . . . . 6 8 7 9 . 0 1 e l g i n o a c l F F R t a d fl e d l s n t e o t o i e x e o C l C F E n 3 l r r 6 e e m a s t t a a a N e G D B W W . 1 . . . . 2 3 4 5 6 5 J a p a n e s e r a d i c a l g u n . t h e o v e r - a l l l e n g t h o f t h e s o u r c e i s a p p l i c a t i o n s p e c i fi c . s i n c e t h e a c t u a l d i s c h a r g e p r o d u c i n g r e g i o n i s s m a l l a n d a t t h e e n d o f t h e s o u r c e . T h e r f c o i l s ( 4 ) a r o u n d t h e d i s c h a r g e t u b e a r e w a t e r c o o l e d . w h i l e t h e m a t e r i a l o f t h e t u b e i s d i c t a t e d b y t h e a p p l i c a t i o n - h i g h p u r i t y q u a r t z i s u s e d w h e n t h e s o u r c e i s t o b e u s e d f o r p r o d u c i n g o x y g e n r a d i c a l s s i n c e q u a r t z h a s a v e r y l o w r e c o m b i n a t i o n c o e f fi c i e n t f o r a t o m i c o x y g e n . U l t r a - p u r e p y r o l y t i c b o r o n n i t r i d e i s u s e d f o r U H V a p p l i c a t i o n s . T h e d i s c h a r g e g a s i s f e d t h r o u g h a s m a l l a l u m i n a t u b e ( 8 ) t h a t e x t e n d s u p t o t h e p l a s m a c o n t a i n m e n t t u b e . T h e s o u r c e p r o d u c e s h i g h d e n s i t i e s o f a t o m i c r a d i c a l s w h i c h h a v e b e e n f o u n d u s e f u l i n o x i d e / t h i n fi l m d e p o s i t i o n . l o w t e m p e r a t u r e e t c h i n g . h y d r o g e n r a d i c a l c l e a n i n g o f w a f e r s . a n d l o w t e m p e r a t u r e n i t r i d i n g . M o s t s t u d i e s d o n e w i t h t h i s s o u r c e h a v e b e e n a p p l i c a t i o n o r i e n t e d . w i t h s o m e e v a l u a t i o n d a t a a v a i l a b l e . P e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s r e g a r d i n g t h e a t o m i c fl u x w e r e m e a s u r e d u s i n g t h e q u a r t z c r y s t a l m i c r o b a l a n c e ( Q C M ) f o r O ' . H . a n d N . r a d i c a l s p e c i e s . T h e o x y g e n a t o m fl u x w a s e s t i m a t e d t o r a n g e b e t w e e n 1 0 1 4 c m ’ 2 - s ' l a n d 1 0 1 5 c m ' 2 - s ' l . F o r a 5 0 0 W d i s c h a r g e . a n d a t a p r e s s u r e o f 2 X 1 0 ‘ 5 T o r r . t h e r a d i c a l fl u x i s a b o u t 5 X 1 0 1 4 c m ' Z - s ' l . i n c r e a s i n g t o a b o u t 4 X 1 0 1 5 a s t h e p r e s s u r e i s r a i s e d t o 2 X 1 0 ' 4 T o r r [ L o c - 9 1 . D a v - 9 0 b ] . I n s i t u r e fl e c t e d h i g h e n e r g y e l e c t r o n d i f f r a c t i o n ( R H E E D ) a n a l y s i s c o n fi r m e d t h e Q C M o x i d a t i o n d a t a . X P S s p e c t r a o f c o p p e r fi l m s a f t e r e x p o s u r e t o a n o x y g e n b e a m w e r e f o u n d t o b e i d e n t i c a l t o t h e C u ( I I ) O s p e c t r u m . w h i l e e x p o s u r e o f t h e fi l m t o m o l e c u l a r o x y g e n w a s f o u n d t o p r o d u c e n o s i g n i fi c a n t o x i d a t i o n . I t w a s t h e r e f o r e c o n fi r m e d t h a t i t i s t h e r e a c t i v e o x y g e n r a d i c a l s t h a t o x i d i z e t h e fi l m . a n d m o l e c u l a r o x y g e n h a s l i t t l e o r n o o x i d i z i n g e f f e c t . R H E E D a n d A u g e r D e p t h p r o fi l e e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y f o r G a A s s u b s t r a t e s p a s s i v a t e d b y n i t r i d i n g h a v e 6 6 a l s o b e e n u s e d t o m o n i t o r t h e p e r f o r m a n c e o f t h e r a d i c a l s o u r c e . Q C M s t u d i e s w e r e u s e d t o t e s t l o w t e m p e r a t u r e e t c h i n g o f G a A s b y r a d i c a l s u s i n g a C C 1 2 F 2 d i s c h a r g e . A c o m p a r i s o n o f t h e a t o m i c r a d i c a l p r o d u c t i o n b e t w e e n t h i s r a d i c a l b e a m s o u r c e . a n E C R s o u r c e ( t h e M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y / W a v e m a t M P D R 6 1 0 m . t o b e d e t a i l e d l a t e r i n t h i s d i s s e r t a t i o n ) . a n d a m i c r o w a v e s o u r c e ( t h e E v a n s o n c a v i t y ) . s e e m s t o i n d i c a t e t h a t t h e g a s fl o w r a t e n e e d e d t o p r o d u c e a p p r o x i m a t e l y t h e s a m e a m o u n t o f a t o m i c o x y g e n ( a s m e a s u r e d w i t h a Q C M ) w a s m u c h l o w e r f o r t h e O x f o r d r f s o u r c e [ L a c - 9 1 ] t h a n f o r t h e o t h e r t w o s o u r c e s . T h e c r a c k i n g e f fi c i e n c y f o r o x y g e n i n t h i s s o u r c e i s e s t i m a t e d t o b e a b o u t 3 0 % . T h e s o u r c e h a s a l s o b e e n u s e d i n M B E g r o w t h o f I n N a n d G a N fi l m s [ H o k - 9 1 ) w i t h a n i t r o g e n d i s c h a r g e . a n d a s a s o u r c e t o i n c o r p o r a t e p - t y p e n i t r o g e n a c c e p t o r i m p u r i t i e s i n Z n S e / G a A s e p i t a x i a l l a y e r s u s i n g a n i t r o g e n a t o m i c b e a m d o p i n g d u r i n g M B E g r o w t h [ P a r - 9 0 . Q i u - 9 1 ] . A h y d r o g e n r a d i c a l b e a m f r o m t h i s s o u r c e h a s b e e n u s e d i n m e t a l o r g a n i c M B E ( M O M B E ) t o e f f e c t i v e l y r e m o v e t h e n a t i v e G a A s o x i d e l a y e r [ W a t - 9 1 ] . T h i s a t o m i c r a d i c a l b e a m s o u r c e h a s t h e r e f o r e b e e n e x t e n s i v e l y c h a r a c t e r i z e d a n d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s h a v e b e e n a g g r e s s i v e l y e x p l o r e d . A c o m m e r c i a l v e r s i o n o f t h e s o u r c e . c a l l e d t h e “ O x f o r d A p p l i e d R e s e a r c h . M o d e l M P D 2 1 " i s a v a i l a b l e f r o m O x f o r d A p p l i e d R e s e a r c h . a R u r c m F r a n e P r e l i m i n a r y r e s u l t s o f a n e w c o m p a c t E C R i o n s o u r c e f r o m P a r i s X I . F r a n c e w e r e p r e s e n t e d a t t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s ( I C I S - 9 3 ) a t B e i j i n g . C h i n a [ B o u - 9 4 ] . a n d s u b s e q u e n t l y p u b l i s h e d i n t h e p r o c e e d i n g s . T h i s 6 7 f i ) V 1 C o m R i n s o u r c f r o m F r a n c e 4 . L e c h e r l i n e s 5 . P e r m a n e n t M a g n e t s ( S m C o ) 6 . M u l t i - a p e r t u r e e x t r a c t i o n o p t i c s 1 . G a s I n l e t 2 . S M A C o n n e c t o r 3 . E x c i t a t i o n l o o p 6 8 n e w s o u r c e i n c o r p o r a t e s t h e u n i q u e p r i n c i p l e o f c o u p l i n g e n e r g y i n t o t h e d i s c h a r g e t h r o u g h t w o s h i e l d e d q u a r t e r - w a v e l e n g t h “ L e c h e r l i n e r e s o n a t o r s ” . A s c a n b e s e e n f r o m F i g u r e 2 . 1 0 ( n o t t o s c a l e ) . t h e s o u r c e i s v e r y s i m p l e i n d e s i g n a n d q u i t e c o m p a c t - o n l y 5 . 0 c m i n d i a m e t e r ( n o t i n c l u d i n g t h e m a g n e t s ) . a n d 5 . 0 c m h i g h . T h e s t a i n l e s s s t e e l d i s c h a r g e c h a m b e r i s s u r r o u n d e d b y f o u r r a d i a l l y m a g n e t i z e d p a r a l l e l e p i p e d s h a p e d S m - C o m a g n e t s m e a s u r i n g 2 . 5 X 2 . 5 X 1 . 2 c m 3 . T h e s e m a g n e t s c r e a t e a m u l t i - c u s p s t a t i c m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n . g e n e r a t i n g t h e 8 7 5 G a u s s fi e l d s t r e n g t h f o r E C R . D i s c h a r g e g a s i s l e a k e d t h r o u g h a f e e d t h r o u g h o n t h e t o p o f t h e s o u r c e . T h e t w o L e c h e r l i n e s . o r p a d s . a r e p l a c e d 3 0 m m a p a r t a n d a r e c o a J d a l l y c o u p l e d t o a n o f f - a x i s s q u a r e l o o p a n t e n n a . T h e L e c h e r l i n e s f u l fi l l t h e o r t h o g o n a l i t y c o n d i t i o n b e t w e e n t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d a n d t h e m i c r o w a v e e l e c t r i c fi e l d . M i c r o w a v e p o w e r a t 2 . 4 5 G H z i s s u p p l i e d t o t h e a n t e n n a t h r o u g h a 5 0 Q c o a x i a l S M A c o n n e c t o r . D e p e n d i n g o n t h e o r i e n t a t i o n o f t h e l o o p w i t h r e s p e c t t o t h e L e c h e r l i n e s . t h e r e a r e t w o s e p a r a t e e l e c t r o m a g n e t i c m o d e s t h a t c a n b e e x c i t e d i n t h e m i c r o w a v e c a v i t y . I n t h e “ o d d m o d e . “ e l e c t r i c a l e n e r g y i s c o n c e n t r a t e d b e t w e e n t h e p a d s a n d t h e c h a m b e r w a l l . a n d i n t h e “ e v e n m o d e . ” t h e e n e r g y i s c o n fi n e d b e t w e e n t h e t w o p a d s . T h e l o o p o r i e n t a t i o n f o r t h e s e t w o m o d e s i s 9 0 ° a p a r t . A h y b r i d d u a l m o d e w i t h c h a r a c t e r i s t i c s o f b o t h e l e c t r o m a g n e t i c m o d e s d e s c r i b e d a b o v e c a n b e e x c i t e d i f t h e l o o p a n t e n n a i s p a r t w a y b e t w e e n t h e t w o e x t r e m e o r i e n t a t i o n s - t h a t i s . a t 4 5 ° . I n i t i a l e x p e r i m e n t s w i t h t h e s o u r c e w e r e c o n d u c t e d w i t h a n e x t e r n a l t u n i n g m e c h a n i s m t o O p t i m i z e t h e s o u r c e p e r f o r m a n c e . H o w e v e r . t h i s w a s a p p a r e n t l y s o o n d i s c a r d e d . a n d s o u r c e o p t i m i z a t i o n w a s c o n d u c t e d e s s e n t i a l l y t h r o u g h s e l e c t i n g t h e e x a c t L e c h e r p a d l e n g t h a n d m a x i m i z i n g t h e m e a s u r e d c u r r e n t d e n s i t y . T h e l e n g t h o f 6 9 t h e s e r e s o n a t o r s w a s r e s t r i c t e d t o a r a n g e f r o m 2 . 5 c m t o 3 . 5 c m . s i n c e a s t a b l e ( d i s c h a r g e i g n i t i o n w a s n o t p o s s i b l e f o r p a d l e n g t h s b e y o n d t h i s r a n g e . A n i o n b e a m w a s e x t r a c t e d t h r o u g h t h e b o t t o m o f t h e s o u r c e u s i n g a m u l t i - a p e r t u r e t r i p l e g r i d e l e c t r o d e s y s t e m . A fi x e d L e c h e r p a d l e n g t h o f 3 0 m m w a s u s e d i n a l l s o u r c e c h a r a c t e r i z a t i o n . T h e h y b r i d d u a l m o d e p r o d u c e d t h e m o s t i o n c u r r e n t d e n s i t y a m o n g t h e t h r e e e l e c t r o m a g n e t i c m o d e s . p o s s i b l y d u e t o t h e m o r e d i s t r i b u t e d e l e c t r i c fi e l d s t h r o u g h t h e p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n . I n c i d e n t p o w e r w a s k e p t c o n s t a n t a t 7 5 W . a n d t h e s o u r c e w a s o p e r a t e d a t t h e d u a l h y b r i d m o d e . w i t h a n e x t r a c t i o n p o t e n t i a l o f 1 0 0 V . A s a f u n c t i o n o f a r g o n d i s c h a r g e p r e s s u r e . t h e c u r r e n t d e n s i t y d i s p l a y e d t w o l o c a l m a x i m a - a t a b o u t 2 . 5 1 0 ' 3 m b a r ( 2 m T o r r ) w i t h a c u r r e n t o f 0 . 5 m A - c m ' z . a n d a t a b o u t 2 X 1 0 ’ 2 m b a r ( 1 5 m T o r r ) w h e r e t h e m a x i m u m c u r r e n t w a s 0 . 7 m A — c m ‘ z . A t t h e l o w e r p r e s s u r e . t h e c u r r e n t d e n s i t y m a x i m u m i s a t t r i b u t e d t o t h e r e s o n a n c e o f t h e L e c h e r l i n e s t h a t p r o d u c e s a m a x i m u m i o n i z i n g e l e c t r i c fi e l d a t t h e e n d o f t h e l i n e s t r u c t u r e . T h e s e c o n d m a x i m u m a t t h e h i g h e r p r e s s u r e i s d u e t o a n i n c r e a s e i n t h e c o l l i s i o n f r e q u e n c y , o f t h e e l e c t r o n s w i t h n e u t r a l s i n t h e c h a m b e r . T h i s i s c o n fi r m e d b y t h e f a c t t h a t t h e m a x i m u m a t h i g h e r p r e s s u r e i s i n d e p e n d e n t o f t h e L e c h e r p a d l e n g t h . w h i l e t h e m a x i m u m a t t h e l o w e r p r e s s u r e i s h i g h l y d e p e n d e n t o n t h i s l e n g t h . A t 2 9 m m a n d 3 1 m m L e c h e r l i n e l e n g t h ( o p t i m a l l e n g t h i s 3 0 m m ) t h e l o w p r e s s u r e m a x i m u m i s c o m p l e t e l y b l u r r e d o u t . w h i l e t h e h i g h p r e s s u r e m a x i m u m i s r e l a t i v e l y u n d i m i n i s h e d . A t a c o n s t a n t p r e s s u r e - 9 X 1 0 ' 3 m b a r ( a b o u t 7 m T o r r ) t h e i o n c u r r e n t d e n s i t y i n c r e a s e s a l m o s t l i n e a r l y a s t h e p o w e r i s i n c r e a s e d . P l a s m a i g n i t i o n o c c u r s w i t h a m i n i m u m o f a b o u t 4 0 W . p r o d u c i n g a c u r r e n t d e n s i t y o f 0 . 4 m A - 7 O c m ' z . w h i c h i n c r e a s e s t o a b o u t 1 m A - c m ‘ 2 a s p o w e r i s r a i s e d t o 1 1 0 W . I f t h e i n p u t p o w e r i s n o w r e d u c e d . a s t a b l e d i s c h a r g e c a n b e s u s t a i n e d t o p o w e r l e v e l s a s l o w a s 2 0 W . A l t h o u g h p a r t i c u l a t e g e n e r a t i o n d u e t o i o n b o m b a r d m e n t o n t h e L e c h e r l i n e s i n t h e d i s c h a r g e h a s n o t b e e n t e s t e d . t h i s s o u r c e i s c a p a b l e o f s u s t a i n i n g a h i g h i n t e n s i t y d i s c h a r g e f r o m w h i c h h i g h b e a m c u r r e n t s m a y b e e x t r a c t e d . A p p l i c a t i o n s o f t h e s o u r c e a r e e x p e c t e d t o b e f o r r e a c t i v e s p e c i e s c l e a n i n g o r o t h e r s u r f a c e t r e a t m e n t o f s u b s t r a t e s . M B E . o r a s a n e u t r a l i z e r f o r i o n a s s i s t e d d e p o s i t i o n t e c h n i q u e s . 2 . 2 . 1 9 T h e M i c r o s c i e n c e 1 2 c . I o n B e g S o u r c e M i c r o s c i e n c e . I n c . o f M a s s a c h u s e t t s h a s r e c e n t l y i n t r o d u c e d a c o m p a c t E C R i o n b e a m s o u r c e c a p a b l e o f p r o d u c i n g h i g h i n t e n s i t y b e a m s a t m e d i u m e n e r g i e s ( 2 0 0 - 1 7 0 0 V ) [ P o p - 9 4 b ] . T h i s s o u r c e i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 1 ( n o t t o s c a l e ) . I t ' s d e s i g n i s i n t e r e s t i n g i n t h a t i t e m p l o y s a h y b r i d t e c h n o l o g y t o i n j e c t m i c r o w a v e e n e r y i n t o a p l a s m a c a v i t y t h a t h a s a d i a m e t e r b e l o w c u t o f f f o r 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e t r a n s m i s s i o n . S a k u d o e t a 1 . [ S a k — 7 7 ] u s e d a n a n t e n n a f e d m i c r o w a v e c a v i t y w i t h a h i g h m a g n e t i c fi e l d ( S e c t i o n 2 . 2 . 2 ) . w h i l e S h i m a d a e t a l . ' [ S h i - 9 1 ] u t i l i z e d m i c r o w a v e t r a n s p a r e n t w i n d o w s f o r t h e i r d e s i g n ( S e c t i o n 2 . 2 . 7 ) . a n d u s e d a l u m i n a a s a d i e l e c t r i c t h a t e s s e n t i a l l y r e d u c e d t h e c u t o f f d i a m e t e r o f t h e s o u r c e ( o r w a v e g u i d e ) f o r m i c r o w a v e t r a n s m i s s i o n a t 2 . 4 5 G H z . T h e n e w M i c r o s c i e n c e I n c . . s o u r c e u s e s a n a n t e n n a e n c l o s e d i n s i d e a n a l u m i n a c u p t h a t a l s o a c t s a s t h e d i e l e c t r i c w i n d o w o f S h i m a d a ’ s d e s i g n . T h i s i s s o m e w h a t s i m i l a r t o t h e a n t e n n a b e i n g e n c l o s e d b y a n a l u m i n a c u p i n t h e R u s s i a n d e s i g n [ S h a - 9 0 ] 7 1 G a s 2 W a t e r o u t W a t e r i n T - ¢ 4 / V / / ¢ ¢ - s " 1 4 4 r / \ \ W 4 . — / / W . . — 5 / 6 7 7 I n / 4 / 8 * 9 1 0 1 1 A m — 1 2 F i g u _ r e 2 . 1 1 M i c r o s c i e n c e , ' I n c . C o m p a c t E C R I o n B e a m S o u r c e 1 . T y p e N C o a x i a l C o n n e c t o r 7 . P e r m a n e n t M a g n e t s 2 . H i g h V o l t a g e B i a s F e e d t h r o u g h 8 . E l e c t r o m a g n e t c o i l 3 . H a l f w a v e l e n g t h A n t e n n a 9 . B o r o n N i t r i d e E n c l o s e r 4 . A l u m i n a C u p 1 0 . B i a s G r i d f o r I o n E x t r a c t i o n 5 . P l a s m a C h a m b e r 1 1 . A l u m i n a S p a c e r 6 . A l u m i n a S p a c e r 1 2 . 4 . 5 I n c h C o n fl a t F l a n g e 7 2 o f a c o m p a c t E C R i o n s o u r c e ( S e c t i o n 2 . 2 . 3 ) e x c e p t t h a t h e r e . t h e a l u m i n a fi t s c o m p l e t e l y i n t o t h e q u a r t z c h a m b e r . C o n s t r u c t i o n o f t h i s s o u r c e i s n o w d e s c r i b e d i n d e t a i l . T h e p l a s m a c h a m b e r ( 5 ) i s 5 . 5 c m i n d i a m e t e r . a n d 1 2 c m i n l e n g t h . a n d i s a t t a c h e d t o a 4 . 5 i n c h C o n fl a t fl a n g e ( 1 2 ) o n t h e b o t t o m . L o w p o w e r m i c r o w a v e s ( l e s s t h a n 2 0 0 W ) a t 2 . 4 5 G H z a r e f e d i n t o t h e p l a s m a c h a m b e r t h r o u g h a n a n t e n n a a t t a c h e d t o a t y p e N c o n n e c t o r ( 1 ) . T h e a n t e n n a ( 3 ) d i a m e t e r i s s u b s t a n t i a l l y l a r g e r t h a n t h a t o f t h e i n n e r c o n d u c t o r o f t h e c a b l e t o r e t a i n t h e c o n t i n u i t y ' o f t h e 5 0 Q m i c r o w a v e c i r c u i t r y . T h i s a n t e n n a i s e n c l o s e d b y a n a l u m i n a c u p ( 4 ) t h a t fi l l s p a r t o f t h e s o u r c e b o d y . a n d a l s o m a k e s t h e v a c u u m s e a l w i t h a V i t o n O - r i n g . T h e a n t e n n a i s t h e r e f o r e . o n t h e a t m o s p h e r i c p r e s s u r e s i d e o f t h e a l u m i n a c u p . T h i s a n t e n n a e n c l o s i n g c u p i s s h i e l d e d f r o m t h e h i g h i n t e n s i t y p l a s m a w i t h a n a l u m i n a s p a c e r ( 6 ) . T w o S m - C o r i n g s h a p e d m a g n e t s ( 7 ) w i t h 2 . 5 c m i n n e r d i a m e t e r b e l o w t h i s a l u m i n a s p a c e r a r e p l a c e d a f e w m m d o w n s t r e a m f r o m t h e a l u m i n a c u p . w i t h a B N c y l i n d e r ( 9 ) p r o t e c t i n g t h e m a g n e t s f r o m t h e p l a s m a . T h e s e m a g n e t s p r o v i d e d t h e s t a t i c m a g n e t i c fl u x d e n s i t y f o r E C R . T h e r e i s a l s o a l a r g e c u r r e n t c o i l ( 8 ) a r o u n d t h e o u t s i d e o f t h e s o u r c e w h o s e m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h a n d r e l a t i v e p o s i t i o n c a n b e a d j u s t e d . T h i s c o i l a i d s i n s u s t a i n i n g t h e p l a s m a a n d e f fi c i e n t l y e x t r a c t i n g a n i o n b e a m b y c o n t r o l l i n g t h e d i v e r g e n c e o f t h e i o n s o u t o f t h e s o u r c e . T h e b o d y o f t h e p l a s m a c h a m b e r i s w a t e r c o o l e d . F o r t h e l o w p o w e r l e v e l s a t w h i c h t h i s s o u r c e w a s u s e d t h e r e w a s n o n e e d t o c o o l t h e a n t e n n a . a l t h o u g h i t i s p r o v i d e d w i t h a i r o r w a t e r c o o l i n g fi x t u r e s . D i s c h a r g e g a s i s l e a k e d t h r o u g h a f e e d t h r o u g h o n t h e t o p . a n d i n j e c t e d i n t o t h e p l a s m a c h a m b e r t h r o u g h t i n y h o l e s m a d e i n t h e B N c y l i n d e r . 7 3 A n i o n b e a m m a y b e e x t r a c t e d t h r o u g h t w o m u l t i - a p e r t u r e g r i d s ( 1 0 ) a b o u t 8 c m d o w n s t r e a m f r o m t h e a l u m i n a s p a c e r . B o t h g r i d s a r e 1 m m t h i c k p y r o l y t i c g r a p h i t e . s e p a r a t e d f r o m e a c h o t h e r b y a 1 . 5 m m t h i c k a l u m i n a s p a c e r . E a c h g r i d h a s 6 5 h o l e s ( e a c h h o l e 2 m m i n d i a m e t e r ) l e a d i n g t o a h e x a g o n a l b e a m e x t r a c t i o n a r e a o f a b o u t 2 c m 2 ‘ . T h e b o d y o f t h e i o n s o u r c e i s a l w a y s g r o u n d e d . w h i l e t h e p l a s m a i s p l a c e d a t a h i g h e r p o t e n t i a l . H e n c e t h e n e e d f o r t h e B N c y l i n d e r t h a t e l e c t r i c a l l y i s o l a t e s t h e g r o u n d e d c a v i t y f r o m t h e h i g h p o t e n t i a l p l a s m a d i s c h a r g e . T h e p l a s m a g r i d ( c l o s e s t t o t h e d i s c h a r g e ) i s b i a s e d p o s i t i v e l y ( D C ) a t 1 5 0 - 2 0 0 0 V . w h i l e t h e s e c o n d g r i d ( c a l l e d t h e s u p p r e s s o r ) i s b i a s e d a t a n e g a t i v e p o t e n t i a l o f a b o u t - 5 0 t o - 1 0 0 0 V . D u e t o t h i s h i g h n e g a t i v e v o l t a g e . s e c o n d a r y e l e c t r o n s a r e r e p e l l e d f r o m t h e g r i d a n d d o n o t c o n t r i b u t e t o t h e t o t a l g r i d ( a n d b e a m ) c u r r e n t . D i f f e r e n t B N l i n e r s a n d o t h e r c e r a m i c e n c l o s u r e s a r e u s e d i n t h i s p l a s m a s o u r c e t o p r e v e n t s h o r t i n g o r a r c i n g a c r o s s b i a s e d s u r f a c e s . a n d p l a s m a i g n i t i o n i n r e g i o n s o t h e r t h a n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r . A s m e n t i o n e d b e f o r e . t h e s e d i e l e c t r i c l i n e r s a l s o a l l o w t h e b o d y o f t h e p l a s m a s o u r c e t o b e a t g r o u n d p o t e n t i a l . w h i l e t h e p l a s m a i n s i d e t h e s o u r c e i s r a i s e d t o t h e h i g h e x t r a c t i o n p o t e n t i a l s . I T h e s o u r c e n o r m a l l y o p e r a t e s a t l o w p o w e r l e v e l s ( 3 0 - 2 0 0 W i n c i d e n t p o w e r . w i t h a b o u t 1 0 % r e fl e c t e d b a c k f r o m t h e s o u r c e ) . a n d g e n e r a t e s i o n b e a m c u r r e n t s o f 0 . 5 - 3 . 0 m A - c m ' 2 w i t h i o n b e a m e n e r g i e s o f 2 0 0 - 1 7 0 0 V . D e s p i t e t h e a l u m i n a c u p t h a t fi l l s t h e t o p p a r t o f t h e p l a s m a c h a m b e r t h a t s h o u l d a l l o w m i c r o w a v e t r a n s m i s s i o n . t h e a u t h o r s c l a i m t h a t i t i s t h e e v a n e s c e n t m i c r o w a v e fi e l d s t h a t s u s t a i n t h e p l a s m a . H e n c e t h e m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n i s d e s i g n e d s u c h t h a t t h e E C R z o n e s a r e o n l y a f e w m i l l i - m e t e r s a w a y h o u r t h e 7 4 a l u m i n a s p a c e r w h e r e t h e a t t e n u a t i n g e l e c t r i c fi e l d s a r e s t r o n g e n o u g h f o r E C R b r e a k d o w n . W h i l e c h a r a c t e r i z i n g t h e s o u r c e , t h e o p e r a t i n g p r e s s u r e r a n g e d f r o m 2 X 1 0 ‘ 5 T o r r i n t h e b e a m l i n e . t o a b o u t 2 - 3 X 1 0 ‘ 4 T o r r . T h i s p r e s s u r e i s l i m i t e d o n t h e l o w e n d b y t h e 1 s e e m m i n i m u m fl o w r a t e o f t h e d i s c h a r g e g a s . a n d o n t h e h i g h e n d b y t h e m i n i m u m n e c e s s a r y r a t i o o f i o n a c c e l e r a t i o n g r i d c u r r e n t t o t h e i o n s u p p r e s s i o n g r i d c u r r e n t . ( I f p r e s s u r e i s r a i s e d b e y o n d t h i s . n o b e a m c a n b e e x t r a c t e d b e c a u s e t h e c u r r e n t e x c e e d s t h e m a x i m u m c u r r e n t r a t i n g o f t h e p o w e r s u p p l y . T h i s “ p r o b l e m “ w i l l r e - s u r f a c e w h e n t h e M P D R 6 1 0 i s u s e d a s a n i o n b e a m s o u r c e l a t e r i n t h i s d i s s e r t a t i o n . ) I t w a s n o t i c e d t h a t t h e p o w e r r e q u i r e d t o b r e a k d o w n ( t h e g a s i n t o a d i s c h a r g e r e m a i n e d a l m o s t u n c h a n g e d a s t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e d e c r e a s e d . u p t o t h e m i n i m a l p r e s s u r e o f a b o u t 2 X 1 0 ' 5 T o r r . T h e b r e a k d o w n p o w e r ( P b r ) f o r i g n i t i n g a d i s c h a r g e w a s m e a s u r e d t o b e a b o u t 5 - 2 0 W i n t h i s p r e s s u r e r a n g e . I f t h e p r e s s u r e w a s r e d u c e d f u r t h e r . P b : i n c r e a s e d d r a m a t i c a l l y . i n p a r t d u e t o t h e r a p i d l y d e c r e a s i n g c o l l i s i o n f r e q u e n c y b e t w e e n e l e c t r o n s a n d n e u t r a l s t h a t s u s t a i n s t h e d i s c h a r g e . F o r e x a m p l e . a t a p r e s s u r e l e s s t h a n 1 X 1 0 ’ 5 T o r r . P b , i s g r e a t e r t h a n 2 5 0 W . A s i m i l a r d e p e n d e n c e o f P b r w a s o b s e r v e d w i t h a v a r i a t i o n o f t h e m a g n e t i c c o i l c u r r e n t . A t 5 - 6 A m p s o f c o i l c u r r e n t . t h e p o w e r r e q u i r e d t o i g n i t e a d i s c h a r g e w a s s e v e r a l h u n d r e d W a t t s . b u t a s t h e c o i l c u r r e n t i n c r e a s e d ( a n d t h e m a g n e t i c fl u x d e n s i t y i n c r e a s e d ) . t h e b r e a k d o w n p o w e r r e q u i r e m e n t d r o p p e d d r a m a t i c a l l y . a n d i g n i t i o n o c c u r r e d a t l e s s t h a n 2 0 W . N o t e t h a t i t i s t h e a x i a l c o m p o n e n t o f t h e c o i l m a g n e t i c fi e l d t h a t i s p r i m a r i l y r e s p o n s i b l e f o r E C R b r e a k d o w n i n t h e p l a s m a c h a m b e r n e a r t h e a l u m i n a s p a c e r . B e a m c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o u r c e w e r e m e a s u r e d p r i m a r i l y b y s t u d y i n g t h e c u r r e n t b e i n g e x t r a c t e d t h r o u g h t h e a c c e l e r a t i o n g r i d . A l t h o u g h n o t q u i t e t h e 7 5 s a m e . t h e i o n b e a m c u r r e n t w a s t a k e n t o b e e q u a l t o t h i s a c c e l e r a t i o n g r i d c u r r e n t . I o n b e a m c u r r e n t i n c r e a s e d a s i n p u t p o w e r w a s r a i s e d . A b o u t 8 m A o f t o t a l c u r r e n t w a s e x t r a c t e d a t a v o l t a g e o f 1 0 0 0 V ( w i t h a s u p p r e s s i o n v o l t a g e o f - 2 2 0 V ) f r o m a 2 5 0 W a r g o n d i s c h a r g e ( 7 X 1 0 ' 5 T o r r ) . F u r t h e r i n c r e a s e i n t h e f o r w a r d p o w e r l e d t o a s a t u r a t i o n o f t h e e x t r a c t e d c u r r e n t . d u e i n p a r t t o a g r o w t h i n t h e r e fl e c t e d p o w e r . F o r 1 0 0 W i n c i d e n t p o w e r . 2 5 W w e r e r e fl e c t e d f o r a 7 X 1 0 ' 5 T o r r a r g o n d i s c h a r g e . H o w e v e r . i f t h e p o w e r w a s r a i s e d t o 2 5 0 W f o r t h e s a m e d i s c h a r g e . t h e r e fl e c t e d p o w e r r o s e t o a b o u t 5 0 W . A n o t h e r r e a s o n f o r t h i s s a t u r a t i o n m a y b e t h e d e - f o c u s s i n g e f f e c t s o f t h e b e a m o p t i c s o n c e t h e i o n d e n s i t y b e g i n s t o i n c r e a s e a s t h e p o w e r i s r a i s e d . T h e C h i l d ’ s l a w “ 3 / 2 “ p o w e r v a r i a n c e o f e x t r a c t e d c u r r e n t w i t h e x t r a c t i o n v o l t a g e w a s n o t o b s e r v e d . w h i c h m a y b e b e c a u s e t h e e x t r a c t e d c u r r e n t i s l i m i t e d b y t h e p l a s m a d e n s i t y . a n d n o t t h e a c c e l e r a t i o n v o l t a g e . F o r a n a r g o n p l a s m a w i t h a n e s t i m a t e d e l e c t r o n t e m p e r a t u r e o f a b o u t 3 - 5 e V . t h e i o n b e a m c u r r e n t c o r r e s p o n d e d t o a n a r g o n i o n d e n s i t y o f a b o u t 6 - 9 X 1 0 1 0 c m ’ 3 ( a s s u m i n g t h a t t h e b e a m h a s a n e x t r a c t i o n c r o s s s e c t i o n o f a b o u t 3 c m z ) . O n c e i g n i t e d . a p l a s m a d i s c h a r g e o f t h i s s o u r c e c o u l d b e e a s i l y s u s t a i n e d e v e n w i t h o u t m a g n e t s . T h e t w o r i n g s h a p e d p e r m a n e n t m a g n e t s w e r e p u l l e d f r o m t h e s o u r c e . a n d t h i s d i d n o t i m p e d e t h e p r o c e s s o f p l a s m a i g n i t i o n . O n c e a s t a b l e p l a s m a w a s g e n e r a t e d . t h e c u r r e n t i n t h e e x t e r n a l c o l l t o o c o u l d b e r e d u c e d t o z e r o . T h e p l a s m a w a s s t i l l v e r y s t a b l e . t h o u g h a t a l o w e r d e n s i t y . s w i t c h i n g o f f o n c e t h e i o n d e n s i t y w e n t b e l o w t h e c r i t i c a l d e n s i t y ( a b o u t 7 X 1 0 1 0 c m ' 3 a t 2 . 4 5 G H z ) . A s e x p e c t e d . t h e q u e n c h i n g o f t h e p l a s m a w a s a c c o m p a n i e d b y a s h a r p i n c r e a s e i n t h e r e fl e c t e d p o w e r . T h e s o u r c e w a s u s e d f o r s p u t t e r d e p o s i t i o n o f v a r i o u s m e t a l s ( A l . M o . 7 6 S i O z . S i , e t c . ) . B a s e d o n t h e b e a m c h a r a c t e r i z a t i o n , t h e f o l l o w i n g o p t i m a l c o n d i t i o n s a r e r e c o m m e n d e d f o r t h e s e a p p l i c a t i o n s : M i c r o w a v e p o w e r o f a b o u t 1 0 0 W . a r g o n p r e s s u r e o f 7 X 1 0 ' 5 T o r r . c o i l c u r r e n t a b o u t 2 2 A . a c c e l e r a t i o n v o l t a g e 1 0 0 0 V a n d s u p p r e s s i o n v o l t a g e a b o u t - 2 2 0 V . U n d e r t h e s e c o n d i t i o n s . t h e i o n b e a m c u r r e n t i s a b o u t 4 m A . a n d t h e s u p p r e s s i o n g r i d c u r r e n t a b o u t 0 . 0 5 m A . W h e n a c o n d u c t i n g t a r g e t i s p l a c e d 1 7 c m d o w n s t r e a m a t a 4 5 ° a n g l e , t h e b e a m d i v e r g e n c e a n g l e c o u l d b e d e t e r m i n e d f r o m t h e i m p a c t m a r k s o f t h e b e a m . T h e m i n i m u m h a l f a n g l e o f d i v e r g e n c e f o r t h e b e a m w a s m e a s u r e d t o b e a b o u t 4 ° a t 2 X 1 0 ' 5 T o r r d i s c h a r g e p r e s s u r e a n d w i t h 1 0 0 0 - 1 5 0 0 V e x t r a c t i o n v o l t a g e . T h i s r o s e t o a b o u t 6 ° a t 2 X 1 0 ' 4 T o r r a n d 2 0 0 - 4 0 0 V e x t r a c t i o n v o l t a g e . T h e d i v e r g e n c e a n g l e i n c r e a s e d i f t h e t a r g e t w a s a d i e l e c t r i c . a n d a l s o i n c r e a s e d w h e n t h e c o i l c u r r e n t w a s r a i s e d . O t h e r c h a r a c t e r i z a t i o n r e s u l t s . a n d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s o f t h i s s o u r c e a r e b e i n g c o n s i d e r e d . T a b l e 2 . 1 s u m m a r i z e s a l l t h e i n f o r m a t i o n p e r t a i n i n g t o t h e d e s i g n o f t h e i o n / p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e s d i s c u s s e d i n S e c t i o n 2 . 2 . F o r e a c h s o u r c e . t h e fi r s t c o l u m n i n d i c a t e s t h e r e p o r t e d . o r m o s t p r o b a b l e a p p l i c a t i o n - a s a n i o n . b e a m . f r e e r a d i c a l . o r a p l a s m a s o u r c e . T h e n e x t t w o c o l u m n s i n d i c a t e w h e t h e r t h e s o u r c e i s E C R b a s e d . a n d i f i t h a s a r e s o n a n t c a v i t y s t r u c t u r e . N o t e t h a t “ r e s o n a n t ” c a v i t y d o e s n o t n e c e s s a r i l y . m e a n t h a t t h e d i m e n s i o n s o f t h e m i c r o w a v e ( o r p l a s m a ) c a v i t y c a n b e c h a n g e d t o t u n e t h e s o u r c e f o r s p e c i fi c e l e c t r o m a g n e t i c m o d e s - o n l y t h e M P D R f a m i l y o f s o u r c e s h a v e “ t u n a b l e r e s o n a n t c a v i t i e s ” i n w h i c h d y n a m i c m o d i fi c a t i o n o f t h e c a v i t y h e i g h t m a y b e n o . i t . . c a . r . t x . E . m a e B . . . . . . y . t ) . i s v . n a o . C i . : s n e m i d ( g . n t . n " A ! 1 : 1 b . u t . s . . e . n . o L - ! 6 F [ w r R . t g n n A ' r : s w i o r d E n - J i W - l - i o C . s ; a t m n e a n M a m - r - e P ) t m h c g ( i e § H 9 9 ‘ § P { ) C 1 I 0 I 3 5 . 6 2 1 8 V . 0 1 I 4 I Q . D [ . 1 1 R C E l a c i d a R 5 2 9 1 1 3 2 ' 1 1 P m . n a o I e ’ B X X X X e a - p i l r e v i n u q i p E c i d a R U I c r u o S t o h i / a i c c a p m t o y a s t s i u N d X E r K i o e s I f c r x r a o t . i 1 . . . . . 2 3 5 8 S 9 O u o K y H R R P R e s o n a n t C a v i t y 1 S X X X I 6 L - - - - - - - - O O 1 O - - - - - - - - - - - 1 - 0 - - - ‘ - - . - ¢ - - < 1 6 4 . R a d i c a l G u n f r o m J a p a n - C - . - - - - - - 4 - . - - - . - - - I - O - - . - - . - . - - 4 - - - - D . - - - N 3 . 5 l I I I I I I I I I I 4 x I I I I I I I I I a - - - - - - - - - 4 - c - - - - - - - 1 - - - - - - ‘ - - - * - - - - - - - - - I - . - - - - - - - 1 i 7 I I I I I I I I I I I I I I I I I I L I I I p . A S T e X 5 . 7 2 2 . 3 7 . N ' I T L S I ( a ) X ( b ) X ( c ) X X X X N _ _ . 9 . 1 V 1 0 g - - - - - - - - - - + - . - - - - - - - 1 c o o - O n c d - - . T - - - . - - - < - - . - - - - - - C - - - - - - - - 2 9 X > < X X . C - h - - - _ - - - - - - - - - - - - - C - ‘ C . . - - . . - . ‘ - - - - - - - - - - - - - - - - - - O - - . I n - o - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 - - - . - - - T - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - c o u p - - n q c c n o o o c u c o o u g u n s - - 0 - - - - 4 - - - - ) — - - - - J c u n t - - n u 4 o n o c o o c n o u o - n o c c q c c c o o 1 0 . M i c r o s c i e n c e X l n c . b o o - u - - - - - L - - - - - . > < - c - a o n o o o o o u o u c o n u c b o a - - - > < c - o u l c o u o o d c o n . - - - d - - - - - - - - - - - . ¢ - - - - - - - - - - b o o - o c i ( - - - - - D - u c c o i ( 7 7 7 8 u s e d t o m a t c h t h e p l a s m a i m p e d a n c e a n d d e c r e a s e t h e r e fl e c t e d p o w e r . t h e r e b y i n c r e a s i n g p o w e r c o u p l i n g t o t h e p l a s m a l o a d . ( T h i s t u n i n g m a y a l s o b e d o n e u s i n g e x t e r n a l s t u b . o r E H t u n e r s a s i n t h e c a s e o f t h e A S T e X c o m p a c t s o u r c e . ) I n s e v e r a l c a s e s . t h e a u t h o r s r e p o r t t h a t t h e i r s o u r c e h a s a r e s o n a n t c a v i t y - t h i s m a y m e a n j u s t t h a t t h e s o u r c e i s E C R b a s e d . a n d n o t t h e E M r e s o n a n c e w h i c h . a s m e n t i o n e d e a r l i e r . i s a d i f f e r e n t i s s u e a l t o g e t h e r . T h e s o u r c e d i m e n s i o n s a r e p r o v i d e d ( w h e r e r e p o r t e d ) t o g i v e a n i n d i c a t i o n o f t h e s i z e . a n d a r e f o l l o w e d b y t h e t y p e o f m a g n e t s e m p l o y e d b y t h e s o u r c e . N o t e t h a t o n l y t h e O x f o r d r f s o u r c e h a s n o m a g n e t s . s i n c e i t i s a f r e e r a d i c a l s o u r c e . a n d f r e e r a d i c a l s d o n o t r e q u i r e E C R . f o c u s s i n g . o r d i v e r g i n g m a g n e t i c fi e l d s . T h e n e x t c o l u m n s h o w s t h e m e t h o d o f e n e r g y t r a n s f e r - v i a a n t e n n a . o r m i c r o w a v e t r a n s p a r e n t c e r a m i c w i n d o w s . o r r f c o i l s . a n d i s f o l l o w e d b y i n f o r m a t i o n o n e x t e r n a l t u n i n g m e c h a n i s m s . F o r t h e s o u r c e s w h e r e t h e a n t e n n a i s u s e d t o i n j e c t m i c r o w a v e s i n t o t h e p l a s m a . a n d m i n i m i z e t h e r e fl e c t e d p o w e r ( t h e R u s s i a n c o m p a c t s o u r c e . o r t h e A S T e X c o m p a c t s o u r c e . f o r e x a m p l e ) . t h e d i m e n s i o n s o f t h e a n t e n n a . a n d i t s r e l a t i v e l o c a t i o n t o t h e d i s c h a r g e a r e i m p o r t a n t . S o m e s o u r c e s . l i k e t h e R u s s i a n c o m p a c t s o u r c e h a v e a “ s t a t i c . o r d i s c r e t e " a n t e n n a t u n i n g . “ w h e r e t h e a n t e n n a d i m e n s i o n s a n d l o c a t i o n a r e fi x e d a p r i o r i . a n d o n c e t h e e x p e r i m e n t i s u n d e r w a y . t h e a n t e n n a r e m a i n s fi x e d . T h e M P D R s o u r c e s . o n t h e o t h e r h a n d h a v e “ d y n a m i c " t u n i n g w h e r e a n t e n n a l o c a t i o n s m a y b e a d j u s t e d d u r i n g t h e c o u r s e o f t h e e x p e r i m e n t s t o m a t c h t h e c h a n g i n g i m p e d a n c e o f t h e p l a s m a l o a d . F i n a l l y . f o r i o n b e a m s o u r c e s . t h e t y p e o f e x t r a c t i o n s y s t e m i s i n d i c a t e d i n t h e l a s t c o l u m n - w h e t h e r t h e b e a m i s e x t r a c t e d f r o m a t w o g r i d . o r a m o r e t y p i c a l t h r e e g r i d s y s t e m . A s t h e d i f f e r e n t c o l u m n s i n t h e t a b l e a r e c o m p a r e d . s e v e r a l i n t e r e s t i n g 7 9 p o i n t s c o m e t o l i g h t . M o s t o f t h e s e s o u r c e s h a v e b e e n d e s i g n e d f o r a s p e c i fi c p u r p o s e - t o g e n e r a t e a n i o n b e a m . o r a r e a c t i v e r a d i c a l b e a m . o r t o c r e a t e a f r e e fl o w i n g q u a s i - n e u t r a l p l a s m a t h a t i m p i n g e s o n t h e s u b s t r a t e . H o w e v e r . f o r s o m e s o u r c e s . l i k e t h e M P D R 6 1 0 . t h e a d d i t i o n o f e x t r a c t i o n g r i d s c a n e a s i l y c o n v e r t a p l a s m a s o u r c e i n t o a n i o n b e a m s o u r c e . a s w i l l b e s e e n i n C h a p t e r N i n e . A l s o . e x t e r n a l m a g n e t s . l i k e t h o s e f o r t h e r a d i c a l g u n f r o m J a p a n . c a n b e n d t h e i o n s a w a y f r o m t h e s u b s t r a t e . g e n e r a t i n g a r e a c t i v e r a d i c a l r i c h b e a m . H e n c e t h e r e i s fl e x i b i l i t y i n t h e a p p l i c a t i o n s o f s o m e s o u r c e s . A l m o s t a l l t h e s o u r c e s e m p l o y e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e f o r g e n e r a t i n g t h e p l a s m a . t h e s i g n i fi c a n t o m i s s i o n s b e i n g t h e r f c o i l b a s e d O x f o r d r a d i c a l s o u r c e a n d t h e H i t a c h i “ n o n - E C R “ i o n b e a m s o u r c e ( t h e l a t t e r f a l l i n g u n d e r t h e b r o a d e r . a n d m o r e r e c e n t t e r m i n o l o g y o f “ w a v e h e a t e d d i s c h a r g e s “ [ L i e - 9 4 ] ) . H e n c e . f o r t h e E C R a n d i o n t r a n s p o r t r e q u i r e m e n t s . a l l s o u r c e s . o t h e r t h a n t h e a f o r e m e n t i o n e d r a d i c a l s o u r c e f r o m O x f o r d A p p l i e d R e s e a r c h . h a v e p e r m a n e n t m a g n e t s . o r c u r r e n t c o i l s ( o r a c o m b i n a t i o n o f b o t h ) . M a n y s o u r c e s h a v e s p e c i fi c a l l y d e s i g n e d m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n s t h a t p r o v i d e t h e E C R fi e l d s . w h i l e a t t h e s a m e t i m e h e l p i n g i n e f fi c i e n t i o n e x t r a c t i o n f r o m t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n a s t h e i o n s f o l l o w t h e m a g n e t i c l i n e s o f f o r c e o u t o f t h e p l a s m a s o u r c e . I n g e n e r a l . c u r r e n t c o i l s ( u s u a l l y s o l e n o i d s ) p r o v i d e fl e x i b i l i t y t o m o d i f y t h e m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n a r o u n d t h e p l a s m a b u t t h e y a r e n o r m a l l y b u l k y . a n d a l s o l e n d a d e g r e e o f c o m p l e x i t y t o t h e s o u r c e d e s i g n . P o w e r c o s t s . c u r r e n t c a r r y i n g l e a d s . a n d h e a t d i s s i p a t i o n a r e a l s o s o m e o t h e r f a c t o r s t h a t m a k e p e r m a n e n t m a g n e t s m o r e a p p e a l i n g t o s o m e p l a s m a s o u r c e d e s i g n e r s w h o w a n t t o r e d u c e t h e c o m p l e x i t y o f o p e r a t i o n a n d o v e r a l l s i z e o f t h e s o u r c e . A s m e n t i o n e d e a r l i e r . o f a l l t h e s o u r c e s . o n l y t h e M P D R s h a v e t u n a b l e 8 0 r e s o n a n t c a v i t i e s . t h r o u g h w h i c h m i c r o w a v e p o w e r i s e f fi c i e n t l y c o u p l e d t o t h e p l a s m a l o a d . T h i s i s u s u a l l y d o n e b y m a t c h i n g t h e i m p e d a n c e o f t h e l o a d t o t h a t o f t h e m i c r o w a v e t r a n s p o r t d e v i c e ( e i t h e r a w a v e g u i d e . o r a c o a x i a l c a b l e ) . O t h e r p l a s m a s o u r c e s ( l i k e t h e A S T e X c o m p a c t s o u r c e ) a l s o m a t c h t h e l o a d i m p e d a n c e b y e m p l o y i n g s t u b . o r E H t u n e r s . D u e t o e f fi c i e n t p o w e r c o u p l i n g . t u n i n g a l l o w s a s o u r c e t o b e o p e r a t e d w i t h l e s s i n p u t p o w e r . w h i l e p r o t e c t i n g t h e c a b l e s . w a v e g u i d e s a n d o t h e r m i c r o w a v e a p p a r a t u s f r o m e x c e s s i v e h e a t i n g d u e t o l a r g e r e fl e c t e d p o w e r . T u n i n g s t r u c t u r e s a l s o a l l o w t h e fl e x i b i l i t y o f d y n a m i c a l l y m o d i f y i n g t h e c a v i t y t o m a t c h t h e p o w e r a s p l a s m a l o a d i m p e d a n c e v a r i e s w i t h p r e s s u r e , p o w e r . g a s t y p e . o r o t h e r t r a n s i e n t c h a n g e s w i t h o u t h a v i n g t o s w i t c h o f f t h e p l a s m a s o u r c e . N o t e t h a t s o m e s o u r c e d e s i g n s ( l i k e t h e C h i n e s e v e r s i o n o f t h e I s h i k a w a s m a l l s o u r c e ) h a v e n o e x t e r n a l t u n i n g m e c h a n i s m s . a n d h a v e t o o p e r a t e a t t i m e s w i t h u p t o 6 0 % r e fl e c t e d p o w e r . P o w e r t r a n s f e r t o t h e p l a s m a l o a d i s a n i m p o r t a n t f a c t o r i n d e s i g n i n g a p l a s m a s o u r c e . T h e O x f o r d r f s o u r c e o f c o u r s e . e m p l o y s r f i n d u c t i v e c o i l s t o l a u n c h t h e m i c r o w a v e s a t 1 3 . 5 6 M H z . b u t m o s t o t h e r s o u r c e s u s e s o m e s o r t o f a n t e n n a t o l a u n c h t h e 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e e n e r g y . I n s o m e s o u r c e s t h e a n t e n n a i s o u t s i d e o f v a c u u m ( l i k e t h e M P D R 6 1 0 - a s w i l l b e s e e n i n C h a p t e r F o u r ) . w h i l e s o u r c e s l i k e t h e K y o t o U n i v e r s i t y s m a l l s o u r c e i m m e r s e t h e “ T " s h a p e d a n t e n n a i n t o t h e p l a s m a . A n o t h e r m e t h o d o f p o w e r t r a n s f e r i s v i a d i r e c t f e e d f r o m t h e w a v e g u i d e t h r o u g h c e r a m i c w i n d o w s t h a t a r e t r a n s p a r e n t t o m i c r o w a v e s a t 2 . 4 5 G H z - t h i s t e c h n i q u e i s u s e d i n a l l t h e N T T / L S I s o u r c e s , w h e r e S h i m a d a e t a l . h a v e d e s i g n e d s e v e r a l v e r s i o n s o f t h e i r s o u r c e w i t h m u l t i - l a y e r e d c e r a m i c w i n d o w s w i t h s p e c i fi c t h i c k n e s s - a l l o w i n g a t r a n s m i s s i o n c o e f fi c i e n t o f 1 f o r a n a s s u m e d i o n d e n s i t y o f 1 0 1 2 c m ' 3 . I n d e e d , f o r t h e c o m p a c t v e r s i o n o f t h e i r 8 1 s o u r c e . S h i m a d a e t a l . fi l l e d p a r t o f t h e p l a s m a c h a m b e r w i t h a l u m i n a ( t h a t e f f e c t i v e l y r e d u c e s t h e m i n i m u m d i a m e t e r r e q u i r e d f o r 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e t r a n s m i s s i o n i n a c y l i n d r i c a l w a v e g u i d e - o r t h e p l a s m a c h a m b e r - d u e t o t h e h i g h e r d i e l e c t r i c c o n s t a n t o f a l u m i n a ) . A s i g n i fi c a n t d e v e l o p m e n t w a s t h e M i c r o s c i e n c e I n c . s o u r c e d e s i g n w h i c h e m p l o y s a h y b r i d m e t h o d o f p o w e r t r a n s f e r - a s t a n d a r d a n t e n n a l a u n c h e s m i c r o w a v e s i n t o a p l a s m a c h a m b e r . t h e u p p e r p a r t o f w h i c h i s f u l l y fi l l e d w i t h a l u m i n a ( a s f o r t h e c o m p a c t S h i m a d a e t a l . t y p e s o u r c e ) t h a t a l l o w s t h e c h a m b e r d i a m e t e r t o b e b e l o w t h e e m p t y w a v e g u i d e c u t o f f f o r p r o p a g a t i o n o f m i c r o w a v e fi e l d s a t 2 . 4 5 G H z . I o n b e a m s o u r c e s u s e e i t h e r a t w o g r i d . o r t h r e e g r i d ( a c c e l - d e c e l ) e x t r a c t i o n s y s t e m . S o m e i o n b e a m s a r e e x t r a c t e d b y s i m p l e m u l t i p l e a p e r t u r e p l a t e s b i a s e d a t t h e a p p r o p r i a t e p o t e n t i a l s . w h i l e t h e d e s i g n o f o t h e r e x t r a c t i o n s y s t e m s ( l i k e t h a t f o r t h e M P D R 6 1 0 ) i s b a s e d o n s p e c i a l i z e d s p h e r i c a l q u a s i - P i e r c e t y p e a c c e l - d e c e l g e o m e t r y . T h i s w i l l b e s e e n i n C h a p t e r N i n e . w h e r e b e a m c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e 6 1 0 i s d i s c u s s e d . T h e m a i n a d v a n t a g e o f u s i n g t h e t h r e e g r i d s y s t e m i s t h a t i t p r o v i d e s m o r e c o n t r o l o v e r t h e b e a m f o c u s s i n g . a n d a l s o t h e d i r e c t e d e n e r g y o f t h e b e a m . M o s t i o n b e a m s o u r c e s e m p l o y g r i d s t h a t h a v e m u l t i p l e a p e r t u r e s p r o d u c i n g a b r o a d b e a m m a d e b y t h e s u m m a t i o n o f m a n y s m a l l b e a m l e t s . T h e s e b r o a d b e a m s a r e i m p o r t a n t f o r u n i f o r m p r o c e s s i n g o f l a r g e d i a m e t e r s u b s t r a t e s . A n e x c e p t i o n i s t h e M P D R 6 1 0 t h a t w a s t e s t e d w i t h a l a r g e . c e n t r a l i z e d s i n g l e a p e r t u r e i n t h e t h r e e g r i d s . A s m e n t i o n e d i n t h e i n t r o d u c t i o n ' o f t h i s c h a p t e r . m a n y o f t h e s o u r c e s d i s c u s s e d a b o v e h a v e b e e n e x t e n s i v e l y u s e d i n i n d u s t r i a l r e s e a r c h l a b o r a t o r i e s . T h e s e a p p l i c a t i o n s r a n g e f r o m n i t r i d i n g G a N o r A l N fi l m s ( u s i n g r e a c t i v e n i t r o g e n s p e c i e s ) . h i g h T c s u p e r c o n d u c t i n g fi l m g r o w t h ( u s i n g o x y g e n r a d i c a l s ) . r e a c t i v e 8 2 h y d r o g e n p r e - c l e a n i n g o f I I I - V s u b s t r a t e s p r i o r t o f u r t h e r o p e r a t i o n s . t o p r o v i d i n g i o n b e a m s f o r i o n i m p l a n t a t i o n , o r i n j e c t i o n o f p l a s m a s p e c i e s f r o m a c o m p a c t s o u r c e ( t h e M P D R 6 1 0 ) i n t o t h e m a i n s t a g e o f a l a r g e r E C R i o n s o u r c e f o r m u l t i p l y c h a r g e d s p e c i e s - t h e S C E C R ( s e e C h a p t e r E i g h t f o r d e t a i l s ) . I n d e e d . t h e d e s i g n o f s e v e r a l i o n / p l a s m a s o u r c e s d i s c u s s e d h e r e h a s b e e n p r e d i c a t e d b y t h e i r e v e n t u a l a p p l i c a t i o n . F o r e x a m p l e . s o u r c e s l i k e t h e A S T e X . I n c . c o m p a c t s o u r c e . a n d t h e M P D R 6 1 0 w e r e s p e c i fi c a l l y d e s i g n e d t o fi t i n s i d e e x i s t i n g M B E e f f u s i o n c e l l p o r t s . a n d t o c r e a t e a d i s c h a r g e c l o s e t o t h e s u b s t r a t e . S i n c e i t s i n c e p t i o n , t h e M P D R 6 1 0 s o u r c e h a s f o u n d a p p l i c a t i o n s o u t s i d e o f M B E . i n c l u d i n g p o s s i b l e d i r e c t i n j e c t i o n o f H e 2 + ( a l p h a p a r t i c l e s ) i n t o c y c l o t r o n b e a m l i n e s [ M a y - 9 5 ) a t t h e T e x a s A & M c y c l o t r o n f a c i l i t y . a n d i s e v i d e n c e o f t h e d e v e l o p i n g r e q u i r e m e n t s a n d i r m o v a t i o n s o f i n d u s t r i a l a n d a c a d e m i c r e s e a r c h . 2 . 4 D i s c u s s o n - e t A c o m m e n t n e e d s t o b e m a d e a b o u t t h e m e t h o d o f r e p o r t i n g t h e e v a l u a t i o n r e s u l t s o f a n y i o n / p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e . A s m a y b e d i s c e r n i b l e f r o m t h e d e t a i l s o f S e c t i o n 2 . 2 . d i f f e r e n t r e s e a r c h e r s u t i l i z e d i f f e r e n t t e c h n i q u e s t o m e a s u r e t h e s a m e p l a s m a p a r a m e t e r - l i k e u s i n g d i s c s h a p e d . o r c y l i n d r i c a l L a n g m u i r p r o b e s f o r i o n c u r r e n t d e n s i t y m e a s u r e m e n t s . O f t e n t h e s e r e s u l t s a r e a l s o r e p o r t e d i n d i f f e r e n t w a y s . T h i s m a k e s a c o m p a r a t i v e s t u d y o f t h e s o u r c e ' c h a r a c t e r i s t i c s v e r y d i f fi c u l t . s i n c e t h e b a s i s f o r c o m p a r i n g t h e r e s u l t s i s n o t t h e ‘ s a m e f o r a l l s o u r c e s . A c o m m o n s e t o f c r i t e r i a - o r fi g u r e s o f m e r i t n e e d t o b e d e v e l o p e d s o t h a t t h e p e r f o r m a n c e o f a n y i o n s o u r c e m a y b e c o m p a r e d t o t h a t o f o t h e r s i n i t s c l a s s . 8 3 A s a c o u n t e r e x a m p l e t o t h i s p r o b l e m . c o n s i d e r t h e r e p o r t i n g o f i o n b e a m c u r r e n t s o b t a i n e d b y m u l t i p l y c h a r g e d i o n s o u r c e s : d a t a a r e p r e s e n t e d a s t h e t o t a l i o n c u r r e n t o f a p a r t i c u l a r c h a r g e s t a t e e x t r a c t e d f r o m t h e s o u r c e . a s m e a s u r e d b y a F a r a d a y c u p p l a c e d s o m e w h e r e d o w n s t r e a m ( f o r e x a m p l e . 1 0 0 ( L A o f 0 7 " ) . S i n c e t h e b e a m i s m a s s s e p a r a t e d a n d f o c u s s e d i n t o t h i s c o l l e c t o r . t h e e n t i r e b e a m c o n t r i b u t e s t o t h e t o t a l c u r r e n t . T h i s a l l o w s f o r t h e p e r f o r m a n c e o f a m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e i o n s o u r c e t o b e c o m p a r e d t o t h a t o f a n o t h e r s u c h i o n s o u r c e . s i m p l y b a s e d o n t h e t o t a l c u r r e n t p r o d u c e d b y t h a t s o u r c e f o r t h a t p a r t i c u l a r c h a r g e s t a t e . T h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n . t h e i n c i d e n t a n d r e fl e c t e d p o w e r l e v e l s . d i s c h a r g e p r e s s u r e . t y p e o f g a s o r g a s e s u s e d . e x t r a c t i o n a p p a r a t u s d e s i g n a n d t h e a c c e l - d e c e l p o t e n t i a l s . a n d t h e v e r y d e s i g n o f t h e i o n s o u r c e - a l l o f t h e s e f a c t o r s a r e i m p o r t a n t . H o w e v e r . u l t i m a t e l y i t i s t h e n e t c u r r e n t o u t p u t o f t h e i o n s o u r c e f o r a n y p a r t i c u l a r c h a r g e s t a t e t h a t m a t t e r s . a n d a b e t t e r s o u r c e i s t h a t w h i c h c a n p r o d u c e t h e m o s t c u r r e n t . I n i n d u s t r i a l p l a s m a s o u r c e s l i k e t h e o n e s r e v i e w e d i n S e c t i o n 2 . 2 . t h e p o w e r l e v e l s . d i s c h a r g e p r e s s u r e . e t c . a r e c r i t e r i a t h a t a r e m o r e i m p o r t a n t b e c a u s e t h e y d e t e r m i n e t h e u l t i m a t e c o s t o f p u r c h a s i n g t h e p e r i p h e r a l e l e c t r o n i c s o r m i c r o w a v e a p p a r a t u s . a n d o f o p e r a t i n g t h e i o n / p l a s m a s o u r c e A c o s t — b e n e fi t a n a l y s i s w o u l d h a v e t o b e c o n d u c t e d b e f o r e a p a r t i c u l a r p l a s m a s o u r c e c a n b e c h o s e n o v e r o t h e r c o m p e t i n g t e c h n o l o g i e s . I n d e e d t h i s a n a l y s i s m a y r e s u l t i n t h e c h o i c e o f a n i o n / p l a s m a s o u r c e w i t h a s l i g h t l y l o w e r p e r f o r m a n c e . b u t a m o r e s i m p l i fi e d a n d c o s t e f f e c t i v e t u r n k e y s y s t e m o f o p e r a t i o n . H e n c e t h e i m p o r t a n c e o f a c o m p a r a t i v e s t u d y . W h e n r e p o r t i n g t h e p o w e r d i s s i p a t i o n i n t h e p l a s m a s o u r c e . i t m u s t b e c l e a r l y m e n t i o n e d w h e t h e r t h i s i s t h e t o t a l i n c i d e n t p o w e r . o r t h e i n c i d e n t m i n u s 8 4 t h e r e fl e c t e d p o w e r ( c a l l e d t h e n e t i n p u t p o w e r t h r o u g h o u t t h i s d i s s e r t a t i o n ) . D i s c h a r g e p r e s s u r e i s n o r m a l l y s t a t e d . b u t u s u a l l y n o t i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e fl o w r a t e o f t h e o p e r a t i n g g a s . S o m e t i m e s t h e r e i s a v a r i a b l e c o n d u c t a n c e v a l v e i n t h e v a c u u m s y s t e m t h a t a l l o w s m o r e t h a n o n e p r e s s u r e i n t h e p r o c e s s i n g c h a m b e r f o r a n y o n e g a s fl o w r a t e . A l s o . a p a r t i c u l a r g a s fl o w r a t e m a y p r o d u c e a s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t p r e s s u r e i n t h e c h a m b e r f o r d i f f e r e n t v a c u u m s t a t i o n s d e p e n d i n g o n t h e p u m p i n g c a p a c i t y o f e a c h s t a t i o n . H e n c e p r e s s u r e a n d fl o w r a t e s f o r e a c h e x p e r i m e n t n e e d t o b e r e p o r t e d s i m u l t a n e o u s l y . P e r h a p s t h e s i m p l e s t m e a s u r e m e n t t o c h a r a c t e r i z e t h e o u t p u t s p e c i e s o f a p l a s m a s o u r c e . a n d o n e t h a t i s m o s t o f t e n m i s - r e p o r t e d i s t h e i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t ( o r s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y ) . N o r m a l l y . t h i s d a t a i s t a k e n w i t h a L a n g n u i r p r o b e ( c y l i n d r i c a l . o r d i s c s h a p e d ) b i a s e d a t a c e r t a i n “ s a t u r a t i o n p o t e n t i a l “ . ( A s h i e l d e d F a r a d a y c u p m a y a l s o b e u s e d t o c o l l e c t t h e i o n c u r r e n t . ) I n a n i d e a l p l a s m a . w h e r e s e v e r a l a s s u m p t i o n s l i k e a M a x w e l l i a n e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n a r e p r e s u m e d t r u e . t h e r e i s a s p e c i fi c p r o b e b i a s p o t e n t i a l a t w h i c h t h e c o l l e c t e d c u r r e n t d o e s i r n d e e d s a t u r a t e . w i t h n o f u r t h e r i n c r e a s e i n t h e i o n ( o r e l e c t r o n ) c u r r e n t a s t h e v o l t a g e i s r a i s e d . H o w e v e r . i n a r e a l d i s c h a r g e . m a n y o f t h e a s s u m p t i o n s a r e n o t v a l i d . S p e c i fi c a l l y . d i r e c t m e a s u r e m e n t s o n t h e M P D R s p r o v e t h a t t h e e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n ( E E D F ) f o l l o w s t h e D r u y v e s t e y n d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n m o r e c l o s e l y t h a n t h e M a x w e l l i a n d i s t r i b u t i o n ( s e e f o r e x a m p l e . d a t a o n E E D F s p r e s e n t e d i n C h a p t e r s F o u r t h r o u g h S i x ) . T h i s - d e p a r t u r e ‘ f r o m t h e o r y i s r e fl e c t e d i r n t h e m e a s u r e m e n t o f t h e p r o b e c u r r e n t . w h i c h s t i l l i n c r e a s e s b e y o n d t h e “ k n e e “ o f t h e I - V c h a r a c t e r i s t i c s a s t h e b i a s p o t e n t i a l i s f u r t h e r r a i s e d , a l t h o u g h w i t h a s i g i i fi c a n t l y l o w e r s l o p e . S o t h e q u e s t i o n a r i s e s . a b o u t h o w t o d e t e r m i n e t h i s “ s a t u r a t i o n 8 5 p o t e n t i a l . “ T o s i m p l y s t a t e t h a t t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y i s x m A - c m ' 2 ( t o t a l p r o b e c u r r e n t d i v i d e d b y t h e p r o b e a r e a ) . i s a m b i g u o u s . T h e p r o b e p o t e n t i a l a t w h i c h t h e c u r r e n t d a t a w e r e t a k e n ( f o r e x a m p l e - 5 0 V ) . a n d t h e s p e c i fi c c o o r d i n a t e s o f t h e p r o b e r e l a t i v e t o t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n ( l i k e d i s t a n c e d o w n s t r e a m ) . o r i t s r a d i a l p o s i t i o n f r o m t h e c e n t e r a x i s a l s o n e e d t o b e r e p o r t e d . A l o n g w i t h i n f o r m a t i o n o n d i s c h a r g e p r e s s u r e . g a s fl o w r a t e a n d i r n p u t p o w e r . t h i s w o u l d p r e s e n t a c o m p l e t e p i c t u r e o f t h e p l a s m a s o u r c e . a n d a l l o w f o r a m o r e t h o r o u g h a n d r e l e v a n t c o m p a r a t i v e s t u d y . s p e c i a l l y i n a n i n d u s t r i a l e n v i r o n m e n t w h e r e c o m p a n i e s t e n d t o p r e s e n t t h e i r p r o d u c t s v i s - a - v i s o t h e r c o m p e t i n g t e c h n o l o g i e s . S i m i l a r a r g u m e n t s m a y a l s o b e m a d e f o r r e p o r t i n g i o n d e n s i t i e s . r a d i c a l fl u x d e n s i t i e s a n d e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s . T h e s e n u m b e r s ( i n c m ’ 3 . a t o m s - c m ' z - S - l . a n d e V o r d e g e e s K r e s p e c t i v e l y ) m e a n v e r y l i t t l e u n l e s s t h e y a r e c o m p l e m e n t e d w i t h i n f o r m a t i o n r e g a r d i n g m e t h o d o f c o l l e c t i o n . t h e l o c a t i o n o f t h e c o l l e c t i n g i n s t r u m e n t s . a n d t h e e x a c t p l a s m a p a r a m e t e r s ( l i k e p o w e r . p r e s s u r e . g a s fl o w e t c . ) w h i l e d a t a w e r e t a k e n . P e r h a p s o t h e r fi g u r e s o f m e r i t l i k e W a t t s p e r b e a m a m p ( o r t h e e q u i v a l e n t e V / i o n ) t h a t f a c t o r o u t t h e d i s c r e p a n c i e s i n p l a s m a s o u r c e d e s i g n s a n d m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s n e e d t o b e c o n s i d e r e d a s i m p o r t a n t d a t a f o r r e p o r t i n g o n t h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . W m T h e r e a r e m a n y o t h e r “ c o m p a c t “ p l a s m a s o u r c e s t h a t h a v e n o t b e e n s t u d i e d h e r e . H o w e v e r . a l l t h e s o u r c e s r e v i e w e d i n t h i s c h a p t e r a r e e x c e l l e n t e x a m p l e s o f t h e v a r i e t y o f e n g i n e e r i n g t e c h n i q u e s u s e d i n d e s i g n i n g p l a s m a 8 6 s o u r c e s . a n d p r o v i d e a fl a v o r o f t h e i n t u i t i v e t h i n k i n g o f t h e “ s o u r c e r e r s ” - i o n s o u r c e d e s i g n e r s . M a n y c o m p a n i e s l i k e W a v e m a t I n c . . O x f o r d A p p l i e d R e s e a r c h . . A p p l i e d S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n c . ( A S T e X ) . K i m b a l l P h y s i c s . e t c . o f f e r c o m p a c t p l a s m a s o u r c e s a s t u r n k e y s y s t e m s . i n d i c a t i n g t h e c o n fi d e n c e t h a t t h e s e c o m p a n i e s h a v e i n t h e m a t u r i t y o f u n d e r s t a n d i n g t h e i r p r o d u c t s a n d t h e a b i l i t y o f t h e i r p r o d u c t s t o d e l i v e r t h e r e q u i r e d p l a s m a s p e c i e s f o r s p e c i fi c a p p l i c a t i o n s . S u c c e s s o f s u c h c o m p a n i e s o v e r t h e p a s t f e w y e a r s h a s a l s o d e m o n s t r a t e d t h e h i g h i n t e r e s t o f i n d u s t r y a n d r e s e a r c h l a b o r a t o r i e s i n t h e s e s m a l l p l a s m a s o u r c e s . E x p e r i m e n t a l r e s e a r c h i s g e n e r a l l y u s e d t o c o n fi r m t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s . L a b o r a t o r y m e a s u r e m e n t s c a n e i t h e r s u p p l e m e n t a n d s u p p o r t t h e o r y . o r c o n fl i c t i n g r e s u l t s m a y b r i n g f o c u s t o s o m e o f t h e o v e r s i g h t s t h a t h a v e b e e n u s e d t o d e r i v e t h e c u r r e n t l y r e i g n i n g t h e o r y . S o m e i n t e r e s t i n g d i s p a r i t i e s b e c o m e a p p a r e n t w h e n t h e e x p e r i m e n t a l l y m e a s u r e d p l a s m a p r o p e r t i e s a r e c o m p a r e d t o t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s . F o r e x a m p l e . a t 2 . 4 5 G H z . t h e t h e o r e t i c a l “ c r i t i c a l d e n s i t y ” l i n r i t t h a t c a n b e o b t a i n e d i n a p l a s m a i s 7 X 1 0 1 0 c m ‘ 3 [ N i c - 8 3 ] . H o w e v e r . s t a t e o f t h e a r t p l a s m a s o u r c e s t h a t a r e c u r r e n t l y u s e d i n t h e i n d u s t r i a l e n v i r o n m e n t r o u t i n e l y e x c e e d t h i s l i m i t . a s h a s b e e n r e p o r t e d i n a l m o s t a l l o f t h e i o n . o r i o n b e a m s o u r c e s r e v i e w e d i n t h i s c h a p t e r . T h i s s o c a l l e d c r i t i c a l d e n s i t y l i m i t i s r e a c h e d b y o v e r s i m p l i f y i n g t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s e s . W i t h o u t t h e s e s i m p l i fi c a t i o n s . t h e c o m p l e x t h e o r e t i c a l m o d e l s o f p l a s m a fl u i d d y n a m i c s d o n o t a c h i e v e c l o s e d f o r m s o l u t i o n s . F o r e x a m p l e . i n o r d e r t o o b t a i n s u c h s o l u t i o n s t h e p l a s m a i s d e fi n e d a s b e i n g a h i g h p a s s fi l t e r . a n d a s b e i n g a n i n fi n i t e . h o m o g e n e o u s . c o l d . a n d n o n m a g n e t i c . W h i l e s o m e o f t h e s e c o n d i t i o n s m a y h o l d t r u e f o r s m a l l v o l u m e s i n s i d e a v e r y l a r g e p l a s m a s o u r c e . o r 8 7 f o r t h e h u g e t o k a m a k r e a c t o r s f o r f u s i o n r e s e a r c h . a l m o s t n o n e o f t h e s i m p l i fi c a t i o n s h o l d t r u e f o r t h e s m a l l e r p l a s m a s o u r c e s . T h a t t h e i o n d e n s i t y o b t a i n e d i n E C R s o u r c e s i s r o u t i n e l y r e p o r t e d t o b e h i g h e r t h a n t h e c r i t i c a l d e n s i t y f o r t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n i s p r o o f o f t h e o v e r s i m p l i fi c a t i o n t h a t h a s t o d a t e p r e c e d e d t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t . I t i s t h e r e f o r e o b v i o u s t h a t a n a l y t i c a l t h e o r i e s d e r i v e d t o d a t e d o n o t a d e q u a t e l y e x p l a i n p l a s m a p h e n o m e n a . a n d i t i s i m p e r a t i v e t h a t a n e x t g e n e r a t i o n o f t h e o r e t i c a l a n a l y s i s b e d e v e l o p e d . b a s e d o n n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s . i f n e c e s s a r y t o f u r t h e r e x p l a i n t h e s e c r e t s o f g a s d i s c h a r g e s . C h a p t e r 3 C h a r a c t e r i z a t i o n m a p l e s 3 . 1 I n t r o d u c t i o n 3 . 2 T h e o r y o f L a n g m u i r P r o b e s 3 . 2 . 1 A s s u m p t i o n s o f a S i m p l i fi e d P r o b e T h e o r y 3 . 2 . 2 S i n g l e L a n g m u i r P r o b e s 3 . 2 . 3 D o u b l e L a n g m u i r P r o b e s 3 . 2 4 L i m i t a t i o n s o f P r o b e A n a l y s i s 3 . 2 . 5 D a t a A c q u i s i t i o n u s i n g L a n g m u i r P r o b e s 3 . 3 M u l t i - g r i d I o n E n e r g y A n a l y z e r 3 . 3 . 1 T h e o r y o f t h e I o n E n e r g y A n a l y z e r 3 . 3 . 2 D e s i g n o f t h e I o n E n e r g y A n a l y z e r 3 . 3 . 3 L i r r n i t a t i o n s o f t h e I o n E n e r g ) r A n a l y z e r 3 . 3 . 4 D a t a A c q u i s i t i o n u s i n g t h e l i o n E n e r g y A n a l y z e r 3 . 4 E n e r g y D i s t r i b u t i o n s - P r o p o s a l f o r a N e w M e t h o d 3 . 5 M i c r o - c o a x i a l P r o b e s 3 . 5 . 1 T h e o r y a n d D e s i g n o f t h e M i c r o - c o a x i a l P r o b e s 3 . 5 . 2 S o u r c e s o f E r r o r w i t h t h e M i c r o - c o a x i a l P r o b e s 3 . 6 I o n B e a m C h a r a c t e r i z a t i o n 3 . 6 . 1 C h a r g e S t a t e D i s t r i b u t i o n o f t h e I o n B e a m 3 . 6 . 2 E r r n i t t a n c e o f t h e I o n B e a m 3 . 6 . 3 E m i t t a n c e M e a s u r e m e n t T e c h n i q u e s 3 . 7 C o n c l u d i n g R e m a r k s C fi a p t e r 3 C / i a r a c t e r i z a t i o n T r i r w s z f e s 3 . 1 I n t r o d u c t i o n I n t h i s c h a p t e r . s o m e g e n e r a l t e c h n i q u e s o f c h a r a c t e r i z i n g a p l a s m a / i o n / i o n b e a m s o u r c e a r e d i s c u s s e d . w i t h a p u r p o s e t o c e n t r a l i z e t h i s d i s c u s s i o n i n t h i s d i s s e r t a t i o n . S i n c e s e v e r a l p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e s w i l l b e e v a l u a t e d i n t h e f o r t h c o m i n g c h a p t e r s . t h i s d i s c u s s i o n o f t h e a c t u a l m e t h o d o l o g i e s o f e v a l u a t i o n w i l l p r o v i d e a f o u n d a t i o n f o r m e a s u r i n g . a n d s t u d y i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s e s o u r c e s . T h i s c h a p t e r i s n o t m e a n t t o p r o v i d e a n e x h a u s t i v e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f e a c h t e c h n i q u e m e n t i o n e d i n t h e f o r t h c o m i n g s e c t i o n s . b u t t o p r o v i d e a l l r e l e v a n t i n f o r m a t i o n ( i n c l u d i n g e q u a t i o n s . c i r c u i t ' d i a g r a m s . a n d t h e a p p r o p r i a t e r e f e r e n c e s . e t c . ) i n o n e l o c a t i o n . A s w a s s e e n i n t h e p r e v i o u s c h a p t e r . t h e r e a r e a l a r g e v a r i e t y o f c o m p a c t p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e s . A l a r g e n u m b e r o f d i a g r o s t i c s a l s o e x i s t t h a t m a y b e c o n d u c t e d o n t h e s e s o u r c e s t o e v a l u a t e t h e p e r f o r m a n c e , a n d t o s t a n d a r d i z e t h e c o m p a r i s o n o f t h e s e i o n s o u r c e s . K n o w l e d g e o f t h e s a l i e n t f e a t u r e s o f t h e p l a s m a o r i o n b e a m c o n s t i t u e n t s - l i k e t h e e l e c t r o n a n d i o n d e n s i t y . t h e i r r e s p e c t i v e e n e r g i e s . t h e 8 8 8 9 c h a r g e s t a t e s o f a n i o n b e a m . e t c . - r e p r e s e n t s a n u n d e r s t a n d i n g o f t h e f u n d a m e n t a l p r o p e r t i e s o f p l a s m a / i o n / i o n b e a m s o u r c e s . C h a r a c t e r i z a t i o n t e c h n i q u e s t h a t a r e i n f r e q u e n t u s e t o d a y r a n g e f r o m t h e i n v a s i v e . y e t s i m p l e L a n g m u i r p r o b e s i n s e r t e d i n t o t h e p l a s m a . t o t h e n o n - i n v a s i v e b u t m o r e c o m p l e x o p t i c a l e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y ( O E S ) a n d l a s e r i n d u c e d fl u o r e s c e n c e ( L I F ) . F o r a p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e d e s i g n e r i t i s a b s o l u t e l y i m p e r a t i v e t o u n d e r s t a n d t h e s e f u n d a m e n t a l p r o p e r t i e s ( i o n d e n s i t y . e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . e t c . ) . a n d h o w t h e y a r e i n fl u e n c e d b y v a r y i n g c o n t r o l l e d e x t e r n a l p a r a m e t e r s l i k e g a s fl o w . p r e s s u r e . g a s t y p e a n d i n p u t p o w e r . e t c . S u c h - k r n o w l e d g e r e n d e r s a j u d g e m e n t o n t h e p l a s m a s o u r c e i t s e l f . i t s d e s i g n a n d a s s e m b l y . i t s e f fi c i e n c y o f t r a n s f e r r i n g p o w e r . i t s r e s o u r c e u t i l i z a t i o n ( l i k e t h e p o w e r a n d g a s f e e d r e q u i r e m e n t s ) . a n d i t s a b i l i t y t o g e n e r a t e t h e s t i p u l a t e d p l a s m a s p e c i e s i n t h e r e q u i r e d a b u n d a n c e . T h i s i n t u r n . a l l o w s f o r f u r t h e r o p t i m i z a t i o n i n t h e d e s i g n p r o c e s s . w h i c h i s i n h e r e n t l y f a c i l i t a t e d b y c o m p a r i s o n w i t h p r e v i o u s d e s i g n v e r s i o n s . O n t h e o t h e r h a n d . u n d e r c i r c u m s t a n c e s w h e r e p l a s m a s o u r c e s a r e u s e d a s t u m - k e y s y s t e m s . t h e k n o w l e d g e o f p l a s m a p r o p e r t i e s i s n e c e s s a r y s i n c e d e s i g n o f p e r i p h e r a l s y s t e m s ( f o r p r o c e s s i n g . m a n u f a c t u r i n g o r r e s e a r c h ) r e l i e s o n a c c u r a t e l y p r e d i c t a b l e p r o p e r t i e s o f t h e p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e . D i a g n o s t i c m e t h o d s e x i s t f o r c h a r a c t e r i z i n g a l m o s t a n y a n d a l l s p e c i e s g e n e r a t e d i n t h e p l a s m a a n d a n u m b e r o f t h e s e t e c h n i q u e s w e r e u s e d t o e v a l u a t e t h e f o u r p r i n c i p l e p l a s m a s o u r c e s t h a t w e r e s t u d i e d d u r i n g t h e r e s e a r c h f o r t h i s d i s s e r t a t i o n . I n t h i s c h a p t e r . t h e s e i o n s o u r c e c h a r a c t e r i z a t i o n p r i n c i p l e s a n d d a t a a c q u i s i t i o n t e c h n i q u e s w i l l b e d i s c u s s e d i n d e t a i l . A b r i e f i n t r o d u c t i o n i n t o t h e t h e o r y o f e a c h t e c h n i q u e . i n c l u d i n g a s s u m p t i o n s a n d 9 0 p o s s i b l e s o u r c e s o f e r r o r . i s g i v e n a l o n g w i t h t h e r e q u i s i t e e q u a t i o n s t h a t l e a d t o t h e m e a s u r e m e n t m e t h o d o l o g y . R e l e v a n t r e f e r e n c e s a r e p r o v i d e d t o s u p p l e m e n t t h e d e s c r i p t i o n s g i v e n h e r e i f f u r t h e r d e t a i l e d s t u d y o f a n y t e c h n i q u e i s r e q u i r e d . T h e c l o s u r e o f e a c h s e c t i o n i s d e v o t e d t o e x p l a i n i n g t h e e x a c t d a t a a c q u i s i t i o n m e t h o d s a s p e r f o r m e d i n t h e l a b o r a t o r y f o r e a c h c h a r a c t e r i z a t i o n t e c h n i q u e . A l s o . i n S e c t i o n 3 . 4 a n e w m e t h o d f o r a c q u i r i n g d a t a f o r i o n a n d e l e c t r o n e n e r y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s i s p r o p o s e d . W h i l e t h i s m e t h o d w a s n e v e r u s e d t o r e p o r t t h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n . i t m a y b e t h e n e x t g e n e r a t i o n o f s t a t e - o f - t h e - a r t d a t a a c q u i s i t i o n t e c h r n i q u e s t h a t a r e a t e s t i m o n y t o t h e c o n t i n u o u s e v o l u t i o n o f t h e c h a r a c t e r i z a t i o n p r o c e d u r e s . T h i s n e w m e t h o d n e e d s t o b e m e n t i o n e d h e r e s o t h a t i t s a p p l i c a b i l i t y ( w i t h s u b s e q u e n t a c c e p t a n c e i n t h e b a t t e r y o f c h a r a c t e r i z a t i o n t e c h r n i q u e s i n u s e t o d a y ) m a y b e t e s t e d i n t h e n e a r f u t u r e a s a n a l t e r n a t i v e . a n d s i m p l e r w a y o f a c q u i r i n g t h e e l e c t r o n a n d i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s . . 3 . 2 m e a n o f M u i r P r o b e s O n e o f t h e m o s t w i d e l y u s e d i n s t r u m e n t s t o c h a r a c t e r i z e t h e p l a s m a d i s c h a r g e a r e L a n g n u i r p r o b e s [ H e r - 8 9 . S c h - 6 8 , D r u - 3 0 . L a m - 2 3 . J o b - 4 9 . C o h - 1 . S w i - 6 9 . P o d - 7 1 . a m o n g m a n y o t h e r r e f e r e n c e s ) . S i m p l e i n d e s i g n a n d e a s y t o c o n s t r u c t a n d u s e . L a n g n u i r p r o b e s p r o v i d e a w e a l t h o f i n f o r m a t i o n o n i o n o r e l e c t r o n d e n s i t i e s ( m o r n e , t y p i c a l l y m e a s u r e d i n c m ' 3 ) . a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s ( T e , i n e V o r d e g r e e s K e l v i n ) , i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t i e s ( I s . i n m A - c m ' z ) . p l a s m a p o t e n t i a l s ( i n e V . o r V o l t s ) a n d e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s ( E E D F s ) . W h i l e t h e c o m p l e t e t h e o r y o f L a n g m u i r p r o b e s i s w e l l b e y o n d 9 1 t h e s c o p e o f t h i s s t u d y . a n d m a y b e f o u n d i n s e v e r a l o f t h e r e f e r e n c e s m e n t i o n e d a b o v e . t h e s a l i e n t f e a t u r e s o f t w o o f t h e m o s t u n i v e r s a l l y u s e d p r o b e t e c h n i q u e s - t h e s i n g l e L a n g m u i r p r o b e ( S L P ) . a n d t h e d o u b l e L a n g m u i r p r o b e ( D L P ) a r e n o w p r e s e n t e d . I n p l a s m a d i a g n o s t i c s . t h e w o r d “ p r o b e “ a u t o m a t i c a l l y b r i n g s t o m i n d s o m e s o r t o f a w i r e l i k e a p p e n d a g e i n s e r t e d i n t o t h e d i s c h a r g e . A l t h o u g h n o t a l l p r o b e s fi t t h a t g e n e r a l d e s c r i p t i o n . a m a j o r i t y o f p r o b e a n a l y s i s i s d o n e w i t h a t h i n w i r e l i k e p r o t r u s i o n i n t o t h e p l a s m a . A s w i l l b e s e e n b e l o w . t h e s i m p l i c i t y o f s u c h p r o b e s . a n d a l s o t h e v a s t v a r i e t y o f d a t a p r o v i d e d b y t h e m . f a r o u t w e i g h t h e l i m i t a t i o n s c a u s e d b y t h i s v e r y s i m p l i c i t y . a n d t h e r a t h e r c o m p l e x t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t s n e c e s s a r y t o a t t a i n a n a l y t i c a l s o l u t i o n s . I t w i l l a l s o b e n o t e d b e l o w t h a t t h e s e a n a l y t i c a l s o l u t i o n s r e l y h e a v i l y o n a s s u m p t i o n s ( o f t e n i n a c c u r a t e ) t o s i m p l i f y t h e d e r i v a t i o n s . w h i c h l e a d t o s e v e r a l s o u r c e s o f e r r o r i n h e r e n t t o p r o b e a n a l y s i s . W h i l e t h e i n i t i a l w o r k d o n e . b y L a n g m u i r w a s c o n fi n e d t o l o w p r e s s u r e d i s c h a r g e s . w h e r e c o l l i s i o n s i n t h e p l a s m a m a y b e n e g l e c t e d , l a t e r w o r k h a s m a n a g e d t o m o d i f y h i s t h e o r y t o fi t m o r e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s o f t o d a y ( l i k e a h i g h p r e s s u r e p l a s m a . o r a d i s c h a r g e u n d e r t h e i n fl u e n c e o f s t r o n g m a g n e t i c fi e l d s ) w h e r e L a n g m u i r ' s o r i g i n a l . a n d r e l a t i v e l y s i m p l e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t s h a d f a i l e d . T o d a y . L a n g m u i r p r o b e s m a y b e s u c c e s s f u l l y o p e r a t e d u n d e r a t r e m e n d o u s r a n g e o f p l a s m a p a r a m e t e r s : i o n ( o r e l e c t r o n ) d e n s i t i e s r a n g i n g f r o m 1 0 0 t o 1 0 1 3 c m ‘ 3 . w i t h e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s r a n g i n g f r o m 0 . 1 e V t o h u n d r e d s o f e V . a t p l a s m a p o t e n t i a l s o f 0 . 1 V t o m a n y k V . a n d f o r n e u t r a l p r e s s u r e s o f l e s s t h a n 1 0 6 T o r r . t o g e a t e r t h a n 1 T o r r [ H e r - 8 9 ] . 9 2 A n a l y t i c a l s o l u t i o n s t h a t h a v e l e d t o c l o s e d f o r m s o l u t i o n s r e q u i r e m a n y s i m p l i f y i n g a s s u m p t i o n s t o b e u s e d . B e f o r e g o i n g i n t o t h e d e t a i l s o f p r o b e t h e o r y . i t i s d e s i r a b l e t h a t s o m e o f t h e s e a s s u m p t i o n s ( a n d r e l a t e d t e r m i n o l o g y f o r p r o b e d i a g n o s t i c s ) b e u n d e r s t o o d . w i t h t h e i r c o n s e q u e n c e s , a n d l i m i t a t i o n s b e i n g b r o u g h t u p a t a p p r o p r i a t e m o m e n t s i n t h i s d i s c u s s i o n . A m a j o r a s s u m p t i o n m a d e w h i l e w o r k i n g w i t h g a s d i s c h a r g e s - u p o n w h i c h a l a r g e p a r t o f p l a s m a t h e o r y i s b a s e d - i s t h a t t h e e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s a r e n o n - d r i i t i n g M a x w e l l i a n i n n a t u r e . A s e a r l y a s t h e 1 9 4 0 ' s i t w a s k n o w n t h a t t h e v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n s o f e l e c t r o n s . s p e c i a l l y i n l o w p r e s s u r e p l a s m a a r e n o t o n l y f a r f r o m b e i n g M a x w e l l i a n . b u t a r e r a r e l y i s o t r o p i c . a n d m a y a l s o h a v e a d r i f t v e l o c i t y . A m o r e a g e e a b l e a n a l y s i s m a y b e d o n e w i t h t h e D r u y v e s t e y n d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n f o r e l e c t r o n e n e r g i e s p r o p o s e d i n t h e e a r l y 1 9 3 0 s [ D r u - 3 0 . D r u - 3 5 ] . I n d e e d , i t w i l l b e s e e n i n t h e f o l l o w i n g c h a p t e r s t h a t t h e E E D F s i n t h e p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e s l i k e t h e m i c r o w a v e p l a s m a d i s k r e a c t o r s - M P D R 6 1 0 . a n d t h e M P D R 5 a r e c l o s e r t o b e i n g D r u y v e s t e y n . t h a n M a x w e l l i a n . W h e n a p r o b e i s i m m e r s e d i n a d i s c h a r g e . t h e v e r y p r e s e n c e o f a s u r f a c e c r e a t e s a n e l e c t r o n . o r i o n r i c h l a y e r ( d e p e n d i n g o n t h e p r o b e b i a s ) o n t h e . s u r f a c e c a l l e d a “ s h e a t h " . T h e c o n c e p t o f q u a s i n e u t r a l i t y ( n e = n , ) i s n o t v a l i d i n t h i s s h e a t h . a n d t h e l a r g e c o n c e n t r a t i o n o f p o s i t i v e , o r n e g a t i v e . c h a r g e c a n m a i n t a i n h i g h e l e c t r i c fi e l d s n e a r t h e p r o b e i t s e l f . t h e r e b y r e p e l l i n g ( a n d a t t r a c t i n g ) c h a r g e d s p e c i e s a n d l e a d i n g t o s o m e w h a t e r r o n e o u s d a t a c o l l e c t i o n . W h i l e t h e s h e a t h e f f e c t s a r e d e p e n d e n t o n t h e v e r y p a r a m e t e r s w h o s e c a l c u l a t i o n s t h e y r e t a r d - l i k e i o n d e n s i t y f o r e x a m p l e . c e r t a i n g e n e r a l i z e d 9 3 p a r a m e t r i c v a l u e s m a y b e u s e d t o n e g a t e s o m e o f t h e e r r o r . t h e r e a l v a l u e s d e t e r m i n e d . t h e s h e a t h e f f e c t c o r r e c t i o n d o n e a g a i n . a n d t h e p r o c e s s i t e r a t e d t i l l t h e m a r g i n o f e r r o r i s r e a s o n a b l y r e d u c e d . C o m p l e t e r e c t i fi c a t i o n f o r e r r o r s i n d u c e d b y t h e s h e a t h r e q u i r e s a c o m p l e x d e v e l o p m e n t o f t h e c o n c e p t s o f t h e p l a s m a s h e a t h t h e p r e - s h e a t h r e g i o n s . a n d t h e e s t a b l i s h m e n t o f t h e B o h m c r i t e r i o n [ M a n - 8 9 ] . a n d i s g e n e r a l l y n o t n e c e s s a r y . T h e c o n c e p t o f s h e a t h t h i c k r n e s s i t s e l f r e m a i n s s o m e w h a t v a g u e a n d u n d e fi n e d ( t h e s h e a t h i s s u p p o s e d t o b e “ s e v e r a l D e b y e l e n g t h s - A D ” i n t h i c k n e s s ) . a n d r e a l l y h a s n o q u a n t i t a t i v e v a l u e t h a t c a n b e e x a c t l y e s t i m a t e d . T h i s m a k e s i t d i f fi c u l t t o c o r r e c t t h e p r o b e t h e o r y f o r t h e s h e a t h e f f e c t . a l t h o u g h e f f o r t s m a y b e r r n a d e b a s e d o n e s t i m a t i o n o f t h e s h e a t h t h i c k n e s s . M o s t o f t h e p o t e n t i a l d r o p i n s i d e t h e s h e a t h o c c u r s w i t h i n fi v e i n o f t h e p r o b e s u r f a c e . H o w e v e r fi e l d g a d i e n t s a s s o c i a t e d w i t h t h e p r e - s h e a t h m a y e x t e n d o u t a s f a r a s 1 0 0 A D [ M a n - 8 9 ] . A “ w e a k l y i o n i z e d p l a s m a “ ( l e s s t h a n 1 0 % i o n i z a t i o n ) c a n e a s i l y b e p e r t u r b e d b y t h e p r e s e n c e o f a f o r e i g n b o d y i n t h e f o r m o f a p r o b e a n d i t s h o l d e r . s p e c i a l l y i n t h e p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n w h e r e t h e p r o b e m a y i n t e r f e r e w i t h t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d a n d t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d . F o r t h i s r e a s o n . i n t h i s d i s s e r t a t i o n r e s e a r c h . p r o b e m e a s u r e m e n t s w e r e n o t t a k e n w i t h i n t h e p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n . A l l p r o b e d a t a w e r e t a k e n d o w n s t r e a m f r o m t h e p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n . a l t h o u g h t h i s d a t a m a y b e e x t r a p o l a t e d t o o b t a i n o r d e r o f m a g n i t u d e p a r a m e t r i c v a l u e s w i t h i n t h e d i s c h a r g e c o n fi n e m e n t c h a m b e r . T h r o u g h o u t t h e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t o f p r o b e t h e o r y , i t i s a s s u m e d t h a t t h e p r o b e s d o n o t “ s i g n i fi c a n t l y ” p e r t u r b t h e d o w n s t r e a m p l a s m a . a n d t h a t a l l s u c h d i s t u r b a n c e i s h e a v i l y l o c a l i z e d . T h e i o n s a n d e l e c t r o n s c r e a t e d i n a p l a s m a a r e h i g h l y e n e r g e t i c . s p e c i a l l y 9 4 a s t h e y a r e a c c e l e r a t e d b y t h e s h e a t h p o t e n t i a l o n t h e i r w a y t o b e i n g c o l l e c t e d b y t h e p r o b e s . U p o n s t r i k i n g t h e p r o b e . t h e s e e n e r g e t i c p a r t i c l e s r r r i g h t b e a b l e t o t r a n s f e r s i g n i fi c a n t e n e r g y t o t h e v a l e n c e e l e c t r o n s o f t h e m e t a l a t o m s . I f t h i s e n e r g y i s g r e a t e r t h a n t h e b i n d i n g e n e r g y o f t h e v a l e n c e e l e c t r o n s t o t h e a t o m s . t h e s e a t o m s c a n g e t i o n i z e d . a s t h e v a l e n c e e l e c t r o n i s e x p e l l e d f r o m t h e p r o b e . T h i s i s k n o w n a s s e c o n d a r y e l e c t r o n e m i s s i o n . a n d m a y l e a d t o l a r g e d i s c r e p a n c i e s i n a c t u a l c u r r e n t s t r i k i n g t h e p r o b e . a s c o m p a r e d t o t h e c u r r e n t t h a t h a s b e e n t e m p e r e d w i t h s e c o n d a r y e l e c t r o n e m i s s i o n . A l t h o u g h t h i s e f f e c t i s v e r y d i f fi c u l t t o r e c t i f y i n a p r o b e s e t u p w i t h o u t b i a s e d g r i d s . i t m a y b e l e s s e n e d I b y u s i n g a l e s s e r r n i s s i v e m a t e r i a l f o r t h e p r o b e . l i k e p l a t i n u m . A l s o . m e t a l l i c s p u t t e r i n g o f f t h e p r o b e t i p m a y l o c a l l y i n c r e a s e i m p u r i t y l e v e l s t o t h e e x t e n t t h a t c o l l i s i o n s o c c u r b e t w e e n e l e c t r o n s a n d t h e i m p u r i t y a t o m s . t h e r e b y c o o l i n g t h e e l e c t r o n g a s . l e a d i n g t o u n d e r e s t i m a t i o n o f t h e a c t u a l e l e c t r o n g a s t e m p e r a t u r e s . w h i l e a t t h e s a m e t i m e i n t e r f e r i n g w i t h t h e i o n i z a t i o n a n d e x c i t a t i o n p r o c e s s e s w i t h i n t h a t m i c r o - v o l u m e o f t h e p l a s m a . F i n a l l y . s u c h m e t a l l i c s p u t t e r i n g m a y l e a d t o c o a t i n g o f t h e p l a s m a v e s s e l w h i c h r r n i g h t r e q u i r e e x p e n s i v e d o w n t i m e f o r c l e a n i n g t h e v e s s e l . A l t h o u g h e l e c t r o s t a t i c p r o b e s w e r e u s e d f o r t h e i r n v e s t i g a t i o n o f g a s d i s c h a r g e s a s e a r l y a s t h e t u r n o f t h e c e n t u r y , t h e g o u n d b r e a k i n g w o r k w a s d o n e b y I r w i n L a n g m u i r i n t h e e a r l y 1 9 2 0 3 a n d 1 9 3 0 5 [ L a n - 2 3 . L a n - 3 1 ] . H e u s e d a t h i n c y l i n d r i c a l e l e c t r o d e i m m e r s e d i n t o t h e d i s c h a r g e - w h a t i s n o w k n o w n a s t h e s i n g l e L a n g m u i r p r o b e ( S L P ) - f o r l o c a l i z e d m e a s u r e m e n t o f e l e c t r o n d e n s i t y 9 5 a n d t e m p e r a t u r e . a n d d e v e l o p e d h i s t e c h r n i q u e i n t o o n e o f t h e m o s t p o w e r f u l t o o l s o f p l a s m a d i a g n o s t i c s . H i s m e t h o d i n v o l v e d b i a s i n g t h e i m m e r s e d p r o b e w i t h r e s p e c t t o s o m e o t h e r r e a d i l y a v a i l a b l e e l e c t r o d e i n c o n t a c t w i t h t h e p l a s m a . l i k e t h e m e t a l l i c c o n t a i n m e n t v e s s e l . T h e p r o b e c u r r e n t i s t h e n c o l l e c t e d a s a f u n c t i o n o f t h e a p p l i e d b i a s a n d t h e I - V c h a r a c t e r i s t i c s a n a l y z e d f o r a w e a l t h o f i n f o r m a t i o n o n t h e p l a s m a . T h e e x a c t e q u a t i o n s a n d m e t h o d o l o g y a r e n o w I d e s c r i b e d [ M a n - 8 9 ) . A t y p i c a l S L P I - V c h a r a c t e r i s t i c i s s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 . T h i s c u r v e m a y b e d i v i d e d i n t o t h r e e d i s t i n c t r e g i o n s . d e p e n d i n g o n t h e p r o b e b i a s . C o n s i d e r a n e g a t i v e b i a s o n t h e p r o b e . A s t h i s n e g a t i v e v o l t a g e i s i n c r e a s e d . t h e p r o b e r e p e l s e l e c t r o n s a n d a t t r a c t s i o n s . c r e a t i n g a p o s i t i v e s h e a t h a r o u n d i t . t i l l a n e q u i l i b r i u m i s r e a c h e d . a n d a n y f u r t h e r i n c r e a s e i n p r o b e v o l t a g e i n c u r s a m u c h s m a l l e r i n c r e a s e i n t h e i o n c u r r e n t . R e g i o n C c o r r e s p o n d s t o “ i o n s a t u r a t i o n . ” r e a c h e d w h e n t h e p r o b e i s b i a s e d s u f fi c i e n t l y n e g a t i v e a n d d r i v e n i n t o s a t u r a t i o n . A l s o , t h e i o n s t h u s c o l l e c t e d a r e a c t u a l l y a c c e l e r a t e d i n t h e s h e a t h . b u t s i n c e t h e s h e a t h i t s e l f i s o n l y w e a k l y d e p e n d e n t o n v o l t a g e . t h e i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t d o e s n o t v a r y m u c h w i t h i n c r e a s i n g l y n e g a t i v e p r o b e b i a s . A s t h e v o l t a g e i s r e v e r s e d a n d m a d e p o s i t i v e b e y o n d r e g i o n C . t h e i o n c u r r e n t t o t h e p r o b e r e d u c e s f u r t h e r . t i l l a v o l t a g e i s r e a c h e d a t w h i c h n o c u r r e n t fl o w s t h r o u g h t h e p r o b e . T h i s b i a s v o l t a g e a t w h i c h t h e r e i s z e r o p r o b e c u r r e n t i s c a l l e d t h e fl o a t i n g p o t e n t i a l V f o f t h e p l a s m a . a n d m a y b e p o s i t i v e . o r n e g a t i v e d e p e n d i n g o n t h e p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e . o r t h e p l a s m a c o n d i t i o n s . W h e n t h e a p p l i e d v o l t a g e i s f u r t h e r i n c r e a s e d b e y o n d V f . t h e p o s i t i v e p o t e n t i a l r a p i d l y a t t r a c t s t h e f a s t e s t e l e c t r o n s f r o m t h e t a i l o f t h e e l e c t r o n d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n . F u r t h e r i n c r e a s e i n t h e p o t e n t i a l l e a d s t o m o r e a n d m o r e o f t h e b u l k d i s t r i b u t i o n 9 6 A " " " m o n S a t u r a t i o n U ! . / \ T _ . _ — — — - / / / V F S a t u r a t i o n F i g m 3 . 1 A n l - V c h a r a c t e r i s t i c s o f a S i n g l e L a n g m u i r P r o b e . H e r e , V ; - i s t h e fl o a t i n g p o t e n t i a l , V 5 i s t h e p l a s m a p o t e n t i a l . R e g i o n C c o r r e - s p o n d s t o i o n s a t u r a t i o n . w h i l e R e g i o n A i s t h e E l e c t r o n S a t u r a t i o n . N o t e t h a t t h e e l e c t r o n s a t u r a t i o n c u r r e n t i s m u c h h i g h e r t h a n t h e i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t . 9 7 t o b e a t t r a c t e d t o t h e p r o b e . a n d t h e r e f o r e a l a r g e r e l e c t r o n c u r r e n t i n t h e p r o b e . T h i s i n c r e a s e i n e l e c t r o n c u r r e n t i s d e s c r i b e d b y a B o l t z m a n - t y p e e q u a t i o n . s o m e w h a t s i m i l a r t o t h e l - V e q u a t i o n s o f a d i o d e . T h e r e i s a n a l m o s t l i n e a r i n c r e a s e o f t h e c u r r e n t v e r s u s t h e a p p l i e d v o l t a g e . A l i m i t h o w e v e r i s r e a c h e d . w h e n t h e e l e c t r o n c u r r e n t l e v e l s o f f . a n d f u r t h e r i n c r e a s e i n b i a s d o e s n o t a f f e c t a n e q u i v a l e n t i n c r e a s e i n t h e c u r r e n t . a l t h o u g h t h e c u r r e n t s t i l l i n c r e a s e s w i t h a s m a l l e r s l o p e . T h i s i s s h o w n i n r e g i o n A . b e y o n d t h e “ k n e e " o f t h e c u r v e . a n d t h e p r o b e i s s a i d t o r e a c h “ e l e c t r o n s a t u r a t i o n “ . I f t h e e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n i n t h e p l a s m a i s e x a c t l y M a x w e l l i a n . t h e o r y p r e d i c t s t h a t t h e r e w o u l d b e n o f u r t h e r i n c r e a s e i n c u r r e n t i n t h e s a t u r a t i o n r e g i o n . T h a t t h e c u r r e n t s t i l l i n c r e a s e s b e y o n d t h e “ k n e e “ o f t h e c u r v e . a l b e i t w i t h a m u c h s m a l l e r s l o p e t h a n i n t h e l i n e a r r e g i o n . i s o n e i n d i c a t i o n o f a n o f f - M a x w e l l i a n e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n . W h e r e a s t h e S L P l - V c h a r a c t e r i s t i c s m a y b e u s e d t o p r o v i d e i n f o r m a t i o n o n t h e e l e c t r o n a n d i o n d e n s i t y o f t h e p l a s m a ( M a n - 8 9 ] , t h i s i s m o r e r e a d i l y a v a i l a b l e t h r o u g h a n o t h e r t e c h n i q u e - t h e d o u b l e L a n g m u i r p r o b e m e t h o d d i s c u s s e d i n t h e n e x t s e c t i o n . I n s t e a d . m o r e v a l u a b l e i n f o r m a t i o n i s b u r i e d i n t h e S L P I - V c h a r a c t e r i s t i c s . T h i s d a t a m a y b e r e d u c e d t o g e t a ' d i r e c t . a n d m o r e a c c u r a t e m e a s u r e m e n t o f t h e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . t h e p l a s m a p o t e n t i a l . a n d t h e e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n ( E E D F ) ( H o p - 9 1 ] . I t w a s s h o w n b y D r u y v e s t e y n [ D r u - 3 0 . D r u - 3 5 ] a n d o t h e r s [ S w i — 6 9 ] t h a t t h e s e c o n d d e r i v a t i v e o f t h e p r o b e c u r r e n t w i t h r e s p e c t t o t h e a p p l i e d p r o b e p o t e n t i a l i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n fl E ) : 2 d I _ l 1 1 / 2 3 . 1 7 , 7 ‘ 1 A q " ( 2 m v ) “ 9 ( ) Q . 9 8 w h e r e A i s t h e t o t a l c o l l e c t i o n a r e a o f t h e p r o b e . n i s t h e n e u t r a l g a s d e n s i t y . w i t h a n i o n m a s s m V 5 i s t h e p l a s m a p o t e n t i a l . t h e p o t e n t i a l a t w h i c h t h e s e c o n d d e r i v a t i v e o f t h e I - V c h a r a c t e r i s t i c s i s m a x i m u m [ R u n - 7 9 . C o b - 8 9 ] . V i s t h e a p p l i e d b i a s . a n d E = V s - V W h i l e D r u y v e s t e y n h i m s e l f g r a p h i c a l l y t o o k t h e s e c o n d d e r i v a t i v e o f t h e I - V p l o t . a P r i n c e t o n A p p l i e d R e s e a r c h ( P A R - 1 2 8 ) l o c k - i n a m p l i fi e r a n d o t h e r p e r i p h e r a l c i r c u i t r y m a y b e u s e d t o d i f f e r e n t i a l l y m e a s u r e t h e s i g n a l p r o p o r t i o n a l t o t h e s e c o n d d e r i v a t i v e i n t h i s a g e o f c o m p u t e r s . F o l l o w i n g H o p w o o d [ H o p - 9 1 ] . F i g u r e 3 . 2 s h o w s a t y p i c a l S L P c i r c u i t t o m e a s u r e t h e E E D F . A l l d a t a a c q u i s i t i o n w a s d o n e u s i n g c o m p u t e r c o n t r o l l e d a p p a r a t u s . a n d t h e e x a c t m e t h o d o l o g y w i l l b e d i s c u s s e d i n a l a t e r s e c t i o n o f t h i s c h a p t e r . A l o w f r e q u e n c y ( l K l - I z ) s m a l l A C s i g n a l ( w i t h a n a m p l i t u d e t y p i c a l l y l e s s t h a n 0 . 5 V r m s ) i s s u p e r i m p o s e d o n t h e D C p r o b e \ é o l t a g e . U n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s . t h e o u t p u t I o f t h e P A R - L I A i s p r o p o r t i o n a l t o 3 7 . a s s h o w n b y t h e T a y l o r s e r i e s e x p a n s i o n V o f t h e m o d u l a t e d e l e c t r o n c u r r e n t e q u a t i o n o n t h e n e x t p a g e [ S c h - 6 8 . R u n - 7 9 ] : 2 ' 4 3 n a l ' a . . a i ‘ I ( V + s i n o r t ) — [ 1 + - — 4 — - + 6 4 ! + . . . ] + [ a t + - — — 8 + . . ] s i n m t 2 . 4 , - . { 5 1 — 4 1 + 2 — 8 1 ' " + . . . ] c o s 2 m t + h i g h e r o r d e r h a r m o n i c s ( 3 ' 2 ) w h e r e p r i m e s d e n o t e d i f f e r e n t i a t i o n w i t h r e s p e c t t o V . w h i l e a a n d w a r e t h e a m p l i t u d e a n d f r e q u e n c y o f t h e A C s i g n a l r e s p e c t i v e l y . N o t e t h a t t h e fi r s t s q u a r e W 1 6 0 V o l t S u P p l j i W A t o D c a n v e r t e r 9 9 d Z I / d V Z t o A / D c o n v e r t e r 1 D i f f e r e n t i a l I n p u t P A R L o c k - i n A m p l i fi e r ‘ E a g l e . . g m u r e f e r e n c e P m ? F u n c t i o n G e n e r a t o r ( 1 K H z ) L W J — I 1 0 0 ( 2 J 2 1 0 : 1 - ‘ ( p r o v o l t a g e s a m p l e ) E l m 3 . 2 T h e S i n g l e L a n g m u i r P r o b e c i r c u i t . A d a p t e d f r o m R e f e r e n c e H o p - 9 1 , t h i s c i r c u i t s h o w s t h e “ s e m i - a u t o m a t e d ” m e t h o d o f m e a s u r i n g E E D F s . P l a s m a p o t e n t i a l a n d a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g i e s . 1 0 0 b r a c k e t c o n t a i n s t h e D C c o m p o n e n t o f t h e s i g n a l . t h e s e c o n d s q u a r e b r a c k e t c o n t a i n s t h e u n d i s t o r t e d A C c o m p o n e n t . a n d t h e t h i r d s q u a r e b r a c k e t c o n t a i n s t h e s e c o n d h a r m o n i c o f t h e s i g n a l . T h e n f o r s u f fi c i e n t l y l o w v a l u e s o f a < < V , t h e i n c r e a s e i n c u r r e n t c a n b e a p p r o x i m a t e d b y [ S c h - 6 8 ] : A i z a i 2 1 " ( v ) ( 3 . 3 ) F r o m E q n . 3 . 2 . i t i s s e e n t h a t t h e s e c o n d h a r m o n i c o f t h e p r o b e c u r r e n t i s p r o p o r t i o n a l t o t h e s e c o n d d e r i v a t i v e i f t h e A C s i g n a l i s s m a l l r e l a t i v e t o t h e D C v o l t a g e . T h i s i n f o r m a t i o n i s u t i l i z e d t o m e a s u r e t h e s e c o n d d e r i v a t i v e . a n d h e n c e t o d i r e c t l y o b t a i n t h e E E D F . A s m a l l o s c i l l a t i o n i n t h e p l a s m a i s i n i t i a t e d b y t h e A C s i g n a l w h i c h i s s u p e r i m p o s e d o n t h e p r o b e v o l t a g e . a n d e f f e c t s o f t h i s o s c i l l a t i o n o n t h e p l a s m a a r e m e a s u r e d b y t h e p r o b e a n d e x t e r n a l c i r c u i t r y . T h i s i s k n o w n a s t h e D r u y v e s t e y n m e t h o d a n d i s v a l i d f o r a l l p r o b e t y p e s i f t h e p l a s m a m a y b e c o n s i d e r e d i s o t r o p i c . H o w e v e r . a n a n i s o t r o p i c p l a s m a r e q u i r e s a s p h e r i c a l p r o b e s u r f a c e f o r t h e v a l i d i t y o f t h e r e s u l t [ S c h - 6 8 ] . I t i s t h e r e f o r e s e e n t h a t e v e n w i t h t h e m a n y s i m p l i f y i n g a s s u m p t i o n s m a d e . o r p e r h a p s d u e t o t h e m . . t h e m e t h o d y i e l d s q u a l i t a t i v e r e s u l t s a t b e s t a n d e x a c t p l a s m a p a r a m e t e r v a l u e s m a y v a r y s i g n i fi c a n t l y f r o m t h e o r y . T h i s i s s h o w n c l e a r l y o n F i g u r e 3 . 3 w h i c h d e p i c t s a t y p i c a l E E D F o f t h e M P D R 5 ( t h a t i s c h a r a c t e r i z e d i n C h a p t e r S e v e n ) . T h e e x p e r i m e n t a l c u r v e s e e m s t o d e v i a t e f r o m t h e M a x w e l l i a n d i s t r i b u t i o n . a n d i s s e e n t o b e c l o s e r t o t h e D r u y v e s t e y n d i s t r i b u t i o n . a s m e n t i o n e d a b o v e . S i m i l a r . n e a r - M a x w e l l i a n E E D F s h a v e a l s o b e e n r e p o r t e d f o r n o n - E C R m i c r o w a v e d i s c h a r g e s [ H e i - 8 8 ] . 1 0 1 0 . 0 8 E X P E R I M E N T A L I D R U Y V E S T E Y N — - M A X W E L L I A N . . . . . . . . 0 . 0 1 0 0 2 0 . 0 5 0 0 E n e r g y ( e V ) F l g m 3 . 3 A t y p i c a l E E D F o f t h e M P D R 5 D a t a t a k e n f o r a n a r g o n d i s c h a r g e a t 1 . 0 m T o r r a t 1 0 0 W i n p u t p o w e r w i t h t h e S L P 5 c m d o w n s t r e a m ( R e f e r t o C h a p t e r S e v e n ) . 1 0 2 . 2 . l u l r P r o T h e c o n c e p t o f u s i n g t w o p r o b e s w a s b o r n o u t o f t h e f a c t t h a t v e r y o f t e n a r e f e r e n c e e l e c t r o d e f o r t h e S L P i s a b s e n t . o r d i f fi c u l t t o d e fi n e . A n e x a m p l e m a y b e m e a s u r e m e n t s i n t h e i o n o s p h e r e . o r a t o r o i d a l r f d i s c h a r g e i n a g l a s s t u b e . F i r s t p r o p o s e d b y J o h n s o n a n d M a l t e r [ J o b - 4 9 , J o h - 5 0 ] , t h i s m e t h o d e m p l o y s t w o s i m i l a r . s i n g l e p r o b e s w i t h a d c b i a s a p p l i e d t h r o u g h a n o t h e r w i s e e l e c t r i c a l l y fl o a t i n g c i r c u i t . T h e d o u b l e L a n g m u i r p r o b e ( D L P ) m e t h o d h a s b e e n e x t e n s i v e l y s t u d i e d [ J o h - 4 9 . J o h - 5 0 . C h e - 6 5 . S w i - 6 9 ] . T h e c i r c u i t i t s e l f . s h o w n i n F i g u r e 3 . 4 ( a ) i s e x t r e m e l y s i m p l e a n d d o e s n o t r e q u i r e a n y s p e c i a l i z e d e q u i p m e n t t o o p e r a t e . D u e t o t h i s s i m p l i c i t y . a n d a l s o t h e v e r y i m p o r t a n t i n f o r m a t i o n i t i m p a r t s a b o u t t h e p l a s m a . t h e D L P i s w i d e l y u t i l i z e d f o r p l a s m a d i a g n o s t i c s . O t h e r t h a n t h e s e l f c o n t a i n e d fl o a t i n g c i r c u i t w i t h i n t h e p l a s m a . a n o t h e r a d v a n t a g e o f t h e D L P o v e r t h e S L P s y s t e m i s t h a t t h e f o r m e r i s l i m i t e d b y t h e i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t . w h i l e t h e S L P m u s t m e a s u r e t h e e l e c t r o n s a t u r a t i o n c u r r e n t . A s i s s e e n i r n F i g u r e 3 . 1 . t h e e l e c t r o n s a t u r a t i o n c u r r e n t i s m u c h g e a t e r t h a n t h e i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t . D u e t o t h e s e h i g h e l e c t r o n c u r r e n t s s p e c i a l l y i n i n t e n s e d i s c h a r g e s . t h e S L P m a y s u f f e r f r o m o v e r h e a t i n g . w a r p i n g o r e v e n m e l t i n g ~ a p r o b l e m t h a t d o e s n o t e x i s t f o r t h e D L P . F i g u r e 3 . 4 ( a ) s h o w s t h a t t h e D L P h a s t w o s m a l l c o n d u c t i n g p r o b e s i m m e r s e d i n t h e d i s c h a r g e c l o s e t o e a c h o t h e r . N o t e t h e D C i s o l a t i o n o f t h e D L P u s i n g t r a n s f o r m e r s . A s m e n t i o n e d e a r l i e r ( S e c t i o n 3 . 2 . 1 ) . c a r e m u s t b e t a k e n i n d e s i g n i n g t h e p r o b e s s o t h a t t h e y a r e s u f fi c i e n t l y f a r a w a y ( s e v e r a l t e n s o f A D ) a n d d o n o t r e s i d e w i t h i n t h e o t h e r ' s s h e a t h . w h i l e a t t h e s a m e t i m e a r e c l o s e 1 0 3 S h e a t h l I n s e t s h o w s t h e s h e a t h d e v e l o p m e n t a r o u n d t h e t u n g s t e n w i r e s . S h a d e d r e g i o n i s t h e s h e a t h . N o t e t h a t t h e q u a s i - n e u t r a l p l a s m a s u r r o u n d s b o t h p r o b e s . O u t e r q u a r t z t u b e I j \ i ’ I V I n n e r q u a r t z t u b e T u n g s t e n p r o b e 3 . e d L a n u i r P r o b e . T w o s u c h p r o b e s g l u e d t o g e t h e r w i t h U H V c o m p a t i b l e a d h e s i v e c o n s t i t u t e t h e D o u b l e L a n g m u i r P r o b e . N o t e t h e s t e p l i k e t o p o l o g y t h a t p r e v e n t s t h e p r o b e s f r o m s h o r t i n g o u t . S h a d e d r e g i o n i s t h e s h e a t h a r o u n d t h e p r o b e t i p . 1 0 4 e n o u g h s u c h t h a t t h e p l a s m a p o t e n t i a l o n b o t h p r o b e s i s t h e s a m e . T h e r e m u s t e x i s t a q u a s i - n e u t r a l p l a s m a w i t h l i t t l e o r n o c h a n g e i n t h e p l a s m a p o t e n t i a l b e t w e e n t h e s h e a t h s o f t h e t w o p r o b e s . T h i s i s s h o w n i n t h e i n s e t o f F i g u r e 3 . 4 ( a ) . w h e r e t h e s h e a t h o f e a c h p r o b e i s c o m f o r t a b l y f a r r e m o v e d f r o m t h e o t h e r p r o b e . a n d t h e p l a s m a e n c l o s e s e a c h p r o b e c o m p l e t e l y . F i g u r e 3 . 5 ( a ) s h o w s t h e p o t e n t i a l d r o p b e t w e e n t h e t w o p r o b e s i n d i c a t i n g c l e a r l y t h e s h e a t h a r o u n d t h e p r o b e s . A g o o d e x p l a n a t i o n o f t h e v a r i a t i o n o f t h e p l a s m a s h e a t h a n d p o t e n t i a l d r o p a c r o s s t h e p r o b e s a s t h e b i a s v o l t a g e i s c h a n g e d m a y b e f o u n d i n r e f e r e n c e S w i - 6 9 ( s e e . f o r e x a m p l e F i g u r e 2 . 3 . p a g e 1 9 o f t h i s r e f e r e n c e ) . T h e p r o b e s a r e I fl o a t i n g w i t h r e s p e c t t o g r o u n d . a n d t h e c u r r e n t c i r c u l a t i n g b e t w e e n t h e t w o p r o b e s i s m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f a p p l i e d v o l t a g e . A t y p i c a l D L P I - V c h a r a c t e r i s t i c s i s s h o w n i n F i g u r e 3 . 5 ( b ) . a n d t h i s c a n b e r e d u c e d t o p r o v i d e t h e T e a n d n e . T h e d e r i v a t i o n f o r e x t r a c t i n g t h e a p p r o p r i a t e q u a n t i t i e s f r o m t h e l - V c h a r a c t e r i s t i c s f o l l o w s ( f r o m R e f e r e n c e L i e - 9 4 ) : I A s s u m i n g t h a t t h e c i r c u i t o f F i g u r e 3 . 4 ( a ) i s e l e c t r i c a l l y fl o a t i n g w i t h r e s p e c t t o t h e c o m m o n g o u n d . t h e c u r r e n t g o i n g i n t o o n e p r o b e m u s t e q u a l c u r r e n t fl o w i n g o u t o f t h e o t h e r . i . e . i 1 = ‘ i 2 ( 3 . 4 ) I n t e r m s o f t h e e l e c t r o n a n d i o n c o m p o n e n t s . e a c h p r o b e c u r r e n t m a y b e d e c o m p o s e d i r n t o : i n ' i e l = i e z ' # 2 ( 3 ' 5 ) 1 0 5 S h e a t h S h e a t h 0 f p r o b e 1 o f p r o b e 2 — > < — < — > V S ‘ P r o b e l : P r o b e 2 ( a t n e é g t i v e p o t e n ) F l 3 . a t n t i a l d r o s a c r o s s t h e D o u b l e L a n u l r P r o b e s . H e r e . V 5 i s t h e p l a s m a p o t e n t i a l . N o t e t h a t t h e p o t e n t i a l v a r i a t i o n o c c u r s o n l y i n t h e s h e a t h . S a t u r a t i o n S a t u r a t i o n n C u r r e n t fl g g g g 3 . 5 ( b ) A n l - V c h m c t e r i s t i c s o f a D o u b l e L a n g m u i r P r o m . T h e “ k n e e ” o f t h e c u r v e i n d i c a t e s w h e r e t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t v a l u e i s t a k e n . d e s p i t e t h e f a c t t h a t c u r r e n t s t i l l i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g p o t e n t i a l b e y o n d t h i s k n e e . i e 2 = l _ - e x p t V Z / T e ) ( 3 . 8 ) 1 0 6 A n d a t o t a l c u r r e n t e x p r e s s i o n m a y b e w r i t t e n a s : I = i u ' i e 1 = l ' 1 ' 2 ' l ' e z ( 3 . 6 ) N o w . m a k i n g u s e o f t h e M a x w e l l i a n e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n a s s u m p t i o n ( n o t e . f r o m F i g u r e 3 . 3 t h a t t h i s a s s u m p t i o n m a y n o t b e e x a c t l y v a l i d ) . t h e c u r r e n t s c a n b e e x p r e s s e d w i t h B o l t z m a n n l i k e v a r i a t i o n w i t h a p p l i e d p o t e n t i a l : i e 1 : l - e x p L V 1 / T e ) a n d ( 3 . 7 ) H e r e . V 1 a n d V 2 a r e t h e p r o b e p o t e n t i a l s w i t h r e s p e c t t o t h e p l a s m a p o t e n t i a l . I i s s o m e r a n d o m e l e c t r o n s a t u r a t i o n c u r r e n t , a n d T e i s t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . W i t h t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e p l a s m a p o t e n t i a l d 0 e s n o t v a r y s i g n i fi c a n t l y o n t h e t w o p r o b e s . t h e r e l a t i v e a p p l i e d b i a s i s t h e n t h e s u m o f t h e t w o p r o b e v o l t a g e s : V = V 1 ' V 2 ( 3 . 9 ) T h e n . u S i n g E q n s . 3 . 6 . 3 . 7 a n d 3 . 8 . a r a t i o o f c u r r e n t s m a y b e w r i t t e n a s : 1 + ] . 1 1 = e x p ( V / T e ) ( 3 . 1 0 ) ’ 1 2 - , I f I ” = I a = I . t h e a b o v e e q u a t i o n m a y b e r e d u c e d t o : 1 = I i ( t a n h ( V / T e ) ) . ( 3 . 1 1 ) 1 0 7 T o c a l c u l a t e t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . a n e a s y m e t h o d i s t o o b t a i n t h e d e r i v a t i v e o f t h e a b o v e e q u a t i o n a t z e r o p o t e n t i a l . N o t e t h a t t h e d e r i v a t i v e o f t h e h y p e r b o l i c t a n g e n t f u n c t i o n i s e q u a l t o t h e s q u a r e o f t h e h y p e r b o l i c s e c a n t : 2 d V V l W t a n h [ T — ] — [ s e c h T — J [ F ] ( 3 - 1 2 ) e e A t t h e o r i g i n ( V = 0 ) a l l t e r m s c a n c e l o u t a n d . ( 3 . 1 3 ) T h e a b o v e e q u a t i o n m a y b e u s e d t o c a l c u l a t e t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e b y p l o t t i n g t h e D L P I - V c h a r a c t e r i s t i c s . a n d e q u a t i n g t h e d e r i v a t i v e o f t h e c u r v e a t t h e o r i g i n t o t h e r a t i o o f t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t ( k n o w n ) a n d t h e u n k n o w n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . N o t e t h a t t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t m a y b e o b t a i n e d f r o m t h e I - V c h a r a c t e r i s t i c s b y e x t r a p o l a t i o n . a s s h o w n i n F i g u r e 3 . 5 ( b ) . T h e i o n d e n s i t y m a y t h e n b e c a l c u l a t e d f r o m t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a n d t h e i o n s a t u r a t i o n I c u r r e n t . u s i n g t h e a p p r o x i m a t e r e l a t i o n , a s s h o w n b y C h e n [ C h e - 6 5 ) : k T e w h e r e n . i s t h e i o n d e n s i t y . m . i s t h e i o n m a s s . a n d A i s t h e p r o b e c o l l e c t i o n a r e a . N o t e t h a t s i n c e t h e s h e a t h s u r r o u n d s t h e p r o b e s . t h e a r e a A h a s t o b e c o r r e c t e d 1 0 8 f o r t h e s h e a t h e f f e c t t h a t m a k e s t h e e f f e c t i v e c o l l e c t i o n a r e a m o r e t h a n t h e a c t u a l s u r f a c e a r e a o f t h e p r o b e . 3 . 2 . 4 L i m i t a t i o n s o f P r o b e A n a l n i s A s m e n t i o n e d e a r l i e r . p r o b e t h e o r y ( s p e c i a l l y D o u b l e L a n g m u i r p r o b e t h e o r y ) h a s s o m e s o u r c e s o f e r r o r s . A t b e s t . i t o f f e r s g o o d o r d e r o f m a g r i t u d e r e s u l t s t h a t m a y b e u s e d f o r a c o m p a r a t i v e s t u d y . E x a c t q u a n t i t a t i v e d a t a m u s t b e o b t a i n e d f r o m m o r e p r e c i s e m e t h o d s . l i k e s p e c t r o s c o p y o r l a s e r i n d u c e d fl u o r e s c e n c e . E f f e c t s o f n o n - M a x w e l l i a n d i s t r i b u t i o n . s h e a t h e f f e c t . p l a s m a p e r t u r b a t i o n e t c . h a v e a l r e a d y b e e n c o n s i d e r e d e a r l i e r i n S e c t i o n 3 . 2 . l . a n d n o w s o m e o t h e r p o s s i b l e s o u r c e s o f e r r o r a r e d e s c r i b e d . O t h e r t h a n s e c o n d a r y e l e c t r o n e m i s s i o n . p r o b e s u r f a c e s a r e p r o n e t o a n o t h e r p r o b l e m d u e t o b o m b a r d m e n t o f h i g h e n e r g y p a r t i c l e s f r o m t h e d i s c h a r g e . T h e s e h i g h e n e r g y p a r t i c l e s m a y a l s o c a u s e s p u t t e r i n g o f i o n s f r o m a v a i l a b l e m e t a l l i c s u r f a c e s . l i k e t h e c o n t a i n m e n t v e s s e l ( s p e c i a l l y i f i t i s m a d e o f m e t a l l i c p a r t s w i t h l o w s p u t t e r t h r e s h o l d s ) . t h a t m a y c o n t a m i n a t e t h e p r o b e . l e a d i n g t o i n a c c u r a t e c u r r e n t v a l u e s t h a t a r e m e a s u r e d r u n n i n g t h r o u g h t h e p r o b e . I f s u c h d e p o s i t i o n o c c u r s o n t h e i n s u l a t e d p a r t o f t h e p r o b e c l o s e t o t h e e x p o s e d r e g i o n . i t m a y a c t u a l l y i n c r e a s e t h e e f f e c t i v e c o l l e c t i o n a r e a , c r e a t i n g l a r g e d i s c r e p a n c i e s . I n t h e M P D R - 6 1 0 e x c i t e d a t 9 1 5 M H z ( s e e C h a p t e r F i v e ) f o r e x a m p l e . t h e p l a s m a a t 2 0 0 W i n p u t p o w e r w a s v e r y i n t e n s e , a n d t h e s p u t t e r i n g o f f t h e m e t a l l i c e n d o f t h e 6 1 0 a c t u a l l y s h o r t e d o u t t h e p r o b e s d u e t o m e t a l l i c d e p o s i t i o n b e t w e e n t h e m . A l s o . i n i n t e n s e d i s c h a r g e s . t h e r e m a y b e a r c i n g b e t w e e n t h e c a t h o d i c p r o b e . a n d t h e a n o d i c s h e a t h e d g e . T h i s i s c a l l e d a 1 0 9 “ u n i p o l a r a r e ” . a n d c a n d e s t r o y a p r o b e [ C o h - 8 9 ] . o r a t t h e v e r y l e a s t r e s u l t i n e r r o n e o u s d a t a . U s i n g m e t a l s t h a t a r e l e s s s u b j e c t t o s u c h a r c i n g . l i k e p l a t i n u m , o r t u n g s t e n r e d u c e s t h i s p r o b l e m . ( A l l t h e a b o v e d i a l o g u e a b o u t p r o b e s i s l i m i t e d t o c o l l i s i o n l e s s p l a s m a w i t h n o m a g n e t i c fi e l d s a c t i n g u p o n t h e p a r t i c l e s . S o m e a p p l i c a t i o n s o f i o n s o u r c e s t o d a y n o t o n l y h a v e s t r o n g m a g n e t i c fi e l d s . b u t a l s o a r e s u f fi c i e n t l y h i g h i n p r e s s u r e t o r e p u d i a t e t h e p r e d i c t i o n s o f t h e r a t h e r s i m p l i s t i c . a n a l y s i s d o n e a b o v e . I t i s i m p e r a t i v e t h a t c o r r e c t i o n s b e m a d e t o i n c o r p o r a t e t h e e f f e c t s o f t h e m a g n e t i c fi e l d a n d p r e s s u r e v a r i a n c e o n t h e s i m p l i fi e d t h e o r y p r e s e n t e d h e r e ( s e e f o r e x a m p l e . R e f e r e n c e H e r - 8 9 p a g e 1 4 2 ) . I t m a y b e s a f e l y a s s u m e d t h a t t h e i o n s o u r c e s c h a r a c t e r i z e d w i t h L a n g m u i r p r o b e s d u r i n g t h e r e s e a r c h f o r t h i s d i s s e r t a t i o n h a v e n o s t r a y m a g n e t i c fi e l d s o r p r e s s u r e g r a d i e n t s t h a t m a y r e q u i r e c o m p l e x c o r r e c t i o n s t o t h e s i m p l e p r o b e t h e o r y d i s c u s s e d h e r e . T h i s w i l l b e c o m e c l e a r w h e n t h e d e s i g n s f o r t h e i o n s o u r c e a r e d e s c r i b e d i n d e t a i l i n t h e f o r t h c o m i n g c h a p t e r s . F r o m t h e a b o v e d i s c u s s i o n i t i s c l e a r t h a t a t b e s t . p r o b e t h e o r y i s a b l e t o p r e s e n t d a t a t o p l u s o r r r n i n u s t h r e e t o fi v e t i m e s t h e e x a c t v a l u e s . a n d t o “ o r d e r o f m a g n i t u d e “ c a l c u l a t i o n s a t w o r s t . I t i s n o n e t h e l e s s a m o s t v a l u a b l e t o o l i n c h a r a c t e r i z i n g a p l a s m a . A p a r t f r o m b e i n g a l m o s t t r i v i a l l y . s i m p l e i n o p e r a t i o n ( s p e c i a l l y t h e D L P ) . e l e c t r o s t a t i c p r o b e s m a i n t a i n m a n y a d v a n t a g e s o v e r o t h e r m o r e r e fi n e d a n d c o m p l e x t e c h r n i q u e s l i k e L I F . T h e h u m b l e e l e c t r o s t a t i c p r o b e i s “ d i s t i n g u i s h e d b y t h e p o s s i b i l i t y o f d i r e c t l o c a l m e a s u r e m e n t o f p l a s m a p a r a m e t e r s . ” w h i l e o t h e r t e c h n i q u e s o f t e n r e l y o n a v e r a g e s o v e r a v o l u m e . A n d s o , e v e n t h o u g h t h e r e s o l u t i o n o f t h e r e s u l t s f r o m p r o b e t h e o r y m a y b e n o b e t t e r t h a n o r d e r o f m a g n i t u d e ( i n t h e w o r s t c a s e ) . i t a p t l y r e t a i n s i t s p o s i t i o n a s b e i n g 1 1 0 a p r e m i e r p l a s m a c h a r a c t e r i z i n g t e c h n i q u e . . a i t i u i r I n t h i s s e c t i o n . t h e a c t u a l m e t h o d o l o g y f o r L a n g m u i r p r o b e s a s t h e y w e r e u s e d i n t h e l a b o r a t o r y i s e x p l a i n e d . A l l d a t a w e r e t a k e n u s i n g c o m p u t e r c o n t r o l l e d a p p a r a t u s . a n d t h e r e l e v a n t p e r i p h e r a l c i r c u i t r y n e e d s t o b e e x p l a i n e d i n d e t a i l . F o r s a k e o f s i m p l i c i t y . D L P s f o r m e a s u r i n g n e a n d T e a r e c o v e r e d b e f o r e t h e m o r e c o m p l i c a t e d S L P s f o r T e . V 5 a n d E E D F s . C a r e m u s t b e t a k e n i n c o n s t r u c t i n g t h e p r o b e s . A s e x p l a i n e d e a r l i e r . t h e p r o b e t i p s a r e s o m e w h a t i n v a s i v e . T o r e d u c e t h e p l a s m a p e r t u r b a t i o n . t h e p r o b e s n e e d t o b e m a d e a s s m a l l a s p o s s i b l e . H o w e v e r . a s e x p l a i n e d i n R e f e r e n c e H o p - 9 1 . i f t h e p r o b e a r e a i s m a d e t o o s m a l l . t h e r e l a t i v e s h e a t h e f f e c t a r o u n d i t i n c r e a s e s . a n d t o m i n i m i z e t l n i s . t h e p r o b e ' s a c t u a l a r e a m u s t b e i n c r e a s e d . w h i c h i s i n d i r e c t c o n t r a d i c t i o n w i t h t h e e f f o r t s t o r n i n i r r n i z e p e r t u r b a t i o n m e n t i o n e d a b o v e . S o a c o m p r o m i s e m u s t b e r e a c h e d f o r t h e p r o b e l e n g t h a n d d i a m e t e r . A l s o . s m a l l n o n - p l a n a r p r o b e s m a y r e a d s a t u r a t i o n c u r r e n t s t h a t a r e _ o r b i t a l m o t i o n l i m i t e d ( O M L ) - a t h e o r y c o v e r e d i n R e f e r e n c e s M o r - 8 5 a n d S c h - 6 8 . T h i s m a y o c c u r i f t h e p r o b e r a d i u s i s l e s s t h a n o n e p l a s m a A D . a n d i n s u c h a s i t u a t i o n . t h e O M L p r o b e c u r r e n t g i v e n b y E q n . 3 . 1 4 i s n o t v a l i d . a n d t h e i o n d e n s i t y t h u s m e a s u r e d i s e r r o n e o u s . T o c o n s t r u c t a d o u b l e p r o b e . t h e r e f o r e . t h e fi r s t o r d e r o f b u s i n e s s m u s t b e t o d e t e r m i n e t h e l e n g t h o f D e b y e s h i e l d i n g . T h i s i s g i v e n b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n [ L i e - 9 4 ] : 1 1 1 I ' D = 7 4 3 T e / " e c m . ( 3 . 1 5 ) w h e r e . T e ' i s i n e V . o r V a n d n e i s i n c m ‘ 3 . A s s u m i n g a t y p i c a l i o n d e n s i t y o f 1 X 1 0 1 1 c m ‘ 3 a n d a n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e o f a b o u t 7 0 , 0 0 0 K i n a n E C R M P D R . t h e D e b y e l e n g t h i s c a l c u l a t e d t o b e a b o u t 6 0 p m . T o a v o i d O M L e f f e c t s . t h e r a d i u s o f t h e p r o b e n e e d s t o b e m a d e m u c h g e a t e r t h a n a D e b y e l e n g t h . T h e d i m e n s i o n s o f e a c h r e c e s s e d p r o b e i s - r a d i u s = 0 . 7 6 2 m m . l e n g t h 0 . 7 9 5 c m . w i t h a t o t a l a r e a o r a b o u t 0 . 3 9 9 c m 2 . A p r o b l e m w i t h t h e D L P t h a t w a s m e n t i o n e d i n S e c t i o n 3 . 2 . 4 h a d t o d o w i t h t h e s p u t t e r d e p o s i t i o n o n t h e p r o b e t i p s f r o m t h e m e t a l l i c p a r t o f t h e i o n s o u r c e w h e n t h e D L P w a s i m m e r s e d i n a h i g h i n t e n s i t y 9 1 5 M H z d i s c h a r g e . T h e t w o p r o b e s w e r e s h o r t e d i n a m a t t e r o f r r n i n u t e s . T h i s p r o b l e m w a s r e c t i fi e d u s i n g a r e c e s s e d p r o b e . T h e d e s i g n . o f t h i s p r o b e i s s h o w n i n F i g u r e 3 . 4 ( b ) . A s m a y b e s e e n . i n s t e a d o f t w o t u n g s t e n w i r e t i p s p r o t r u d i n g f r o m a c l o s e d q u a r t z t u b e ( a s s e e n i n F i g u r e 3 . 4 ( a ) ) t h e r e c e s s e d p r o b e d e s i g n u s e d t w o s e p a r a t e p r o b e s . e a c h e n c l o s e d i n a s m a l l q u a r t z t u b e . i n t o w h i c h t h e t u n g s t e n w i r e w a s a s n u g fi t . T h i s t u b e w a s t h e n e n c l o s e d i n a l a r g e r q u a r t z t u b e . B o t h t u b e s w e r e o p e n a t t h e t o p . T h e t w o p r o b e s w e r e t h e n s t u c k t o g e t h e r u s i n g a U H V c o m p a t i b l e a d h e s i v e . T h i s c r e a t e d a s t a g g e r e d q u a r t z s t r u c t u r e n e a r t h e t w o p r o b e s i n s t e a d o f a s m o o t h fi n i s h . T h e p r o b e c o u l d t h e n b e i n s e r t e d i n t o i n t e n s e d i s c h a r g e s . W h i l e t h e r e w a s s o m e s p u t t e r i n g . t h e r e c e s s e d n a t u r e o f t h e p r o b e s p r e v e n t e d ” t h e i r s h o r t i n g o u t . a n d a l s o k e p t t h e p r o b e a r e a f r o m i n c r e a s i n g d u e t o d e p o s i t i o n o f m e t a l l i c i o n s o n t o t h e q u a r t z . T h i s w a s c o n fi r m e d w h e n c u r r e n t v a l u e s r e a d w i t h t h i s p r o b e w e r e c o n s i s t e n t b e f o r e . a n d a f t e r b e i n g i m m e r s e d i n a n i n t e n s e d i s c h a r g e f o r a p e r i o d o f t i m e . 1 1 2 T h e fi r s t e x p e r i m e n t s t h a t w e r e p e r f o r m e d u s i n g D L P s a c t u a l l y i n v o l v e d m a n u a l d a t a a c q u i s i t i o n . w h e r e a b o u t 5 0 - 6 0 c u r r e n t v a l u e s w e r e w r i t t e n a s t h e v o l t a g e w a s v a r i e d f r o m - 6 0 V t o + 6 0 V ( a d a t a p o i n t e v e r y o n e o r t w o V o l t s ) . T h e s e d a t a p o i n t s w e r e t h e n m a n u a l l y e n t e r e d i n t o t h e c o m p u t e r . a n d t h e a p p r o p r i a t e r e d u c t i o n p r o g r a m s ( g e n e r i c ) w e r e t h e n u s e d t o c a l c u l a t e t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s a n d i o n d e n s i t i e s . V e r y s o o n . t h e m o n o t o n y o f m a n u a l d a t a a c q u i s i t i o n w a s r e p l a c e d b y a c o m p u t e r c o n t r o l l e d s y s t e m . T h e c i r c u i t u s e d i n t h i s w o r k f o l l o w s s e v e r a l o t h e r r e s e a r c h e r s ' w o r k [ H o p - 9 1 . S z e - 9 3 a . H o p - 9 0 a ] a n d i s s k e t c h e d i n F i g u r e 3 . 6 . f o l l o w i n g H o p w o o d . T h e e x p l a n a t i o n p r e s e n t e d h e r e f o r t h i s t e c h n i q u e . t h e r e f o r e . b o r r o w s h e a v i l y f r o m t h e t h r e e r e f e r e n c e s m e n t i o n e d a b o v e . A s m e n t i o n e d i n S e c t i o n 3 . 2 . 3 . i t i s i m p e r a t i v e t h a t t h e t w o p r o b e s o f t h e D L P b e e l e c t r i c a l l y i s o l a t e d f r o m g r o u n d . T o m a i n t a i n t h i s i s o l a t i o n . a M e t r a b y t e D A S - 8 a n a l o g t o d i g i t a l ( a / d ) c o n v e r t e r w a s i s o l a t e d f r o m t h e L a n g n u i r p r o b e u s i n g a M e t r a b y t e I S O - 4 o p t i c a l i s o l a t i o n a m p l i fi e r c a r d i n t h e c o m p u t e r . T h e I S O - 4 a l l o w s v o l t a g e s t o b e d i f f e r e n t i a l l y a m p l i fi e d w i t h u p t o + / - 5 0 0 V o l t e l e c t r i c a l i s o l a t i o n . A s s h o w n i n F i g u r e 3 . 6 . t h e b i a s v o l t a g e s u p p l i e d t o t h e p r o b e i s c a l i b r a t e d u s i n g a m u l t i - t u r n p o t e n t i o m e t e r . c h a n n e l e d t h r o u g h a n I S O - 4 w i t h n o g a i n . a n d s e n t t o t h e D A S - 8 a / d c o n v e r t e r t o b e r e a d b y t h e c o m p u t e r . T h e p r o b e c u r r e n t i s s a m p l e d a s a c a l i b r a t e d v o l t a g e s i g n a l a c r o s s s o m e c u r r e n t s a m p l i n g r e s i s t o r s o f a v o l t a g e d i v i d e r c i r c u i t . T h e a m m e t e r a n d v o l t m e t e r s h o w n i n F i g u r e 3 . 6 a r e u s e d f o r t h e i n i t i a l c a l i b r a t i o n o f t h e c u r r e n t a n d v o l t a g e r e a d i n g s o f t h e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m . T h e D C v o l t a g e i s t h e n s w e p t f r o m 0 t o + 6 0 V . t h e l - V d a t a b e i n g t a k e n a u t o m a t i c a l l y e v e r y V o l t o r s o a t s p e c i fi c t i m e i n t e r v a l s . A l o w e r s w e e p r a t e 1 1 3 t o A / D c u r r e n t s a m p l e M D o u b l e J L a n u i r ' P r o l § e n C u r r e n t C a l i b r a t i o n 1 0 0 K 1 K A m m e t e r n I f f } , 4 7 D C p o w e r s u p p l y V o l t r n e t e r t o A / D 1 0 ‘ | _ _ _ v o l t a g e s a m p l e V o l t a g e C a l i b r a t i o n F _ ‘ i g u _ r _ e 3 . 6 D o u b l e L a n g m u i r P r o b e d a t a a c q u i s i t i o n c m u i t n . T h e t w o t r i a n g l e s s i g r n i f y t h e o p t i c a l i s o l a t o r s o f t h e I S O c a r d . A d a p t e d f r o m H o p - w o o d [ H o p - 9 1 ] . 1 1 4 a l l o w s f o r a h i g h e r d e n s i t y o f d a t a p o i n t s t o b e t a k e n . T h i s i s e s s e n t i a l n e a r t h e k r n e e s o f t h e I - V c h a r a c t e r i s t i c s f o r p r e c i s e s a t u r a t i o n c u r r e n t e s t i m a t i o n . a s w i l l b e d e t a i l e d b e l o w . A d o u b l e p o l e d o u b l e t h r o w s w i t c h t h e n e x c h a n g e s t h e p o l a r i t y o f t h e t w o p r o b e s a n d t h e s u b s e q u e n t v o l t a g e s w e e p f r o m 0 t o 6 0 V o l t s i s a c t u a l l y c o n v e r t e d t o b e 0 t o - 6 0 V . I f t h e t w o p r o b e s a r e o f i d e n t i c a l a r e a s . a n d t h e y a r e b o t h c l o s e e n o u g h t o s a m p l e a v o l u m e o f t h e p l a s m a w i t h “ s i m i l a r " p l a s m a p o t e n t i a l . t h e I - V c h a r a c t e r i s t i c s t h u s o b t a i n e d s h o u l d b e r r n i r r o r i m a g e s i n t h e 1 5 ” t a n d 3 r d q u a d r a n t s , p a s s i n g t h r o u g h t h e o r i g i n . T o m i n i m i z e r a n d o m n o i s e . a b o u t 6 0 t o 1 0 0 s a m p l e s w e r e t a k e n f o r e a c h d a t a p o i n t , a n d t h e n ' a v e r a g e d b y t h e c o m p u t e r b e f o r e s a v i n g . t o p r o v i d e a s m o o t h I - V c h a r a c t e r i s t i c s . C o n t r o l o f a l l d a t a a c q u i s i t i o n c a r d s a n d f r e q u e n c y o f c u r r e n t s a m p l i n g i s d o n e t h r o u g h a s i m p l e Q - B A S I C p r o g a m . D a t a r e d u c t i o n i s t h e n c a r r i e d o u t b y i m p o r t i n g t h e D L P I - V d a t a i n t o a n o t h e r g e n e r i c p r o g a m . T h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e i s f o u n d b y u s i n g E q n . 3 . 1 3 . . a s w a s d i s c u s s e d e a r l i e r . T o fi n d t h e i o n d e n s i t y . i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t s n e e d t o b e d e t e r m i n e d f r o m t h e I - V c u r v e . I n c e r t a i n c a s e s . a s i n l o w d e n s i t y p l a s m a s . t h e “ k n e e ” o f t h e I - V c u r v e - w h e r e t h e p r o b e s a r e d r i v e n i r n t o s a t u r a t i o n . m a y b e v a g u e a n d u n d e fi n e d . s i n c e r e a l s a t u r a t i o n ( b e y o n d w h i c h t h e c o l l e c t e d c u r r e n t d o e s n o t c h a n g e w i t h a p p l i e d v o l t a g e ) i s n e v e r r e a l l y r e a c h e d . I n s u c h c a s e s . i t i s n e c e s s a r y t o e s t i m a t e t h e k n e e s a s t h e i n t e r s e c t i o n o f a t a n g e n t t o t h e c u r v e p a s s i n g t h r o u g h t h e o r i g i n . a n d a n o t h e r t a n g e n t t o t h e c u r v e t h r o u g h t h e “ s a t u r a t i o n r e g i o n . " T h i s i s s e e n i r n F i g u r e 3 . 5 ( b ) . A b e t t e r m e t h o d e m p l o y i n g a m a n u a l s e l e c t i o n o f t h e t w o s a t u r a t i o n c u r r e n t s w a s c o d e d i n t o t h e g e n e r i c r e d u c t i o n p r o g r a m . A p l o t o f t h e d a t a u s i n g E q n . 3 . 1 1 i s g e n e r a t e d . I f t h e p l o t i s l i n e a r , t h e n t h e i n i t i a l g u e s s o f t h e 1 1 5 s a t u r a t i o n p o i n t s w a s v a l i d . T w o p o i n t s a l i t t l e f a r t h e r m a y t h e n b e t r i e d . t i l l t h e l i n e a r p l o t s h o w s a d i s c o n t i n u o u s j u m p i n t o n o n l i n e a r i t y n e a r t h e e d g e s . I f t h e p l o t i s n o n - l i n e a r n e a r t h e e d g e s . t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t v a l u e s a r e t o o l a r g e , a n d m u s t b e r e d u c e d . T h e m e t h o d i s i t e r a t e d t i l l a p p r o p r i a t e ( m a x i m u m ) l i n e a r i t y i s r e a c h e d . T h e c u r r e n t v a l u e a t t h i s p o i n t i s p i c k e d t o b e t h e s a t u r a t i o n v a l u e . T h e i o n d e n s i t y m a y t h e n b e c a l c u l a t e d u s i n g E q n . 3 . 1 4 . S h e a t h e f f e c t s o n t h e p r o b e a r e a . a n d a n y o t h e r c o r r e c t i o n s m a y b e i n c o r p o r a t e d i n t h i s e q u a t i o n . N o t e t h a t E q n . 3 . 1 4 i s v a l i d f o r M a x w e l l i a n e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n s o n l y . a n d f o r a n E E D F t h a t i s n o n - M a x w e l l i a n . E q n . 3 . 1 1 w i l l n e v e r p r o d u c e a c o m p l e t e l y l i n e a r p l o t . I n d e e d . s l i g h t l y n o n - l i n e a r p l o t s o f E q n . 3 . 1 l a r e a n o t h e r i n d i c a t i o n o f t h e o f f — M a x w e l l i a n E E D F s . I n s u c h a c a s e . t h e v a l i d i t y o f L a n g n u i r p r o b e t e c h n i q u e s i s i t s e l f c a l l e d i n t o q u e s t i o n . h o w e v e r t h e “ o r d e r o f m a g n i t u d e “ r e s u l t s o f D L P s r e s t i l l v a l i d . A s m e n t i o n e d e a r l i e r . t h e S L P m e t h o d i s m o r e d e s i r a b l e t o m a k e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s t h a n t h e D L P . T h i s i s b e c a u s e o f t h e p r o b l e m s f a c e d w h i l e e s t i m a t i n g t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t v a l u e s o f t h e D L P I - V c h a r a c t e r i s t i c s . I t h a s a l r e a d y b e e n s t a t e d t h a t t h e E E D F i s n o t f u l l y M a x w e l l i a n . . a n d h e n c e E q n . 3 . 1 1 w i l l o n l y p l o t a s e m i - l i n e a r c u r v e . H e n c e t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e d a t a g a t h e r e d u s i n g D L P i s s u s p e c t . A l s o , D L P s o n l y m e a s u r e t h e h i g h e n e r g y t a i l o f t h e E E D F . a n d t h e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e i s c a l c u l a t e d f r o m a n e x t r a p o l a t e d d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n f r o m t h i s h i g h e n e r g y s a m p l e . N o e s t i m a t i o n n e e d b e d o n e f o r t h e S L P s y s t e m t h a t d i r e c t l y m e a s u r e s E E D F s . a n d d a t a o n p l a s m a p o t e n t i a l . a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g y ( o r t e m p e r a t u r e ) a r e g e n e r a l l y m o r e a c c u r a t e . H e n c e t h i s d i r e c t m e a s u r e m e n t o f t h e E E D F w i t h n o i n i t i a l a s s u m p t i o n o f i t s o u t c o m e . a n d t h e T e c a l c u l a t i o n f r o m t h i s d i r e c t l y a c q u i r e d 1 1 6 E E D F l e a d s t o t h e a c c u r a c y o f t h i s s o c a l l e d D r u y v e s t e y n m e t h o d . D i m e n s i o n s o f t h e . S L P u s e d i n f o r d a t a a c q u i s i t i o n a r e - l e n g t h = 0 . 8 c m , r a d i u s = 0 . 5 m m . w i t h a n a r e a o f a b o u t 0 . 2 6 c m 2 . A c t u a l d a t a a c q u i s i t i o n w a s d o n e u s i r n g t w o d i f f e r e n t m e t h o d s . A s e m i - a u t o m a t i c S y s t e m . f o l l o w i n g H o p w o o d a n d S z e [ H o p - 9 l . S z e - 9 3 a ] u s e d t h e c i r c u i t o f F i g u r e 3 . 2 . A f t e r a l o w a m p l i t u d e 1 k H z s i g n a l i s m o d u l a t e d o n t h e D C c a r r i e r b i a s . t h e P r i n c e t o n L o c k - I n - A m p l i fi e r ( P A R L I A 1 2 8 ) w a s u s e d t o p i c k o u t t h e s e c o n d h a r m o n i c o f t h e s i g n a l , w h i c h i s p r o p o r t i o n a l t o t h e s e c o n d d e r i v a t i v e . o f t h e S L P c u r r e n t ( s e e E q n s . 3 . 2 a n d 3 . 3 ) . T h e S L P w a s m a n u a l l y b i a s e d a t a D C v o l t a g e t h a t r a n g e d f r o m 0 t o a b o u t 4 0 V , a s s u m i n g t h e m a x i m u m e l e c t r o n e n e r g y i r n t h e p l a s m a i s a b o u t 4 0 e V . T h e s i g n a l f o r m t h e L I A t h e n t o o k a n y w h e r e f r o m t h r e e t o 1 0 s e c o n d s t o s t a b i l i z e . O n c e a s t a b l e s i g n a l w a s a t t a i n e d . t h e k e y t o s a m p l e t h e s e c o n d h a r m o n i c w a s p r e s s e d o n t h e c o m p u t e r . a n d t h a t d a t a p o i n t ( d 2 1 / d e . V ) w a s s t o r e d . T h e D C b i a s w a s t h e n i n c r e a s e d b y a b o u t a V o l t a n d t h e p r o c e s s r e p e a t e d . T h e s a m e M e t r a b y t e h a r d w a r e w a s u s e d t o i s o l a t e t h e S L P f r o m g o u n d a s f o r t h e D L P s y s t e m . T h i s w a s a l a b o r i n t e n s i v e p r o c e s s s i n c e t h e s a m p l i n g w a s d o n e b y m a n u a l l y p r e s s i n g t h e c o r r e c t k e y . A l s o . t h e a m p l i t u d e o f t h e s m a l l A C s i g n a l i s d e p e n d e n t o n t h e D C b i a s . I t w a s t h e r e f o r e n e c e s s a r y t o m a k e t h e a p p r o p r i a t e a d j u s t m e n t s i n t h e A C s i g n a l a m p l i t u d e a f t e r e a c h s a m p l i n g s u c h t h a t i t w a s t h e s a m e t h r o u g h o u t t h e e x p e r i m e n t . T h i s t o o m e a n t t h a t t h e m e t h o d r e q u i r e d c o n s t a n t a t t e n t i o n . a n d i n c r e a s e d t h e t o t a l t i m e f o r t h e a c q u i s i t i o n o f a n E E D F . A f u l l y a u t o m a t i c s y s t e m w a s d e v e l o p e d d u r i n g t h e c o u r s e o f t h e s e e x p e r i m e n t s t o m e a s u r e t h e E E D F . a n d t h e i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s ( I E D F s ) . F i g u r e 3 . 7 s h o w s t h e b l o c k d i a g a m v i e w o f t h i s s e t u p . T h e A C w a v e 1 1 7 H P 3 4 5 7 A M u l t i m e t e r > H P 8 1 1 6 A r e f - c 1 2 1 / c 1 v 2 s i g n a l F u n c t i o n G e n e t - 2 t h ' ( 1 K H z ) V O - l O O V P o w e r S u p p l y " H P 6 6 3 4 A ( W P A R L o c k - I n A m p l i fi e r 1 0 0 Q G P I B B U S W 9 a s : . . P r o l i ‘ e n u _ ; _ _ W _ I B M - A T C o m p a t i b l e C o m p u t e r F l g u _ r e 3 . 7 A f u l l y a u t o m a t e d G P I B c o n t r o l l e d s i n g l e M u i r p r o b e c i r c u i t . N o t e t h a t t h e c o m p u t e r c o n t r o l l e d a p p a r a t u s m a y b e d a i s y - c h a i n e d i n a n y o r d e r ( h e r e . i t i s s h o w n t o b e f r o m t h e c o m p u t e r . t o t h e p o w e r s u p p l y . t o t h e m u l t i m e - t e r a n d t h e n t o t h e f u n c t i o n g e n e r a t o r ) . 1 1 8 g e n e r a t o r w a s r e p l a c e d b y a G P I B c o n t r o l l e d H e w l e t t - P a c a r d 8 1 1 6 A f u n c t i o n g e n e r a t o r . T h e g e n e r i c D C p o w e r s u p p l y w a s a l s o r e p l a c e d b y a H P 6 6 3 4 A . 0 - 1 0 0 V . 0 - 1 A m p d i g i t a l l y c o n t r o l l e d D C p o w e r s u p p l y . A G P I B c o n t r o l l e d H P 3 4 5 7 A m u l t i m e t e r w i t h d u a l p o r t s w a s u s e d t o m e a s u r e t h e A C v o l t a g e a m p l i t u d e . a n d t h e s e c o n d h a r m o n i c f r o m t h e L I A . F i n a l l y . a c o m p u t e r p r o g r a m w a s w r i t t e n i n G W - B A S I C t h a t w o u l d c o n t r o l a l l t h e e l e c t r o r n i c s . l e a d i n g t o a s o r t o f t u m — k e y E E D F / I E D F m e a s u r e m e n t s y s t e m . O n c e t h e p a r a m e t e r s o f t h e e x p e r i m e n t ( l i k e t h e A C s i g n a l a m p l i t u d e . t h e D C v o l t a g e s w e e p r a n g e . A V w h i c h i s t h e i n c r e m e n t a l i n c r e a s e i n v o l t a g e a f t e r e a c h s a m p l e . e t c . ) a r e i n p u t i r n t o t h e c o m p u t e r . t h e p r o g r a m s e t s t h e d i g i t a l w a v e g e n e r a t o r a n d t h e p o w e r s u p p l y t o t h e a p p r o p r i a t e a m p l i t u d e s a n d f r e q u e n c y . P o r t 1 o f t h e m u l t i m e t e r t h e n r e a d s t h e A C a m p l i t u d e a n d e n s u r e s t h a t i t i s w i t h i n t h e r e q u i r e d x % o f t h e i n p u t s t r e n g t h ( x i s a l s o a n i r n p u t i n t o t h e c o m p u t e r ) . i n c r e a s i n g o r d e c r e a s i n g t h e s i g n a l a m p l i t u d e t o c o n f o r m t o t h e m a x i m u m a l l o w e d v a r i a t i o n . P o r t 2 t h e n w a i t s f r o m 1 0 t o 3 0 s e c o n d s f o r t h e s i g n a l f r o m t h e L I A t o s t a b i l i z e . a t w h i c h t i m e t h e s e c o n d h a r m o n i c d a t a i s s a m p l e d . O n c e t h e s i g n a l i s s t a b i l i z e d . s e v e r a l s u c h s a m p l e s ( u p t o 5 0 . i f n e c e s s a r y ) a r e t a k e n t o a c c u r a t e l y r e d u c e r a n d o m n o i s e f r o m t h e d a t a . T h e D C b i a s v o l t a g e d a t a i s f e d t o t h e c o m p u t e r d i r e c t l y f r o m t h e d i g i t a l D C p o w e r . s u p p l y . T h e D C v o l t a g e i s t h e n i n c r e m e n t e d b y A V . t y p i c a l l y b e i n g 0 . 5 V . o r 1 . 0 V . a s r e q u e s t e d b y t h e e x p e r i m e n t e r , a n d t h e p r o c e s s r e p e a t e d t i l l t h e u s e r i n p u t m a x i m u m D C v o l t a g e i s r e a c h e d . p r o v i d i n g a s m o o t h ( 0 1 2 1 / d V Z . V ) c u r v e . T h i s s y s t e m r e m o v e s a l l e r r o r s r e l a t i n g t o m a n u a l c o n t r o l o f t h e a p p a r a t u s . s p e c i a l l y t h e s a m p l i n g o f t h e s e c o n d h a r m o n i c d a t a . a n d a l s o a l l e r r o r s r e l a t e d t o t h e i n i t i a l s o f t w a r e c a l i b r a t i o n t h a t w a s n e c e s s a r y f o r t h e s e m i - 1 1 9 a u t o m a t i c m e t h o d o f H o p w o o d a n d S z e . I t w a s a l s o n o t i c e d t h a t w h i l e t h e A C s i g n a l a m p l i t u d e s t i l l fl u c t u a t e d o n v a r y i n g t h e D C v o l t a g e . d i g i t a l c o n t r o l o f t h e a p p a r a t u s a l l o w e d f o r m u c h c l e a n e r . f a s t e r a n d e a s i e r c o r r e c t i o n o f t h e A C s i g n a l a m p l i t u d e . a n d t h e r e b y q u i c k e r d a t a a c q u i s i t i o n . N o t e t h a t i t i s n o l o n g e r n e c e s s a r y t o u s e t h e o p t i c a l i s o l a t o r c a r d . o r t h e A / D c o n v e r t e r s . s i n c e t h e d i g i t a l c o n t r o l s a u t o m a t i c a l l y i s o l a t e d a n d d i g i t i z e d t h e d a t a . D u e t o t h e a u t o m a t i o n . i t i s a l s o n o t n e c e s s a r y t o t e n d t o t h e d a t a a c q u i s i t i o n s t a t i o n w h i l e t h e c o m p u t e r i s t a k i n g t h e d a t a . A l l E E D F s w e r e n o r m a l i z e d t o o n e f o r s t a n d a r d i z e d c o m p a r i s o n a c c o r d i n g ' t o t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : N ( f a ? ) d 5 = 1 ( 3 . 1 6 ) O . F i n a l l y . t h e a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g y w e r e c a l c u l a t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : ( 5 ) = [ ( 1 5 - fi e n d s ( 3 . 1 7 ) O T h e r e s u l t s f r o m t h i s m e t h o d w e r e s e e n t o b e w i t h i n e x p e r i m e n t a l e r r o r o f t h e r e s u l t s o r i g i n a l s e m i - a u t o m a t i c m e t h o d . M o s t E E D F a n d I E D F d a t a r e p o r t e d i n t h i s s t u d y w e r e a c q u i r e d u s i n g t h i s s y s t e m . E a c h E E D F a n d a v e r a g e e n e r g y c a l c u l a t i o n w a s c a r r i e d o u t a n u m b e r o f t i m e s t o e n s u r e r e p e a t a b i l i t y . a n d c o n s i s t e n c y o f t h e r e s u l t s . T h e r a w d a t a c o l l e c t e d u s i n g e i t h e r m e t h o d ( e a c h E E D F n o r m a l l y t o o k 2 0 - 3 0 m i n u t e s ) w a s f e d i n t o a n o t h e r g e n e r i c p r o g a m t h a t c a l c u l a t e d t h e p l a s m a p o t e n t i a l a n d t h e a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g y . T h e p o s t 1 2 0 a c q u i s i t i o n p r o g a m ( 1 ) d e t e r m i n e d t h e p l a s m a p o t e n t i a l . ( 2 ) p l o t t e d t h e fi n a l E E D F . a n d ( 3 ) c a l c u l a t e d t h e a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g y u s i n g E q n . 3 . 1 5 . a n d fi n a l l y . ( 4 ) u s i n g t h e c a l c u l a t e d a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g y . t h i s p r o g r a m p l o t t e d t h e a p p r o p r i a t e M a x w e l l i a n a n d D r u y v e s t e y n d i s t r i b u t i o n s f o r c o m p a r i s o n w i t h t h e m e a s u r e d e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n . A l l E E D F s p r e s e n t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n w i l l t h e r e f o r e h a v e a l l t h e t h r e e c u r v e s . A n o t h e r s e t o f L a n g m u i r p r o b e s w a s u s e d i r n t h i s s t u d y t o m e a s u r e t h e r a d i a l ( p r o fi l e o f i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t s a n d i o n d e n s i t y a t a fi x e d 2 l o c a t i o n . b u t a t v a r i o u s r v a l u e s ( 2 i s t a k e n a s t h e a x i a l d i r e c t i o n ) . W h i l e t h i s i s b e s t a c c o m p l i s h e d w i t h a L a n g m u i r p r o b e a t t a c h e d t o a c o m p u t e r c o n t r o l l e d U H V c o m p a t i b l e t r a n s l a t i o n s t a g e . t h e l a c k o f s u c h a s t a g e n e c e s s i t a t e d t h e d e s i g n o f a p r o b e a r r a y . S e v e n r e c e s s e d s i n g l e L a n g m u i r p r o b e s ( 0 . 7 6 m m r a d i u s . 0 . 8 c m l e n g t h ) w e r e a t t a c h e d 0 . 5 c m a p a r t u s i n g U H V s e a l a n t t o a p y r e x p l a t e . T h i s p l a t e w a s t h e n a t t a c h e d t o t w o o t h e r p l a t e s s u c h t h a t t h e p r o b e a r r a y i s a t t h e r e q u i r e d h e i g h t . a n d l e v e l w i t h t h e o u t p u t o f t h e M P D R 6 1 0 ( s e e F i g u r e s 4 . 3 a n d 4 . 4 f o r t h e 6 1 0 m o u n t i n g p o s i t i o n o n t h e v a c u u m s t a t i o n ) . O n c e t h e p l a s m a i s i g n i t e d . t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t s . a n d I - V c h a r a c t e r i s t i c s a c r o s s t h e r a d i u s o f t h e i o n s o u r c e m a y b e m e a s u r e d ( b y a l t e r n a t e l y s w i t c h i n g f r o m p r o b e 1 a n d 2 . t o p r o b e 2 a n d 3 . e t c . ) w i t h o u t h a v i n g t o o p e n t h e v a c u u m s y s t e m t o r e p o s i t i o n t h e p r o b e s t h a t w o u l d i n v a r i a b l y i n v o l v e s w i t c h i n g o f f t h e p l a s m a s o u r c e . v e n t i n g t h e s y s t e m . w a i t i n g f o r t h e s y s t e m t o p u m p d o w n o n c e a g a i n a f t e r t h e p r o b e s h a v e b e e n r e - p o s i t i o n e d . a n d r e i g n i t i n g t h e p l a s m a . T h e r e i s n o g u a r a n t e e t h a t t h e p l a s m a c o n d i t i o n s ( p r e s s u r e . p o w e r . e t c . ) a r e f a i t h f u l l y r e p r o d u c e d d u r i n g t h i s p r o l o n g e d c h a n g e o v e r . U s i n g t h e p r o b e a r r a y p r e v e n t s t h i s t i m e c o n s u m i n g a n d p o t e n t i a l l y e r r o r 1 2 1 fi l l e d e x e r c i s e . a n d p r o v i d e s a c c u r a t e m e a s u r e m e n t s o f t h e p l a s m a s o u r c e o u t p u t p a r a m e t e r s ( i o n d e n s i t y . s a t u r a t i o n c u r r e n t . e t c . ) a t d i f f e r e n t r a d i a l p o s i t i o n s a c r o s s t h e i o n s o u r c e f o r a n y g i v e n 2 l o c a t i o n . 3 . 3 M u l t i - g g d I o n E n e g g z A n a l y z e r A s i n t h e c a s e o f e l e c t r o n s . t h e e n e r g y o f i o n s i n a p l a s m a a l s o e x h i b i t a d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n . F o r a v a r i e t y o f a p p l i c a t i o n s . i t i s e x t r e m e l y i m p o r t a n t t o k n o w t h i s i o n e n e r g ' d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n ( I E D F ) . a n d t h e a v e r a g e i o n e n e r g y . H i g h i o n e n e r g i e s m a y b e d e t r i m e n t a l t o s o m e s u b s t r a t e p r o c e s s i r n g - e n e r g e t i c i o n b o m b a r d m e n t o n a s u b s t r a t e . f o r e x a m p l e . m a y c a u s e d a m a g e t o t h e s u r f a c e . L o w e n e r g y i o n s m a y . o n t h e o t h e r h a n d . c a t a l y z e c h e m i c a l r e a c t i o n s o n t h e s u r f a c e - i t i s n o w b e l i e v e d t h a t w h i l e a c t u a l a n i s o t r o p i c e t c h i n g o f s u b s t r a t e s i m m e r s e d i n a C C l e z p l a s m a i s c a u s e d b y t h e a t o m i c c h l o r i n e r a d i c a l s . b o m b a r d m e n t o f l o w e n e r g y i o n s o n t h e s u r f a c e e n h a n c e s t h i s e t c h p r o c e s s b y p r o v i d i n g s u f fi c i e n t e n e r g y t o t h e r e a c t i o n p r o d u c t s t h a t a r e a d s o r b e d o n t h e s u r f a c e . W h i l e p h y s i c a l e f f e c t s o f h i g h e n e r g y i o n m a y b e u n d e s i r a b l e i n m o s t s u b s t r a t e p r o c e s s i n g e x p e r i m e n t s . a m o d e r a t e l y h i g h e n e r g y i o n b e a m i s u s e d . f o r i m p l a n t i n g i o n s d e e p w i t h i n a s u b s t r a t e . A n o t h e r a p p l i c a t i o n o f h i g h e n e r g y i o n b e a m s i s f o r i n j e c t i o n i n t o p a r t i c l e a c c e l e r a t o r s . w h e r e t h e i o n s a r e f u r t h e r a c c e l e r a t e d f o r a t o m i c a n d n u c l e a r p h y s i c s f r a g m e n t a t i o n e x p e r i m e n t s . A w i d e r a n g e o f i o n e n e r g i e s . t h e r e f o r e . a r e i n u s e f o r v a r i o u s a p p l i c a t i o n s . a n d i t i s i m p e r a t i v e t h a t t h e e n e r g y d i s t r i b u t i o n s g e n e r a t e d b y t h e p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e s b e u n d e r s t o o d . T h i s s e c t i o n d e s c r i b e s t h e m u l t i - g i d i o n e n e r g y a n a l e r 1 2 2 ( I E A ) t h a t w a s u s e d t o m e a s u r e t h e I E D F s a n d a v e r a g e i o n e n e r g i e s o f t h e d i s c h a r g e g e n e r a t e d i n t h e M P D R p l a s m a s o u r c e s . T h e s e c t i o n d e l v e s l i g h t l y i n t o t h e t h e o r y b e h i n d t h e e x p e r i m e n t a l s e t u p , a n d a l s o s o m e o f t h e s o u r c e s o f e r r o r . I t t h e n c o n c l u d e s w i t h t h e d e s c r i p t i o n o f t h e a c t u a l e x p e r i m e n t a l t e c h r n i q u e u s e d w i t h t h e I E A 3 . 3 . 1 T h e o r z o f t h e I o n g e m A n a l y z e r F o l l o w i n g H o p w o o d [ H o p - 9 1 ] . i t m a y b e s h o w n t h a t t h e I E D F . g i v e n b y 9 M E ) . i s p r o p o r t i o n a l t o t h e fi r s t d e r i v a t i v e o f t h e c o l l e c t o r c u r r e n t i n t h e I E A : N ( E ) = — ( d d I C X V . — v . ) " 1 / 2 ( 3 . 1 8 ) w h e r e V 1 , . i s t h e i o n r e t a r d a t i o n p o t e n t i a l , V i c i s t h e i o n c o l l e c t o r p l a t e p o t e n t i a l . 1 c i s c o l l e c t e d c u r r e n t . T h e fi r s t d e r i v a t i v e o f t h e c o l l e c t e d c u r r e n t w i t h r e s p e c t t o t h e i o n r e t a r d a t i o n p o t e n t i a l c a n . t h e r e f o r e ; p r o v i d e i r n f o r m a t i o n a b o u t t h e I E D F . A s . f o r t h e S L P e x p e r i m e n t a l s y s t e m . t h e P A R 1 2 8 l o c k - i n a m p l i fi e r m a y b e u s e d t o d i f f e r e n t i a l l y s a m p l e t h e m a g n i t u d e o f t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y . w h i c h i s p r o p o r t i o n a l t o t h e fi r s t d e r i v a t i v e o f t h e c o l l e c t e d c u r r e n t . a f t e r a 4 0 H z s m a l l a m p l i t u d e s i n u s o i d a l w a v e i s s u p e r i m p o s e d o n t h e D C i o n r e t a r d a t i o n g r i d b i a s . T h e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t i s n o w e x p l a i n e d . T h e c u r r e n t c o l l e c t e d i n t h e s h i e l d e d F a r a d a y c u p i s g i v e n b y [ C = F ( V 2 , ) w h e r e F i s s o m e e n e r g y f u n c t i o n . a n d t h e i o n r e t a r d a t i o n v o l t a g e i s t h e s u m o f V i r = V i r + e s i n m t ( 3 . 1 9 ) 1 2 3 t h e D C a n d A C s i g n a l s . T h i s m a y b e w r i t t e n a s : w h e r e . V ) , i s t h e D C i o n r e t a r d a t i o n b i a s . a n d e i s t h e s m a l l A C s i g n a l a m p l i t u d e s u p e r i m p o s e d o n t h e D C b i a s . T h e c u r r e n t e x p r e s s i o n m a y b e e x p a n d e d i n a T a y l o r s e r i e s a s w a s s h o w n f o r t h e S L P d e v e l o p m e n t i n S e c t i o n 3 . 2 . 2 : d . . 1 2 1 2 . 2 I = F ( V " ) + 3 3 1 1 V i r ) e s r n 0 ) t + 2 F ( V ” ) ? ( s m a r t ) + H . O . T . ( 3 . 2 0 ) C ( I V . 1 r S u b s t i t u t i n g t h e t r i g o n o m e t r i c i d e n t i t y s i n z m t = ( I - c o s Z c o t ) / 2 . t h e a b o v e e q u a t i o n r e d u c e s t o : d d 2 1 2 1 1 I = F . V . + — — F V . e s i n t o t - I - F V . - e ( - - - c o s 2 c o t ) + H O T . ( 3 2 1 ) 0 t r d V i r 1 r d V 2 t r 2 2 2 f r . I t i s s e e n t h a t t h e r e i s o n l y o n e t e r m t h a t i s d e p e n d e n t o n t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y 0 ) . a n d i s a l s o p r o p o r t i o n a l t o t h e a t e r m o f t h e o r d e r o f 3 o r l e s s . I f e i s m u c h l e s s t h a n V 1 , , a l l t e r m s 8 3 a n d a b o v e m a y b e i g n o r e d . H e n c e t h e m a g n i t u d e o f t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y m a y b e a p p r o x i m a t e d a s b e i n g p r o p o r t i o n a l t o t h e d P T V o J / d V " . O n c e t h i s m a g n i t u d e i s d i f f e r e n t i a l l y s a m p l e d b y t h e l o c k - i n a m p l i fi e r , t h e I E D F . w r i t t e n a s N ( E ) , a s a f u n c t i o n o f t h e a p p l i e d D C b i a s m a y b e q u a l i t a t i v e l y o b t a i n e d . A s i n t h e c a s e o f E E D F s , a l l I E D F s a r e r e c o r d e d i n a r b i t r a r y u n i t s . a n d t h e r e f o r e m u s t b e n o r m a l i z e d t o o n e . 1 2 4 n o I N ( E ) d b “ = 1 ( 3 . 2 2 ) 0 a n d t h e a v e r a g e i o n e n e r g y m a y t h e n b e c a l c u l a t e d a s t h e fi r s t e n e r g y m o m e n t : ( 5 , . ) = j ( E - N ( E ) ) d E ( 3 . 2 3 ) 0 3 . 3 . 2 D e s i g p o f t h e I o n E n e r g y A n a l y z e r I n i t i a l e x p e r i m e n t a l s e t u p o f t h e I E A f o l l o w e d t h e w o r k o f p r e v i o u s r e s e a r c h [ H o p - 9 1 , S z e - 9 3 a . H o p - 9 0 a ] . D e s i g n o f t h e I E A i s b a s e d o n a s h i e l d e d F a r a d a y c u p t h a t c o l l e c t s o n l y t h e i o n c u r r e n t . I t h a s a t o p m e m b r a n e w i t h a n a p e r t u r e t h a t s e v e r e l y l i m i t s t h e c u r r e n t fl o w i n g i n t o t h e F a r a d a y c u p a n d i n t o a c o l l e c t o r p l a t e . V a r i o u s g r i d s b i a s e d a t d i f f e r e n t p o t e n t i a l s b e t w e e n t h e t o p m e m b r a n e a n d t h e c o l l e c t o r p l a t e a l l o w f o r a c c u r a t e c o l l e c t i o n o f t h e i o n c u r r e n t . D e s i g n o f e a c h p a r t o f t h e I E A i s c r i t i c a l t o t h e s u c c e s s o f t h e e x p e r i m e n t . a n d t h e s e p a r t s a r e n o w d i s c u s s e d . F i g u r e 3 . 8 s h o w s t h e I E A . w h i l e F i g u r e 3 . 9 ( a ) s h o w s t h e p o t e n t i a l d r o p s a c r o s s t h e g r i d s . . T h e t o p m e m b r a n e . a b o u t 5 0 u m t h i c k . i s m a d e o f c o n d u c t i n g s t a i n l e s s s t e e l c h o s e n t o s i m u l a t e a m o d e r a t e l y d o p e d s i l i c o n w a f e r . A t i n y a p e r t u r e i n t h e c e n t e r o f t h e m e m b r a n e a l l o w s a s m a l l p e r c e n t a g e o f t h e i o n s f r o m t h e q u a s i — n e u t r a l p l a s m a t o fl o w i n t o t h e F a r a d a y c u p . N o w . a s w a s t h e c a s e w i t h L a n g n u i r p r o b e s . w h e n t h e g r o u n d e d I E A i s i m m e r s e d i n t h e p l a s m a . a s h e a t h f o r m s o n t o p o f t h e m e m b r a n e - t h e I E A t h e r e f o r e i s a v e r y i n v a s i v e d e v i c e . I f t h e 1 2 5 a p e r t u r e i i i t h e t o p m e m b r a n e t h r o u g h w h i c h t h e i o n s f a l l i n t o t h e I E A i s t o o l a r g e . t h e s h e a t h w i l l d e f o r m a r o u n d t h e e d g e s o f t h e a p e r t u r e . m a k i n g a t e a r d r o p l i k e d i p i n t o t h e a p e r t u r e . T h i s w i l l a l l o w t h e n e u t r a l p l a s m a m e n i s c u s t o e n t e r t h e I E A . t h e r e b y e m i t i o n s d i r e c t l y i r n s i d e t h e F a r a d a y c u p a n d c a u s e l a r g e s c a l e e r r o r s i n t h e fi n a l r e s u l t s . I t i s a b s o l u t e l y i m p e r a t i v e f o r t h e s u c c e s s o f t h i s e x p e r i m e n t s t h a t t h i s s h e a t h r e m a i n a s u n d i s t u r b e d a n d a s p a r a l l e l t o t h e t o p s u r f a c e a s p o s s i b l e - o t h e r w i s e t h e r e s u l t s o f t h e I E A w i l l b e e r r o n e o u s . H e n c e t h e a p e r t u r e d i a m e t e r i s a c r i t i c a l d e s i g n p a r a m e t e r - i t m u s t b e l a r g e e n o u g h t o p e r m i t a l e g i t i m a t e s i g n a l s t r e n g t h t o e n t e r t h e F a r a d a y c u p . h o w e v e r s m a l l e n o u g h t o n o t d i s t u r b t h e s h e a t h t o o m u c h . A s c a l c u l a t e d i r n S e c t i o n 3 . 2 . 5 ( E q n . 3 . 1 3 ) . t h e a p p r o x i m a t e D e b y e l e n g t h i n a m o d e r a t e l y i o n i z e d p l a s m a i s a b o u t 6 0 u m . T h e a p e r t u r e d i a m e t e r s h o u l d n o t e x c e e d 1 0 A D . F o r t h i s s t u d y . a n I E A w i t h a n a p e r t u r e d i a m e t e r o f 2 5 0 u m w a s u s e d . T h i s a p e r t u r e w a s d r i l l e d i r n t o t h e m e m b r a n e u s i n g a n e l e c t r o n b e a m d r i l l . H o p w o o d a n d S z e h a v e u s e d a n I E A w i t h a s m a l l e r a p e r t u r e ( 5 0 u m ) i r n t h e i r e x p e r i m e n t s [ H o p - 9 0 a ] . h o w e v e r t h e i o n s o u r c e s t h e y c h a r a c t e r i z e d w e r e t y p i c a l l y m o r e i n t e n s e t h a n t h e o n e s u s e d i n t h i s s t u d y . H e n c e t h e s i g n a l t o n o i s e r a t i o f o r t h e i r i o n s o u r c e s w a s h i g h e r t o b e g i n w i t h . a n d a ’ s m a l l e r a p e r t u r e w a s a d e q u a t e . F o r t h e M P D R 6 1 0 . i t w a s d e e m e d n e c e s s a r y t o u s e t h e I E A w i t h a l a r g e r a p e r t u r e s o a s t o r e t a i n a h i g h s i g n a l t o n o i s e r a t i o . A s m a y b e s e e n f r o m F i g u r e 3 . 8 . i n s i d e t h e I E A t h e r e a r e t w o g r i d s a n d a c o l l e c t o r p l a t e . f o l l o w i n g t h e w o r k o f M a t s u o k a a n d O n o [ M a t - 8 7 ] . T h i s I E A w a s d e s i g n e d a n d b u i l t b y c o - w o r k e r s b e f o r e t h e r e s e a r c h f o r t h i s d i s s e r t a t i o n w a s s t a r t e d . a n d s o i t i s t h e i r d e s i g n t h a t i s d e s c r i b e d h e r e . E a c h g r i d i s m a d e o f a n i c k e l m e s h ( 1 0 0 l i n e s p e r i n c h ) w e l d e d o n a n a l u m i n u m f r a m e . a n d e a c h g r i d 1 2 6 h a s i n d e p e n d e n t a n d e l e c t r i c a l l y i s o l a t e d b i a s l e a d s . T h e g i d s a n d t h e c o l l e c t o r p l a t e a r e a l s o e l e c t r i c a l l y i s o l a t e d f r o m e a c h o t h e r u s i r n g T e fl o n . o r M y c o r r i n g s . T h e fi r s t g i d . n e a r e s t t o t h e t o p m e m b r a n e i s c a l l e d t h e e l e c t r o n r e p u l s i o n g r i d a n d i s b i a s e d a t a n e g a t i v e p o t e n t i a l h i g h e n o u g h t o r e p e l t h e m o s t e n e r g e t i c e l e c t r o n s f r o m t h e p l a s m a t h a t r r n i g h t e n t e r t h e F a r a d a y c u p . S L P m e a s u r e m e n t s o n t h e M P D R 6 1 0 ( s e e C h a p t e r F o u r ) i n d i c a t e d t h a t t h e E E D F t a i l m a y c o n t a i n e l e c t r o n s o f u p t o 3 0 e V . H e n c e a - 3 0 V o l t b i a s m a y b e u s e d o n t h e e l e c t r o n r e p u l s i o n g i d . T h e s e c o n d g r i d i s k n o w n a s t h e i o n r e t a r d a t i o n g r i d . a n d i s p o s i t i v e b i a s e d a t a v a r i a b l e 0 t o + 6 0 V o l t s t o s e l e c t i v e l y a l l o w i o n s t o f a l l t h r o u g h . A t a l o w b i a s p o t e n t i a l . m o s t i o n s a r e a b l e t o g e t t h r o u g h t h e r e t a r d a t i o n g r i d . A s t h e b i a s i s i n c r e a s e d . t h e i o n s m u s t t r a v e l u p h i l l t o o v e r c o m e t h e p o t e n t i a l . a n d t h e r i s i n g b i a s a l l o w s o n l y t h e e n e r g e t i c i o n s t o f a l l t h r o u g h t h e i o n r e t a r d a t i o n g r i d . T h i s d e c r e a s e i n t h e i o n c u r r e n t a s t h e r e t a r d a t i o n p o t e n t i a l i s i n c r e a s e d d e t e r m i n e s t h e e n e r g y s p e c t r u m o f t h e i o n s . T h e t h i r d g r i d . o r p l a t e i s c a l l e d t h e c o l l e c t o r p l a t e a n d i s b i a s e d a t a c o n s t a n t n e g a t i v e p o t e n t i a l t o a t t r a c t t h e i o n s f a l l i n g t h r o u g h t h e i o n r e t a r d a t i o n g i d . N o t e t h a t t h e d o u b l e a r r o w o n t h e i o n r e t a r d a t i o n g r i d i m p l i e s a v a r i a b l e p o t e n t i a l o n t h a t g i d . 3 . . L i m l a t i n s o e l o n E n e A n a l z e r T h e r e a r e s o m e s o u r c e s o f e r r o r t h a t h a v e t o b e k e p t i n r r n i n d w h e n t h e I E A i s u s e d . B y f a r t h e b i g g e s t l i m i t a t i o n i s t h a t t h e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t o f S e c t i o n 3 . 3 . 2 a s s u m e s t h a t a l l i o n s e n t e r i n g t h e F a r a d a y c u p h a v e n o d i v e r g e n c e . i . e . t h e y a r e a l l i m p i n g i n g p e r p e n d i c u l a r t o t h e I E A . F o r m o s t p l a s m a 1 2 7 2 5 0 m i c r o n a p e r t u r e E l e c t r o n r e p u l s i o n g r i d / I o n r e t a r d a t i o n g r i d / I o n c o l l e c t i o n p l a t e 3 . T h e n e n e a n a l z r w i h t h r e e r i d s N o t e t h a t a l l t h r e e g i d s . a n d t h e i r w i r i n g a r e e l e c t r i c a l l y i s o l a t e d f r o m e a c h o t h e r . a n d f r o m t h e g r o u n d e d I E A b o d y . 1 2 8 E l e c t r o n I o n R e p u l s i o n C o l l e c t i o n P o t e n t i a ’ ‘ ‘ I o n 3 R e t a r d a t i o n ( V a r i a b l e P o t e n t i a l ) 3 . a T h t e n a l d r o f o r a t h r e e d I E A . N o t e t h a t t h e p o t e n t i a l o n t h e i o n r e t a r d a t i o n i s v a r i a b l e ( f r o m 0 t o a b o u t 5 0 V i n m o s t e x p e r i m e n t s h e r e ) . I o n I o n R e t a r d a t i o n C o l l e c t i o n P o t e n t i a é i 3 E l e c t r o n ' S e c o n d a r y R e p u l s i o n E l e c t r o n S u p p r e s s o r F l 3 . T h e t e t i a l o f o r t h e I E A w i t h a f o u r t h d . A g a i n . t h e r e t a r d a t i o n g r i d h a s a v a r i a b l e p o t e n t i a l . 1 2 9 s o u r c e s w i t h f r e e d i f f u s i o n . t h i s i s a n i r n a c c u r a t e a s s u m p t i o n . s p e c i a l l y i f t h e I E A i s p l a c e d i r n t h e p l a s m a a w a y f r o m t h e c e n t e r a x i s ( r = 0 ) o f t h e p l a s m a s o u r c e . T h e r a d i a l c o m p o n e n t o f t h e i o n v e l o c i t y m a y a l s o b e a t t a i r n e d i f t h e a p e r t u r e i n t h e t o p m e m b r a n e i s l a r g e r t h a n t h e r e q u i s i t e n u m b e r o f D e b y e l e n g t h s . A s e x p l a i n e d b e f o r e . t h e s h e a t h t h e n d e f o r m s , d i p p i n g t h e i o n e m i t t i n g p l a s m a m e n i s c u s i n t o t h e I E A a n d a c c e l e r a t i n g i o n s i r n t o t h e a n a l y z e r a t v a r i o u s a n g l e s . T h e r a d i a l l y d i r e c t e d v e l o c i t y o f t h e i o n s i s i n d i c a t e d b y a b r o a d e r n i n g o f t h e I E D F . a n d h e n c e t h e I E A r e s u l t s m u s t b e t a k e n a s t h e u p p e r b o u n d f o r i o n e n e r g y m e a s u r e m e n t s . A n o t h e r p r o b l e m t h a t m a y e x i s t i n i r n t e n s e d i s c h a r g e s w i t h r e l a t i v e l y h i g h i o n e n e r g i e s i s t h a t o f s e c o n d a r y e l e c t r o n e m i s s i o n f r o m t h e i o n r e t a r d a t i o n g i d a n d t h e c o l l e c t o r p l a t e d u e t o t h e b o m b a r d m e n t o f h i g h e n e r g y i o n s . A s f o r L a n g n u i r p r o b e s . s e c o n d a r y e l e c t r o n s c a u s e q u a n t i t a t i v e e r r o r s i n t h e a c t u a l a m o u n t o f c u r r e n t t h a t i s c o l l e c t e d . T h i s m a y b e c o r r e c t e d f o r t o s o m e e x t e n t b y a n a d d i t i o n a l g i d t o b e t w e e n t h e i o n r e t a r d a t i o n g r i d a n d t h e c o l l e c t o r p l a t e . B i a s e d n e g a t i v e t o w a r d o f f e l e c t r o n s . t h i s i s k n o w n a s t h e s e c o n d a r y e l e c t r o n s u p p r e s s o r g i d . T h e s u b s e q u e n t p o t e n t i a l d r o p s a c r o s s t h e g i d s w i t h t h i s n e w I E A a r e s h o w n i n F i g u r e 3 . 9 ( b ) . A s b e f o r e . t h e i o n r e t a r d a t i o n g i d h a s a d o u b l e a r r o w . i m p l y i n g a v a r y i n g p o t e n t i a l . . 4 n o n E n A s w i t h t h e S L P , t w o m e t h o d s w e r e u s e d w h i l e c o l l e c t i n g I E D F s a n d a v e r a g e i o n e n e r g i e s a l s o . I n i t i a l e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d w i t h t h e M e t r a b y t e b o a r d s a n d m a n u a l s a m p l i n g o f t h e l o c k - i n a m p l i fi e r ’ s fi r s t h a r m o n i c s i g n a l o n c e 1 3 0 t h i s s i g n a l h a d s t a b i l i z e d . F o l l o w i n g H o p w o o d . t h i s c i r c u i t i s s h o w n i r n F i g u r e 3 . 1 0 . I t m u s t b e n o t e d t h a t w h i l e t h e e x t e r n a l c i r c u i t f o r u s i n g t h e I E A i s m o r e c o m p l i c a t e d t h a n t h a t o f t h e S L P . t h e r e i s n o d e p e n d e n c e o f t h e A C s i g n a l a m p l i t u d e o n t h e v a r i a b l e D C b i a s . H e n c e d a t a c o l l e c t i o n i s r e l a t i v e l y s i r r n p l e r . a n d l e s s t i m e c o n s u m i n g . H o w e v e r . t h e G P I B c o n t r o l a p p a r a t u s w a s a g a i n p u t t o g o o d u s e a n d a m o d i fi e d S L P p r o g r a m m a d e t h e I E A s y s t e m c o m p l e t e l y a u t o m a t e d . F i g u r e 3 . 1 1 s h o w s t h e f u l l y a u t o m a t e d I E A m e a s u r e m e n t c i r c u i t . a n d a s m a y b e s e e n i t i s s i m i l a r t o t h e f u l l y a u t o m a t i c E E D F m e a s u r e m e n t s u p p o r t c i r c u i t r y o f F i g u r e 3 . 7 . W i t h n o c o r r e c t i o n n e e d e d f o r t h e A C s i g n a l ( a s w a s n e e d e d f o r t h e E E D F m e a s u r e m e n t s ) . t h e G W - B A S I C c o n t r o l p r o g a m w a s c o n s i d e r a b l y l e s s c o m p l i c a t e d . a n d a s f o r t h e s e m i - a u t o m a t i c m e t h o d m e n t i o n e d a b o v e . t h e d a t a a c q u i s i t i o n f o r I E D F s w a s r e l a t i v e l y f a s t e r . T h e d a t a o b t a i n e d w i t h t h e f u l l y a u t o m a t e d G P I B c o n t r o l l e d c i r c u i t r y w e r e c o n s i s t e n t w i t h t h e s e m i - a u t o m a t e d m a n u a l l y s a m p l e d d a t a . A s i n t h e c a s e o f E E D F s . s e v e r a l I E D F s w e r e c o l l e c t e d f o r a n y g i v e n s e t o f e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s t o e n s u r e r e p e a t a b i l i t y . T h e a v e r a g e i o n e n e r g i e s r e p o r t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n a r e t h e r e f o r e t h e a v e r a g e o f t h e s e v e r a l v a l u e s m e a s u r e d i n t h e v a r i o u s r u n s . F i g u r e 3 . 1 2 s h o w s a t y p i c a l s e t o f I E D F s f o r t h e M P D R 5 ( r e f e r t o C h a p t e r S e v e n ) . A s i n t h e c a s e o f t h e E E D F m e a s u r e m e n t s , r a w d a t a c o l l e c t e d u s i n g e i t h e r t h e a u t o m a t e d . o r s e m i - a u t o m a t e d m e t h o d w a s t h e n i m p o r t e d i n t o a n o t h e r p r o g a m ( d i f f e r e n t f o r E E D F s f r o m t h a t f o r t h e I E D F s ) t h a t r e d u c e d t h e ( d I / d I / I V ) c h a r a c t e r i s t i c s t o g e n e r a t e t h e i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n . n o r m a l i z e d i t t o o n e . a n d c a l c u l a t e d t h e a v e r a g e i o n e n e r g y . 1 3 1 2 5 0 m i c r o n a p e r t u r H P 8 1 1 6 A E I I I I I I I I I I I I I W I o n E n e r g y A n a l y z e r F u n c t i o n G e n e r a t o r ( 4 0 H z ) * R e f e r e n c e V 1 0 1 e S . t o g X / D c o n v e r t e r 0 P A R L o c k - I n - — 0 A m p l i fi e r d I / d V s i g n a l . t o A / D - c o n v e r t e r _ + 0 t o + 6 0 V m 3 . 1 0 I o n E n e r g y A n a l y z e r m e a s u r e m e n t c l r c u i t g . T h i s i s t h e “ s e m i - a u t o m a t e d ” m e t h o d o f I E D F m e a s u r e m e n t s . a d a p t e d f r o m H o p - w o o d [ H o p - 9 1 . H o p - 9 0 a ] 2 m a 5 i p 0 c e r r . - - o n . - t . - I A u . - o n r . - . - n a e . - l ~ - 4 0 E . - V i . - . - . - . - g . - ' . - y . - n . - z . - e e . - . - r r H F ( P u 4 n 5 0 8 c H 1 z t 1 i ) H - + - 2 8 . 3 V o W A 6 n G e — P A ‘ n r e r a R e t f o e r u e < n c e 2 ( S A n R p L i l o fi c e k r - I n , > H M P u l 3 t 4 i 1 1 i l g d n a V l 5 e 7 t A e m A v 0 H P . - w P o 1 6 e 0 6 r 0 3 S v u 4 A p p l r y 1 3 2 A 1 G P I B B U S I B M - A T C o m p a t i b l e C o m p u t e r F 1 1 1 a u t o m a t P I B o n t r o l l I E D F e a u r e m e n t t c h n i u e . N o t e t h e r e s e m b l a n c e t o t h e E E D F m e a s u r e m e n t c i r c u i t r y o f F i g u r e 3 . 7 . 1 3 3 0 . 2 0 0 9 0 9 0 2 0 0 w . m a n e - a 1 6 0 W ‘ W 1 2 0 W 0 . 1 5 - A I 1 . 1 0 1 0 - v - ‘ 0 - . 0 . 0 5 - 0 . 0 0 “ " ' - - - ‘ - - , - 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 E n e r g y ( e V ) m m D a t a t a k e n f o r a n a r g o n d i s c h a r g e a t 1 . 2 m T o r r . w i t h t h e I E A p o s i t i o n e d 5 c m d o w n s t r e a m f o r v a r i o u s i n p u t p o w e r s . ( R e f e r t o C h a p t e r S e v e n ) 1 3 4 W W W W h e n D r u y v e s t e y n m e a s u r e d t h e fi r s t e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n . h e g a p h i c a l l y c a l c u l a t e d t h e s e c o n d d e r i v a t i v e o f a s m o o t h I - V c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s i n g l e L a n g m u i r p r o b e . T h i s “ D r u y v e s t e y n “ m e t h o d t o m e a s u r e e n e r g y d i s t r i b u t i o n f r m c t i o n s t h a t h a s b e e n d e s c r i b e d i n t h e s e c t i o n s a b o v e , a n d u s e d t h r o u g h o u t t h i s d i s s e r t a t i o n , i s b a s e d o n i n d i r e c t l y m e a s u r i n g a v o l t a g e s i g n a l p r o p o r t i o n a l t o t h e s e c o n d d e r i v a t i v e ( o r t h e fi r s t d e r i v a t i v e i n t h e c a s e o f i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s ) o n c e a s m a l l A C s i g n a l i s m o d u l a t e d o v e r t h e D C p r o b e ( o r I E A ) b i a s . W h i l e t h e p r o c e s s i s s o m e w h a t s i m p l i fi e d b y u s i n g t h e f u l l y . a u t o m a t e d s y s t e m d e s c r i b e d a b o v e ( w i t h t h e G P I B c o n t r o l l e d a p p a r a t u s ) . t h e r e i s s t i l l s o m e d e g e e o f c h a n c e i n v o l v e d . s p e c i a l l y i n s a m p l i n g t h e l o c k - i n a m p l i fi e r s i g n a l - w h e n h a s t h i s s i g n a l s t a b i l i z e d e n o u g h t o b e c o n s i d e r e d a d a t a p o i n t ? A l l t h i s u n c e r t a i n t y . a n d t h e v e r y n e e d f o r t h e L I A m a y b e d o n e a w a y w i t h b y r e v e r t i n g b a c k t o d i r e c t l y d i f f e r e n t i a t i n g t h e I - V c h a r a c t e r i s t i c s . b u t u s i n g n u m e r i c a l m e a n s r a t h e r t h a n g a p h i c a l . T h i s u n i q u e m e t h o d w a s t e s t e d a s a n a u x i l i a r y a c q u i s i t i o n t e c h n i q u e b u t d u e t o t i m e c o n s t r a i n t s . i t w a s n o t c o m p l e t e l y a n a l y z e d u n d e r v a r i e d o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a n d t h e r e f o r e n e v e r i r n c o r p o r a t e d i r n t o t h e b a t t e r y o f c h a r a c t e r i z a t i o n p r i n c i p l e s u s e d d u r i n g t h e r e s e a r c h d e t a i l e d i r n t h i s d i s s e r t a t i o n . T h i s m e t h o d i s p r o p o s e d h e r e w i t h t h e h o p e t h a t i n t h e n e a r f u t u r e i t s a p p l i c a b i l i t y m a y b e c o m p l e t e l y t e s t e d . W h e n a n I - V c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e S L P i s m e a s u r e d . i t b e c o m e s o b v i o u s w h y d i r e c t d i f f e r e n t i a t i o n , e v e n i f d o n e n u m e r i c a l l y . w o u l d p r o d u c e e r r o n e o u s E E D F s . D e s p i t e e a c h p r o b e c u r r e n t v a l u e b e i n g a n a v e r a g e o f 6 0 t o 1 0 0 d a t a 1 3 5 p o i n t s t a k e n b y t h e c o m p u t e r a t e v e r y b i a s v o l t a g e . t h e r e i s s o m e r a n d o m e r r o r . a n d u p o n d i f f e r e n t i a t i o n ( A I / A V ) . t h i s e r r o r i s a m p l i fi e d f u r t h e r . b e c o m i n g e v e n l a r g e r f o r t h e s e c o n d d e r i v a t i v e i n t h e c a s e o f e l e c t r o n e n e r g ' d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s . I t i s t h e r e f o r e a p r a c t i c a l i m p o s s i b i l i t y t o m e a s u r e a n I - V c h a r a c t e r i s t i c s s m o o t h e n o u g h f o r d i r e c t d i f f e r e n t i a t i o n - t h i s m e t h o d s u f f e r s f r o m s u c c e s s i v e e r r o r p r o p a g a t i o n . T h e n e w m e t h o d p r o p o s e d h e r e i n c o r p o r a t e s t h r e e r e q u i r e m e n t s . F i r s t . a c o m p u t e r c o n t r o l l e d p o w e r s u p p l y ( l i k e t h e o n e u s e d i n t h e G P I B c o n t r o l l e d m e t h o d d e s c r i b e d e a r l i e r ) t a k e s a s s m o o t h a n I — V c u r v e a s p o s s i b l e . T h e f r e q u e n c y a t w h i c h d a t a a r e c o l l e c t e d d e t e r m i n e s t h e u l t i m a t e r e s o l u t i o n o f t h e r e s u l t s . a n d a d a t a p o i n t e v e r y 0 . 5 V o l t s i s r e c o m m e n d e d . T h i s I - V c h a r a c t e r i s t i c s m a y e i t h e r b e t h a t o f t h e s i n g l e L a n g m u i r p r o b e . o r t h a t o f t h e i o n e n e r g y a n a l y z e r . T h i s I - V c h a r a c t e r i s t i c s i s t h e n f e d i n t o a c u r v e fi t t i n g p r o g r a m t h a t s t a t i s t i c a l l y fi t s a s m o o t h c u r v e t o t h e d a t a - t h i s fi t d o e s m t h a v e t o p a s s t h r o u g h e v e r y d a t a . p o i r n t . S u c h c u r v e fi t t i n g p r o g a m s e x i s t i n c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e l i b r a r i e s l i k e N A G . a n d i t i s r e c o m m e n d e d t h a t a r o u t i n e t h a t fi t s a n n t h d e g e e p o l y n o m i a l t o t h e I - V c h a r a c t e r i s t i c s b e u s e d . N o t e t h a t i t i s t h i s i n t e r m e d i a t e c u r v e fi t t i n g s t e p t h a t i s m o s t c r u c i a l t o t h i s m e t h o d o f d a t a a c q u i s i t i o n . a n d p r e v e n t s t h e e r r o r s f r o m p r o p a g a t i n g . I t w a s n o t i c e d d u r i n g t h e t e s t r u n s t h a t t h e h i g h e r t h e d e g e e ( n ) . t h e b e t t e r t h e c o m p u t e r w a s a b l e t o fi t t h e c u r v e t o t h e d a t a . F i n a l l y . w h e n t h e n t h d e g e e p o l y n o m i a l t o s m o o t h l y fi t t h e m e a s u r e d l - V c h a r a c t e r i s t i c s i s r e a l i z e d . t h i s p o l y n o m i a l m a y b e d i f f e r e n t i a t e d a n y n u m b e r o f t i m e s w i t h e a s e — h e n c e t h e i r n i t i a l c h o i c e o f a p o l y n o m i a l fi t . I t w a s o b s e r v e d t h a t n = 9 . o r n = 1 1 p r o v i d e d t h e b e s t fi t s - l o w e r d e g r e e s o f p o l y n o m i a l s m a y a l s o w o r k f o r s o m e c a s e s . 1 3 6 T h i s n u m e r i c a l m e t h o d c o m p l e t e l y r e m o v e s t h e n e c e s s i t y o f t h e A C f u n c t i o n g e n e r a t o r ( A C s m a l l s i g n a l ) . t h e l o c k - i n n a m p l i fi e r . a n d m o s t o t h e r p e r i p h e r a l c i r c u i t r y r e q u i r e d f o r e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n m e a s u r e m e n t s . A l s o t h e r e i s n o e r r o r i n c u r r e d d u e t o t h e s a m p l i n g t i m e d i s c r e p a n c y f o r t h e l o c k - i n a m p l i fi e r s i g n a l . A f u l l y a u t o m a t e d s y s t e m t h a t i n c o r p o r a t e s t h e r a w d a t a a c q u i s i t i o n . c u r v e fi t t i n g a n d d i f f e r e n t i a t i o n r o u t i n e s m a y b e s e t u p w i t h t h e a i d o f t h e a p p r o p r i a t e c o m p u t i n g a n d e l e c t r o n i c s u p p o r t . H o w e v e r . b e f o r e i n d u c t i o n i r n t o t h e c h a r a c t e r i z a t i o n t e c h n i q u e s . a c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n o f t h i s m e t h o d i s r e q u i r e d . a t v a r i o u s p l a s m a p r e s s u r e / p o w e r / g a s t y p e c o n d i t i o n s . A l s o . a c o m p a r i s o n o f t h e r e s u l t s o b t a i n e d f r o m t h i s m e t h o d . w i t h t h e “ s e m i - a u t o m a t e d “ o r t h e f u l l y a u t o m a t e d G P I B c o n t r o l l e d m e t h o d s t h a t h a v e b e e n u s e d t o d a t e n e e d s t o b e p e r f o r m e d . H o w e v e r . t h e r e i s n o d o u b t t h a t t h i s n e w m e t h o d h e r a l d s t h e n e x t g e n e r a t i o n o f e n e r g y m e a s u r e m e n t m e t h o d o l o g y . a n d w i l l s o o n b e i n c o r p o r a t e d a s a n a l t e r n a t e w a y t o m e a s u r e e n e r g y d i s t r i b u t i o n s . m m S e v e r a l t y p e s o f M P D R s h a v e b e e n d e s i g n e d . a n d t h e y a l l h a v e o n e t h i n g i n c o m m o n — t h e y a r e . o r m a y b e o p e r a t e d a s s i n g l e m o d e m i c r o w a v e c a v i t i e s : P o w e r i s c o u p l e d f r o m t h e w a v e g u i d e , o r c o a x i a l c a b l e a n d i n t o t h e p l a s m a t h r o u g h t h i s m i c r o w a v e c a v i t y a p p l i c a t o r . I n s i d e t h e c a v i t y . a s i n g l e e l e c t r o m a g n e t i c m o d e i s e x c i t e d . w i t h t h e p l a s m a a c t i n g a s t h e m a j o r l o s s m e c h a n i s m ( s m a l l a m o u n t s o f e n e r g y m a y a l s o b e l o s t t o t h e n o n - p e r f e c t l y c o n d u c t i n g C a v i t y w a l l s , a n d a l s o t o t h e c o u p l i n g a p p a r a t u s - l o o p . p r o b e , e t c . ) . T h e d e s i g n o f t h e s e r e a c t o r s a i m s a t c h o o s i n g t h e a p p r o p r i a t e t r a n s v e r s e 1 3 7 m a g n e t i c ( T M ) . t r a n s v e r s e e l e c t r i c ( T E ) o r t r a n s v e r s e e l e c t r o m a g n e t i c ( T E M ) m o d e f o r t h e r e q u i s i t e a p p l i c a t i o n . W h i l e t h e E M m o d e s o f a p e r f e c t l y c o n d u c t i n g . e m p t y . a n d l o s s l e s s c a v i t y a r e w e l l k n o w n a n d m a y b e f o u n d i n s e v e r a l r e f e r e n c e s [ H a r - 6 5 , R a m - 6 5 ] . t h e p r e s e n c e o f a p l a s m a . o r t h e b r a s s w a l l s t h a t a r e n o t p e r f e c t l y c o n d u c t i n g m a y s i g r n i fi c a n t l y a l t e r t h e s e m o d e s . K n o w l e d g e o f t h e a c t u a l E M m o d e t h a t i s e x c i t e d i n s i d e t h e c a v i t y i s t h e r e f o r e e s s e n t i a l f o r u n d e r s t a n d i n g t h e c o m p l e x d y n a r r n i c s o f t h e c a v i t y . T h i s k n o w l e d g e a i d s i n f u r t h e r r e a c t o r m o d i fi c a t i o n s , o r d e s i g n o f o t h e r r e a c t o r s t h a t h a v e t o s a t i s f y t h e c o n d i t i o n s o f E C R t h a t r e q u i r e t h a t t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d s c o m p l i m e n t t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d s f o r t h e p o w e r t o c o u p l e t o t h e e l e c t r o n g a s . I f t h e e x a c t e l e c t r i c fi e l d s t r u c t u r e i n s i d e t h e c a v i t y i s k n o w n . e x p e r i m e n t a t i o n w i t h t h e m a g n e t i c fi e l d d e s i g n m a y l e a d t o a B - fi e l d t o p o l o g y t h a t m a x i m i z e s t h e E C ' R “ z o n e s “ f o r o p t i m a l p o w e r t r a n s f e r . A l s o . v a l u a b l e i n f o r m a t i o n o n t h e p o w e r l o s s t o t h e c a v i t y w a l l s a n d t h e r e a c t o r ’ s c o u p l i n g e f fi c i e n c y m a y b e o b t a i r n e d t h r o u g h t h i s e l e c t r o m a g n e t i c m o d e d a t a ( s e e . f o r e x a m p l e C h a p t e r S i x ) . T h e r e l a t i v e e l e c t r i c fi e l d p a t t e r n . a n d t h e c a l i b r a t e d e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h ( i n k V / m ) i n s i d e t h e m i c r o w a v e c a v i t y c a n b e m e a s u r e d u s i n g a s e m i - r i g i d m i c r o - c o a x i a l p r o b e . a n d t h i s d i a g n o s t i c t e c h n i q u e i s n o w d e s c r i b e d . e M i - a 1 P r o b e T h e s i m p l e s t w a y t o m e a s u r e t h e e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h i n s i d e t h e m i c r o w a v e c a v i t y i s t o s a m p l e a s m a l l p a r t o f t h e e l e c t r i c fi e l d s e x i s t i n g w i t h i n i t [ H o p - 9 0 b ] . T h i s i s d o n e b y u s i n g a s e m i - r i g i d m i c r o - c o a x i a l p r o b e i n s e r t e d i n t o 1 3 8 t h e s i d e o f t h e c a v i t y t h r o u g h t i n y h o l e s ( o f a d i a m e t e r s u c h t h a t t h e p r o b e fi t s s n u g l y i n t o t l n e m . b u t t h e m i c r o w a v e p o w e r d o e s n o t r a d i a t e o u t o f t h e m ) . T h e p o w e r c o l l e c t e d b y t h e m i c r o — c o a x i a l p r o b e i s t h e n r e a d o n a s t a n d a r d H P 4 3 5 A p o w e r m e t e r . S i n c e t h e p o w e r b e i n g s i p h o n e d i r n t o t h e m i c r o - c o a x c o m e s f r o m t h e t o t a l p o w e r r e s o n a t i n g i n s i d e t h e c a v i t y . t h i s p r o c e s s c a n b e v e r y i r n v a s i v e . a n d c a r e n e e d s t o b e t a k e n t o m i n i m i z e t h e p e r t u r b a t i o n o f t h e E M m o d e s i n s i d e t h e c a v i t y . T h i s i s e n s u r e d b y u s i n g a m i c r o - c o a x w i t h a s m a l l i n n e r c o n d u c t o r d i a m e t e r . a n d a v e r y s h a l l o w i n s e r t i o n i n t o t h e c a v i t y w a l l . T h e d i m e n s i o n s o f t h e m i c r o - c o a x i a l c a b l e t h a t w a s u s e d t o c o n s t r u c t t h e p r o b e s f o r t h i s e x p e r i m e n t ‘ a r e : i n n e r c o n d u c t o r d i a m e t e r = 0 . 6 m m . o u t e r c o n d u c t o r d i a m e t e r = 2 . 2 5 m m . . w i t h a T e fl o n T M d i e l e c t r i c . F i g u r e 3 . 1 3 s h o w s t h e t w o d i f f e r e n t p r o b e d e s i g n s t h a t w e r e u s e d d u r i n g t h e c o u r s e o f t h e s e e x p e r i m e n t s - t h e s e a r e h e r e a f t e r c a l l e d t h e p e n e t r a t i n g p r o b e . a n d t h e fl u s h p r o b e . I n t h e f o r m e r . t h e o u t e r c o n d u c t o r a n d t h e T e fl o n d i e l e c t r i c i s p e e l e d b a c k t o e x p o s e t h e i n n e r c o n d u c t o r . T h i s p r o b e i s t h e n i n s e r t e d i r n t o t h e s m a l l h o l e m a d e i n t h e c a v i t y s u c h t h a t t h e i n n e r c o n d u c t o r i s p e n e t r a t i n g i n t o t h e c a v i t y . w i t h t h e o u t e r c o n d u c t o r l e v e l w i t h t h e i n n e r w a l l o f t h e c a v i t y . A s m e n t i o n e d a b o v e . t h e d i a m e t e r o f t h e h o l e d r i l l e d i n t h e w a l l i s j u s t l a r g e e n o u g h s o t h a t t h e p r o b e i s ' a s n u g fi t i n t h e h o l e . w i t h g o o d e l e c t r i c a l c o n t a c t b e t w e e n t h e o u t e r c o n d u c t o r o f t h e p r o b e a n d t h e c a v i t y w a l l . T h e i n s e r t i o n o f t h e i n n e r c o n d u c t o r i r n t o t h e c a v i t y w a l l c r e a t e s a m o n o p o l e o v e r a s e m i - i n fi n i t e p l a n e e f f e c t . w h i c h t h e n s a m p l e s a f r a c t i o n o f t h e r a d i a l p o w e r o f e l e c t r i c fi e l d e x i s t i n g a t t h a t p o s i t i o n i n t h e c a v i t y . I f a s e r i e s o f h o l e s a r e d r i l l e d i n t h e w a l l o f t h e m i c r o w a v e c a v i t y . a r e l a t i v e e l e c t r i c fi e l d p a t t e r n m a y b e m e a s u r e d . 1 3 9 F l u s h P r o b e I o n S o u r c e P e n e t r a t i n C a v i t y P r o b e ( T o p V i e w ) C o l l a r S M A C o n n e c t o r C a v i W a l l w i t h o l e s F i g u _ r _ e 3 . 1 3 D e s i g p o f t h e t w o m i c r o - c o a x i a l p r o b e s T h e s e p r o b e s w e r e u s e d f o r m e a s u r i n g e l e c t r i c fi e l d s i n s i d e t h e m i c r o w a v e c a v - i t y . N o t e t h a t t h e fi g u r e i s n o t t o s c a l e . 1 4 0 F o r s u c h a m e a s u r e m e n t h o w e v e r , i t i s a b s o l u t e l y i m p e r a t i v e t h a t t h e i n n e r c o n d u c t o r p r o t r u d e i r n t o t h e c a v i t y t h e W f o r e a c h h o l e t o e n s u r e a n a c c u r a t e r e l a t i v e m e a s u r e m e n t . T h i s i s b e c a u s e t h e p o w e r m e a s u r e d b y t h e p r o b e i s e x t r e m e l y s e n s i t i v e t o t h e p r o b e p e n e t r a t i o n d e p t h i n s i d e t h e c a v i t y . T o m a k e c e r t a i n t h a t t h e p r o b e i s i n s e r t e d t o t h e s a m e d e p t h a t e a c h h o l e . a n a d j u s t a b l e c o l l a r i s c l a m p e d o n t h e o u t e r c o n d u c t o r u s i n g a 4 - 4 0 s c r e w . O n c e t h e d e s i r e d p e n e t r a t i o n d e p t h i s s e t . t h i s c o l l a r i s s e c u r e d fi r m l y a n d t h i s e n s u r e s t h a t t h e p r o b e p e n e t r a t i o n d e p t h i s c o n s t a n t t h r o u g h o u t t h e e x p e r i m e n t . a s s u m i n g t h e c a v i t y w a l l t h i c k n e s s r e m a i n s c o n s t a n t . T h e p e n e t r a t i o n d e p t h s e t f o r t h e p r o b e s u s e d i n C h a p t e r S i x w a s c h o s e n t o b e 3 0 / 1 0 0 0 o f a n i n c h ( 3 0 m i l s ) . T h e p e n e t r a t i n g p r o b e o f F i g u r e 3 . 1 3 c a n o n l y g i v e a r e l a t i v e m e a s u r e m e n t o f t h e r a d i a l l y d i r e c t e d e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t l n . w h i c h i s p r o p o r t i o n a l t o t h e s q u a r e r o o t o f t h e p o w e r m e a s u r e d b y t h e p r o b e . T o c a l c u l a t e t h e a b s o l u t e e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h . t h e p o w e r m e a s u r e m e n t s n e e d t o b e c a l i b r a t e d . T h i s i s d o n e u s i n g t h e fl u s h p r o b e s h o w n i r n F i g u r e 3 . 1 3 . F o r t h i s p r o b e . t h e i n n e r c o n d u c t o r i s n o t e x p o s e d . a n d t h e e n t i r e p r o b e ( i n n e r c o n d u c t o r . T e fl o n d i e l e c t r i c a n d o u t e r c o n d u c t o r ) i s i n s e r t e d s u c h t h a t i t a r e fl u s h w i t h t h e i n n e r w a l l o f t h e c a v i t y . T h e n . t h e p o w e r m e a s u r e d b y t h e p r o b e i s r e l a t e d t o t h e e l e c t r i c fi e l d b y [ B u r - 8 5 ] : P ( 3 . 2 4 ) w h e r e . P i s t h e m e a s u r e d p o w e r f r o m t h e p r o b e o f F i g u r e 3 . 1 2 . Z 0 i s t h e c o a x i a l p r o b e ’ s i m p e d a n c e ( 5 0 Q ) , 1 4 1 s o i s t h e p e r m i t t i v i t y o f f r e e s p a c e . a i s t h e r a d i u s o f t h e i n n e r c o n d u c t o r o f t h e c o a x i a l p r o b e . 0 ) i s t h e m i c r o w a v e f r e q u e n c y ( 2 . 4 5 G H z ) . a n d K r = 3 . 8 4 6 - a c o n s t a n t ( a s i n d i c a t e d 1 1 1 R e f e r e n c e B u r - 8 5 ) . D u r i n g t h e e x p e r i m e n t s o f C h a p t e r S i x , t h e p e n e t r a t i n g p r o b e w a s u s e d t o m a k e t h e r e l a t i v e fi e l d p a t t e r n m e a s u r e m e n t s i n s i d e t h e m i c r o w a v e c a v i t y . D u e t o t h e p e n e t r a t i o n o f t h e i n n e r c o n d u c t o r . t h e s i g n a l t o n o i s e r a t i o o f t h i s p r o b e w a s m u c h b e t t e r t h a n t h e fl u s h p r o b e . H e n c e t h e d a t a c o u l d b e t a k e n w i t h g e a t e r a c c u r a c y . T h e fl u s h p r o b e m e a s u r e m e n t w a s t h e n u s e d t o c a l i b r a t e a l l t h e fi e l d d a t a t o g i v e t h e e x a c t r a d i a l e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h o n t h e i n n e r w a l l o f t h e i o n s o u r c e i n v o l v e d i n t h i s s t u d y ( o n t h e 6 l O - a ) . A s w i l l b e c o m e a p p a r e n t l a t e r i r n C h a p t e r S i x . t h e r e w e r e i n f a c t t w o p e n e t r a t i n g p r o b e s t h a t h a d t o b e b u i l t . T h i s w a s b e c a u s e t h e r e w e r e h o l e s d r i l l e d t h r o u g h t h e m a g n e t a s s e m b l y o f t h e 6 1 0 - a a l s o t o a l l o w f o r fi e l d m e a s u r e m e n t i n t h e r e g i o n w h e r e t h e m a g n e t s w e r e p r e s e n t - k n o w n a s t h e d i s c h a r g e r e g i o n . I t w a s i m p e r a t i v e t h a t t h e p r o b e p e n e t r a t i n g d e p t h i n t h i s d i s c h a r g e r e g i o n b e t h e s a m e a s t h e d e p t h e l s e w h e r e . a n d h e n c e t h e n e c e s s i t y f o r t h e s e c o n d p e n e t r a t i n g p r o b e . T h i s w i l l b e d i s c u s s e d i r n g e a t e r d e t a i l l a t e r i n C h a p t e r S i x . 3 . 5 . 2 M g p f E r r o r w i t h t h e M i c r o - c o a x i g P r o b e ; A s m e n t i o n e d a b o v e , c a r e m u s t b e t a k e n t o i r n s e r t t h e p e n e t r a t i n g p r o b e o n l y a s f a r i n t o t h e c a v i t y a s n e c e s s a r y . A d e e p i n s e r t i o n l e a d s t o a b e t t e r s i g n a l t o n o i s e r a t i o s i n c e m o r e p o w e r i s c a p t u r e d b y t h e m i c r o - c o a x . b u t t h i s m a y p e r t u r b t h e E M m o d e s t h a t a r e e x c i t e d i n s i d e t h e r e s o n a t i n g c a v i t y t o a n e x t e n t 1 4 2 t h a t w o u l d m a k e t h e d i a g n o s t i c t o o l p r o h i b i t i v e l y i n v a s i v e a n d p r o v i d e i n a c c u r a t e fi e l d s t r e n g t h d a t a . A l s o . t h e s i z e o f t h e p r o b e i n s e r t i o n h o l e i s c r u c i a l . A l a r g e r t h a n n e c e s s a r y i n s e r t i o n h o l e c o u l d l e a d t o s e v e r a l p r o b l e m s . F i r s t . t h e o u t e r c o n d u c t o r o f t h e p r o b e m u s t b e i n g o o d e l e c t r i c a l c o n t a c t w i t h t h e c a v i t y w a l l s . I f t h e i n s e r t i o n h o l e i s t o o l a r g e . t h e p r o b e w i l l n o t b e s n u g a n d w i l l m o v e a b o u t i n s i d e t h e h o l e . m a k i n g p o w e r m e a s u r e m e n t s w h i c h a r e a m b i g u o u s a n d fl u c t u a t i n g . s p e c i a l l y w h e n m e a s u r i n g t h e r e l a t i v e fi e l d p a t t e r n s . S e c o n d . t h e l a r g e h o l e m a y i n t e r r u p t t h e s u r f a c e c u r r e n t s fl o w i n g o n t h e i n n e r w a l l o f t h e c a v i t y t o t h e e x t e n t t h a t t h e c a v i t y d r o p s t h e E M m o d e t h a t i s b e i n g e x c i t e d i n i t . F i n a l l y , a l a r g e h o l e m a y a l s o l e a d t o s o m e m i c r o w a v e r a d i a t i o n s p e c i a l l y w h e n o p e r a t i n g a t h i g h f r e q u e n c i e s ( l o w w a v e l e n g t h s ) w h i c h i s n o t o n l y d e t r i m e n t a l t o h e a l t h . b u t w i l l a l s o a c t a s a s e c o n d a r y p o w e r l o s s m e c h a n i s m . 3 9 3 W » ; A l l c h a r a c t e r i z a t i o n p r i n c i p l e s t h a t h a v e b e e n d i s c u s s e d u p t o n o w a s s u m e t h a t t h e q u a s i - n e u t r a l p l a s m a d i f f u s e s f r e e l y o u t o f t h e p l a s m a s o u r c e . H o w e v e r . a s w a s o b s e r v e d i n C h a p t e r N o d u r i n g t h e r e v i e w o f s e v e r a l c o m p a c t s o u r c e s . s e v e r a l o f t h e s e s o u r c e s h a v e e x t r a c t i o n g r i d s a t t a c h e d t o t h e i r o u t p u t ' s o t h a t e n e r g e t i c i o n b e a m s m a y b e e x t r a c t e d f r o m t h e m . T h i s s e c t i o n b r i e fl y d i s c u s s e s s o m e o f t h e c h a r a c t e r i z a t i o n t e c h n i q u e s t h a t a r e u s e d t o e v a l u a t e t h e p r o p e r t i e s o f i o n b e a m s . . I O O n c e a p l a s m a i s i g n i t e d i r n t h e s o u r c e . a n i o n b e a m m a y b e e x t r a c t e d b y u s i r n g b i a s e d g i d s ( o r e l e c t r o d e s ) t h a t s e l e c t i v e l y i m p a r t a d i r e c t e d v e l o c i t y ( a n d h e n c e e n e r g y ) t o t h e i o n s w h i l e r e t a r d i n g e l e c t r o n s . S e v e r a l a p p l i c a t i o n s . l i k e 1 4 3 h i g h e n e r g y i o n i m p l a n t a t i o n o r i o n b e a m i n j e c t i o n i n t o p a r t i c l e a c c e l e r a t o r s , u t i l i z e t h e s e e n e r g e t i c i o n b e a m s . W h e n d i s c u s s i n g p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e s t h e r e f o r e . k r n o w l e d g e o f i o n b e a m t e c h n o l o g t i s e s s e n t i a l . O n e o f t h e p l a s m a s o u r c e s s t u d i e d d u r i n g t h e r e s e a r c h f o r t h i s d i s s e r t a t i o n w o r k ( t h e M P D R 6 1 0 ) w a s a l s o u s e d a s a n i o n b e a m s o u r c e a t t h e N a t i o n a l S u p e r c o n d u c t i n g C y c l o t r o n L a b o r a t o r y ( N S C L ) . a s w i l l b e d i s c u s s e d i n C h a p t e r s E i g h t a n d N i n e . T h e d i a g n o s t i c m e t h o d s t h a t w e r e u s e d a t t h e N S C L t o c h a r a c t e r i z e t h e 6 1 0 i o n b e a m a r e n o w d i s c u s s e d . . t a t i o n o I t i s i m p o r t a n t t o k n o w t h e e x a c t c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n ( C S D ) o f t h e i o n b e a m . s p e c i a l l y f o r i o n b e a m s o u r c e s t h a t g e n e r a t e m u l t i p l y c h a r g e d i o n s . T h i s d i s t r i b u t i o n p l o t s a s p e c t r u m o f t h e t o t a l p a r t i c l e c u r r e n t f o r e a c h c h a r g e s t a t e a s a f u n c t i o n o f t h e c h a r g e t o m a s s r a t i o ( Q / M ) . a n d h e n c e c a n g i v e a p r e c i s e q u a n t i t a t i v e a s s e s s m e n t o n t h e a b i l i t y o f t h e i o n s o u r c e t o p r o d u c e t h e d e s i r e d c h a r g e s t a t e . T h e C S D i s o b t a i n e d b y b e n d i n g t h e i o n b e a m t h r o u g h a 9 0 ° a n a l y s i s m a g n e t . a s s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 4 . F o r a s p e c i fi c m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h t h a t i s p e r p e n d i c u l a r t o t h e v e l o c i t y o f t h e c h a r g e d p a r t i c l e . t h e d e g e e o f b e n d i n g f o r c e c r e a t e d b y t h e a n a l y s i s m a g n e t i s s p e c i fi e d b y t h e L o r e n t z f o r c e e q u a t i o n : F = q l V X B ) . T h i s f o r c e i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e c h a r g e s t a t e o f t h e i o n . H e n c e . a h i g h e r c h a r g e s t a t e w i l l b e n d f a r t h e r t h a n a l o w e r c h a r g e s t a t e i n a g i v e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d . T o o b t a i n t h e C S D . t h e i o n b e a m w i t h a l l i t s e x t r a c t e d c h a r g e s t a t e s i s a l l o w e d t o p a s s t h r o u g h t h e 9 0 ° b e n d i n g m a g n e t a s t h e c u r r e n t t h r o u g h t h e c o i l 1 4 4 i s r a m p e d u p . A F a r a d a y c u p i s p l a c e d a f e w m e t e r s a w a y a t t h e f o c u s o f t h e i o n o p t i c s . T h e L o r e n t z f o r c e s e l e c t i v e l y e h o o s e s t h e a p p r o p r i a t e c h a r g e s t a t e t o s t r i k e t h e F a r a d a y c u p . A l l o t h e r c h a r g e s t a t e s a r e e i t h e r b e n t t o o m u c h . o r n o t e n o u g h . a n d t h e y s t r i k e t h e b e a m p i p e . T h i s i s s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 4 . A t y p i c a l C S D o f t h e m u l t i p l e c h a r g e s t a t e p r o d u c i n g S u p e r c o n d u c t i n g E C R ( S C E C R ) i o n s o u r c e a t t h e N S C L i s s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 5 [ H a r - 9 4 ] . T h e s p e c t r u m i s t h a t o f a k r y p t o n - 8 6 r u n . w i t h o x y g e n u s e d a s t h e b a l l a s t g a s ( f o r s u p e r g a s - m i x i n g ) . I t c l e a r l y i r n d i c a t e s t h e a m o u n t o f c u r r e n t a t e a c h p e a k . w h e r e t h e p e a k s r e p r e s e n t s o m e i o n i z e d s p e c i e s p r e s e n t i i i t h e i o n b e a m . F o r e x a m p l e . t h e c u r r e n t f o r K r 1 9 + ( a t Q / M o f a b o u t 4 . 5 ) i s s e e n t o b e a b o u t 3 0 p a r t i c l e m i c r o - a m p s ( e u A ) . A s c a n b e s e e n . t h e e x a c t c u r r e n t o f e a c h Q / M s p e c i e s ( c h a r g e s t a t e ) m a y b e r e a d a n d c o m p a r e d t o o t h e r c h a r g e s t a t e s . A n o b v i o u s a d v a n t a g e o f t h e 9 0 ° b e n d i n g m a g n e t i s t h a t b y s e t t i n g t h e b e n d i n g m a g n e t ’ s c u r r e n t t o a s p e c i fi c v a l u e t h e r e s e a r c h e r m a y c h o o s e a n y c h a r g e s t a t e f r o m a l l t h e s t a t e s t h a t p o p u l a t e t h e i n i t i a l l y e x t r a c t e d i o n b e a m . w h i l e r e j e c t i n g t h e o t h e r s t a t e s . O n l y o n e c h a r g e s t a t e w i l l t h e n p r o p a g a t e b e y o n d t h e F a r a d a y c u p ( o n c e t h e c u p i s r e m o v e d f r o m t h e b e a m l i n e ) . W T h e e r r n i t t a n c e d i a g a m o f a n i o n s o u r c e g i v e s a n i n d i c a t i o n o f t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f t h e b e a m a s i t t r a v e l s t h r o u g h a b e a m l i n e . I t i s a m e a s u r e o f t h e b e a m v o l u m e i n a s i x d i m e n s i o n a l p h a s e s p a c e d e fi n e d b y x . y . z . p x , p y . p z . w h e r e t h e l a s t t h r e e p a r a m e t e r s a r e t h e t h r e e c o m p o n e n t s o f t h e m o m e n t a . F o r a b e a m t r a v e l l i n g i n t h e z d i r e c t i o n . t h e p h a s e v o l u m e c h a r a c t e r i z i n g t h e b e a m i s 1 4 5 B e a m l i n e D e f o c u s s i n g i o n b e a m S e c t o r e d F a r a d a y c u p a n d E m i t t a n c e m e a s u r e m e n t a p p a r a t u s ( r e m o v a b l e ) B e n d i n g m a g n e t H i g h e r c h a r g e s t a t e ( o v e r f o c u s s e d ) L o w e r c h a r g e s t a t e ( u n d e r f o c u s s e d ) F l 3 . 1 4 C h a r e s t a t e d i s t r i b u t i o n m e a s u r e m e n t . B e a m l i n e f o r a n e x t r a c t e d i o n b e a m . w i t h a 9 0 ° a n a l y s i s m a g n e t a n d a r e m o v — a b l e s e c t o r e d F a r a d a y c u p . N o t e t h a t a t a s p e c i fi c fi e l d s t r e n g t h o f t h e a n a l y s i s m a g n e t . h i g h e r c h a r g e s t a t e s a r e o v e r f o c u s s e d . a n d l o w e r c h a r g e s t a t e s a r e u n d e r f o c u s s e d . 1 9 i 8 Z 0 7 3 6 9 3 3 7 0 9 4 9 Z 9 . 8 . . . . 1 0 . 6 6 d e d h 7 t e 3 . - 0 e - 1 1 ‘ = - l - = - V I l 3 2 U I V U L L N H " U U O U 0 H H P P I I I I S I . L s Z C a S O — l — L _ _ S N n . e t g n e h y e r x t r o u t c a h t f R i o w C s E . p 6 m C 8 a J - S _ L _ _ J _ L _ _ 1 _ _ J I n o e o h t r t p c y i r m f o k e n l f o o c i i t s t u e b t i a r a p t r 0 s t I 3 I s d i s e d g a e r h t a I m a h t c a s e I y e l b p + i 9 I t I 1 l h r u c K m l e a h g c n t i i c t u a 1 h t d t o A r e p t 5 o 1 s i N 1 . 3 e . c s e a r g u o t s s l a F e l l h a T b o . o r - C l - 3 8 . I S Z C Z I I I . 0 8 7 c a - 0 . o 1 9 C I - 0 . 0 7 3 C S - 2 3 . S l l C G = 7 3 . I Z 3 C 7 - 0 C B - O C 9 = 0 0 1 5 1 - 2 1 7 I 9 6 K r 2 0 . 0 _ _ C a r l - 3 . 2 1 5 - 0 2 1 0 . 0 — - H U I - 7 0 0 H I R - 0 . 0 r - — - A u x - 0 5 2 0 9 0 - 4 1 » . u — n r - r n c 5 3 : 0 3 o w n : i n m r » I 1 4 6 1 4 7 g i v e n b y t h e c o o r d i r n a t e s x . y . p x . p y . T h i s p h a s e v o l u m e i s t h e e m i t t a n c e o f t h e b e a m . a n d i s u s u a l l y m e a s u r e d i n m i l l i m e t e r - m i l l i r a d i a n s ( m m - m r a d ) . I n t h e c a s e o f c y l i n d r i c a l s y m m e t r y . t h e e r r r i t t a n c e m a y b e f u r t h e r s i m p l i fi e d a n d w r i t t e n t e r m s o f a 2 - d i m e n s i o n a l p h a s e s p a c e w i t h p a r a m e t e r s r . p , s u c h t h a t p r = p 2 0 1 w h e r e a i s t h e h a l f a n g l e o f d i v e r g e n c e o f t h e i o n b e a m f r o m a n a x i a l l y p a r a l l e l b e a m l i n e . N o t e t h a t a c r i t i c a l f a c t o r i n b e a m d i v e r g e n c e i s t h a t o f s p a c e c h a r g e - t h e C o u l o m b i c r a d i a l f o r c e o n t h e e n e r g e t i c i o n s t h a t t e n d s t o m a k e t h e b e a m d i v e r g e . E m i t t a n c e d a t a c a n p r o v i d e i n f o r m a t i o n o n t h e s p a c e c h a r g e e f f e c t s t h a t t h e b e a m i s e x p e r i e n c i r n g . F o r e x a m p l e . i f b y i r n c r e a s i n g t h e e x t r a c t i o n b i a s . t h e e m i t t a n c e g o e s d o w n . i t m a y b e b e c a u s e o f a n i n c r e a s e i n t h e r a t i o o f d i r e c t e d v e l o c i t y t o t h e r a d i a l v e l o c i t y t h a t t h e e n e r g e t i c i o n s e x p e r i e n c e d u e t o s p a c e c h a r g e e f f e c t s . T h e e x a c t d e r i v a t i o n o f t h e e m i t t a n c e f o r m u l a i s v e r y c o m p l i c a t e d r e q u i r i n g k n o w l e d g e o f H a m i l t o n i a n m e c h a r n i c s . c a n o r n i c a l m o m e n t a . e t c . . a n d n e e d n o t b e d i s c u s s e d h e r e . S e v e r a l r e f e r e n c e s f o r t h e v a r i o u s e r r n i t t a n c e d e fi n i t i o n s a n d m e a s u r e m e n t t e c h r n i q u e s . a n d a l s o f o r t h e d e r i v a t i o n o f t h e e m i t t a n c e f o r m u l a m a y b e c i t e d f o r f u r t h e r s t u d y [ L e j - 8 0 . S t e - 6 7 . V a l - 7 7 . K e l — 8 9 . W a n - 9 1 ] . F o l l o w i n g V a l y i [ V a l - 7 7 ] . t h e n o r m a l i z e d b e a m h a s a n e l l i p s o i d a l p h a s e s p a c e . w i t h i t s e r r n i t t a n c e g i v e n b y : e = r a m ( i n m m - m R a d ) . T h i s e q u a t i o n t a k e s i n t o a c c o u n t t h e r e l a t i v i s t i c e f f e c t s o n a f a s t m o v i n g b e a m . I t i s t o b e n o t e d t h a t t h e n e t p h a s e v o l u m e o f t h e b e a m t h a t c o m p r i s e s t h e e m i t t a n c e i s n o t a f f e c t e d b y a n y e l e c t r i c o r m a g n e t i c fi e l d s . e v e n i f t h e b e a m d i v e r g e s - e m i t t a n c e i s a c o n s e r v e d q u a n t i t y . H e n c e i t i s a u s e f u l b e a m p a r a m e t e r t o e v a l u a t e t h e b e a m ' s c h a r a c t e r i s t i c s . a n d a l s o t h e e x t r a c t i o n o p t i c s o f t h e i o n s o u r c e . I f t h e ‘ 1 ' I a i n : M R 1 4 8 a r e a o n t h e e r r n i t t a n c e p l o t o f t h e b e a m i s l a r g e r t h a n t h e a c c e p t a n c e a r e a o f t h e b e a m p i p e . t h e b e a m w i l l d i v e r g e . a n d c a n n o t b e t r a n s p o r t e d w i t h o u t s u b s t a n t i a l l o s s e s . M e a s u r i n g e m i t t a n c e c a n t h e r e f o r e g i v e a n i n d i c a t i o n o f t h e i o n - o p t i c a l s y s t e m t h r o u g h w h i c h t h e b e a m o f s p e c i fi c c h a r g e s t a t e i s t o b e t r a n s p o r t e d . C o n v e r s e l y . e m i t t a n c e d a t a m a y a l s o p r o v i d e i n f o r m a t i o n o n h o w c e r t a i n c h a r g e s t a t e s . w i t h s p e c i fi c s p a c e c h a r g e f o r c e s w o u l d r e a c t t o t h e b e a m o p t i c s . A n o t h e r w i d e l y u s e d . p a r a m e t e r t o c h a r a c t e r i z e t h e b e a m i s i t s b r i g h t n e s s . D e fi n e d a s t h e r a t i o o f t h e p a r t i c l e c u r r e n t ( b e a m c u r r e n t d i v i d e d b y t h e p a r t i c l e c h a r g e ) I . a n d t h e s q u a r e o f t h e r a d i a l e r r n i t t a n c e e r : I B = 2 7 ' ( 3 . 2 5 ) 7 C 8 T h e l a r g e r t h e b r i g h t n e s s o f t h e b e a m . t h e m o r e f o c u s s e d i t i s a n d t h e b e t t e r i t m a y b e t r a n s p o r t e d t h r o u g h t h e i o n o p t i c s . . . E m i t M a s T 1 1 S e v e r a l m e t h o d s e x i s t f o r m e a s u r i n g t h e e r r n i t t a n c e o f a b e a m . t h e p r i n c i p l e o f e a c h m e t h o d b e i n g t o e v a l u a t e t h e a n g u l a r d e fl e c t i o n o f t h e e l e m e n t a r y f r a c t i o n s o f t h e i o n b e a m t h a t h a v e b e e n c r e a t e d u s i n g a p p r o p r i a t e s l i t s , o r a d i a p h r a g n w i t h h o l e s . T w o s u c h m e t h o d s a r e b r i e fl y t o u c h e d o n h e r e - t h e s t a t i c . a n d t h e d y n a m i c d e t e c t i o n s c h e m e s . B o t h s c h e m e s r e q u i r e t h e b e a m t o b e b r o k e n u p i n t o t i n y b e a m l e t s . T h e s t a t i c s y s t e m r e q u i r e s a n i m a g e o f t h e b e a m l e t s s o m e k n o w n d i s t a n c e a w a y f r o m t h e s l i t s ( o r a p e r t u r e s ) - u s u a l l y s e v e r a l c e n t i m e t e r s . T h i s i m a g e m a y b e c a p t u r e d b y b u r n i n g a K a p t o n fi l m , o r 1 4 9 o n a p h o t o g r a p h i c p a p e r , o r e v e n o n v a c u u m g r e a s e . T h e d i v e r g e n c e o f e a c h b e a m l e t d i s p l a y e d o n t h e i m a g e i s t h e n s t u d i e d a s a f u n c t i o n o f t h e d i s t a n c e s e p a r a t i n g t h e s l i t s f r o m t h e i m a g e c a p t u r e d e v i c e , a n d t h i s g i v e s a n i n d i c a t i o n o f t h e e m i t t a n c e o f t h e t o t a l b e a m . T h e d y n a m i c m e t h o d o f e m i t t a n c e m e a s u r e m e n t a l s o i n v o l v e s b r e a k i n g u p t h e b e a m i n t o s m a l l b e a m l e t s , n o r m a l l y b y u s i n g s l i t s , o r g r i d d e d d i a p h r a g m s . A v e r y t h i n c o n d u c t i n g w i r e ( a f e w m m d i a m e t e r ) i s t h e n s w e p t i n f r o n t o f t h e b e a m l e t s m e a s u r i n g t h e c u r r e n t s o f i n d i v i d u a l b e a m l e t s . T h e b r o a d e n i n g o f t h e b e a m l e t s a s i n d i c a t e d b y t h e i o n c u r r e n t p e a k s t h e n g i v e s a n ‘ i n d i c a t i o n o f t h e b e a m ’ s e m i t t a n c e . A s s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 6 , b y m e a s u r i n g t h e b e a m l e t ’ s w i d t h a t t h e b a s e , a n d a l s o t h e d i s t a n c e i t t r a v e l l e d f r o m s o u r c e ( t h e s l i t s ) , t h e d i v e r g e n c e a n g l e o f t h e b e a m m a y b e d e t e r m i n e d , a n d t h e e m i t t a n c e t h e n c a l c u l a t e d f r o m a p h a s e s p a c e p l o t . F i g u r e 3 . 1 7 s h o w s a t y p i c a l e m i t t a n c e d i a g r a m o f t h e S C E C R + 6 1 0 ( s e e C h a p t e r E i g h t ) t a k e n w i t h t h e w i r e s c a n n e r m e t h o d . A s i m i l a r s e t o f ( r : o n ) m e a s u r e m e n t s m a y b e t a k e n u s i n g t h e s t a t i c m e t h o d a l s o , w i t h t h e K a p t o n b u r n s . A s m a y b e s e e n i n t h i s fi g u r e ( b o t t o m s k e t c h ) . t h e e m i t t a n c e d i a g r a m i s g e n e r a l l y e l l i p t i c a l . A g r o s s c l a s s i fi c a t i o n o f t h e i o n b e a m m a y b e m a d e b a s e d o n t h e s h a p e o f t h e e m i t t a n c e p a t t e r n [ K e l — 8 9 ] . I f t h e p a t t e r n e x t e n d s f r o m t h e t h i r d t o t h e fi r s t q u a d r a n t , t h e b e a m i s g e n e r a l l y d i v e r g e n t . I f , o n t h e o t h e r h a n d , i t e x t e n d s f r o m t h e s e c o n d t o t h e f o u r t h q u a d r a n t , t h e b e a m i s g e n e r a l l y c o n v e r g e n t ( s e e F i g u r e 3 . 5 , R e f e r e n c e K e 1 - 8 9 . ) . I n d e e d , a s t h e b e a m t r a v e l s ‘ t h r o u g h t h e b e a m p i p e , i n i t i a l l y f o c u s s i n g t o i t s “ m i n i m u m s k i r t , ” a n d t h e n d e f o c u s s i n g , t h e e m i t t a n c e e l l i p s e r o t a t e s i n p h a s e s p a c e . H o w e v e r , a s m e n t i o n e d e a r l i e r . i t i s a c o n s e r v e d q u a n t i t y , a n d s o t h e t o t a l a r e a e n c l o s e d b y ’ i 1 5 0 D i v e r g i n g l B e a m l e t s r a w r fl , , , , . _ M — M ’ " l ( 1 M M w e ! ” I ‘ _ _ , W i r e C u r r e n t S l i t s S c a n n e r _ v . P o s i t i o n l g t r o c ~ r / l O n e S l i t R M 3 . 1 6 T h e d m a m i c e m i t t a n c e m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e T h i s m e t h o d u s e s a w i r e s c a n n e r . T o p s k e t c h s h o w s h o w w i r e i s s c a n n e d a c r o s s t h e b e a m l e t s . a n d t h e c u r r e n t v s . p o s i t i o n p l o t a c q u i r e d . B o t t o m s k e t c h i s o l a t e s o n e b e a m l e t , a n d i n d i c a t e s t h e d i v e r g e n c e h a l f a n g l e ( 1 ~ r / l . v Y — fi T I v r v v I . f I I t n I e I r r I u C v I I v + r 1 v r . H l H . u e 8 . 8 0 1 6 + r c e c s — 0 0 0 1 3 m - - 4 ) r m ( [ V I V I Y I I I I V V I V I I V S ; 4 d a fl ? . 4 1 J T h e w i r e s c a n n e r m e t h o d w a s u s e d t o o b t a i n t h e r e l a t i v e c u r r e n t s o f e a c h b e a m l e t , a n d t h e e m i t t a n c e c a l c u l a t e d f r o m t h i s i n f o r m a t i o n . ( R e f e r t o C h a p t e r S i x . ) 1 5 1 1 5 2 t h e e l l i p s e d o e s n o t c h a n g e w i t h t h e f o c u s s i n g - d e f o c u s s i n g e f f e c t s o n t h e b e a m . A v e r y i m p o r t a n t a s p e c t i n i o n b e a m c h a r a c t e r i z a t i o n i s t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d m o d e l l i n g o f t h e b e a m . S e v e r a l c o d e s e x i s t t o p e r f o r m t h i s s i m u l a t i o n ( l i k e t h e B E A M 3 D d e v e l o p e d a t t h e N S C L . a n d P A R M I L A . a m o n g o t h e r s ) . M o s t c o d e s n u m e r i c a l l y s o l v e t h e c o u p l e d P o i s s o n - V l a s o v e q u a t i o n s f o r i o n s e x t r a c t e d f r o m a p l a s m a w i t h a n e q u i l i b r i u m e l e c t r o n d e n s i t y a n d f o r a g i v e c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n . U s e o f t h e s e c o d e s c a n g r e a t l y s i m p l i f y t h e d e s i g n o f t h e i o n - o p t i c a l s y s t e m f o r b e a m t r a n s p o r t . W h e n u s e d i n c o n j u n c t i o n w i t h P O I S S O N . a n d / o r P A N D I R A - c o d e s t h a t n u m e r i c a l l y s i m u l a t e t h e m a g n e t i c fi e l d s , s o u r c e s p e c i fi c e x t r a c t i o n s y s t e m s c a n b e d e v e l o p e d a n d t e s t e d o n t h e c o m p u t e r b e f o r e e x p e n s i v e m o d e l s a r e c o n s t r u c t e d . B o t h t h e s t a t i c a n d d y n a m i c s y s t e m s w e r e u s e d t o s t u d y t h e e m i t t a n c e o f t h e M P D R 6 1 0 w h e n i t w a s u s e d a s a n i o n b e a m s o u r c e . F o r t h e s t a t i c c a s e . t h e “ p e p p e r p o t ” m e t h o d w a s e m p l o y e d w h e r e t h e b e a m l e t i m a g e w a s c a p t u r e d o n a K a p t o n fi l m a f t e r t h e b e a m w a s a l l o w e d t o p a s s t h r o u g h t h e t i n y h o l e s i n a s t a i n l e s s s t e e l m e m b r a n e . T h e d y n a m i c m e t h o d , w h o s e r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n l a t e r c h a p t e r s , w a s u t i l i z e d w h e n t h e 6 1 0 w a s m o u n t e d o n t h e b e a m l i n e o f t h e S C E C R ( s e e C h a p t e r s E i g h t a n d N i n e ) . 3 . 7 n c l u R T h e r e a r e s e v e r a l c h a r a c t e r i z a t i o n t e c h n i q u e s m e n t i o n e d i n t h i s c h a p t e r , a n d a l l w e r e u s e d t o v a r y i n g d e g r e e s f o r t h e p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n o f t h e f o u r m a j o r E C R i o n s o u r c e s s t u d i e d i n t h e l a s t fi v e y e a r s . C h a r a c t e r i z a t i o n w o r k i s n e v e r c o m p l e t e , h o w e v e r - t h e r e i s a l w a y s m o r e t o l e a r n , a n d t e c h n i q u e s o t h e r 1 5 3 t h a n t h o s e r e v i e w e d i n t h i s c h a p t e r w e r e a l s o a t t e m p t e d . L a s e r i n d u c e d fl u o r e s c e n c e ( L I F ) i s a n e x a m p l e , a c o m p l i c a t e d t e c h n i q u e t h a t w a s t e s t e d o n t h e M P D R 6 1 0 . F o r s e v e r a l r e a s o n s , t h e e x p e r i m e n t s w e r e u n s u c c e s s f u l , a n d h e n c e n o f u r t h e r m e n t i o n o f t h i s m e t h o d i s m a d e i n t h i s d i s s e r t a t i o n . O p t i c a l e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y ( O E S ) w a s a l s o u s e d o n a n i t r o g e n p l a s m a , b u t a m b i g u o u s r e s u l t s d u e t o t h e e n o r m o u s n u m b e r o f e m i s s i o n l i n e s c u r t a i l e d f u r t h e r e x p e r i m e n t a t i o n w i t h O E S . A m o r e c o n c e n t r a t e d e f f o r t f o r b o t h L I F a n d O E S n e e d s t o b e m a d e i n t h e n e a r f u t u r e . O t h e r t h a n L I F . s e v e r a l o t h e r c h a r a c t e r i z a t i o n t e c h n i q u e s m a y b e u s e d t o f u r t h e r e n h a n c e t h e u n d e r s t a n d i n g o f t h e E C R i o n s o u r c e s e v a l u a t e d h e r e . F o r e x a m p l e . q u a r t z c r y s t a l m i c r o b a l a n c e ( Q C M ) f o r m e a s u r i n g t h e r e a c t i v e r a d i c a l s p e c i e s ( o x y g e n a n d h y d r o g e n ) c o n c e n t r a t i o n , F a b r y - P e r o t i n t e r f e r o m e t r y f o r a n a c c u r a t e m e a s u r e m e n t o f n e u t r a l s p e c i e s t e m p e r a t u r e , X — R a y a n a l y s i s u s i n g a p i n h o l e c a m e r a t o f u r t h e r d e t e r m i n e t h e e x a c t l o c a t i o n o f E C R e x c i t a t i o n , a n d e n e r g e t i c s p e c i e s b o m b a r d m e n t o n t h e p l a s m a s o u r c e w a l l s . I t i s e x p e c t e d t h a t a s p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 a n d t h e M P D R 5 i s c a r r i e d f u r t h e r , s o m e o r a l l o f t h e a b o v e r e c o m m e n d e d e x p e r i m e n t s w i l l b e c o n d u c t e d a n d t h e r e s u l t s t h e n l i n k e d t o t h o s e o b t a i n e d u s i n g t h e t e c h n i q u e s o f t h i s d i s s e r t a t i o n , u l t i m a t e l y l e a d i n g t o a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e s o u r c e s . C h a p t e r 4 E v a l u a t i o n : T h e M P D R 6 1 0 a t 2 . 4 5 G H z . 4 . 1 I n t r o d u c t i o n 4 . 2 D e s c r i p t i o n o f t h e P l a s m a S o u r c e - t h e “ M P D R 6 1 0 ” 4 . 3 D e s c r i p t i o n o f t h e V a c u u m S y s t e m - t h e “ Y o r k t o w n T " 4 . 4 D e s c r i p t i o n o f t h e M i c r o w a v e A p p a r a t u s 4 . 5 D i s c h a r g e I g n i t i o n i n t h e 6 1 0 4 . 6 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 - A R G O N 4 . 6 . 1 A r g o n D e n s i t y A n a l y s i s 4 . 6 . 2 A r g o n E l e c t r o n a n d I o n E n e r g y A n a l y s i s 4 . 6 . 3 C o m p a r i s o n o f M e a s u r e d D a t a w i t h T h e o r e t i c a l P r e d i c t i o n s 4 . 6 . 4 D i s c u s s i o n o f T h e o r e t i c a l a n d M e a s u r e d D a t a 4 . 7 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 - N I T R O G E N 4 . 7 . 1 N i t r o g e n E l e c t r o n E n e r g A n a l y s i s 4 . 7 . 2 N i t r o g e n I o n E n e r g y A n a l y s i s 4 . 7 . 3 A S u m m a r y o f t h e A n o m a l i e s o f a N i t r o g e n D i s c h a r g e 4 . 8 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 - H E L I U M 4 . 9 C o n c l u d i n g R e m a r k s ”iiiiiiiiiiiiiiii“ . m i h w { . . . l r a i g I . L . . . ~ ! . 5 . \ 1 : . 6 . . . . . 4 . I 3 d a ( h . . ; . y } n x fi i m s e m m M e n I W . . . V ( . . . ” A 3 M E . ? d i u fl : a v : I . 1 £ 3 4 . : A r . ) V : 1 3 " ; E ? ‘ I ‘ l l : a n . . . t 5 3 : 2 1 . : 3 3 . . . v l fl m\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\h 0 1 5 3 1 2 9 3 S S S S S S \ \ \ W L I B R A R Y M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y P L A C E I N R E T U R N 3 0 X t o r e m o v e t h i s c h o c k o u t f l o m y o u r r o c o r d . T O A V O I D F I N E S m u m o n o r b e f o r e d a t a d u o . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E C fi a p t e r 4 " E v a l u a t i o n : Q fi e W Y ? 6 1 0 a t 2 . 4 5 g fl z . 4 . 1 I n t r o d u c t i o n S e v e r a l t y p e s o f m i c r o w a v e p l a s m a d i s c r e a c t o r ( M P D R ) s o u r c e s h a v e b e e n d e s i g n e d b y A s m u s s e n e t a l . a t t h e P l a s m a R e s e a r c h L a b o r a t o r y o f t h e D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ( E E ) . E a c h p l a s m a s o u r c e i s s p e c i fi c t o t h e a p p l i c a t i o n f o r w h i c h i t w a s d e s i g n e d , a n d t h e s e a p p l i c a t i o n s r a n g e f r o m h i g h p r e s s u r e d i a m o n d t h i n fi l m d e p o s i t i o n , w h e r e t h e s o u r c e s o p e r a t e a t h i g h p o w e r l e v e l s ( s e v e r a l k W a t t ) a n d a t s e v e r a l t e n s o f T o r r s . t o l o w p r e s s u r e a n i s o t r o p i c e t c h i n g o f s i l i c o n w a f e r s w h e r e t h e s o u r c e s o p e r a t e a t o r a b o u t m ’ l ‘ o r r , w i t h n o m o r e t h a n a f e w h u n d r e d W a t t s o f i n p u t p o w e r . M P D R s o u r c e s t h e r e f o r e h a v e b e e n u s e d f o r a v a r i e t y o f a p p l i c a t i o n s . a n d u n d e r a w i d e r a n g e o f p r e s s u r e a n d p o w e r c o n d i t i o n s . A O n e s u c h s e m i c o n d u c t o r u l t r a h i g h v a c u u m ( U H V ) a p p l i c a t i o n r e q u i r e s a s m a l l p l a s m a s o u r c e c a p a b l e o f p r o d u c i n g a n i n t e n s e d i s c h a r g e n e a r t h e A s u b s t r a t e i n s i d e m o l e c u l a r b e a m e p i t a x y ( M B E ) m a c h i n e s . S i n c e t h e s u b s t r a t e m a y b e u p t o h a l f a m e t e r i n s i d e t h e M B E m a c h i n e s . t h i s s t i p u l a t e s t h a t t h e 1 5 4 1 5 5 p l a s m a s o u r c e b e i n s e r t e d d e e p i n t o t h e e x i s t i n g M B E m a c h i n e s . a n d b e m a d e o f o n l y U H V c o m p a t i b l e m a t e r i a l s . S u c h a s o u r c e w a s d e s i g n e d b y A s m u s s e n e t a l . a n d i s k n o w n a s t h e M P D R 6 1 0 T M [ A s m - Q O b ] . ( T o r e - e m p h a s i z e f r o m C h a p t e r O n e , t h e t e r m s “ M P D R 6 1 0 ” . a n d “ 6 1 0 ” w i l l b e u s e d i n t e r c h a n g e a b l y i n t h i s d i s s e r t a t i o n . T h e y a r e n o t t o b e c o n f u s e d w i t h t h e 6 l O - a . t h a t i s a m o d i fi e d M P D R 6 1 0 p l a s m a s o u r c e a n d w i l l b e d i s c u s s e d i n C h a p t e r S i x . ) M o s t o f t h e f o r t h c o m i n g c h a p t e r s a r e r e l a t e d t o t h e d i r e c t . o r i n d i r e c t e x p e r i m e n t a l e v a l u a t i o n o f t h i s c o m p a c t s o u r c e , w i t h s o m e l a t e r s e c t i o n s b e i n g d e v o t e d t o a s e r i e s o f a p p l i c a t i o n s o r i e n t e d s t u d i e s o f t h e 6 1 0 . T h i s c h a p t e r b e g i n s w i t h a b r i e f h i s t o r y , a n d a d e s c r i p t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 . d e t a i l i n g a l l t h e i m p o r t a n t p a r t s o f t h e s o u r c e . N e x t f o l l o w s a d e s c r i p t i o n o f t h e v a c u u m s y s t e m w h e r e m o s t o f t h e c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e 6 1 0 w a s c o n d u c t e d . ( S o m e d o w n s t r e a m c u r r e n t d e n s i t y d a t a w e r e t a k e n o n t h e v a c u u m s t a t i o n a t W a v e m a t , I n c . o f P l y m o u t h , M i c h i g a n , w h i l e t h e b e a m c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e s o u r c e w a s d o n e a t t h e N a t i o n a l S u p e r c o n d u c t i n g C y c l o t r o n L a b o r a t o r y — s e e C h a p t e r N i n e f o r d e t a i l s . ) T h e v a c u u m s t a t i c : i s k n o w n a s t h e “ Y o r k t o w n T “ a n d w a s p u t t o g e t h e r a t t h e M S U P l a s m a R e s e a r c h L a b o r a t o r y ( C - 1 6 , D i v i s i o n o f E n g i n e e r i n g R e s e a r c h ) , a n d w a s d o n a t e d t o M S U b y I B M C o r p o r a t i o n ’ s T . J . W a t s o n R e s e a r c h C e n t e r , Y o r k t o w n H e i g h t s ( h e n c e t h e n a m e ) . T h e g a s fl o w s y s t e m t h a t w a s d e s i g n e d f o r t h e M P D R 6 1 0 . a n d t h e m i c r o w a v e a p p a r a t u s a r e t h e n d e s c r i b e d . T h e n e x t s e v e r a l s e c t i o n s a r e d e v o t e d t o s u m m a r i z i n g t h e e x p e r i m e n t a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e 6 1 0 a t a n e x c i t a t i o n f r e q u e n c y o f 2 . 4 5 G I - i z . M o s t o f t h e p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n o f t h e 6 1 0 w a s c o n d u c t e d w i t h _ a r g g r _ 1 _ a s t h e d i s c h n g g a s ( i n t h i s a n d o t h e r c h a p t e r s ) , h o w e v e r W W fl 1 5 6 h y d r o g e n a n d o x y g e n p l a s m a d i s c h a r g e s a r e a l s o p r e s e n t e d . L i e b e r m a n a n d L i c h t c n b e r g p r e s e n t e d a s e t o f c a l c u l a t i o n s i n R e f e r e n c e L i e — 9 4 t h a t m a y b e u s e d t o p r e d i c t t h e b e h a v i o r o f c e r t a i n e l e c t r o p o s i t i v e m o n o - a t o m i c g a s d i s c h a r g e s . B a s e d o n t h i s , s o m e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s o f t h e e x p e c t e d i o n d e n s i t y , e l e c t r o n ” M y - — m m w . “ M r — n t e m p e r a t u r e , p l a s m a p o t e n t i a l a n d i o n e n e r g y g e n e r a t e d w i t h i n a 6 l O - l i k e d i s c h a r g e a r e c o m p a r e d w i t h t h e a c t u a l m e a s u r e d q u a n t i t i e s f o r a 6 1 0 a r g o n d i s c h a r g e - t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e o r y a n d p r a c t i c e w i l l b e s e e n t o b e v e r y c l o s e . T h e c h a p t e r e n d s w i t h s o m e c o n c l u s i o n s o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 a t t h e 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n f r e q u e n c y . E x p e r i m e n t a l d a t a p r o v i d e d i n t h i s c h a p t e r w e r e p r e s e n t e d a s p a p e r s a t I C O P S - Q l [ S H - 9 1 a ] a n d 1 0 1 8 - 9 1 [ S r i - 9 1 b ] c o n f e r e n c e s . S o m e s e c t i o n s d i s c u s s e d i n t h i s c h a p t e r w e r e a l s o p r e s e n t e d a t t h e I C O P S - 9 2 [ S r i - 9 2 b ] , w h i l e s o m e o f t h e h e l i u m d a t a w e r e s p e c i fi c a l l y t a k e n f o r t h e c o m p u t e r m o d e l l i n g e f f o r t s r e p o r t e d a t 1 0 1 8 - 9 3 [ G m - 9 4 a . G r o - 9 3 , G r o - 9 4 b ] . S o m e o f t h e c o n f e r e n c e p r e s e n t a t i o n s w e r e s u b s e q u e n t l y p u b l i s h e d i n t h e p r o c e e d i n g s [ S r i - 9 2 a , G r o - 9 2 ] o f t h e r e l e v a n t c o n f e r e n c e s . 4 . 2 D e s c r i p t i o n o f t h e P l a s m a S o m e - t h e “ M P D R 6 1 0 ” T h e M P D R 6 1 0 i s a c o m p a c t c o a x i a l e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e ( E C R ) p l a s m a / i o n s o u r c e d e s i g n e d a t M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y ( M S U ) s p e c i fi c a l l y f o r M B E a n d o t h e r U H V a p p l i c a t i o n _ s _ . _ W i t h a s s i s t a n c e f r o m t h e r e s e a r c h a t M S U , t h i s s o u r c e h a s b e e n r e fi n e d a n d c o m m e r c i a l i z e d b y W a v e m a t , I n c . o f P l y m o u t h . M i c h i g a n . T h i s p l a s m a s o u r c e w a s fi r s t i n t r o d u c e d a t t h e I C I S - 8 9 a t B e r k e l e y . [ A s m - 8 9 b . A s m - 9 0 a . A s m — 9 0 b ] a n d h a s s i n c e t h e n b e e n u s e d f o r a v a r i e t y o f a p p l i c a t i o n s t h a t i n c l u d e : I I I — V c o m p o u n d n i t r i d i n g [ S t r - 9 1 , S h e - 9 1 ] , 1 5 7 s u p e r c o n d u c t i n g t h i n fi l m d e p o s i t i o n [ P a w - 9 3 . Y a m - 9 1 ] , p r e - c l e a n i n g s u b s t r a t e s u s i n g r e a c t i v e a t o m i c h y d r o g e n [ A b e - 9 2 ] , a n d a s a n e x p e r i m e n t a l p o s i t i v e / n e u t r a l / n e g a t i v e s p e c i e s i n j e c t o r i n t o t h e m a i n s t a g e o f a h i g h c h a r g e s t a t e E C R i o n s o u r c e a t t h e N a t i o n a l S u p e r c o n d u c t i n g C y c l o t r o n L a b o r a t o r y ( N S C L ) a t M S U ( s e e C h a p t e r E i g h t ) . T h i s v e r s a t i l e s o u r c e . t h e r e f o r e , h a s b e e n u s e d f o r s e v e r a l v a r i e d a p p l i c a t i o n s i n o v e r 6 0 r e s e a r c h a n d i n d u s t r i a l l a b o r a t o r i e s b o t h w i t h i n t h e U S A , a n d i n E u r o p e a n d A s i a . w i t h m o r e a p p l i c a t i o n s o n t h e h o r i z o n a s a n i o n b e a m s o u r c e . A s k e t c h o f t h e p l a s m a s o u r c e i s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 ( n o t t o s c a l e ) . T h e c y l i n d r i c a l s o u r c e i s m a d e o f s t a i n l e s s s t e e l , a n d h a s a n o u t e r d i a m e t e r o f a b o u t 5 . 8 c m w i t h a n a p p l i c a t i o n s s p e c i fi c o v e r a l l l e n g t h ; t h e p l a s m a s o u g e t h a t w a s e v a l u a t e d i n t h i s r e s e a r c h i s 1 5 c m l o n g . T h e v a c u u m s e a l a t o n e e n d i s m a d e b y a s t a n d a r 4 . 5 i n c h C o n f l a t T M a n g e ( l l ) w i t h t h e e n t i r e l e n g t h o f t h e s o u r c e i n s e r t e d d e e p i n t o M B E t y p e v a c u u m c h a m b e r s . A t t h e o t h e r e n d ( n e a r t h e d i s c h a r g e ) , m e t a l - t o - m e t a l v a c u u m s e a l s a r e m a d e u s i n g s p e c i a l l y d e s i g n e d U H V c o m p a t i b l e r i n g s h a p e d H e l i c o fl e x T M s p r i n g l o a d e d s e a l s . T h e d i s c h a r g e l o c a t e d a t t h i s e n d o f t h e p l a s m a s o u r c e ( 1 2 ) , h a s a d i a m e t e r o f 3 . 5 c m . T h e e l e c t r o m a g n e t i c ( E M ) c a v i t y e x c i t a t i o n r e g i o n c o n s i s t s o f a ' ( g a r d a l c o u p l i n g s e c t i o n w h i c h i s t e r m i n a t e d a t o n e e n d w i t h a s l i d i n g s h o r t ( 1 0 ) . a n d a t t h e o t h e r e n d , b y t h e d i s c h a r g e f i ‘ h e r e g i o n b e t w e e n t h e s l i d i n g s h o r t a n d t h e d i s c h a r g e i s V e v a n c s c e n t _ ( b e l o w c u t o f f ) _ - M w b " ~ , ' o c c u p i e d b y a c o a x i a l w a v e g u i d e s e c t i o n a n d a n c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n . T h e s i g n i fi c a n c e o f b o t h t h e c o a x i a l a n d e v a n e s c e n t w a v e g u i d e s e c t i o n s ( a s w e l l a s t h e s i g n i fi c a n c e o f t h e i r s p e c i fi c d i m e n s i o n s ) w i l l b e c o m e a p p a r e n t l a t e r , a n d w i l l b e d i s c u s s e d i n d e t a i l i n C h a p t e r S i x . T h e d i a m e t e r o f t h e i n n e r c o n d u c t o r ( 8 ) c o m p r i s i n g t h e c o a x i a l s e c t i o n i s 1 . 2 c m . y e n m i h e g n a c l F a r n t n o o i a i t m fl g c t e u a n u r r l n o d o A n C h e n r o h e g S o t r C c g n a n n 0 z h r A i I 1 e d t c 6 r p s t 5 i a l n o i . u e o S 4 D ! Q C L l . . . 7 8 9 1 1 1 . . . 0 2 1 m 1 . 4 ; g a l F r e b s t m e a n h g C a a M m t s n a e l n P a r o t c e n n o C e m a n v r d i a e e e w P m u o F r d l r c e A i p i r A d M o e a g h e n n N S e z i F L t i l e g r o p n a s s o y a a i u C G G R Q T . . . . . . 1 2 4 3 6 5 a m t . i t D ? ' T 1 0 1 5 8 1 5 9 A s m a l l l o o p a n t e n n a ( 9 ) i s a t t a c h e d t o t h e s l i d i n g s h o r t , a n d t h i s l o o p e x c i t e s t h e E M m o d e ( s ) i n t h e m i c r o w a v e c a v i t y . B e t w e e n t h e t e r m i n u s o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r a n d t h e d i s c h a r g e i s a n i m p e d a n c e m a t c h i r g c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n t h a t h a s a d i a m e t e r w h i c h i s t o o s m a l l t o s u p p o r t ( a n y \ \ e l e c t r o m a g n e t i c p r o p a g a t i n g m o d e s f o r t h e 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n f r e q u e n c y ( t h e l o w e s t E M p r o p a g a t i n g m o d e - E L L r e q u i r e s a d i a m e t e r o f a t l e a s t 7 . 2 c r _ n a t a f r e q u e n c y o f 2 . 4 5 G H z ) . E v a n e s c e n t E M w a v e s a r e t h e r e f o r e s e t u p i n t h i s s m a l l c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 . T h e p l a s m a i s c o n fi n e d i n a q u a r t z o r a l u m i n a d i s c h a r g e c h a m b e r ( 6 ) w i t h a n i n n e r d i a m e t e r o f 3 . 7 6 c m a n d a h e i g h t o f 4 . 7 3 c m . A n o p t i o n a l q u a r t z c h i m n e y ( 7 ) m a y b e u s e d t o m o r e e f fi c i e n t l y d i s t r i b u t e t h e g a s t h r o u g h t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n . I n t h e i n i t i a l 6 1 0 s e r i e s , t h e q u a r t z d i s c h a r g e t u b e w a s b r a z e d t o a m o l y b d e n u m r i n g s o t h a t t h e H e l i c o fl e x s e a l s m a y b e u s e d o n m e t a l l i c s u r f a c e s . T h i s w a s d i s c a r d e d i n t h e l a t e r d e s i g n s f o r a p u r e q u a r t z o r a l u m i n a s e a l i n g ‘ s u r f a c e . s i n c e i t w a s o b s e r v e d t h a t a s m o o t h q u a r t z ( o r a l u m i n a ) s u r f a c e c a n a l s o b e v a c u u m s e a l e d w i t h t h e H e l i c o fl e x r i n g s i f p r o p e r c a r e i s t a k e n w h i l e a s s e m b l i n g t h e i o n s o u r c e . S w i t c h i n g t o a l u m i n a o r q u a r t z r e c l a i m s t h e e x p e n s e o f t h e b r a z i n g p r o c e s s , a n d a l s o p r e v e n t e d m o l y b d e n u m s p u t t e r i n g a n d c o n t a m i n a t i o n o f t h e s u b s t r a t e p r o c e s s i n g r e g i o n s , t h e r e b y m a k i n g t h e s o u r c e c o m p l e t e l y U H V c o m p a t i b l e . T h e q u a r t z t u b e i s s u r r o u n d e d b y t h r e e r i n g s h a p e d a x i a l l y m a g n e t i z e d p e r m a n e n t m a g n e t s ( 5 ) w h i c h p r o v i d e t h e s t a g e m a g n e t i c fl u x d e n s i t y w i t h i n t h e p l a s m a c h a m b e r f o r p l a s m a c o n fi n e m e n t a n d t h e 8 7 5 G a u s s fi e l d s t r e n g t h f o r r — E C R . T h e s e m a g n e t s w i t h a n o u t e r d i a m e t e r o f 4 . 9 5 c m . a h e i g h t o f 1 . 2 7 c m . a n d w a n i n n e r d i a m e t e r o f 4 . 3 2 c m a r e a l i g n e d w i t h l i k e p o l e s f a c i n g e a c h o t h e r . a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 ( a ) . ( T h i s fi g u r e i s n o t t o s c a l e . ) W h i l e t h i s m a k e s a s s e m b l i n g ! f I 5 : ? ” ’ 1 . m L % ‘ r 1 — F 1 4 . 2 a T h e m e t d e i t h e M P D R B l O o r ! a l . T h e r i g h t h a n d s k e t c h i n d i c a t e s t h e r e l a t i v e p o s i t i o n o f t h e q u a r t z ( o r a l u m i n a ) d i s c h a r g e c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e . Z — - — > l l ) . H I F i 4 . 2 O t h e r r n e t a n d u a r t z d e s t h a t w e r e a l s o t e s t e d . N o t e t h e r a d i a l m a g n e t s t h a t w e r e u s e d i n a n e f f o r t t o p u s h t h e “ E C R z o n e s ” f u r — t h e r i n t o t h e d i s c h a r g e c h a m b e r . 1 6 1 t h e m a g n e t s r a t h e r d i f fi c u l t . t h i s d e s i g n o f t h e m a g n e t i c fi e l d s c r e a t e s a m u l t i - c u ' s p g e o m e t r y a x i a l l y , a n d t e n d s t o p u s h t h e 8 7 5 G a u s s E C R z o n e s i n w a r d s a n d a w a y f r o m t h e q u a r t z d i s c h a r g e c h a m b e r w a l l s . S o m e d e g r e e o f m a g n e t i c c o n fi n e m e n t o f t h e c h a r g e d p a r t i c l e s i s a l s o a c c o m p l i s h e d b e c a u s e t h e m a g n e t i c fi e l d s l o o p f r o m t h e t o p n o r t h p o l e t o t h e s o u t h c u s p , t o t h e n o r t h c u s p a n d fi n a l l y t o t h e s o u t h p o l e i n t h e b o t t o m , f o l l o w i n g F i g u r e 4 . 2 ( a ) . T h i s l e a d s t o r e g i o n s o f h i g h a n d l o w m a g n e t i c fi e l d s t h a t t r a p c h a r g e d p a r t i c l e s . O t h e r fi e l d g e o m e t r i e s w e r e a l s o t r i e d . l i k e t h e o n e s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 ( b ) . W h i l e t h e t h r e e r i n g s w i t h a r a d i a l m a g n e t i n t h e c e n t e r a l s o p r o d u c e d h i g h d e n s i t i e s ( 1 0 1 0 t o _ 1 0 l l c m ‘ 3 ) , t h e m o s t e f f e c t i v e fi e l d t o p o l o g y w a s f o u n d t o b e t h e o r i g i n a l t h r e e I N r i n g s h a p e d m a g n e t s o f F i g u r e 4 . 2 ( a ) . T h e q u a r t z w a l l s a n d t h e m a g n e t s a r e c o o l e d b y c o m p r e s s e d a i r ( 1 ) fl o w i n g t h r o u g h t h e c e n t e r c o n d u c t o r a n d b l o w i n g o n t o t h e d i s c h a r g e c h a m b e r ( s e e F i g u r e 4 . l ) . T h e p o s i t i o n s o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r a n d t h e s l i d i n g s h o r t c a n b e i n d e p e n d e n t l y a d j u s t e d i n o r d e r t o m a t c h t h e d i s c h a r g e l o a d t o t h e i n p u t M t r a n s m i s s i o n l i n e i m p e d a n c e ( 5 0 $ 2 ) . T h i s d i s c h a r g e l o a d c h a n g e s a s t h e p l a s m a H M O ; U M v a r i e s w i t h i n p u t p o w e r , g a s fl o w / p r e s s u r e , g a s t y p e e t c . , a n d a p p r o p r i a t e t u n i n g m i n i m i z e s t h e r e fl e c t e d p o w e r a n d e n s u r e s m a x i m u m p o w e r t r a n s f e r t o t h e p l a s m a l o a d . T y p i c a l l y . l e s s t h a n 5 % o f t h e p o w e r i s r e fl e c t e d b a c k w h e n t h e s o u r c e i s o p e r a t i n g i n a n o p t i m a l l y t u n e d c o n d i t i o n . M c a n b e e a s i l y i g n i t e d a n d s u s t a i n e d a t s u b - m T o r r p r e s s u r e s f o r a v a r i e t y o f g a s e s ( o x y g e n , h y d r o g e n . ‘ h e l i u m , n i t r o g e n , a r g o n , o r a m i x t u r e t h e r e o f ) w i t h o u t T t h e u s e o f i g n i t i o n fi l a m e n t s , o r T e s l a c o i l s . M o l e c u l a r , c h a r g e d a n d a t o m i c s p e c i e s d i f f u s e o u t o f t h e o p e n e n d o f t h e s o u r c e . o r a n i o n b e a m m a y b e e x t r a c t e d b y a t t a c h i n g b i a s i n g g r i d s o r e x t r a c t i o n e l e c t r o d e s a t t h e e n d o f t h e d i s c h a r g e . W h i l e t h e f r e e l y 1 6 2 d i f f u s i n g p l a s m a f r o m t h e 6 1 0 i s c h a r a c t e r i z e d i n t h i s c h a p t e r a n d a l s o i n C h a p t e r s F i v e a n d S i x . i o n b e a m c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 w i l l b e d i s c u s s e d i n m o r e d e t a i l i n C h a p t e r N i n e . T h e c o n c e p t b e h i n d u s i n g m i c r o w a v e c a v i t i e s t o g e n e r a t e p l a s m a d i s c h a r g e s i s t h i s : e l e c t r o m a g n e t i c p o w e r i s c o u p l e d i n t o t h e c a v i t y . U n d e r i d e a l c o n d i t i o n s ( t h e c a v i t y w a l l s a r e p e r f e c t b m o n d u c t i n g . t h e c a v i t y i s c l o s e d o n b o t h s i d e s . e t c . ) t h i s W i g — m m a n d m a g n e t i c fi e l d s i f t h e c a v i t y i s w e l l t u n e d . I f a l o a d i s t h e n i n t r o d u c e c L i n ” t h e c a v i t y , l i k e a p l a s m a , t h e r e fi n a g n é p o w e r m a y b e a b s o r b e d b y t h e d i s c h a r g e g a s ( a s e x p l a i n e d i n S e c t i o n 1 . 2 o f C h a p t e r O n e ) . T h a t t h i s i s a v e r y e f fi c i e n t m e t h o d o f p o w e r t r a n s f e r w i l l b e c o m e a p p a r e n t w i t h t h e e f fi c i e n c y c a l c u l a t i o n s o n t h e 6 1 0 d i s c u s s e d i n C h a p t e r S i x . T h e M P D R m i c r o w a v e c a v i t i e s a r e d e s i g n e d t o e x c i t e o n l y o n e E M M W m o d e ( o r a f e w m o d e s ) t o e n h a n c e c o n t r o l l a b i l i i y 9 f t h e d i s c h a r g e . S i n c e t h e E M w W W - . — _ / “ " N w W — fl ’ M W ” m o d e s b e i n g e x c i t e d d e p e n d o n t h e f r e q u e n c y o f t h e E M w a v e s , m o s t c a v i t i e s W o p e r a t e o n l y a t o n e f r e q u e n c y g t e g g fi a fi o n - 2 . 4 2 . S o m e l a r g e r M P D R s a r e d e s i g n e d t o o p e r a t e a t 9 1 5 M H z . N o t e t h a t f o r w a v e p r o p a g a t i o n i n t h e M P D R s ( t h a t a r e e s s e n t i a l l y c i r c u l a r w a v e g u i d e s ) . t h e r e i s a m i n i m u m d i a m e t e r b e l o w w h i c h a l l E M . w a v e s a r e c u t o f f . T o o v e r c o m e t h e m i n i m u m d i a m e t e r r e q u i r e m e n t f o r p r o p a g a t i n g ( n o n e v a n e s c e n t ) m o d e s , i t i s e x p e c t e d t h a t a t r a n s v e r s e e l e c t r o m a g n e t i c ( F E M ) w a v e w h i c h h a s n o c u t - o f f i s s e t u p i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e 6 1 0 . T h i s a x i a l l y s y m m e t r i c T E M fi e l d i s e x c i t e d b y t h e c o u p l i n g l o o p a t t a c h e d t o t h e s l i d i n g s h o r t , a n d h a s a n a z i m u t h a l m a g n e t i c fi e l d a n d a r a d i a l e l e c t r i c fi e l d . F u r t h e r d i s c u s s i o n s o f t h e E M m o d e s t h a t a r e s e t u p i n t h e 6 1 0 m a y b e f o u n d i n C h a p t e r S i x w h e r e d i r e c t m e a s u r e m e n t s o f t h e fi e l d p a t t e r n s c o n fi r m t h e T E M s t a n d i n g 1 6 3 W h i g g e n e r a t e d i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e 6 1 0 . N o t e t h a t d u e t o t h e c o a x i a l n a t u r e o f t h e p l a s m a s o u r c e t h e 6 1 0 i s n o t l i m i t e d t o o n e f r e q u e n c y o f e x c i t a t i o n - a p o i n t c o v e r e d i n m o r e d e t a i l i n C h a p t e r F i v e . 4 . 3 D e s c r i p t i o n o f t h e V a c u u m S y s t e m - t h e “ Y o r k t o w n T ” T h e v a c u u m s t a t i o n . o n w h i c h m o s t o f t h e c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 w a s c o n d u c t e d i s s c h e m a t i c a l l y s h o w n i n F i g u r e 4 . 3 ( n o t t o s c a l e ) . a l o n g w i t h t h e m o u n t i n g p o s i t i o n o f t h e 6 1 0 . T h e s o u r c e w a s i n s e r t e d i n t o a n 1 8 i n c h ( 4 5 . 7 2 c m ) d i a m e t e r b y 1 0 i n c h ( 2 5 . 4 c m ) h i g h c y l i n d r i c a l s t a i n l e s s s t e e l c h a m b e r ( 7 ) w i t h t h r e e 4 . 5 i n c h C o n fl a t p o r t s e a c h 9 0 ° a p a r t . T h e 6 1 0 ( 4 ) c o u l d b e m o u n t e d o n a n y p o r t , w h i l e t h e o t h e r t w o m a y b e u s e d f o r d i a g n o s t i c s , o r a s v i e w i n g w i n d o w s . T h i s i s s e e n i n F i g u r e 4 . 4 w h i c h i s a s k e t c h o f t h e t o p v i e w o f t h e v a c u u m c h a m b e r ( n o t t o s c a l e ) a n d a l s o s h o w s t h e r e l a t i v e p o s i t i o n s o f t h e 6 1 O a n d t h e d i a g n o s t i c a p p a r a t u s . T h e f o u r t h e n d o f t h e v a c u u m c h a m b e r i s c o n n e c t e d t o a 6 i n c h A S A ( 1 0 i n c h d i a m e t e r ) d i f f u s i o n p u m p ( 1 2 ) , w h i c h i s b a c k e d b y a 2 7 c u b i c f e e t p e r m i n u t e A l c a t e l m e c h a n i c a l p u m p ( 1 4 ) . A g a t e v a l v e ( 9 ) i s o l a t e s t h e v a c u u m c h a m b e r fi o m t h e d i f f u s i o n p u m p s t a c k , s o t h a t t h e c h a m b e r m a y b e v e n t e d t o a l l o w c h a n g i n g s a m p l e s , o r r e p o s i t i o n i n g d i a g n o s t i c I p r o b e w i t h o u t t u r n i n g o f f t h e p u m p s . B e t w e e n t h e g a t e v a l v e a n d t h e d i f f u s i o n p u m p i s a w a t e r c o o l e d c o l d t r a p ( n o t s h o w n i n F I g u r e 4 . 3 ) t h a t h e l p s i n k e e p i n g s t r a y p u m p o i l a w a y f r o m t h e v a c u u m c h a m b e r . ‘ O n c e t h e s a m p l e , o r d i a g n o s t i c p r o b e p o s i t i o n c h a n g e o v e r i s c o m p l e t e d . - . . . _ _ . . _ . . fl a n ” “ M , . - . . " a s - “ “ ~ — . h . . . - . . _ - . . - - ‘ _ _ _ _ _ 4 — — _ “ W e . . . “ I _ . “ fl “ . — “ M . " fi fi - _ ‘ v — u - W - u t h e m e c h a n i c a l p u m p a l l o w s a _ p r e l i m i n a r y r o u g h p u m p d o w n o f t h e c h a m b e r . . “ M y ” . N . _ ‘ _ , _ f - y r t i u c r i c o e T b o r P e g u a g n o i o t T a z i n o i d a o L y m m u D y l . e p v p a u w s o r r e e r u g fi s c i i w M o P w r o e l l F l o s r s t n a o M C 0 1 g 5 E o l T 1 2 1 t s u a h x E h t n o s t r a p d e r e b m u n f o n o i t i n fi e d r o f t x e t r e t p a h c e h t e e s e s a e l P a / 9 i 1 3 . 1 5 ( I P r o b e s . 4 — . — ‘ g a u g e G a s T a n k 1 6 5 5 0 O h m C o a x i a l c a b l e f r o m m i c r o w a v e s o u r c e A i r . M P D R 6 1 0 ' I ‘ u m n a b 1 c o o l i n g g s s e m y I n p u t g a s D i s c h a r g e C h a m b e r R a r e e a r t h m a g n e t s . . . . . . . . . z = 0 c m d o w n s t r e a m V i e w p o r t L a n i r ” i t s : m u l t i g r i d i o n e n e r g y a n a l y z e r 1 0 p i n e l e c t r i c E g r m f e e d t h r o u g h T o D i f f u s i o n P u m p F i g u _ . r e 4 . 4 T o p v i e w o f t h e v a c u u m c h a m b e r T h e M P D R 6 1 0 m a y b e m o u n t e d o n a n y o f t h e t h r e e p o r t s . T h e 2 > 0 r e g i o n i s t h e d o w n s t r e a m ( p r o c e s s i n g ) a r e a , a w a y f r o m t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n . 1 6 6 T h e f o u g h i n g o f W ” i s d o n e t i l l t h e v a c u u m c h a m b e r p r e s s u r e i s a b o u t 1 0 0 m T o r r . w i t h t h e g a t e v a l v e a n d f o r e l i n e v a l v e c l o s e d a n d o n l y t h e W r o u g h i n g v a l v e ( 1 0 ) o p e n . T h e f o r e l i n e i s t h e n “ r o u g h e d ” b y c l o s i n g t h e r o u g h i n g v a l v e a n d o p e n i n g t h e f o r e l i n e v a l v e . F i n a l l y , t h e g a t e v a l v e i s o p e n e d t o a l l o w t h e d i f f u s i o n p u m p t o e v a c u a t e t h e c h a m b e r ( fi n a l v a l v e s e t t i n g s : g a t e v a l v e o p e n . f o r e l i n e v a l v e o p e n . r o u g h i n g v a l v e c l o s e d ) . A t t h i s p o i n t t h e c h a m b e r p r e s s u r e d e c r e a s e s r a p i d l y ( i f a l l s e a l s a r e v a c u u m t i g h t ) d u e t o t h e p o w e r f u l a c t i o n o f t h e d i f f u s i o n p u m p . T h e t h r e e v a l v e s ( g a t e v a l v e , r o u g h i n g v a l v e a n d t h e f o r e l i n e v a l v e ) a r e a l l p n e u m a t i c a l l y c o n t r o l l e d t h r o u g h a s p e c i a l l y d e s i g n e d s w i t c h b o x , a n d r e q u i r e a b o u t “ _ 2 _ 9 _ . . . - . p o u n d s p e r s q u a r e i n c h ( F E B o f c o m p r e s s e d a i r t o o p e r a t e . I n c a s e o f l o s s o f _ ¥ ” a c o m p r e s s e d a i r , t h e v a l v e s r e t u r n t o t h e i r d e f a u l t p o s i t i o n s - t h e g a t e v a l v e , f o r e x a m p l e , i s n o r m a l l y c l o s e d a n d r e t u r n s t o t h a t p o s i t i o n i f c o m p r e s s e d a i r p r e s s u r e d r o p s . N o t e t h a t t h e r o u g h i n g v a l v e a n d t h e g a t e v a l v e m u s t N E V E R b e o p e n s i m u l t a n e o u s l y d u e t o t h e d a n g e r o f o i l b e i n g s u c k e d o u t o f t h e d i f f u s i o n p u m p a n d i n t o t h e v a c u u m c h a m b e r a n d t h e v e n t l i n e . « N o r m a l b a s e p r e s s u r e s " ‘ H c r a m p - — 7 * u n d e r o p t i m a l p u m p i n g c o n d i t i o n s w e r e l e s s t h a n 1 0 ' 7 T o r r , m e e t i n g m o s t U H V " I i . ’ O x “ . . . ” ‘ - I . . . . — - . . . . . . . . _ . . a p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t s . W i t h m l 5 ) a n d Q - i o n i z a t i o n g a u g e t u b e ( 1 3 ) w e r e u s e d t o t r a c k t h e p r e s s u r e s i n t h e c h a m b e r , t h e f o r e l i n e a n d i n t h e d i f f u s i o n p u m p s t a c k r e s p e c t i v e l y . A n o t h e r i o n i z a t i o n t u b e w a s 1 ( 1 1 3 5 1 1 2 F M E h ? c h a m P e r - a n d } ; w a s n o t i c e d t h a t . 3 2 1 . 1 9 , B i s s s u r s L n . . t h s c h a m t z s n i s . a b g u t m a s s . . . t h a t i n “ ? ? ? P U W P . § $ _ 3 C I E ° A l l p r e s s u r e s r e p o r t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n a r e t h e p u m p s t a c k p r e s s u r e s . T h e d i f f u s i o n p u m p s t a c k i s a l s o e q u i p p e d w i t h a t i t a n i u m s u b l i m a t i o n - M p u m p ( 1 6 ) o n t h e t o p t o e n h a n c e p u m p i n g s p e e d . H o w e v e r , 9 3 : : t o t h e c o n s t a n t 1 6 7 ‘ r u i r e m e n t o f 1 1 u i d n i s u b l i m a t i o n u m , a n d t h e s e v e r a l d r a w b a c k s o f s e q u e s t e r i n g p u m p s , t h e T S p u m p w a s n e v e r u s e d w h i l e o p e r a t i n g t h e v a c u u m s t a t i o n . T h e d i f f u s i o n p u m p i s fi l l e d w i t h K r y t o x o i l - ' a p e r fl o u r o p o l y e t h e r a n d t h e m e c h a n i c a l p u m p i s fi l l e d w i t h F o m b l i n . B o t h o i l s a r e e x p e n s i v e r e l a t i v e t o n o r m a l p u m p o i l s , h o w e v e r t h e y a r e m o r e r e s i s t a n t t o c o r r o s i v e a n d r e a c t i v e s p e c i e s l i k e a t o m i c o x y g e n , fl u o r i n e , e t c . T h e g a s fl o w s y s t e m i s d e t a i l e d i n F i g u r e 4 . 5 ( a ) ( n o t t o s c a l e ) . G a s fl o w i n t o t h e M P D R 6 1 0 i s c o n t r o l l e d t h r o u g h a n M K S 2 4 7 0 f o u r c h a n n e l r e a d o u t / c o n t r o l l e r ( 2 1 ) . T w o M K S fl o w m e t e r s ( 2 2 , 2 3 ) a r e i n s t a l l e d , o n e w i t h a m a x i m u m fl o w r a t e o f 2 0 s t a n d a r d c u b i c c e n t i m e t e r ( s c c m ) a n d t h e o t h e r w i t h 5 0 s c c m m a x i m u m fl o w . T h i s a l l o w s f o r a n a c c u r a t e c o n t r o l a t v e r y l o w fl o w r a t e s u s i n g t h e fi r s t fl o w m e t e r , a n d a n a c c u r a t e h i g h e r fl o w r a t e u s i n g t h e s e c o n d fl o w m e t e r ( o r , i f n e c e s s a r y a n e v e n h i g h e r fl o w r a t e i f b o t h fl o w m e t e r s a r e u s e d s i m u l t a n e o u s l y ) . U n d e r m o l e c u l a r fl o w ( a s i s t h e c a s e f o r t h e m T o r r r a n g e o f o p e r a t i o n f o r t h e 6 1 0 ) , p r e s s u r e c o n d i t i o n s i n s i d e t h e v a c u u m c h a m b e r a r e c o n t r o l l e d e n t i r e l y b y t h e g a s fl o w r a t e d u e t o t h e a b s e n c e o f a v a r i a b l e c o n d u c t a n c e v a l v e . A l l c o m p o n e n t s o f t h i s s y s t e m a r e m a d e o f U H V c o m p a t i b l e s t a i n l e s s s t e e l . F l e x i b l e s t a i n l e s s s t e e l b e l l o w s ( 2 5 ) w i t h a 0 . 2 5 i n c h d i a m e t e r c o n n e c t t h e c o m p r e s s e d g a s b o t t l e s ( t h r o u g h r e g u l a t o r s ) t o t h e fl o w m e t e r s . T w o n e e d l e v a l v e s ( 2 6 ) , o n e o n e a c h s i d e o f t h e fl o w m e t e r e n s u r e i s o l a t i o n o f t h e v a c u u m s y s t e m i n c a s e o f a l e a k i n t h e b e l l o w s . T h e t w o l i n e s t h e n c o n n e c t t o a s t a i n l e s s s t e e l " ' 1 “ ( 2 4 ) t h a t l e a d s u p t o t h e s i n g l e b e l l o w s w h i c h c o n n e c t t o t h e 6 1 0 ’ s s t a i n l e s s s t e e l V C R g a s f e e d t h r o u g h . T h i s a l l o w s e i t h e r fl o w c o n t r o l l e r t o b e u s e d i n d e p e n d e n t l y , o r b o t h t o b e u s e d s i m u l t a n e o u s l y t o i n c r e a s e g a s p r e s s u r e , o r f o r g a s m i x i n g . 1 6 8 — > V I I I / 2 0 1 4 7 1 F r o m G a s - B o t t l e s _ — > V I I I / z a z - r m m y / I / g g o g g u m ‘ 6 P i 4 . 5 a G a s F l o w s s t e m f o r t h e Y o r k ’ l ‘ o w n T v a c u u m s t a t i o n 2 1 . 4 C h a n n e l M K S R e a d o u t 2 5 . F l e x i b l e 1 / 4 i n c h b e l l o w s ( a l l 2 2 . 2 0 s c c m F l o w C o n t r o l l e r s h a d e d r e g i o n s ) 2 3 . 5 O s c c m F l o w C o n t r o l l e r 2 6 . N e e d l e V a l v e s 2 4 . S t a i n l e s s s t e e l T a . a n ! 7 3 1 — I — I I — 3 5 ' 1 5 3 : : P o r t 1 ’ D 3 4 3 ‘ P o r t 3 [ E l 3 7 R e f . I n c . P o r t 2 T o P l a s m a S o u r c e F l e 4 . 5 M i c r o w a v e a r a t u s f o r I o n S o u r c e C h a r a c t e r i z a t i o n 3 1 . M i c r o w a v e P o w e r S u p p l y 3 5 . A t t e n u a t o r s 3 2 . C i r c u l a t o r 3 6 . P o w e r M e t e r s 3 3 . D u m m y L o a d 3 7 . 5 0 Q C o a x i a l C a b l e 3 4 . B i - D i r e c t i o n a l C o u p l e r 1 6 9 S e v e r a l p o i n t s o f s a f e t y m u s t b e m e n t i o n e d w h i l e u s i n g c o m p r e s s e d g a s c y l i n d e r s . ( 1 . ) T h e r e g u l a t o r f o r e a c h g a s ( o r a s e t o f g a s e s l i k e n i t r o g e n a n d a r g o n ) i s d i f f e r e n t f r o m t h e o t h e r g a s e s . T h i s m e a n s t h a t a n i t r o g e n / a r g o n r e g u l a t o r c a n n o t b e u s e d f o r o x y g e n . T h i s p r e v e n t s a n i n a d v e r t e n t u s e o f a n o x y g e n r e g u l a t o r o n , s a y , a h y d r o g e n b o t t l e . t h a t m a y c a u s e a n e x p l o s i o n i f s u f fi c i e n t r a t i o s o f t h e t w o g a s e s a r e m i x e d . ( 2 . ) ” A l l c o n n e c t i o n s m u s t b e m a d e ‘ g a n g - { ( q r . . . r — - — — r f r - w i t h l e a k t i g h t V C O o r V C R M m g t a l fi t t i n g s ( s t a i n l e s s s t e e l V C R fi t t i n g s w i t h n i c k e l n , « a n d - u " I . . - M " m u m m ‘ n w ‘ w fl i v fl ’ - ‘ I F " . “ g a s k e t s a r e u s e d i n t h e c u r r e n t v a c u u m s y s t e m ) . T h i s p r e v e n t s c o n t a m i n a t i o n f r o m t h e fi t t i n g s m a t e r i a l s l i k e v a c u u m g r e a s e w h i c h m i g h t a l s o c a u s e _ _ _ _ _ _ _ _ ‘ _ ” _ _ . _ , _ _ . _ _ , _ _ . . _ — _ _ _ . . — - — ' i n s u f fi c i e n t b a s e p r e s s u r e s d u e t o s e v e r e o u t g a s s i n g . . - 5 - . . " t h _ - . — - . k H M W ~ q — w — . — — o - e ‘ W " - v a c — v . ( 3 . ) F i n a l l y , h y d r o g e n i s a h i g h l y d a n g e r o u s g a s d u e t o i t s e x p l o s i v e n a t u r e a n d e x t r e m e c a u t i o n m u s t b e e x e r c i s e d w h i l e u s i n g t h i s g a s . I t a l s o h a s a p r o p e r t y t h a t w i t h p r o l o n g e d u s e , i t w i l l a d s o r b i n t o t h e m e t a l a t o m i c l a t t i c e s t r u c t u r e o f t h e g a s l i n e s . I f , t h e n , t h e s a m e g a s l i n e i s u s e d t o r u n o x y g e n , c o n d i t i o n s m a y b e c r e a t e d f o r a n e x p l o s i o n . W h e n u s i n g h y d r o g e n f o r l o n g p e r i o d s o f t i m e , t h e g a s l i n e m u s t b e fl u s h e d b y r u n n i n g c o m p r e s s e d n i t r o g e n l o n g e n o u g h s o t h a t a n y a d s o r b e d h y d r o g e n m a y b e r e m o v e d . A l s o , t h e e x h a u s t o f a h y d r o g e n d i s c h a r g e ( s p e c i a l l y a h i g h p r e s s u r e h y d r o g e n p l a s m a t h a t m a y c o n t a i n h o t r e a c t i v e h y d r o g e n s p e c i e s ) m u s t b e fl u s h e d w i t h a d e q u a t e q u a n t i t i e s o f n i t r o g e n g a s b e f o r e b e i n g e m i t t e d o u t . C o m p r e s s e d g a s b o t t l e s a r e q u i t e s a f e t o u s e i f t h e s a f e t y c o n d i t i o n s a r e m e t . H o w e v e r , i f t h e b o t t l e s a r e d r o p p e d , o r n u s - h a n d l e d i n a n y w a y , t h e y m a y b e c o m e e x p l o s i v e , a n d e x t r e m e l y d a n g e r o u s h i g h p r e s s u r e m i s s i l e s . A s a r u l e , A L L s a f e t y p r e c a u t i o n s m u s t b e a d h e r e d t o w h e n u s i n g h i g h p r e s s u r e g a s b o t t l e s a n d c o r r o s i v e g a s e s . O n l y s o m e o f t h e s a f e t y r e g u l a t i o n s a r e p r e s e n t e d i n t h i s d i s c u s s i o n , b u t f u r t h e r i n f o r m a t i o n o n 1 7 0 t h e s e s a f e t y p r e c a u t i o n s m a y b e o b t a i n e d f r o m t h e r e l e v a n t O S H A a u t h o r i t i e s . o r f r o m t h e h e a l t h a n d s a f e t y p e r s o n n e l o f t h e l a b o r a t o r y . 1 4 , 4 D e s c r i n o n o f t h e fl g m w a v e A p p a r a t u s T h e a p p a r a t u s f o r t r a n s m i t t i n g e l e c t r i c a l e n e r g y t o t h e p l a s m a s o u r c e i s n o w d e s c r i b e d . T h i s s e t u p , s h o w n i n F i g u r e 4 . 5 ( b ) r e m a i n s e s s e n t i a l l y t h e s a m e f o r m o s t e x p e r i m e n t s . w i t h m i n o r m o d i fi c a t i o n s m a d e f o r a p p r o p r i a t e t e s t s . M i c r o w a y e n e n e r g y i s a t a f r u e n c y ( o r i n a v e r y n a r r o w b a n d c l o s e t o t h e c e n t e r f r e q u e n c y ) o f 2 . 4 5 G H z w i t h t h e T M - w e r s u p p l y ( 3 1 ) . A c i r c u l a t o r ( 3 2 ) i s a t t a c h e d t o t h e o u t p u t o f t h e p o w e r s u p p l y . T h i s i s a t h r e e p o r t n e t w o r k t h a t s h u n t s p o w e r f r o m p o r t o n e . t o p o r t t w o a n d f r o m p o r t t w o t o p o r t t h r e e . P o r t o n e o f t h e c i r c u l a t o r i s c o n n e c t e d t o t h e p o w e r R ‘ — s u p p l y . P o r t t w o g o e s t o t h e p l a s m a s o u r c e a n d s o a l l t h e p o w e r o u t o f t h e p o w e r s u p p l y i s i n c i d e n t o n t h e p l a s m a s o u r c e . A n y p o w e r r e fl e c t e d f r o m t h e s o u r c e i s i n c i d e n t o n p o r t t w o o f t h e c i r c u l a t o r . a n d i s s h u n t e d t o p o r t t h r e e . w h i c h i s c o n n e c t e d t o a m a t c h e d d u m m y l o a d ( 3 3 ) t h a t c o m p l e t e l y a b s o r b s t h i s r e fl e c t e d p o w e r f r o m t h e p l a s m a s o u r c e . I n t h i s m a n n e r . t h e m a g n e t r o n o f t h e p o w e r s u p p l y i s p r o t e c t e d f r o r 4 n _ _ t h e p o w e r r e fl e c t e d b a c k f r o m t h e p l a s m a s o u r c e . I n t h e c a s e o f h i g h r e fl e c t e d p o w e r s . a c o o l i n g f a n m i g h t b e n e c e s s a r y t o p r e v e n t t h e d u m m y l o a d f r o m b u r n i n g o u t . B e t w e e n p o r t t w o o f t h e c i r c u l a t o r a n d t h e p l a s m a s o u r c e . a N A R D A b i - d i r e c t i o n a l c o u p l e r ( 3 4 ) . o r t w o u n i - d i r e c t i o n a l c o u p l e r s w i t h p r o p e r a t t e n u a t i o n ( l i k e t h e N A R D A m o d e l 3 3 3 0 - 2 0 w i t h 2 0 d B a t t e n u a t i o n ) s a m p l e s a b o u t 1 % o f t h e i n c i d e n t a n d r e fl e c t e d p o w e r w h i c h i s m e a s u r e d o n H P 4 3 5 A p o w e r m e t e r s 1 7 1 ( 3 6 ) . S i n c e t h e s e p o w e r m e t e r s a r e l i m i t e d t o s e v e r a l m W m a x i m u m , t h e s a m p l e d p o w e r m u s t b e f u r t h e r a t t e n u a t e d . F o r e x a m p l e , t h e 2 0 d B ( X 1 0 ' 2 ) a t t e n u a t i o n o f t h e b i - d i r e c t i o n a l c o u p l e r i s f u r t h e r a u g m e n t e d b y 3 0 d B a t t e n u a t o r s ( 3 5 ) . T h i s 5 0 d B ( X 1 0 ' 5 ) a t t e n u a t i o n a l l o w s 1 0 0 W t o b e r e g i s t e r e d o n t h e p o w e r m e t e r s a s 1 m W , a l l o w i n g f o r a c c u r a t e i n c i d e n t a n d r e fl e c t e d p o w e r m e a s u r e m e n t . N o t e t h a t t h r o u g h o u t t h i s d i s s e r t a t i o n . “ i n p u t " p o w e r i s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e i n c i d e n t a n d t h e r e fl e c t e d p o w e r . A 5 0 £ 1 c o a x i a l c a b l e ( 3 7 ) w i t h t y p e N c o n n e c t o r s a n d a T e fl fi l l i n g m a t e r i a l t r a n s f e r s o w e r f r o m t h e i - d e c t i o n a l c o M W £ 1 1 2 9 9 . . . m e d e i n t o t h e s o u r c e b o d y g t e r m i n a t i n g i n t h e l o o p a n t e n n a ( 9 ) s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 . T h i s l o o p e x c t t e g t h ; T E M m o d e i n t h e c o a x i a l c a v i t y t h a t s t r e t c h e s £ 1 3 1 t h e e n d o f t h e s l i d i n g s h o r t ( w h e r e t h e l o o p i s a t t a c h e d ) t o t h e t e r m i n u s o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r , b e y o n d ‘ 4 ' ” V _ , n n n - v ' " " " " ' - ‘ " H " - w h i c h s e v e r a l e v a n e s c e n t E M m o d e s a r e e x c i t e d i n t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n o f t h e s o u r c e ( r e f e r , f o r e x a m p l e . t o C h a p t e r S i x ) . N o t e t h a t s o m e a m o u n t o f p o w e r l o s s i n t h e b i - d i r e c t i o n a l c o u p l e r a n d t h e c o a x i a l c a b l e i s i n e v i t a b l e . H e n c e t h e n e t i n p u t p o w e r a t t h e p l a s m a s o u r c e e n d i s a b o u t 8 5 % o f t h e a c t u a l p o w e r i n d i c a t e d o n t h e p o w e r m e t e r ’ s r e a d o u t . a n d t h i s i s a c c o u n t e d f o r i n a l l p o w e r l e v e l s s t a t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n . M W O n c e t h e 6 1 0 a n d t h e v a c u u m c h a m b e r h a s b e e n e v a c u a t e d t o a s u f fi c i e n t b a s e p r e s s u r e ( u s u a l l y l e s s t h a n 1 0 ‘ 7 T o r r ) , t h e w o r k i n g g a s i s l e a k e d i n t o t h e p l a s m a c h a m b e r o f t h e 6 1 0 t h r o u g h t h e fl o w m e t e r s . A n o p t i o n a l q u a r t z . 1 7 2 o r a l u m i n a “ c h i m n e y ” m a y b e i n s t a l l e d a t t h e e n d o f t h e q u a r t z t u b e t o c h a n n e l t h e g a s t o w a r d s t h e E C R r e g i o n s f o r e a s i e r i g n i t i o n . P r e s s u r e s o f a b o u t 1 m T o r r ( p l u s o r m i n u s o n e d e c a d e o f p r e s s u r e ) a r e b e s t f o r d i s c h a r g e i g n i t i o n i n t h e 6 1 0 , a l t h o u g h t h e p l a s m a g e n e r a t i o n i s n o t a p r o b l e m a t e v e n l o w e r p r e s s u r e s . O n c e t h e p r e s s u r e i n t h e c h a m b e r h a s s t a b i l i z e d , m i c r o w a v e p o w e r i s i n j e c t e d i n t o t h e p l a s m a s o u r c e , a n d i f t h e c e n t e r c o n d u c t o r a n d s l i d i n g s h o r t p o s i t i o n s a r e a p p r o p r i a t e l y s e t , p l a s m a i g n i t i o n o c c u r s w i t h n o p r o b l e m s . T h i s i n i t i a l i g n i t i o n i s a c c o m p a n i e d b y a h i g h r e fl e c t e d p o w e r ( u p t o 8 0 % ) - s i g n i f y i n g t h a t t h e i g n i t i o n i t s e l f d o e s n o t r e q u i r e t o o m u c h p o w e r . a n d t h a t o n c e i g n i t e d . t h e p l a s m a d e - t u n e s t h e c a v i t y . T h e p l a s m a s o u r c e m u s t t h e n b e t u n e d t o r e d u c e t h i s r e fl e c t e d p o w e r T h i s t u n i n g o f t h e s o u r c e i s d o n e b y a d j u s t i n g t h e c e n t e r c o n d u c t o r a n d s l i d i n g s h o r t p o s i t i o n s s u c h t h a t t h e c a v i t y d i m e n s i o n s a r e o p t i m a l f o r p o w e r t o r e s o n a t e i n a m a n n e r b e s t s u i t e d t o e n e r g y t r a n s f e r i n t o t h e d i s c h a r g e g a s . H e u r i s t i c e x p e r i e n c e s h o w s t h a t o n c e t h e s l i d i n g s h o r t i s a c c u r a t e l y p o s i t i o n e d , o n l y t h e c e n t e r c o n d u c t o r n e e d s t o b e a d j u s t e d ( l e s s t h a n a f e w m m ) f o r p l a s m a i g n i t i o n a n d s u b s e q u e n t o p t i m a l t u n i n g . A s a c o r o l l a r y , t h e c e n t e r c o n d u c t o r p o s i t i o n m a y b e fi x e d a n d t u n i n g o f t h e 6 1 0 d o n e u s i n g t h e S l i d i n g s h o r t o n l y . I n d e e d , c o m m e r c i a l v e r s i o n s o f t h e M P D R 6 1 0 t h a t a r e s o l d b y W a v e m a t , I n c . h a v e a fi x e d c e n t e r c o n d u c t o r p o s i t i o n , w i t h a m i c r o m e t e r c o n t r o l o n t h e s l i d i n g s h o r t p o s i t i o n . B o t h a d j u s t m e n t s c o m p l e m e n t e a c h o t h e r w i t h t h e u l t i m a t e g o a l b e i n g t o m i n i m i z e t h e r e fl e c t e d p o w e r . U n d e r n o r m a l o p e r a t i n g p r e s s u r e s , o n c e t h e 6 1 0 i s t u n e d t o o p t i m a l c o n d i t i o n s , l e s s t h a n 5 % o f t h e i n c i d e n t p o w e r i s r e fl e c t e d b a c k t o t h e c i r c u l a t o r , a n d t h i s r e fl e c t e d p o w e r i s t h e n s h u n t e d t o t h e d u m m y l o a d . H o w e v e r . i n c a s e o f a d i s c h a r g e a t e x t r e m e l y l o w p r e s s u r e ( l e s s 1 7 3 t h a n 1 0 ' 5 T o r r ) , t h e r e fl e c t e d p o w e r m a y i n c r e a s e t o a b o u t 1 0 - 2 0 % , a n d n o a m o u n t o f t u n i n g i s t h e n a b l e t o r e d u c e t h e l e v e l o f r e fl e c t e d p o w e r . F i g u r e 4 . 6 s h o w s t h e c e n t e r c o n d u c t o r a n d s l i d i n g s h o r t a s s e m b l y o f t h e 6 1 0 ( n o t t o s c a l e ) . a l o n g w i t h t h e a p p r o p r i a t e d i m e n s i o n s f o r a s t e a d y s t a t e a r g o n d i s c h a r g e . w h e r e t h e p l a s m a s o u r c e h a s b e e n t u n e d t o m i n i m u m r e fl e c t e d p o w e r ( u s u a l l y l e s s t h a n 5 % o f t h e i n c i d e n t p o w e r ) . N o t e t h a t t h e c e n t e r M c o n d u c t o r h a s t o b e p u l l e d b a c k a b o u t 2 . 5 c m f r o m t h e q u a r t z d i s c h a r g e F c o n fi n e m e n t c h a m b e r W W I ) ; c i r c u l a r w a v e g u i d e ” ‘ H - ‘ - . a s e c t i o n o f t h e s o u r c e . T h e l e n g t h o f t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e s o u r c e i s s i m p l y t h e l e n g t h o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r b e y o n d t h e s l i d i n g s h o r t , a n d t h i s i s a b o u t 8 . 2 c m . a b o u t 0 . 6 7 ) . ( A . b e i n g 1 2 . 2 4 c m f o r 2 . 4 5 G H z ) . T h e s e c e n t e r c o n d u c t o r a n d s l i d i n g s h o r t p o s i t i o n s a r e m e a s u r e d f o r a n a r g o n d i s c h a r g e . I n C h a p t e r S i x . i t w i l l b e s e e n t h a t f o r a n i t r o g e n d i s c h a r g e . t h e c o a J d a l l e n g t h o f t h e s o u r c e r e m a i n s u n c h a n g e d b u t t h e l e n g t h o f t h e e v a n e s c e n t c i r c u l a r w a v e g u i d e c h a n g e s i n o r d e r t o m a t c h t h e l o a d o f a n i t r o g e n p l a s m a . T h e 6 1 0 o p e r a t i o n s v a r y s i g n i fi c a n t l y f o r a n i t r o g e n d i s c h a r g e f r o m i t s o p e r a t i o n s i n a r g o n . a n d t h i s w i l l b e v e r i fi e d i n a l a t e r s e c t i o n o f t h i s c h a p t e r a l s o . T h i s i m p l i e s t h a t a l m o s t n o i n f e r e n c e m a y b e m a d e o f t h e 6 1 0 ’ s p e r f o r m a n c e i n a n y o t h e r g a s ( s p e c i a l l y d i a t o m i c g a s e s ) b a s e d o n i t s o p e r a t i o n i n a r g o n - a c r u c i a l c o n c l u s i o n . c o n s i d e r i n g t h a t m o s t p l a s m a s o u r c e s a r e c h a r a c t e r i z e d i n a r g o n ( s p e c i a l l y t h e r e a c t o r s d e s i g n e d a n d c h a r a c t e r i z e d a t t h e E E P l a s m a R e s e a r c h L a b o r a t o r y ) . w h i l e m o s t i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s “ o f i o n s o u r c e s u s e g a s e s o t h e r t h a n a r g o n - l i k e n i t r o g e n , o x y g e n o r h y d r o g e n . A p o i n t n e e d s t o b e m a d e a b o u t t h e c e n t e r c o n d u c t o r p o s i t i o n r e l a t i v e t o t h e d i s c h a r g e . E l e c t r i c fi e l d s a r e l a u n c h e d o f f t h e e n d o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r M m 1 7 4 4 1 E v a n e s c e n t V C i r c u l a r w a v e g u i d e ( 2 . 5 c m ) 4 2 — - - — " “ H C o a x i a l S e c t i o n ( 8 . 2 c m ) fi 1 N \ . V N - é \ E : : 4 7 B i 4 . 6 S l i d i n S h o r t a n d C e n t e r C o n d u c t o r A s s e m b l o n l a s m a 4 1 . Q u a r t z ( o r 4 2 . C e n t e r 4 4 . S l i d i n g 4 6 . L o o p A n t e n n a A l u m i n a ) P l a s m a C o n d u c t o r S h o r t 4 7 . T y p e N c o n n e c - C h a m b e r 4 3 . F i n g e r S t o c k 4 5 . A i r C o o l i n g t o r 1 7 5 w h e r e t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e c a v i t y t e r m i n a t e s . T o s a t i s f y t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s a t t h a t p o i n t , s e v e r a l e v a n e s c e n t m o d e s a r e s e t 1 1 i n t h e 2 . 5 c m l o n g c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n ( s i n c e i t s x l i a m e i e r i s t o o s m a l l f o r a n y p r o p a g a t i n g E M m o d e s a t 2 . 4 5 G H z ) . F o r t h e s e d e c a y i n g m o d e s , e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h s h o u l d d e c r e a s e e x p o n e n t i a l l y a s t h e d i s t a n c e f r o m t h e c e n t e r c o n d u c t o r i n c r e a s e s ( a s w i l l b e v e r i fi e d i n C h a p t e r S i x ) . I t w o u l d s e e m a p p r o p r i a t e t h e n . t h a t i f t h e i g n i t i o n a n d s u b s e q u e n t s u s t e n a n c e o f t h e d i s c h a r g e i s o c c u r r i n g t h r o u g h e v a n e s c e n t m o d e s . t h e c l o s e r t h e c e n t e r c o n d u c t o r t o t h e q u a r t z p l a s m a c h a m b e r , t h e s t r o n g e r t h e e l e c t r i c fi e l d s w i l l b e , a n d t h e e a s i e r i t w o u l d b e t o c o u p l e p o w e r i n t o t h e d i s c h a r g e . T h i s w a s , i n f a c t t h e t h i n k i n g b e h i n d t h e o r i g i n a l 6 1 0 o p e r a t i o n s w h e n t h e c e n t e r c o n d u c t o r w a s p l a c e d a s c l o s e t o t h e q u a r t z t u b e a s p o s s i b l e . H o w e v e r . a s n o t e d i n F i g u r e 4 . 6 . t h e c e n t e r W W “ a w a y f r o m t h e q u a r t z t u b e i n o r d e r t o W r e fl W r ( a n d s u b s e q u e n t l y m a x i m i z e p o w e r t r a n s f e r t o t h e p l a s m a ) . T h a t p o w e r t r a n s f e r i s i n d e e d i n c r e a s e d b y t h i s “ ” t u n i n g i s c o n fi r m e d b y t h e m e a s u r e d o u t p u t o f t h e 1 ” , ” . . . s o u r c e . w h o r e i o t i d e n s i a n d s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y s v a l u e s g o u p “ _ d r a m a t i c a l l y a s t h e c e n t e r c o n d n fi o r d s i u n c d t o o p t i m a l o p e r a t i n g p o s i t i o n . A ‘ ” _ ‘ fl m fl ‘ fl F , p l ‘ ' r p o s s i b l e e x p l a n a t i o n f o r t h i s b e h a v i o r ( w h e r e t h e s o u r c e i s m o r e e f fi c i e n t w i t h t h e c e n t e r c o n d u c t o r p u l l e d b a c k ) m a y b e b e c a u s e t h e i m p e d a n c e o f t h e c p a x i a l W W T h i s m m i s p e r f o r m e d b y t h e e v a n e s c e n t c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n o f t h e 6 1 0 . A m o r e p r e c i s e d i s c u s s i o n o n t h i s t o p i c i s c o v e r e d i n C h a p t e r S i x . w h e r e t h e e x a c t e l e c t r i c fi e l d s i n s i d e t h e 6 1 0 a r e i n f e r r e d f r o m d i r e c t m e a s u r e m e n t o f t h e fi e l d s o n t h e 6 1 0 - a a n d a l u m p e d c i r c u i t m o d e l o f t h e 6 1 0 i s p r o p o s e d t o e x p l a i n t h e m e w w m 1 7 6 0 o n o f t h e s o u r c e . D u e t o e l e c t r o n - i o n r e c o m b i n a t i o n s o n t h e q u a r t z w a l l s t h a t r e l e a s e e n e r g y , a n d a l s o d u e t o b o m b a r d m e n t o f e n e r g e t i c p l a s m a s p e c i e s o n t h e w a l l s . m u c h h e a t i s d e p o s i t e d o n t h e q u a r t z . T h i s i s s p e c i a l l y t r u e f o r p l a s m a c o n d i t i o n s t h a t g e n e r a t e h i g h l y e n e r g e t i c s p e c i e s ( l i k e h i g h p o w e r d i s c h a r g e s . o r ‘ — a v e r y l o w p r e s s u r e d i s c h a r g e w h e r e t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e i s c o m p a r a t i v e l y W V - _ _ . — - . _ . _ . . - g . - . _ . _ _ h i g h e r ) . T h e q u a r t z . a n d t h e s u r r o u n d i n g m a g n e t s a r e c o o l e d u s i n g a c o m p r e s s e d a i r l i n e t h a t p a s s e s t h r o u g h t h e c e n t e r c o n d u c t o r ( a s i n d i c a t e d b y t h e s h a d e d a r r o w s i n F i g u r e 4 . 6 ) . F r o m t h e h o t e x h a u s t o f t h i s c o o l i n g g a s , t h e b o d y o f t h e 6 1 0 a l s o g e t s q u i t e w a r m ( 4 0 ° t o 5 0 ° C ) . 4 . P r f o - N T h e o p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e o f t h e M P D R 6 1 0 f o r a n a r g o n d i s c h a r g e a t 2 . 4 5 G H z i s n o w p r e s e n t e d . A l l c h a r a c t e r i z a t i o n t e c h n i q u e s a r e i n a c c o r d a n c e w i t h t h e d i s c u s s i o n s o f C h a p t e r T h r e e . S a t u r a t i o n c u r r e n t v a l u e s a r e t a k e n w i t h a d o u b l e L a n g m u i r p r o b e b i a s e d a t n e g a t i v e 5 0 V . F i g u r e 4 . 4 s h o w s t h e z a 0 l o c a t i o n , a n d t h e “ d o w n s t r e a m ” r e g i o n ( 2 > 0 ) w h e r e t h e d i a g n o s t i c s a r e c o n d u c t e d . N o p r o b e o r e n e r g y a n a l y z e r c h a r a c t e r i z a t i o n i s d o n e f o r z < 0 p o s i t i o n s ( i n s i d e t h e q u a r t z d i s c h a r g e c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e ) s o a s n o t t o p e r t u r b . t h e g e n e r a t i o n o f t h e p l a s m a w i t h t h e i n v a s i v e d i a g n o s t i c t o o l s . S u b - s e c t i o n s 4 2 6 . 3 a n d 4 . 6 . 4 c o m p a r e t h e m e a s u r e d p a r a m e t e r s l i k e i o n d e n s i t y . e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . e t c . w i t h s o m e t h e o r e t i c a l l y c a l c u l a t e d v a l u e s f o r a d i s c h a r g e s i m i l a r t o t h e M P D R 6 1 0 . 1 7 7 F i g u r e 4 . 7 s h o w s t h e t r a n s i e n t b e h a v i o r o f a n a r g o n p l a s m a . T h e s a t u r a t i o n c u r r e n t d a t a i s t a k e n 2 c m d o w n s t r e a m ( f r o m 2 = 0 p l a n e ) f o r a 0 . 5 8 m T o r r . 1 2 3 W d i s c h a r g e . A s t h e s o u r c e w a r m s u p ( s p e c i a l l y t h e q u a r t z t u b e u p o n w h i c h h e a t i s d e p o s i t e d t h r o u g h r e c o m b i n a t i o n s a n d c o l l i s i o n s ) a n d t h e p r e s s u r e e d d i e s w i t h i n t h e g e n e r a t i o n r e g i o n d i e d o w n . t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y a t t a i n s i t s s t e a d y s t a t e v a l u e . W h i l e t h e d a t a i n d i c a t e s s o m e d e g r e e o f fl u c t u a t i o n , t h e g e n e r a l t r e n d o f t h e b e s t fi t c u r v e i s o b v i o u s . a s i s t h e p r e m i s e o f t h i s e x p e r i m e n t : t h e p l a s m a s o u r c e m u s t b e a l l o w e d t o s t a b i l i z e a n d r e a c h s t e a d y s t a t e b e f o r e f u r t h e r e x p e r i m e n t s a r e c o n d u c t e d . D u r i n g t h e c o u r s e o f t h i s s t a b i l i z a t i o n p r o c e s s , t h e p l a s m a s o u r c e h a s t o b e t u n e d s e v e r a l t i m e s t o m i n i m i z e t h e r e fl e c t e d p o w e r . T h i s i s b e c a u s e , a f t e r i g n i t i o n , a s t h e t r a n s i e n t s i n t h e p l a s m a l o a d d i e d o w n . t h e l o a d i t s e l f c h a n g e s i t s i m p e d a n c e a n d t h e t u n i n g o f t h e p l a s m a s o u r c e h a s t o a d j u s t a c c o r d i n g l y t o m a t c h t h i s c h a n g i n g l o a d . T h i s r e - t u n i n g i s u s u a l l y v e r y m i n o r - l e s s t h a n a m c h a n g e i n t h e c e n t e r c o n d u c t o r ( f o r a fi x e d s l i d i n g s h o r t ) o r t h e s l i d i n g s h o r t ( f o r a fi x e d c e n t e r c o n d u c t o r ) p o s i t i o n . S u c h a t r a n s i e n t e f f e c t h a s b e e n o b s e r v e d i n o t h e r . l a r g e r M P D R s a l s o ( s e e f o r e x a m p l e , F i g u r e 5 . 4 i n R e f e r e n c e H o p - 9 1 ) . . F i g u r e 4 . 8 s h o w s t h e a r g o n i o n d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e f o r f o u r d i f f e r e n t i n c i d e n t p o w e r s ( 1 6 4 W , 1 2 3 W , 8 2 W a n d 6 6 W ) m e a s u r e d w i t h a D L P l o c a t e d 2 c m d o w n s t r e a m a n d c e n t e r e d o n t h e z a x i s o f t h e 6 1 0 . A t e a c h d a t a p o i n t . t h e 6 1 0 i s p e r f e c t l y m a t c h e d - t h a t i s , e a c h t i m e t h e p o w e r o r p r e s s u r e i s c h a n g e d . t h e 6 1 0 i s o p t i m i z e d t o m i n i m u m r e fl e c t e d p o w e r . A s m e n t i o n e d b e f o r e , t h e g a s fl o w ( b o t t o m a x i s ) a l o n e c o n t r o l s t h e p r e s s u r e ( t o p 1 7 8 3 . 6 3 . 5 - ? — . O : 0 0 0 . - 0 0 0 8 . 3 . 4 “ 0 0 ” # 6 0 0 o a 0 0 " , o . _ 6 / ( 3 . 3 : / / O E _ / V — . / O 3 ’ 3 2 “ / O . — . _ o g _ / o o 8 3 / 0 4 - ‘ 1 c 4 8 3 . 1 4 0 L . - + 5 j 3 1 0 4 ' P 2 . 9 l l l r l l I I I I I I I I I I T T I I I I I I T I I I [ I T I I I O 3 5 8 1 0 1 3 1 5 1 8 T i m e ( m i n ) 4 7 T r a n s i t f d i s c e i n e 6 1 0 I n c i d e n t p o w e r i s 1 2 3 W a n d t h e p r e s s u r e i s 0 . 5 8 m T o r r . S a t u r a t i o n c u r r e n t d a t a a r e t a k e n a t n e g a t i v e 5 0 V b i a s . 1 7 9 P R E S S U R E ( m T o r r ) 0 . 0 0 0 . 2 0 0 . 4 0 0 . 6 0 0 . 8 0 1 6 . 0 0 L L i l l l l l l l l L L l l L J l i L l l l l i l 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 : " . - 1 6 4 W A : . . ‘ . . , e : a U . . 0 1 2 . 0 0 : I n : 5 4 : 3 - 1 U _ L : 1 2 3 W 0 ’ . e < 1 ‘ t o 3 4 . — 8 . 0 0 - J A 9 L u — ( V c 6 v - t > - I t a 6 U ) - i Z . - L I J . - 0 4 0 0 ‘ . — i 5 : a e . 8 2 w _ - i . 1 ¢ = - - i 5 w a i r . . 0 . 0 0 I l l I I I T I I I I I I I I I I I I I I I I T I I I I I I I I T I 0 . 0 0 1 0 . 0 0 2 0 . 0 0 3 0 . 0 0 F L O W ( s c c m ) F l . I t i o w i s s D o u b l e L a n g m u i r P r o b e d a t a o f i o n d e n s i t y f o r f o u r d i f f e r e n t p o w e r l e v e l s ( 1 6 4 W , 1 2 3 W , 8 2 W a n d 6 6 W ) . N o t e t h a t t h e p r e s s u r e c o n d i t i o n s a r e d e p e n d e n t o n fl o w r a t e s . 1 8 0 a x i s ) d u e t o t h e a b s e n c e o f a v a r i a b l e c o n d u c t a n c e v a l v e i n t h e v a c u u m s y s t e m . S e v e r a l s a l i e n t f e a t u r e s o f t h i s fi g u r e n e e d t o b e d i s c u s s e d . F o r a n y g i v e n p o w e r l e v e l , t h e p l a s m a s o u r c e e x h i b i t s a d i s c o n t i n u o u s “ m o d e j u m p ” a s t h e p r e s s u r e ( a n d h e n c e t h e n e u t r a l d e n s i t y ) i n c r e a s e s . T h e d i s c h a r g e p r e s s u r e a t w h i c h t h i s j u m p o c c u r s i s d e p e n d e n t o n t h e i n p u t p o w e r - t h e h i g h e r t h e p o w e r . t h e l o w e r t h e p r e s s u r e n e c e s s a r y f o r t h i s c h a n g e i n m o d e . F o r e x a m p l e . t h i s m o d e j u m p o c c u r s a t a b o u t 0 . 2 m T o r r f o r t h e 1 6 4 W i n c i d e n t p o w e r c u r v e , a n d a t a b o u t 0 . 3 m T o r r f o r t h e 8 2 W c u r v e . T h e m o d e j u m p i s a c c o m p a n i e d b y a c h a n g e i n t h e b r i g h t n e s s o f t h e d i s c h a r g e - t h e “ h i g h d e n s i t y m o d e ” i s m u c h b r i g h t e r t h a n t h e “ l o w d e n s i t y m o d e . ” A m i n o r r e - t u n i n g ( l e s s t h a n o n e m m v a r i a t i o n i n t h e c e n t e r c o n d u c t o r p o s i t i o n ) i s r e q u i r e d t o m i n i m i z e t h e r e fl e c t e d p o w e r a s t h e s o u r c e c h a n g e s i t s m o d e o f o p e r a t i o n . A l s o n o t e t h a t t h e 6 1 0 i s c a p a b l e o f p r o d u c i n g v e r y h i g h i o n d e n s i t i e s , s p e c i a l l y i n t h e h i g h d e n s i t y m o d e - t h i s m o d e m a y p r o d u c e u p t o 1 0 t i m e s t h e i o n d e n s i t y ( s e e t h e 1 6 4 W c u r v e t h a t m a x i m i z e s a t a b o u t 1 . 5 X 1 0 1 1 c m ' 3 ) t h a n t h e l o w d e n s i t y m o d e . T h i s i n c r e a s e i n b r i g h t n e s s w h e n t h e m o d e j u m p o c c u r s s u g g e s t s a n i n c r e a s e i n e l e c t r o n - n e u t r a l . o r e l e c t r o n - i o n c o l l i s i o n f r e q u e n c y d u r i n g w h i c h t h e e l e c t r o n s r e v e r t t o l o w e r e n e r g l e v e l s w h i l e a t t h e s a m e t i m e e m i t t i n g e n e r g y . s o m e o f w h i c h i s i n t h e f o r m o f v i s i b l e l i g h t . A h y s t e r e s i s l o o p i s 1 o b s e r v e d i n t h i s m o d e j u m p w h e r e b y t h e i o n s o u r c e j u m p s t o t h e h i g h d e n s i t y m o d e a t a h i g h e r p r e s s u r e w h e n t h e fl o w r a t e i s i n c r e a s i n g ( f r o m a l o w i n i t i a l fl o w r a t e ) , w h i l e t h e s o u r c e j u m p s d o w n . t o t h e l o w d e n s i t y m o d e a t a l o w e r p r e s s u r e w h e n t h e fl o w r a t e i s d e c r e a s i n g ( f r o m a h i g h i n i t i a l fl o w r a t e ) . A t t h e c e n t e r o f t h i s h y s t e r e s i s l o o p . t h e 6 1 0 c a n e x i s t a t e i t h e r o f t h e t w o m o d e s . d e p e n d i n g o n t h e i n i t i a l c o n d i t i o n s o f t h e s o u r c e . T h i s a m b i g u o u s s t a t e o f 1 8 1 o p e r a t i o n i s t y p i c a l l y o b s e r v e d a s a n u n s t a b l e p l a s m a t h a t fl i c k e r s b a c k a n d f o r t h f r o m t h e b r i g h t h i g h d e n s i t y m o d e t o t h e d i m m e r l o w d e n s i t y m o d e . a c c o m p a n i e d b y fl u c t u a t i o n s i n t h e a m o u n t o f r e fl e c t e d p o w e r . T h e d i s c o n t i n u o u s m o d e j u m p i s u n i q u e t o a n a r g o n d i s c h a r g e . T h i s i s s e e n i n F i g u r e 4 . 9 w h i c h c o m p a r e s t h e i o n d e n s i t y d e p e n d e n c e o n p r e s s u r e f o r a r g o n a n d o x y g e n d i s c h a r g e s . A g a i n , d a t a a r e t a k e n w i t h a D L P 2 c m d o w n s t r e a m , f o r 1 6 4 W i n p u t p o w e r ( f o r b o t h a r g o n a n d o x y g e n d i s c h a r g e s ) . W i t h i n t h e r a n g e ‘ o f p r e s s u r e t e s t e d f o r t h e o x y g e n d i s c h a r g e . t h e r e i s n o e v i d e n c e o f t h e “ m o d e j u m p . ” A l s o , a s e x p e c t e d . t h e o x y g e n i o n d e n s i t i e s a r e ' m u c h l o w e r , r a n g i n g a r o u n d 1 0 1 0 c m ' 3 . c o m p a r e d t o a r g o n d e n s i t i e s t h a t c a n b e a s h i g h a s 1 0 1 1 c m ' 3 i n t h e h i g h d e n s i t y m o d e . T h i s m a y b e i n p a r t b e c a u s e o f t h e m a n y m o r e i n e l a s t i c c o l l i s i o n s a n d a t t a c h m e n t p r o c e s s e s t h a t o c c u r i n a n o x y g e n d i s c h a r g e . a n d a l s o b e c a u s e o f t h e h i g h e r i o n i z a t i o n e n e r g i e s o f o x y g e n . T h e l a r g e d a t a p o i n t “ e r r o r b a r s ” u s e d i n t h i s fi g u r e f o r t h e o x y g e n d a t a i n d i c a t e t h e t w o i o n d e n s i t y e x t r e m e s i f a l l t h e o x y g e n i o n s i n t h e p l a s m a w e r e e i t h e r 0 + o r 0 2 * . T h e a c t u a l i o n d e n s i t y , w h i c h i s e x p e c t e d t o b e m a d e u p o f a m i x t u r e o f t h e t w o s p e c i e s ( a t o m i c i o n s . o r m o l e c u l a r i o n s ) , w i l l f a l l s o m e w h e r e i n b e t w e e n t h e t w o e x t r e m e s o f t h e d a t a e r r o r b a r s . N o t e t h a t t h e p r e s s u r e a x i s o n t h e t o p c o r r e s p o n d s t o t h e a r g o n d a t a . a n d n o t t h e o x y g e n d a t a - t h e t w o g a s e s h a v e d i f f e r e n t m a s s e s , a n d s o a s p e c i fi c fl o w r a t e r e s u l t s i n a d i f f e r e n t d i s c h a r g e p r e s s u r e . T h e d a t a r e p o r t e d i n F i g u r e 4 . 9 a r e b a s e d o n t h e s a m e fl o w r a t e f o r b o t h t h e o x y g e n a n d t h e a r g o n d i s c h a r g e . I t s e e m s t h a t k n o w i n g t h e o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p l a s m a s o u r c e f o r a r g o n g a s d o e s n o t s e e m t o g i v e a n y i n d i c a t i o n s t o t h e 6 1 0 ' s p e r f o r m a n c e f o r a n o x y g e n d i s c h a r g e , e x c e p t p e r h a p s t h e e a s e o f o p e r a t i o n o f t h e 6 1 0 - t h e ) m c c i b u c r e p 0 1 E ( Y T I S N E D N O I i I _ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 8 2 P R E S S U R E ( m T o r r ) 0 . 0 0 0 . 2 0 0 . 4 0 0 . 6 0 0 . 8 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l l l l l l l l l l l l l L L J l l l l l l l l l l l l l T l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l I I I I T I T T T I I I I 0 . 0 0 1 0 . 0 0 2 0 . 0 0 3 0 . 0 0 F L O W ( s c c m ) F l g m 4 . 9 I o n d e n s i t y d e p p n d e n c e f o r a r g o n a n d o x y g e n p r e s s u r e . D o u b l e L a n g m u i r P r o b e d a t a o f i o n d e n s i t y f o r a r g o n c o m p a r e d t o t h a t f o r o x y - g e n . D a t a a r e t a k e n 2 c m d o w n s t r e a m f o r 1 2 3 W i n p u t p o w e r . N o t e t h e a b s e n c e o f t h e m o d e j u m p f o r o x y g e n p l a s m a , a s i s e v i d e n t f o r a n a r g o n d i s c h a r g e . T h e “ d a t a e r r o r b a r s " o n t h e o x y g e n p l a s m a s i g n i f y a t o m i c i o n s ( 0 * ) o r m o l e c u l a r i o n s ( 0 2 * ) . T o p a x i s d e n o t e s p r e s s u r e f o r a r g o n d i s c h a r g e o n l y , w h i l e b o t t o m a x i s i s t h e a c t u a l fl o w r a t e f o r b o t h a r g o n a n d o x y g e n d i s c h a r g e s . 1 8 3 s o u r c e s h o w e d n o o p e r a t i o n a l p r o b l e m s w h e n t h e g a s w a s s w i t c h e d f r o m a r g o n t o o x y g e n . O n l y m i n o r r e p o s i t i o n i n g o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r w a s r e q u i r e d . T h i s p o i n t w i l l b e r e - e n f o r c e d i n a l a t e r s e c t i o n w h e r e t h e e n e r g y a n a l y s i s i s c o n d u c t e d f o r a n i t r o g e n p l a s m a . ‘ F i g u r e 4 . 1 0 s h o w s t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o n p r e s s u r e f o r t w o o f t h e a r g o n d i s c h a r g e s o f F i g u r e 4 . 8 ( 2 c m d o w n s t r e a m . 1 6 4 W a n d 8 2 W i n p u t p o w e r ) . T h e s e d a t a a r e a l s o t a k e n w i t h t h e D L P . A s e x p l a i n e d i n C h a p t e r T h r e e . e l e c t r o n t e m p e r a t u r e d a t a t a k e n w i t h a d o u b l e p r o b e i s i n h e r e n t l y fl a w e d s i n c e t h e D L P o n l y s a m p l e s t h e h i g h e n e r g y e l e c t r o n s t h a t c a n p a s s t h r o u g h t h e n e g a t i v e l y c h a r g e d s h e a t h o n t h e s u r f a c e o f t h e p r o b e . H o w e v e r , t h e g e n e r a l t r e n d s o f t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n i s c l e a r . F o r t h e 1 6 4 W c u r v e , t h e t e m p e r a t u r e r a n g e s f r o m 6 5 , 0 0 0 C ( a b o u t 5 . 5 e V ) a t l o w p r e s s u r e s t o a b o u t 4 0 . 0 0 0 C ( a b o u t 3 . 5 e V ) a t h i g h e r p r e s s u r e s - t h e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e d e c r e a s e s a s t h e p r e s s u r e i n c r e a s e s . T h e d r o p i n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s m a y b e b e c a u s e a s t h e p r e s s u r e d e c r e a s e s , s o d o e s t h e n e u t r a l d e n s i t y . W i t h i n a d i f f e r e n t i a l v o l u m e o f a s t e a d y s t a t e d i s c h a r g e ( i n t h e g e n e r a t i o n r e g i o n ) , t h e i o n i z a t i o n r a t e m u s t b e b a l a n c e d b y t h e d i f f u s i o n r a t e - t h a t i s . a s t h e c h a r g e d s p e c i e s d i f f u s e o u t o f t h i s d i f f e r e n t i a l v o l u m e . t h e r e m u s t b e s u f fi c i e n t i o n i z a t i o n t o s u s t a i n t h e d i s c h a r g e . A s t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e d r o p s , t h e d i f f u s i o n o f c h a r g e d s p e c i e s o u t o f t h i s d i f f e r e n t i a l v o l u m e i n c r e a s e s , a n d h e n c e t h e i o n i z a t i o n r a t e w i t h i n t h i s v o l u m e m u s t i n c r e a s e t o c o m p e n s a t e f o r t h i s i n c r e a s e d l o s s o f c h a r g e d s p e c i e s t o s u s t a i n t h e d i s c h a r g e . T h i s i n c r e a s e i n i o n i z a t i o n r a t e i n h e r e n t l y p r e d i c a t e s a h i g h e r e l e c t r o n t e m p e r a t u r e t o s u s t a i n t h e p l a s m a , a n d m a y i n d e e d e x p l a i n t h e d e p l e t e d h i g h e n e r g y t a i l o f t h e e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n o f t h i s 1 8 4 P r e s s u r e ( m T o r r ) 0 . 0 0 0 . 2 0 0 . 4 0 0 . 6 0 0 . 8 0 7 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 l L L J l l l J l J l l l l l l l l l i l l i l i l L l l l l l l l C ) ° 6 0 . 0 0 0 1 . 0 o o 4 : . . 0 O O o r . 0 o o E l e c t r o n T e m p e r a t u r e ( X 1 0 0 0 D E G 2 0 . 0 0 l I l l l l l l l L l l i L L l i l l l i l i l l i l l i l 1 1 1 1 1 i l l l l i i l l i l l l l l i l i i l l l l l 1 0 . 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 T T T T T T I I F I T I T T I T I T T I I I I T 0 . 0 0 1 0 . 0 0 2 0 . 0 0 3 0 . 0 0 F l o w ( s c c m ) 4 E t a t i w i r e D o u b l e L a n g m u i r P r o b e d a t a f o r e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s i n a n a r g o n d i s c h a r g e a s t h e p r e s s u r e i s v a r i e d . D a t a a r e t a k e n 2 c m d o w n s t r e a m , w i t h 1 6 4 W a n d 8 2 W i n p u t p o w e r . 1 8 5 p l a s m a s o u r c e - s e e f o r e x a m p l e , F i g u r e 4 . l 5 w h e r e t h e h i g h e n e r g y e n d o f t h e m e a s u r e d E E D F d r o p s b e l o w t h e t h e o r e t i c a l M a x w e l l i a n d i s t r i b u t i o n . T h i s i n c r e a s e o f e l e c t r o n t e m p e r a t u r e w i t h d e c r e a s i n g p r e s s u r e i s i n a c c o r d a n c e w i t h a r n b i p o l a r d i f f u s i o n o f c h a r g e d s p e c i e s o u t o f t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n , f o r a n e l e c t r o p o s i t i v e , m o s t l y s i n g l y i o n i z e d d i s c h a r g e l i k e t h e a r g o n p l a s m a i n t h e M P D R 6 1 0 . T h i s b e h a v i o r h a s b e e n o b s e r v e d i n l a r g e r E C R i o n s o u r c e s a l s o - a s n o t i c e d i n F i g u r e s 3 . 1 1 a n d 4 . 1 5 o f R e f e r e n c e M a h — 8 9 a . a n d F i g u r e 6 . 3 o f R e f e r e n c e S z e - 9 3 a . T h e s e c o n d c u r v e o n F i g u r e 4 . 1 0 s h o w s t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e f o r 8 2 W i n p u t p o w e r . A t a b o u t 0 . 3 5 m T o r r . w h e r e t h e i o n d e n s i t y e x h i b i t s t h e m o d e j u m p ( c o m p a r e w i t h t h e 8 2 W i n p u t p o w e r c u r v e o f F i g u r e 4 . 8 ) . t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e j u m p s d o w n f r o m a b o u t 4 5 , 0 0 0 C t o t h e l o w 3 0 . 0 0 0 C . S o d e s p i t e a f o u r f o l d i n c r e a s e i n t h e i o n d e n s i t y , o n l y a 1 . 5 t i m e s d e c r e a s e i s s e e n i n t h e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . T h i s m a y b e d i r e c t l y a t t r i b u t e d t o a l a r g e . d i s c o n t i n u o u s j u m p i n t h e i o n c u r r e n t d e n s i t y a l s o w h e n t h e p l a s m a s o u r c e g o e s t h r o u g h t h e m o d e j u m p . T h i s s a t u r a t i o n c u r r e n t v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e i s s h o w n i n F i g u r e 4 . l 1 A c c o r d i n g t o E q n . 3 . 1 4 ( C h a p t e r T h r e e ) , t h e i o n d e n s i t y i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t . b u t i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h e s q u a r e r o o t o f t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . S o t h e f o u r f o l d d i s c o n t i n u o u s c h a n g e i n t h e i o n d e n s i t y m a y b e a t t r i b u t e d a l m o s t s o l e l y t o t h e fi v e f o l d d i s c o n t i n u o u s j u m p i n t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t v a l u e s , w i t h o n l y a m i n o r c h A n g e i n t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . H e n c e t h e s m a l l “ m o d e j u m p b e h a v i o r ” o f t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e c o m p a r e d t o t h e i o n d e n s i t y j u m p . T h i s b r i n g s t o l i g h t a v e r y i m p o r t a n t p o i n t - d u e t o t h e s m a l l d e p e n d e n c e o f t h e i o n d e n s i t y o n t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e , t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t v a r i a t i o n o f t h e 6 1 0 1 8 6 a r g o n d i s c h a r g e m a y b e u s e d a s a r o u g h q u a l i t a t i v e a s s e s s m e n t o f i t s i o n d e n s i t y v a r i a t i o n i n m o s t c a s e s . T h e n e x t t w o fi g u r e s s h o w t h e s p a t i a l v a r i a t i o n o f t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t . F i g u r e 4 . 1 2 s h o w s t h e r a d i a l p o s i t i o n d e p e n d e n c e o f t h e i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t a t - 5 0 V b i a s . P o s i t i o n 0 i s t h e c e n t e r a x i s o f t h e i o n s o u r c e ( r = 0 . z = 0 ) . D a t a a r e t a k e n w i t h a D L P f o r a 0 . 4 m T o r r a r g o n p l a s m a a t t w o d i f f e r e n t d o w n s t r e a m p o s i t i o n s - t h e s o l i d l i n e s a t 1 c m d o w n s t r e a m a n d t h e d a s h e d l i n e s a t 3 c m d o w n s t r e a m f r o m t h e z = 0 p l a n e . A l s o , t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t s a r e t a k e n a t t w o d i f f e r e n t p o w e r s ( 1 6 4 W i n d e x e d b y c i r c l e s a n d 1 2 3 W i n d e x e d b y d i a m o n d s ) . A t b o t h d o w n s t r e a m p o s i t i o n s , t h e c u r r e n t d e n s i t y d a t a i n d i c a t e s a s t r o n g l y n o n u n i f o r m “ G a u s s i a n t y p e ” d e p e n d e n c e f o r b o t h p o w e r l e v e l s . A s t r o n g p e a k i n t h e c e n t e r t a p e r s o f f a s t h e p r o b e i s m o v e d t o t h e e d g e o f t h e p l a s m a s o u r c e . W h i l e t h e c u r r e n t d e n s i t y a t 3 c m d o w n s t r e a m i s s e e n t o b e a b o u t h a l f o f t h a t a t 1 c m , t h e r a d i a l p r o fi l e i s m o r e u n i f o r m a s t h e d i s t r i b u t i o n o f c h a r g e d s p e c i e s “ s m e a r s o u t “ o n c e t h e y a r e w i t h i n t h e l a r g e v a c u u m c h a m b e r a n d t h e c h a m b e r w a l l s t h e n c o n t r o l t h e d i f f u s i o n r a t e s . F i g u r e 4 . 1 3 s h o w s t h e d o w n s t r e a m v a r i a t i o n o f t h e a r g o n i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y a t t w o d i f f e r e n t p r e s s u r e l e v e l s . w i t h t h e i n p u t p o w e r b e i n g 1 2 3 W . D a t a a r e t a k e n a t t h e c e n t e r a x i s ( r = 0 ) o f t h e i o n s o u r c e . N o t e t h e a l m o s t l i n e a r d r o p i n t h e d e n s i t y o n a s e m i - l o g s c a l e . T h i s i n d i c a t e s a r a p i d e x p o n e n t i a l . d e c a y o f c h a r g e d s p e c i e s a s t h e d i s t a n c e f r o m t h e p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n ( 2 = 0 ) i n c r e a s e s . T h i s i s a l s o o b s e r v e d i n o t h e r g a s e s , a s i s . i n d i c a t e d i n F i g u r e 4 . 1 4 w h i c h s h o w s t h e s a m e l i n e a r f a l l o f s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y w i t h i n c r e a s i n g d o w n s t r e a m p o s i t i o n f o r f o u r d i f f e r e n t d i s c h a r g e g a s e s ( a r g o n . h y d r o g e n . n i t r o g e n a n d o x y g e n ) . 1 8 7 P r e s s u r e ( m T o r r ) 0 . 0 0 0 . 2 0 0 . 4 0 0 . 6 0 0 . 8 0 5 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l l l l l l l l l l l L l l l l l l 5 _ . g 2 0 5 w £ 4 . 0 0 : a = = = 3 . I 1 6 4 W 0 ' ‘ n t n 2 L - 1 0 I o { 5 . 0 0 : 1 2 3 W < . . E , Z a 3 2 2 . 0 0 5 0 _ O _ . E . : 8 2 W 0 . . t : 8 1 . 0 0 ? 3 § i 5 i 6 = y 0 . 0 0 fi I I T I I T I F T I H T T T I I I I I I I I T T T I I l r I I T T 0 . 0 0 1 0 . 0 0 2 0 . 0 0 3 0 . 0 0 F l o w ( s c c m ) P i g g y 4 . 1 1 I o n m u g n c m n t v m t i p n w i t h p r e g p r p D o u b l e L a n g m u i r P r o b e d a t a f o r i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t i n a n a r g o n d i s c h a r g e a s t h e p r e s s u r e i s v a r i e d . D a t a a r e t a k e n 2 c m d o w n s t r e a m f o r f o u r p o w e r l e v e l s ( 1 6 4 W . 1 2 3 W , 8 2 W a n d 6 6 W ) . P r o b e b i a s i s - 5 0 V . 1 8 8 3 . 0 0 ’ 5 - o _ I 3 i 3 - Q . 1 3 5 , - > _ _ 1 : _ m _ z _ l - I J _ D u + - - _ E 1 . 0 0 - — a : _ 0 5 _ D o - 1 g : 0 0 0 0 0 1 6 4 W , 1 c m d o w n s t r e a m — - 0 0 . 0 0 0 1 2 3 W , 1 c m d o w n s t r e a m s ~ O O O C D I S A - W , 3 c m d o w n s t r e a m ‘ 0 0 . 0 0 0 1 2 3 W , 3 c m d o w n s t r e a m 0 . 0 0 1 1 1 1 1 1 1 T I F I I T I I T I T I I T I T T I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 - 2 . 0 0 — 1 . 0 0 0 . 0 0 1 . 0 0 2 . 0 0 R A D I A L P O S I T I O N ( c m ) m p g ; 4 . 1 2 I o n u t m t i o p c u r r e n t v a r i a t i o n g t h 1 1 1 1 ; ! n a t i o n D o u b l e L a n g m u i r P r o b e d a t a f o r i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y i n a n a r g o n d i s - c h a r g e a s t h e r a d i a l p o s i t i o n i s v a r i e d a t z = l a n d z = 3 c m d o w n s t r e a m . D a t a a r e t a k e n f o r t w o d i f f e r e n t p o w e r l e v e l s ( 1 6 4 W a n d 1 2 3 W ) f o r a 0 . 4 m T o r r p r e s - s u r e . ) m c . q s r e p A m ( Y T I S N E D T N E R R U C N O I 1 8 9 1 0 - c a s e s 0 . 5 m T o r r — 9 9 9 % 1 . 1 m T o r r — t 0 . 1 T I T I T T T I I [ T T T T T I I I I T I I I I T T T I T 0 . 0 0 5 . 0 0 . 1 0 . 0 0 1 5 . 0 0 D I S T A N C E D O W N S T R E A M ( c m ) 4 . s a t u r a t i o n n v a t i o w i s i o n d o s t r e a m . D o u b l e L a n g m u i r P r o b e d a t a f o r i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t i n a n a r g o n d i s c h a r g e a s t h e p o s i t i o n d o w n s t r e a m i s v a r i e d . D a t a a r e t a k e n f o r t w o p r e s s u r e s ( 0 . 5 m T o r r a n d l . 1 m T o r r ) , f o r a 1 2 3 W p o w e r l e v e l . T h e D L P i s c e n t e r e d a t t h e r = 0 p o s i - t i o n . . 1 9 0 E A E G O O S E ) A r g o n E < . G B B E I E J H y d r o g e n 0 , @ 9 9 9 0 N i t r o g e n 3 - M e g a n O x y g e n \ < 2 E Z E 1 — ( n _ z _ L u _ o — l I ' — z _ L r J a : _ o : 3 o _ z 9 O _ 1 T 1 l l I I I I I I [ j r I T I I l l I l l I I I l l l I 0 . 0 0 4 . 0 0 8 0 0 1 2 . 0 0 D O W N S T R E A M P O S I T I O N ( c m ) H m 4 . 1 4 I o n s a t u r a t i o n c u r r e n t v a r i a t i o n w i t h p o s i t i o n d o w n s t r e a m f o r f o u r d i f f e r e n t d i s c h g g e g a s e s . D L P d a t a f o r i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t f o r f o u r g a s e s i s s h o w n - a r g o n , h y d r o g e n . n i t r o g e n a n d o x y g e n . N o t e t h e l i n e a r d e p e n d e n c e o f t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t w i t h d o w n s t r e a m p o s i t i o n o n t h e s e m i - l o g s c a l e - t h i s i n d i c a t e s a n e x p o n e n t i a l d e c a y i n t h e c h a r g e d s p e c i e s c o n c e n t r a t i o n . 1 9 1 F i g u r e s 4 . 1 2 . 4 . l 3 a n d 4 . 1 4 d i s p l a y t h e r a p i d d e c r e a s e o f c h a r g e d s p e c i e s a s t h e p r o b e s a r e m o v e d a w a y b o t h r a d i a l l y ( z = 1 , 3 c m a n d r = 2 1 : 3 c m ) a n d l o n g i t u d i n a l l y ( r = 0 . z > 0 ) f r o m t h e s o u r c e o u t p u t . T h i s r a p i d d i f f u s i o n o f t h e c h a r g e d s p e c i e s i s s i m i l a r t o d e n s i t y v a r i a t i o n s o b s e r v e d i n l a r g e r E C R p l a s m a s o u r c e s a l s o [ H o p - 8 8 ] , a n d c a n b e r e l a t e d t o n o r m a l a m b i p o l a r d i f f u s i o n p r o c e s s e s w i t h i n t h e l a r g e v a c u u m c h a m b e r o u t s i d e o f t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n ( 2 < 0 ) . 4 . . 2 E l e n a n d I o n E n e A n a l 1 T h i s s e c t i o n o f t h e c h a p t e r i s d e v o t e d t o i o n a n d e l e c t r o n e n e r g y m e a s u r e m e n t s f o r a n a r g o n d i s c h a r g e a t 2 ‘ . 4 5 G H z . A l l d a t a a r e t a k e n u s i n g a s i n g l e L a n g m u i r p r o b e ( f o r t h e e l e c t r o n e n e r g i e s ) a n d a g r o u n d e d i o n e n e r g y a n a l y z e r ( f o r t h e i o n e n e r g i e s ) i n a c c o r d a n c e w i t h t h e t e c h n i q u e s d e s c r i b e d i n C h a p t e r T h r e e . F i g u r e 4 . 1 5 i s a t y p i c a l e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n f o r a n a r g o n d i s c h a r g e i n t h e M P D R 6 1 0 . T h i s d a t a i s t a k e n w i t h a n S L P l o c a t e d 2 c m d o w n s t r e a m , f o r 1 2 3 W i n p u t p o w e r a n d a 2 0 s c c m ( e q u i v a l e n t t o a 0 . 5 8 m T o r r ) d i s c h a r g e . N O t e t h a t w h i l e t h e e x p e r i m e n t a l c u r v e f o l l o w s t h e g e n e r a l t r e n d o f t h e M a x w e l l i a n d i s t r i b u t i o n , i t v a r i e s s u b s t a n t i a l l y f r o m t h e M a x w e l l i a n . d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n a n d s e e m s t o b e t t e r fi t t h e D r u y v e s t e y n f u n c t i o n - a p o i n t t h a t w a s b r o u g h t u p i n C h a p t e r T h r e e w h i l e d i s c u s s i n g S L P t h e o r y . O n c e t h e E E D F h a s b e e n d i r e c t l y m e a s u r e d , t h e a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g y i s d e t e r m i n e d f r o m E q n . 3 . 1 7 ( C h a p t e r T h r e e ) . T h e M a x w e l l i a n a n d D r u y v e s t e y n t h e o r e t i c a l c u r v e s a r e t h e n p l o t t e d u s i n g t h i s c a l c u l a t e d a v e r a g e e n e r g v a l u e . T h e p l a s m a p o t e n t i a l i s t h e k n e e o f t h e S L P l - V c h a r a c t e r i s t i c s ( s e e F i g u r e 3 . 1 , C h a p t e r 1 9 2 0 . 2 0 : E — — — — M a x w e M a n ‘ - - D r u y v e s t e y n 0 . 1 5 — : O O O O O E x p e r i m e n t a l Q 0 1 0 3 I “ ' I I I I I I 0 . 0 5 { I 0 . 0 0 € 0 . 0 0 5 . 0 0 1 0 . 0 0 1 5 . 0 0 2 0 . 0 0 2 5 . 0 0 E n e r g y ( e V ) fi g u _ r _ e 4 . 1 5 A t y p i c a l E E D F f o r a n a _ r g o n d i s c h a r g e . S i n g l e L a n g m u i r P r o b e d a t a . t a k e n a t 2 c m d o w n s t r e a m f o r a 1 2 3 W i n p u t p o w e r . 2 0 s c c m = 0 . 5 8 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e . N o t e t h a t t h e e x p e r i m e n t a l c u r v e v a r i e s s o m e w h a t f r o m t h e M a x w e l l i a n a n d D r u y v e s t e y n c u r v e s f o r t h e s a m e a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g y . 1 9 3 T h r e e ) , a n d i s t h e r e f o r e t h e l o c a l m a x i m u m o f t h e d 2 1 / d V 2 c u r v e . F o r F i g u r e 4 . 1 5 . t h e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e i s a b o u t 3 . 9 e V ( 4 6 , 0 0 0 K ) , a n d t h e p l a s m a p o t e n t i a l i s 1 1 . 2 V . N o t e t h a t u s i n g E q n . 1 0 . 2 . 9 f r o m C h a p t e r T e n o f R e f e r e n c e L i e - 9 4 . t h e o r e t i c a l a n a l y s i s i n d i c a t e s t h a t f o r a n a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e o f 3 . 9 e V i n a n a r g o n d i s c h a r g e , t h e p l a s m a p o t e n t i a l s h o u l d b e a p p r o r d m a t e l y 4 . 7 ( 3 . 9 ) = a b o u t 1 8 . 3 3 V . T h e d i s c r e p a n c y i n t h e m e a s u r e d p l a s m a p o t e n t i a l v a l u e ( 1 1 . 2 V ) a n d t h e a n a l y t i c a l v a l u e c a l c u l a t e d a b o v e m a y b e d u e t o t w o f a c t o r s . F i r s t . t h e o r y a s s u m e s a M a x w e l l i a n d i s t r i b u t i o n w h i c h i s c l e a r l y n o t t h e c a s e a s m a y ' b e s e e n f r o m F i g u r e 4 . 1 5 . A n d s e c o n d , t h e t h e o r y i s a c c u r a t e f o r a v o l u m e o f d i s c h a r g e w h e r e d i f f u s i o n a n d i o n i z a t i o n l o s S e s a r e e q u a l - t h a t i s , i n t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n . E x p e r i m e n t a l d a t a o f F i g u r e 4 . 1 5 w a s t a k e n 2 c m d o w n s t r e a m o f t h e g e n e r a t i o n r e g i o n , w h e r e t h e r e i s n o i o n i z a t i o n . A n o t h e r p o i n t a b o u t t h e e x p e r i m e n t a l c u r v e i n F i g u r e 4 . l 5 i s t h e e v i d e n c e o f a d e p l e t e d h i g h e n e r g y t a i l , w h i c h m a y b e b e c a u s e t h e h o t e l e c t r o n s a r e b e i n g u s e d t o i o n i z e t h e g a s a n d s u s t a i n t h e d i s c h a r g e , t h e r e b y c o o l i n g t h e o v e r a l l t e m p e r a t u r e o f t h e e l e c t r o n g a s . V a r i a t i o n o f t h e p l a s m a p o t e n t i a l o f a n a r g o n d i s c h a r g e w i t h p r e s s u r e i s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 6 . A s w a s s e e n i n F i g u r e 4 . 1 0 , t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e f a l l s w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e - t h e p l a s m a p o t e n t i a l a l s o d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g d i s c h a r g e p r e s s u r e . T h e s e t w o fi g u r e s o f m e r i t a r e i n f a c t c o u p l e d t o g e t h e r . T h e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e i s a m e a s u r e o f t h e r a n d o m k i n e t i c e n e r g y o f t h e e l e c t r o n g a s . T h e p l a s m a p o t e n t i a l i s s e t u p i n s i d e t h e l a r g e s t a i n l e s s s t e e l v a c u u m c h a m b e r ( f o r z > 0 l o c a t i o n s ) w h e n t h e m o r e e n e r g e t i c e l e c t r o n s ( c o m p a r e d t o t h e i o n s ' r a n d o m k i n e t i c e n e r g y ) r a p i d l y d i f f u s e a w a y t o s o m e i l i i i i l l i i i l i i i i ) V ( l a L i t n h i e i t o P a m s a l P l l I i l i l J i i i l l i i h l L J i i 1 9 4 P r e s s u r e ( m T o r r ) 0 . 0 0 0 . 2 0 0 . 4 0 0 . 6 0 . 8 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 2 4 . 0 2 2 . 0 2 0 . 0 1 8 . 0 1 6 . 0 1 4 . 0 1 2 . 0 1 0 . 0 8 . 0 fi l l l l l l l l I I 1 1 I T I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I { I ‘ l l l l l l l l l I l l l l l l l l l 3 5 8 1 0 1 3 1 5 1 8 2 0 2 3 2 5 2 8 3 0 3 3 F l o w R a t e ( s c c m ) F i l m 4 . 1 g _ A _ r g g g P l a s m a E t e n t i a l v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e . S i n g l e L a n g m u i r P r o b e d a t a o n p l a s m a p o t e n t i a l v a r i a t i o n w i t h t h e a r g o n d i s - c h a r g e p r e s s u r e . D a t a a r e t a k e n 2 c m d o w n s t r e a m f o r 8 2 W i n p u t p o w e r . 1 9 5 c o n d u c t i n g s u r f a c e . l i k e t h e v a c u u m c h a m b e r w a l l s . A t s t e a d y s t a t e . t h e r e i s a p o t e n t i a l s e t u p t o c o u n t e r t h i s s e p a r a t i o n o f t h e e l e c t r o n s a n d i o n s . a n d r e t a r d t h e e l e c t r o n d r i fl t o t h e w a l l s . T h i s i s k n o w n a s t h e p l a s m a p o t e n t i a l . T h e e l e c t r o n s a n d i o n s t h e n d i f f u s e t o g e t h e r t h r o u g h t h e v a c u u m c h a m b e r i n t h e p r e s e n c e o f t h i s p o t e n t i a l a s d i c t a t e d b y t y p i c a l a m b i p o l a r d i f f u s i o n . A s t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e i n c r e a s e s , t h e e l e c t r o n g a s c o o l s ( w h i c h i s s e e n i n F i g u r e 4 . 1 0 a n d i s e x p l a i n e d b y t h e i o n i z a t i o n - d i f f u s i o n b a l a n c e t h e o r y o f S e c t i o n 4 . 6 . 1 ) a n d t h e d i f f u s i o n o f t h e e l e c t r o n s t o t h e c h a m b e r w a l l s i s r e d u c e d s o m e w h a t b y t h e i r l o w e r k i n e t i c e n e r g V - h e n c e t h e l o w e r p l a s m a p o t e n t i a l a t h i g h e r p r e s s u r e s . I n g e n e r a l t h e r e f o r e . t h e p l a s m a p o t e n t i a l v a r i a t i o n c l o s e l y f o l l o w s t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n , w h i c h i s i n t u r n c o u p l e d t o t h e a v e r a g e i o n e n e r g i e s . T h i s t o p i c w i l l b e e n c o u n t e r e d a g a i n i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s t h a t e x h a u s t i v e l y d i s c u s s i o n a n d e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n s i n a n i t r o g e n p l a s m a . T h e n e x t t w o f i g u r e s s h o w t h e i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s f o r a n a r g o n ' p l a s m a a s t h e y v a r y w i t h i n p u t p o w e r a n d d i s c h a r g e p r e s s u r e r e s p e c t i v e l y . D a t a w e r e t a k e n u s i n g t h e g r o u n d e d m u l t i - g r i d i o n e n e r g ' a n a l y z e r p l a c e d 2 c m d o w n s t r e a m . F i g u r e 4 . 1 7 s h o w s t h e I E D F v a r i a t i o n f o r d i f f e r e n t i n c i d e n t p o w e r s a t a fi x e d p r e s s u r e o f 0 . 3 1 m T o r r ( w i t h a c o r r e s p o n d i n g g a s fl o w o f 1 5 s c c m ) . A s i n p u t p o w e r i n c r e a s e s , t h e I E D F s h i f t s t o h i g h e r i o n e n e r g i e s . T h e a v e r a g e i o n e n e r g y c h a n g e s f r o m 1 6 . 5 7 e V a t 8 2 W t o 3 3 . 9 5 e V a t 1 2 3 W , a n d t o 4 1 . 5 1 e V a t 1 6 4 W o f i n c i d e n t p o w e r . T h e f u l l w i d t h h a l f m a x i m u m ( F W H M ) a l s o i n c r e a s e s f r o m 8 . 5 e V t o 1 0 . 3 e V , f o r a c h a n g e i n i n p u t p o w e r f r o m 8 2 W t o 1 6 4 ' W . N o t e t h a t t h i s i s a l a r g e i n c r e a s e i n a v e r a g e i o n e n e r g i e s w i t h i n c r e a s i n g p o w e r , a s c o m p a r e d t o o t h e r ( a l b e i t l a r g e r ) M P D R s - s e e f o r e x a m p l e . 1 9 6 0 . 1 2 y 3 0 . 1 0 E 0 . 0 8 E " Q 0 0 6 E 0 . 0 4 i i E 0 . 0 2 - : . , 3 , . 0 . 0 0 — - . - ' ’ 2 ~ - ‘ 0 . 0 0 E N E R G Y ( e V ) W W I E D F s a r e t a k e n w i t h t h e i o n e n e r g y a n a l y z e r 2 c m d o w n s t r e a m f o r a 0 . 3 1 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e f o r t h r e e i n p u t p o w e r s : 8 2 W . 1 2 3 W a n d 1 6 4 W . N o t e t h e s h i f t t o w a r d s h i g h e r e n e r g y a s p o w e r i s i n c r e a s e d . A l s o . t h e F W H M i n c r e a s e s w i t h i n p u t p o w e r . 1 9 7 F i g u r e 7 . 4 o f R e f e r e n c e H o p - 9 1 . S u c h a l a r g e i n c r e a s e i n a v e r a g e i o n e n e r g i e s ( a n d a c o r r e s p o n d i n g s h i f t o f t h e l E D F s t o w a r d s h i g h e r e n e r g i e s ) a s i n p u t p o w e r i s r a i s e d m e a n s t h a t t h e p l a s m a p o t e n t i a l ( a n d t h e r e f o r e t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a l s o ) o f t h e d i s c h a r g e i s i n c r e a s i n g a s t h e i n p u t p o w e r i s r a i s e d , s i n c e i o n s g a i n s o m e d i r e c t e d e n e r g y b y f a l l i n g t h r o u g h t h e p l a s m a p o t e n t i a l s e t u p i n t h e v a c u u m p r o c e s s i n g c h a m b e r . T h e p r e s s u r e d e p e n d e n c e o f t h e I E D F s i s s e e n i n F i g u r e 4 . 1 8 . O v e r a n a r g o n p r e s s u r e r a n g e o f 0 . 2 4 m T o r r t o 0 . 7 2 m T o r r , t h e F W H M c h a n g e s f r o m 9 e V t o 1 1 e V , w h i l e t h e a v e r a g e i o n e n e r g y d r o p s f r o m 3 5 . 5 7 e V t o 3 0 . 8 5 e V . T h i s ' m a y b e e x p l a i n e d i n p a r t b y t h e d e c r e a s e i n p l a s m a p o t e n t i a l w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e , a s w a s s e e n i n F i g u r e 4 . 1 6 . W h i l e m o s t o f t h e d i r e c t e d e n e r g y o f t h e i o n s m a y b e a t t r i b u t e d t o t h e s h e a t h p o t e n t i a l f o r m e d o v e r t h e s u r f a c e o f t h e i o n e n e r g y a n a l y z e r , t h e i o n s g a i n f u r t h e r e n e r g y a s t h e y f a l l t h r o u g h t h e e q u i p o t e n t i a l s u r f a c e s o f t h e p l a s m a p o t e n t i a l . T h i s w a s a l s o m e n t i o n e d a b o v e w h i l e d i s c u s s i n g t h e i o n e n e r g y v a r i a t i o n w i t h i n p u t p o w e r . S i n c e t h i s p l a s m a p o t e n t i a l d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e , t h e i o n s g a i n l e s s e r e n e r g y a t h i g h e r p r e s s u r e s , h e n c e t h e d e c r e a s i n g a v e r a g e i o n e n e r g w i t h r i s i n g d i s c h a r g e p r e s s u r e s . A s t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e i n c r e a s e s , t h e c o l l i s i o n f r e q u e n c y o f i o n s w i t h o t h e r p l a s m a s p e c i e s i n c r e a s e s - w h i c h i s i n d i c a t e d b y t h e r i s e i n t h e ‘ F W H M , w h i c h i s a m e a s u r e o f t h e r a n d o m ( n o t d i r e c t e d ) e n e r g y o f t h e i o n s . T h e i n c r e a s e i n F W H M i s a l s o o b s e r v e d w h e n i n p u t p o w e r i s r a i s e d - a n d t h i s i s k n o w n a s g a s h e a t i n g . T h e d e c r e a s e i n i o n e n e r g i e s w i t h i n c r e a s e d p r e s s u r e h a s a l s o b e e n o b s e r v e d i n l a r g e r E C R s o u r c e s [ H o p - 9 1 ) . F i g u r e s 4 . 1 7 a n d 4 . 1 8 a r e i n d i c a t i v e t h a t t h e 6 1 0 c a n p r o d u c e l o w a v e r a g e e n e r g y i o n s w i t h n a r r o w a n d p e a k e d i o n 1 9 8 0 . 1 2 _ 3 0 9 0 9 0 0 . 7 2 m T o r r 3 6 6 6 8 6 0 . 4 3 m T o r r ; 8 8 8 8 8 0 . 2 4 m T o r r 0 . 1 0 - _ i 0 . 0 8 E 9 0 0 6 - : 0 . 0 4 E 0 . 0 2 E i . 5 3 2 4 0 . 0 0 “ = 9 - - ‘ x t - ‘ V f l l l l l l l l l f f l T l l l l l l [ 1 1 ' . 2 3 1 3 1 0 . 0 2 0 . 0 0 3 0 . 0 0 4 0 . 0 0 5 0 . 0 0 E N E R G Y ( e V ) 4 . o n I E D F v t i o n w i t h r e . I E D F s a r e t a k e n w i t h t h e i o n e n e r g y a n a l y z e r 2 c m d o w n s t r e a m f o r 1 2 3 W a r g o n d i s c h a r g e f o r t h r e e p r e s s u r e s : 0 . 7 2 m T o r r , 0 . 4 3 m T o r r a n d 0 . 2 4 m T o r r . N o t e t h e s h i f t t o w a r d s l o w e r e n e r g y a s p r e s s u r e i s i n c r e a s e d . A l s o , t h e F W H M i n c r e a s e s a s p r e s s u r e g o e s u p . 1 9 9 e n e r g y d i s t r i b u t i o n s w h i c h m a y b e c o n t r o l l e d b y p o w e r a n d p r e s s u r e v a r i a t i o n s , o r w i t h t h e a p p l i c a t i o n o f D C o r R F b i a s t o t h e s u b s t r a t e [ H o p - 9 0 a ] . 4 . § . § C o m p a r i s o n o f M e a g u r e d D a t a w i t h T h e o r e t i c a l P r e d i c t i o n s T h e o r e t i c a l a n a l y s e s p r e d i c t i n g t h e b e h a v i o r o f g a s d i s c h a r g e s h a v e b e e n c o v e r e d i n s e v e r a l b o o k s . O n e o f t h e m o r e i m p o r t a n t t h e o r i e s t h a t a r i s e o u t o f t h e s e a n a l y s e s i s t h a t a b o u t t h e d i f f u s i o n o f c h a r g e d a n d n e u t r a l s p e c i e s w i t h i n a n d o u t o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r . F o l l o w i n g t h e c o n c e p t s o f d i f f u s i o n t h e o r y i n t r o d u c e d i n R e f e r e n c e L i e - 9 4 . s o m e c a l c u l a t i o n s m a y b e d o n e t o p r e d i c t t h e o p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e o f a n a r g o n d i s c h a r g e s i m i l a r t o t h e M P D R 6 1 0 . A s w i l l b e s e e n , t h e c a l c u l a t i o n s g e n e r a t e r e s u l t s t h a t a r e t h e s a m e o r d e r o f m a g n i t u d e ( o r c l o s e ) w h e n c o m p a r e d t o t h e m e a s u r e d c h a r a c t e r i s t i c s d i s c u s s e d i n S e c t i o n s 4 . 6 . l a n d 4 . 6 . 2 , a n d p r o v i d e a u s e f u l r a t i fi c a t i o n o f t h e m e a s u r e d d a t a w i t h t h e o r y . S e v e r a l n e w t e r m s w i l l b e u s e d d u r i n g t h e s e c a l c u l a t i o n s , a n d a b r i e f n o m e n c l a t u r e o f t h e s e t e r m s i s n o w p r e s e n t e d . T h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n s i m u l a t e d i n t h e s e c a l c u l a t i o n s i s . c y l i n d r i c a l w i t h a l e n g t h ( l ) o f 4 . 7 c m a n d a r a d i u s ( R ) o f 1 . 8 c m - b o t h t h e s e d i m e n s i o n s c o r r e s p o n d t o t h e q u a r t z c u p o f t h e M P D R 6 1 0 . T h e p r e s s u r e o f t h e d i s c h a r g e ( P ) i s 1 . 0 m T o r r . T h e d i s c h a r g e g a s t e m p e r a t u r e ( T 9 ) i s 4 5 0 K - a n a p p r o x i m a t i o n . T h e p r o g r e s s i o n o f t h i s c a l c u l a t i o n i s a s f o l l o w s : t h e n e u t r a l g a s d e n s i t y ( n 9 ) f o r t h e a b o v e t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e i s c a l c u l a t e d f o l l o w e d b y c a l c u l a t i o n o f t h e i o n m e a n f r e e p a t h ( 2 . . ) w h i c h i s d e p e n d e n t o n t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e . T h e “ e f f e c t i v e p l a s m a s i z e ” a s d e fi n e d b y L i e b e r m a n ( d e fl ) i s c a l c u l a t e d , b a s e d o n t w o p a r a m e t e r s c o r r e s p o n d i n g t o t h e r a d i a l a n d a x i a l d i f f u s i o n ( h r a n d 2 0 0 h i r e s p e c t i v e l y ) . T h e s e p a r a m e t e r s ( “ f u d g e f a c t o r s ” ) a r e n e c e s s a r y f o r c l o s e d f o r m s o l u t i o n s f o r t h e c o m p l e x e q u a t i o n s a r i s i n g o u t o f t h e d i f f u s i o n t h e o r y t h a t fi t s t h e p r e s s u r e r e g i m e o f t h e M P D R 6 1 0 . H e r e , h , i s d e fi n e d a s t h e r a t i o o f t h e d e n s i t y a t l e n g t h l / 2 t o t h a t a t t h e c e n t e r , w h i l e 1 1 , i s d e fi n e d a s t h e r a t i o o f t h e d e n s i t y a t r a d i u s R t o t h e d e n s i t y a t t h e c e n t e r . T h e fi r s t s e t o f c a l c u l a t i o n s c o n d u c t e d i n t h i s s e c t i o n w i l l h a v e b o t h r a d i a l a n d a x i a l l o s s e s t h r o u g h d i f f u s i o n . H o w e v e r . f o r t h e M P D R 6 1 0 . w h e r e m a g n e t i c fi e l d s p r e v e n t s o m e a m o u n t o f r a d i a l l o s s e s , a n o t h e r s e t o f c a l c u l a t i o n s w i l l b e c o n d u c t e d w i t h z e r o r a d i a l d i f f u s i o n l o s s e s . T h i s l i m i t i n g c a s e m a y b e s i m u l a t e d b y s e t t i n g h , t o z e r o , i . e . t h e i o n d e n s i t y a t r a d i u s R i s z e r o . ' 0 T h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e ( T e ) o f t h e d i s c h a r g e i s t h e n p r e d i c t e d u s i n g F i g u r e 1 0 . l o f R e f e r e n c e L i e - 9 4 f r o m t h e p r o d u c t o f t h e e f f e c t i v e d i f f u s i o n l e n g t h a n d t h e n e u t r a l g a s d e n s i t y ( n g . d e fl ) . T h i s T e m a y t h e n b e u s e d t o a p p r o x i m a t e t h e p l a s m a p o t e n t i a l ( V 5 ) a n d t h e a v e r a g e i o n e n e r g y ( E ! ) o f t h e d i s c h a r g e . F o r t h e c a l c u l a t i o n o f t h e i o n d e n s i t y , s e v e r a l o t h e r s u b - c a l c u l a t i o n s m u s t fi r s t b e c o n d u c t e d . T h e t o t a l e n e r g l o s t t o t h e d i s c h a r g e ( E r ) i s fi r s t c a l c u l a t e d - a s u m o f t h e c o l l i s i o n a l e n e r g ( E C , e s t i m a t e d f r o m F i g u r e 3 . 1 7 o f R e f e r e n c e L i e - 9 4 ) r e q u i r e d f o r t h e p r o d u c t i o n o f a n i o n — e l e c t r o n p a i r , t w i c e t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e ( 2 T ? ) a n d t h e i o n e n e r g ( E 0 . T h e B o h m v e l o c i t y ( : 1 3 ) , w h i c h i s t h e i o n v e l o c i t y a t t h e p l a s m a s h e a t h i s t h e n c a l c u l a t e d , a s i s t h e e f f e c t i v e a r e a o f d i f f u s i o n ( A e fl ) . T h e i o n d e n s i t y ( n ‘ ) i s t h e n c a l c u l a t e d t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e a c t u a l p o W e r a b s o r b e d w i t h i n t h e d i s c h a r g e . t h e B o h m v e l o c i t y , t h e e f f e c t i v e a r e a o f d i f f u s i o n l o s s a n d t h e t o t a l e n e r g y a b s o r b e d b y t h e d i s c h a r g e . F o r a s p e c i fi c g a s t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e , t h e n e u t r a l g a s d e n s i t y ( n 9 ) m a y b e c a l c u l a t e d u s i n g t h e d e n s i t y a t 1 m T o r r . w h i c h i s 3 . 3 x 1 0 1 9 m ' 3 . A t 1 . 0 2 0 1 m T o r r a n d 4 5 0 K . n g i s c a l c u l a t e d t o b e 3 . 3 x 1 0 1 9 x 2 — 9 - 8 - = 2 . 1 8 x 1 0 1 9 m ' 3 . 4 5 0 T h e i o n m e a n f r e e p a t h ( ) 1 ) i s d e p e n d e n t o n t h e p r e s s u r e a n d i s g i v e n b y : ) ‘ i = 3 % , c m , ( 4 . 1 ) w h e r e P i s t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e i n T o r r . F r o m t h i s e q u a t i o n , t h e m e a n f r e e p a t h f o r a l . 0 m T o r r p r e s s u r e i s a b o u t 3 c m . T h e t w o p a r a m e t e r s t h a t c o r r e s p o n d t o t h e r a d i a l a n d a x i a l d i f f u s i o n o f c h a r g e d s p e c i e s o u t o f t h e g e n e r a t i o n r e g i o n - h , a n d h , r e s p e c t i v e l y , a r e d e p e n d e n t o n t h e i o n m e a n f r e e p a t h a n d t h e d i m e n s i o n s o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r . F o l l o w i n g R e f e r e n c e L i e - 9 4 . t h e c o e f fi c i e n t s m a y b e a p p r o x i m a t e d a s : — l / 2 I — 1 / 2 h = 0 . 8 ( 4 + 5 ) . ( 4 . 3 ) r A . F o r t h e l e n g t h . r a d i u s a n d i o n m e a n f r e e p a t h u s e d i n t h i s ' c a l c u l a t i o n , h , i s a b o u t 0 . 3 7 a n d h , i s 0 . 4 4 . T h e n t h e e f f e c t i v e p l a s m a s i z e ( d e g ) i s g i v e n b y : R I _ _ 1 d e f f ' 5 1 1 % , » . t h m ' ( 4 . 4 ) W h e n t h e a p p r o p r i a t e n u m b e r s a r e s u b s t i t u t e d . t h e v a l u e o f d e g i s c a l c u l a t e d t o 2 0 2 b e 1 . 6 7 c m , o r 1 . 6 7 x 1 0 — 2 m . T h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e o f s u c h a d i s c h a r g e ( w i t h t h e g i v e n d i m e n s i o n s . a t t h e g i v e n p r e s s u r e a n d n e u t r a l g a s d e n s i t y , a n d w i t h t h e a p p r o p r i a t e d i f f u s i o n c h a r a c t e r i s t i c s ) i s p l o t t e d v e r s u s t h e p r o d u c t o f t h e g a s d e n s i t y ( n g ) a n d t h e e f f e c t i v e p l a s m a s i z e ( d e g ) i n F i g u r e 1 0 . 1 o f R e f e r e n c e L i e - 9 4 . T h i s p r o d u c t 1 9 1 7 ( n g . d e fl ) i s c a l c u l a t e d t o b e a b o u t 2 . 1 8 x 1 0 - 1 . 6 7 x 1 0 " 2 m ’ 2 o r . 3 . 6 4 x 1 0 m ' z . T h e n f r o m F i g u r e 1 0 . l o f R e f e r e n c e L e i - 9 4 . t h e e s t i m a t e d e l e c t r o n t e m p e r a t u r e ( T e ) i s a b o u t 8 V ( o r e V ) . N o t e t h a t s o m e e x t r a p o l a t i o n o f t h e c u r v e i n F i g u r e 1 0 . 1 i s n e c e s s a r y , s i n c e t h i s c u r v e h a s a l i m i t e d r a n g e o n t h e a b s c i s s a . T h e p l a s m a p o t e n t i a l V 5 i s t h e n e s t i m a t e d b y t h e f o l l o w i n g : V s = 4 . 7 L T e ) V ( 4 . 5 ) A n d t h e a v e r a g e i o n e n e r g y E ! i s e s t i m a t e d a s : E i z 5 . 2 ( T e ) V ( 4 . 6 ) F o r T e e q u a l t o 8 V . V 5 i s c a l c u l a t e d t o b e a b o u t 3 7 . 6 V , w h i l e t h e i o n e n e r g y i s a b o u t 4 1 . 6 V . T h e e n e r g y l o s t t o c o l l i s i o n s ( E C ) f o r e a c h i o n - e l e c t r o n p a i r t h a t i s c r e a t e d m a y b e a p p r o x i m a t e d f r o m F i g u r e 3 . 1 7 o f R e f e r e n c e L e i - 9 4 t h a t p l o t s E c v e r s u s T e . F r o m t h i s fi g u r e . E c i s a b o u t 2 8 V f o r t h e 8 V T e . 2 0 3 A s m e n t i o n e d e a r l i e r , t h e t o t a l e n e r g y b e i n g a b s o r b e d b y t h e p l a s m a ( 1 3 . ) i s t h e n g i v e n b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : E = 5 + 2 7 + E . V ( 4 - 7 ) I C e 1 U s i n g t h e n u m b e r s f r o m a b o v e , E : i s c a l c u l a t e d t o b e a b o u t 8 5 . 6 V . T h e B o h m v e l o c i t y o f i o n s ( u B ) i s n o w c a l c u l a t e d : I ” . - ( 4 . 8 ) “ B = — m / s m w h i c h f o r a r g o n m a y b e r e d u c e d ( u s i n g t h e e l e c t r o n c h a r g e e , a n d t h e i o n m a s s f o r a r g o n m ) t o “ B = 1 . 5 4 S x 1 0 3 ( T e ) - 1 / 2 m / s . ( 4 . 9 ) F o r t h e g i v e n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e ( a b o u t 8 V ) . t h e B o h m v e l o c i t y i s a b o u t 4 . 3 7 x 1 0 3 m / s . T h e e f f e c t i v e a r e a t h r o u g h w h i c h t h e d i f f u s i o n l o s s e s o c c u r , ( A e fl ) m u s t n o w b e c a l c u l a t e d . T h i s i s n e c e s s a r y b e c a u s e t h e v a l u e o f t h e i o n d e n s i t y a t t h e s h e a t h e d g e m a y b e d i f f e r e n t f o r t h e r a d i a l a n d a x i a l s h e a t h s . T h i s i s g i v e n b y : A = 2 n R L R - h - i - l - h 2 4 . 1 e f f I R ) m ( 0 ) n . l = e — B u — e A — j i t m ‘ . ( 4 . 1 1 ) 2 0 4 F o r t h e a p p r o p r i a t e d i m e n s i o n s a n d d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t s . i s c a l c u l a t e d t o b e 3 m 2 . 2 8 . 6 2 c m z , o r 2 . 8 6 2 x 1 0 - F r o m C h a p t e r S i x . i t w i l l b e c o m e a p p a r e n t t h a t 8 7 % o f t h e i n p u t p o w e r i s a c t u a l l y a b s o r b e d b y t h e p l a s m a ( t h e r e m a i n i n g 1 3 % i s l o s t t o t h e w a l l s , a n d t h e l o o p a n t e n n a ) . F o r 1 2 3 W i n p u t p o w e r ( a c o m m o n p o w e r l e v e l f o r t h e 6 1 0 e x p e r i m e n t s ) . . t h i s g i v e s P a b s o f a b o u t 1 0 7 W . T h e i o n d e n s i t y ( n i ) m a y t h e n b e c a l c u l a t e d : P u b s 3 F o r t h e a p p r o p r i a t e s u b s t i t u t i o n s , t h i s g i v e s t h e i o n d e n s i t y t o b e a b o u t 6 . 2 4 x 1 0 1 , 7 m ' 3 . o r 6 . 2 4 x 1 0 l l c m ’ 3 . N o t e t h a t t h e c a l c u l a t i o n s a b o v e a s s u m e t h a t t h e r e i s n o c o n fi n e m e n t o f c h a r g e d s p e c i e s . W i t h t h e m u l t i - c u s p m a g n e t i c fi e l d s t r u c t u r e o f t h e M P D R 6 1 0 . t h e r e i s b o u n d t o b e s o m e r a d i a l c o n fi n e m e n t o f e l e c t r o n s . T o s i m u l a t e t h i s _ r a d i a l c o n fi n e m e n t ; a l l t h e a b o v e c a l c u l a t i o n s m a y b e c o n d u c t e d i n t h e l i m i t o f z e r o r a d i a l l o s s ( c o m p l e t e r a d i a l c o n fi n e m e n t ) , b y s e t t i n g h , t o z e r o . T h i s e s s e n t i a l l y m e a n s t h a t t h e i o n d e n s i t y a t r a d i u s R i s z e r o . F o r s u c h a c a s e . E q n . ( 4 . 4 ) g i v e s d e f f z 2 : 7 1 w h i c h i s c a l c u l a t e d t o b e a b o u t 5 . 3 4 x 1 0 — 2 m . T h e p r o d u c t o f t h i s e f f e c t i v e p l a s m a s i z e a n d n e u t r a l g a s d e n s i t y i s n g - d e f f ” 1 . 1 6 x 1 0 1 8 m ' 2 , a n d t h e e l e c t r o n ( t e m p e r a t u r e f o r t h i s p r o d u c t f r o m F i g u r e 1 0 . 1 o r R e f e r e n c e L e i - 9 4 i s e s t i m a t e d t o b e a b o u t 5 . 2 e V . N o t e t h a t u n l i k e t h e p r e v i o u s c a l c u l a t i o n . n o e x t r a p o l a t i o n o f t h e c u r v e i n F i g u r e 1 0 . 1 i s n e e d e d 2 0 5 f o r t h i s c a s e . F o r t h i s T e . t h e p l a s m a p o t e n t i a l V 8 i s t h e n a b o u t 2 4 . 4 V f r o m E q n . ( 4 . 8 ) . a n d t h e a v e r a g e i o n e n e r g y i s a b o u t 2 7 . 0 4 V f r o m E q n . ( 4 . 6 ) . T h e c o l l i s i o n a l l o s s e n e r g y E C i s a b o u t 3 1 V f r o m F i g u r e 3 . 1 7 o f R e f e r e n c e L i e - 9 4 . a n d t h e t o t a l e n e r g y l o s s E t i s a b o u t 6 8 . 4 V f r o m E q n . ( 4 . 7 ) . T h e B o h m v e l o c i t y f o r t h i s e l e c t r o n t e m p e r a t u r e i s c a l c u l a t e d f r o m E q n . ( 4 . 9 ) t o b e a b o u t 3 . 5 x 1 0 3 m / s a n d e f f z 2 1 : t h I 8 . 9 6 x 1 0 _ 4 m 2 . T h e i o n d e n s i t y m a y t h e n b e c a l c u l a t e d f r o m E q n . ( 4 . 1 1 ) . I t i s s e e n 1 2 t h e e f f e c t i v e a r e a o f d i f f u s i o n l o s s A i s c a l c u l a t e d t o b e a b o u t c m ' 3 . t h a t f o r z e r o r a d i a l l o s s e s . " i = 3 . 1 2 x 1 0 1 8 m ' 3 . o r 3 . 1 2 x 1 0 T h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s o f S e c t i o n 4 . 6 . 3 a r e n o w c o m p a r e d w i t h t h e m e a s u r e d d a t a f o r a n a r g o n d i s c h a r g e i n t h e M P D R 6 1 0 . T o r e c a p i t u l a t e . t h e a b o v e c a l c u l a t i o n s a r e f o r a 1 . 0 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e o f d i m e n s i o n s s i m i l a r t o t h a t o f t h e 6 1 0 . w i t h a n a p p r o x i m a t e n e u t r a l g a s t e m p e r a t u r e o f a b o u t 4 5 0 K a n d w i t h 1 2 3 W i n p u t p o w e r . T a b l e 1 b e l o w c o m p a r e s t h r e e s e t s o f d a t a . T h e m e a s u r e d d a t a i n c o l u m n t h r e e a r e n u m b e r s t h a t a r e a p p r o x i m a t e d f o r 1 2 3 W i n p u t p o w e r a n d 1 . 0 m T o r r d i s c h a r g e p r e s s u r e f r o m fi g u r e s p r e s e n t e d i n S e c t i o n s 4 . 6 . 1 a n d 4 . 6 . 2 - i o n d e n s i t y d a t a f r o m F i g u r e 4 . 8 . e l e c t r o n t e m p e r a t u r e d a t a fi ' o m F i g u r e 4 . 1 0 . p l a s m a p o t e n t i a l d a t a f r o m F i g u r e 4 . 1 6 . a n d t h e i o n e n e r g y d a t a f r o m F i g u r e 4 . 1 8 . N o t e t h a t t h e s e n u m b e r s a r e a p p r o x i m a t e d b e c a u s e d a t a p r e s e n t e d i n F i g u r e s 4 . 6 . 8 . 4 . 6 . 1 0 . 4 . 6 . 1 6 a n d 4 . 6 . 1 8 a r e f o r d i f f e r e n t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s t h a n t h e c a l c u l a t e d d a t a . T a b l e 1 : C o m p a r i s o n o f t h e o r y a n d m e a s u r e d d a t a T h e o r e t i c a l . w i t h T h e o r e t i c a l , w i t h M e a s u r e d d a t a r a d i a l d i f f u s i o n n o r a d i a l ( t a k e n 2 c m l o s s e s d i f f u s i o n l o s s e s d o w n s t r e a m ) " e ( 1 0 1 1 c m ' 3 ) 6 . 2 4 3 1 . 2 0 . 8 I ; ( V ) 8 5 . 2 3 V , ( V ) 3 7 . 4 2 4 . 4 1 2 - 1 4 E , - ( V ) 4 1 . 6 2 7 . 0 4 2 8 S e v e r a l t h i n g s n e e d t o b e d i s c u s s e d i n t h e a b o v e t a b l e . F i r s t . t h e n u m b e r s o f t h e a c t u a l m e a s u r e d d a t a c o r r e s p o n d w e l l w i t h t h e t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s o f t h e fi r s t t w o c o l u m n s . T h e d i s c r e p a n c y b e t w e e n t h e t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s ( w i t h o r w i t h o u t r a d i a l l o s s e s ) a n d t h e m e a s u r e d d a t a m a y b e d i r e c t l y a t t r i b u t e d t o t h e f a c t t h a t t h e t h e o r y u s e d t o p r e d i c t t h e n u m b e r s o f t h e fi r s t t w o c o l u m n s i s v a l i d o n l y w h e r e t h e i o n i z a t i o n . a n d d i f f u s i o n l o s s e s b a l a n c e e a c h o t h e r - t h a t i s , i n t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n . T h e m e a s u r e d d a t a a r e t a k e n a t 2 t o 3 c m d o w n s t r e a m f r o m t h i s g e n e r a t i o n r e g i o n . s o a n e x a c t m a t c h i n n u m b e r s i s n o t t o b e e x p e c t e d . A s s e e n f r o m F i g u r e s 4 . 1 3 a n d 4 . 1 4 . t h e i o n s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y ' f a l l s e x p o n e n t i a l l y a s d i s t a n c e d o w n s t r e a m i n c r e a s e s - s u c h a n e x p o n e n t i a l f a l l i s a l s o e x p e c t e d f o r t h e i o n d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h d o w n s t r e a m d i s t a n c e . a n d h e n c e t h e i o n d e n s i t y a t 2 c m d o w n s t r e a m s h o u l d b e w e l l b e l o w t h a t p r e d i c t e d i n t h e g e n e r a t i o n r e g i o n . I f t h i s 2 c m d o w n s t r e a m d a t a i s e x t r a p o l a t e d u p t o t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n , t h e i o n d e n s i t y i s s e e n t o b e i n t h e m i d 1 0 1 1 c m ’ 3 2 0 7 r a n g e - m u c h c l o s e r t o t h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s . A s i m i l a r a r g u m e n t m a y b e m a d e t o e x p l a i n t h e d i s c r e p a n c i e s i n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e , p l a s m a p o t e n t i a l a n d t h e i o n e n e r g y n u m b e r s c o m p a r e d i n t h e t h r e e c o l u m n s a b o v e . I t i s t h e r e f o r e o b s e r v e d t h a t t h e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t s o f L i e b e r m a n / L i c h t e n b e r g ( R e f e r e n c e L i e - 9 4 ) c o m e c l o s e t o a c c u r a t e l y p r e d i c t i n g t h e b e h a v i o r o f a n a r g o n d i s c h a r g e i n t h e M P D R 6 1 0 a n d m a y i n d e e d b e u s e d i n t h e f u t u r e a s t h e b a s i s f o r a c t i v e s o u r c e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t . 4 . 7 O t i o P r f o c c o f t h e 1 0 - N I T R E N W h e n t h e i o n d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h g a s fl o w ( a n d h e n c e p r e s s u r e ) w a s d i s c u s s e d i n F i g u r e 4 . 9 , t h e d i f f e r e n c e b e t W e e n t h e 6 1 0 ' s p e r f o r m a n c e i n a r g o n w a s s t r i k i n g l y c o n t r a s t e d w i t h i t s p e r f o r m a n c e i n o x y g e n . N 0 m o d e j u m p i s e x h i b i t e d b y t h e p l a s m a s o u r c e f o r a n o x y g e n d i s c h a r g e i n t h e r a n g e o f g a s fl o w t h a t w a s t e s t e d , w h i l e t h i s j u m p i s a s i g n i fi c a n t a s p e c t o f t h e a r g o n i o n d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e . T h e 6 1 0 s e e m s t o o p e r a t e d i f f e r e n t l y f o r d i a t o m i c g a s e s . T o t e s t t h i s f u r t h e r . e x h a u s t i v e e n e r g y a n a l y s i s w a s c o n d u c t e d w i t h n i t r o g e n a s t h e w o r k i n g g a s . N i t r o g e n w a s c h o s e n b e c a u s e o f i t s i m p o r t a n c e i n t h e n i t r i d i n g e x p e r i m e n t s o n s e m i c o n d u c t o r a p p l i c a t i o n s ( s u c h a s e p i t a x i a l g r o w t h o f G a N o r . A l N ) , a s i s e v i d e n c e d b y t h e 1 9 9 2 W o r k s h o p o n W i d e B a n d g a p s , w h e r e s o m e o f t h e n i t r o g e n e n e r g y d a t a o b t a i n e d f o r t h e M P D R 6 1 0 w e r e p r e s e n t e d [ A s m - 9 2 ] . I n t h e n e x t t w o s u b - s e c t i o n s . t h e d e p e n d e n c e o f t h e a v e r a g e e l e c t r o n a n d i o n e n e r g i e s , a n d t h e I E D F s o n i n p u t . p o w e r , d i s c h a r g e p r e s s u r e o f a n i t r o g e n d i s c h a r g e a r e p r e s e n t e d . T h e d o w n s t r e a m v a r i a t i o n o f t h e e n e r g i e s i s a l s o d i s c u s s e d . T h e e n e r g y a n a l y s i s o f a n i t r o g e n d i s c h a r g e i s t h e n c o n t r a s t e d w i t h 2 0 8 t h e a r g o n e n e r g y m e a s u r e m e n t s t h a t w e r e p r e s e n t e d i n S e c t i o n 4 . 6 . 2 . . 1 n l c n E n e A n 3 F i g u r e 4 . 1 9 i s a t y p i c a l E E D F o f a n i t r o g e n p l a s m a . N o t e t h e s i m i l a r i t y b e t w e e n t h i s , a n d F i g u r e 4 . 1 5 w h i c h i s a n E E D F o f a n a r g o n d i s c h a r g e . A s . b e f o r e . t h e t h e o r e t i c a l M a x w e l l i a n a n d D r u y v e s t e y n d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s a r e a l s o p l o t t e d . D a t a i s t a k e n w i t h a n S L P p l a c e d 5 c m d o w n s t r e a m , w i t h 1 6 4 i n p u t p o w e r . a n d a t 2 5 s c c m ( w i t h a c o r r e s p o n d i n g 0 . 2 5 m T o r r p r e s s u r e ) . A g a i n , i t i s i s e e n t h a t t h e e x p e r i m e n t a l E E D F fi t s t h e D r u y v e s t e y n d i s t r i b u t i o n b e t t e r t h a n t h e M a x w e l l i a n d i s t r i b u t i o n . . T h e p r e s s u r e d e p e n d e n c e o f t h e a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g y ( d a s h e d c u r v e , o n r i g h t Y a x i s ) a n d p l a s m a p o t e n t i a l ( s o l i d c u r v e , l e f t Y a x i s ) f o r t h e n i t r o g e n d i s c h a r g e a r e s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 0 . D a t a a r e t a k e n a t 1 2 3 W i n p u t p o w e r , 5 c m d o w n s t r e a m . B o t h t h e p l a s m a p o t e n t i a l a n d a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g y i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e , w i t h t h e f o r m e r i n c r e a s i n g m o r e s t r o n g l y t h a n t h e l a t t e r i n t h e r a n g e o f p r e s s u r e s t e s t e d . A s a d i r e c t c o n t r a d i c t i o n , F i g u r e s 4 . 9 a n d 4 . 1 6 a r e t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e ( o r a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g y ) a n d p l a s m a p o t e n t i a l v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e f o r a n a r g o n d i s c h a r g e , b o t h o f w h i c h d e c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e . I n l a r g e r i o n s o u r c e s , t h e e l e c t r o n e n e r g y r e m a i n s m o s t l y c o n s t a n t w i t h i n c r e a s i n g i n p u t p o w e r s [ H o p - 9 1 ] . T h i s i s s e e n t o b e t r u e f o r t h e n i t r o g e n ( d i s c h a r g e i n t h e 6 1 0 a l s o , a s i s e v i d e n t f r o m F i g u r e 4 . 2 1 , w h e r e t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e i s k e p t c o n s t a n t a t 2 5 s c c m f l o w , 0 . 2 5 m T o r r . b u t t h e i n p u t p o w e r i s v a r i e d . D a t a a r e t a k e n w i t h t h e S L P 5 c m d o w n s t r e a m . W h i l e t h e a v e r a g e 2 0 9 0 . 3 0 _ g — M a x w e l l i a n I - — - D r u y v e s t e y n ( 1 2 5 — : O O O O O E x p e r i m e n t a l 0 . 2 0 E Q 0 1 5 § 3 b 0 1 0 : 1 \ ' : 1 \ 0 . 0 5 - : 0 . 0 0 € 0 . 0 0 5 . 0 0 1 0 . 0 0 1 5 . 0 0 2 0 . 0 0 2 5 . 0 0 E n e r g y ( e V ) fl a t — r e 4 . 1 9 A t y p i c a l E E D F f o r a n i t r o g e n d i s c h a r g e S i n g l e L a n g m u i r P r o b e d a t a . t a k e n a t 5 c m d o w n s t r e a m f o r a 1 6 4 W i n p u t p o w e r , 2 5 s c c m , 0 . 2 5 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e . N o t e t h a t t h e e x p e r i m e n t a l c u r v e m a t c h e s b e t t e r w i t h t h e D r u y v e s t e y n d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n t h a n w i t h t h e M a x - w e l l i a n c u r v e . . 0 2 C m ¥ 0 0 U r c m c ‘ l A ) » D o w D i a s 2 1 0 P R E S S U R E ( m T o r r ) 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 1 6 0 [ J l l 1 L 1 1 l i l L 1 1 1 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l L 1 l _ I - 1 5 . 0 " r - : P l a s m a P o t e n t i a l t 1 2 . 0 - ' - A . 4 P > ‘ _ V " _ - ~ 1 0 . 0 . 9 I _ E _ l - o _ h - ‘ 8 8 0 j . . a . j P E ‘ " m 1 P a i * - c T . « - 5 . 0 4 . 0 — , , , , , , , o - 2 , , , , , 0 ' _ _ . . . . . . . 0 ' “ r _ G - - - - - - - - 0 - A v e r a g e E n e r g y t : F 0 . 0 l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l r l l l ] l l l l l l l l l l l l l l l l l l l 0 , 0 2 0 . 0 2 5 . 0 3 0 . 0 3 5 . 0 4 0 . 0 4 5 . 0 5 0 . 0 F L O W ( m T o r r ) m 1 . 2 5 2 m g r - _ o g e g g l e c t r o g g n g m g m ; p l u m ; m t e n t i a l v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e S i n g l e L a n g m u i r P r o b e d a t a f o r a n i t r o g e n d i s c h a r g e . t a k e n a t 1 2 3 W i n p u t p o w e r , 5 c m d o w n s t r e a m . N o t e t h e i n c r e a s e i n a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g y a n d p l a s m a p o t e n t i a l w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e . A v g E n e r g y ( e V ) - a A , 5 9 T a O E ‘ . . 3 . _ . E " E 1 1 6 2 8 4 . . 0 0 0 . 0 0 . 0 1 1 j ' _ I 2 : 2 _ : g — ~ 2 : ~ 3 d 2 - l 1 - l 4 - 0 G - - - - - - 1 l e 2 l n l I l . 0 0 e 1 l c l l l l t r o l e l l l l l l 0 0 . 0 . 2 1 N i t r o P l a s m a P o t e n t i _ ~ ; — : P _ I _ . _ _ _ r I : _ - . . t 1 5 . 0 0 0 0 . 0 ‘ 1 5 0 0 h a l l - . l P . . . . . . . 9 l l l l 0 O W E l R l l 1 l 6 ( W . ' 0 . O " A " e v " r " a " g " e " E E l l l l l l l l l l 1 8 0 . 0 l 0 l . ) ) n l e r g y l l l l l 2 l 0 0 a n d m a t e n t i a l v a r i a t i o n w i 2 1 l i n p u t p o w e r S i n g l e L a n g m u i r P r o b e d a t a f o r a n i t r o g e n d i s c h a r g e . t a k e n a t 2 5 s c c m fl o w . 0 . 2 5 m T o r r . 5 c m d o w n s t r e a m . N o t e t h a t t h e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e r e m a i n s s o m e w h a t c o n s t a n t , b u t t h e p l a s m a p o t e n t i a l i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g i n p u t p o w e r . A v g E n e r g y ( e V ) 2 1 2 e l e c t r o n e n e r g y r e m a i n s a l m o s t c o n s t a n t - v a r y i n g o n l y b e t w e e n 2 a n d 4 e V f o r t h e f o u r p o w e r l e v e l s ( 1 2 3 W . 1 4 4 W , 1 6 4 W a n d 1 8 2 W ) . t h e p l a s m a p o t e n t i a l i n c r e a s e s f r o m a b o u t 9 V a t l o w p o w e r , t o a b o u t 1 5 V a t 1 8 2 W . A s w a s s e e n i n F i g u r e 4 . 2 0 , t h e p l a s m a p o t e n t i a l i n c r e a s e s f a s t e r w i t h i n c r e a s i n g i n p u t p o w e r t h a n t h e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s . F i g u r e 4 . 2 2 s h o w s t h e a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g ' a n d p l a s m a p o t e n t i a l o f a n i t r o g e n d i s c h a r g e a s t h e S L P i s m o v e d d o w n s t r e a m . D a t a a r e t a k e n a t a fi x e d p r e s s u r e o f 2 5 s c c m f l o w . 0 . 2 5 m T o r r a n d a t t w o d i f f e r e n t p o w e r l e v e l s ( 1 2 3 W a n d 1 6 4 W ) . T h e p l a s m a p o t e n t i a l i s a g a i n s e e n t o i n c r e a s e m o n o t o n i c a l l y ( s o l i d c u r v e s ) a t b o t h p o w e r l e v e l s a s t h e d o w n s t r e a m p o s i t i o n i n c r e a s e s . A n d a s w a s o b s e r v e d i n F i g u r e s 4 . 2 0 a n d 4 . 2 1 , t h e a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g y i n c r e a s e s o n l y s l i g h t l y w i t h d o w n s t r e a m d i s t a n c e . 4 . 7 . 2 1 n e s i s i t w a s m e n t i o n e d e a r l i e r t h a t t h e i o n e n e r g y v a r i a t i o n t y p i c a l l y f o l l o w s t h e v a r i a t i o n o f p l a s m a p o t e n t i a l a n d e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . F u r t h e r e v i d e n c e t h a t t h e M P D R 6 1 0 ' s p e r f o r m a n c e i n d i a t o m i c g a s e s i s d i f f e r e n t f r o m t h a t i n a r g o n i s p r e s e n t e d h e r e a s t h e i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n s a r e d i s c u s s e d f o r a n i t r o g e n d i s c h a r g e . F i g u r e 4 . 2 3 s h o w s t h e I E D F v a r i a t i o n w i t h p o w e r . D a t a a r e t a k e n 2 c m d o w n s t r e a m a t a c o n s t a n t f l o w o f 2 5 s c c m n i t r o g e n . a n d f o r f o u r d i f f e r e n t p o w e r l e v e l s : 1 2 3 W , 1 4 4 W , 1 6 4 W a n d 1 8 2 W . A s i n a r g o n . t h e r e i s a s h i f t o f t h e I E D F s t o w a r d s h i g h e r e n e r g i e s a s t h e i n p u t p o w e r i n c r e a s e s . A l s o n o t e t h a t t h e r e i s s o m e i n c r e a s e i n t h e F W H M o f t h e d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s w i t h i n c r e a s i n g p o w e r l e v e l s . F i g u r e 4 . 2 4 s h o w s t h i s i n c r e a s i n g a v e r a g e i o n e n e r g y w i t h i n p u t ) V e ( y g r e n E g v A 2 1 3 2 0 . 0 : O G e G e A v e r a g e E n e r g y , 1 2 3 W F . : B B B B E ] P l a s m a P o t e n t i a l , 1 2 3 W 4 5 . 0 « M A v e r a g e E n e r g y , 1 6 4 W — _ @ 9 9 6 0 P l a s m a P o t e n t i a l , 1 6 4 W ” fi h - 1 6 . 0 ' 3 : A 1 . . ‘ 2 ’ 3 L 1 0 0 4 o z : _ _ C - 1 o - _ u . — _ , . — o _ Q _ B / ’ / _ - 1 . _ E 8 . 0 . 2 * I m 3 . . a a : 2 — 5 . 0 A h - : s - - - - s _ 4 . 0 ' j “ w " j j j j j j _ - 4 A " " " " " " " _ : o w . i I 0 . 0 - T T I r i l l l l [ I l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l r r l l l l l l l l l l l l l l l l I l T l l l l l T T 0 . 0 4 . 0 5 . 0 6 . 0 7 . 0 8 . 0 9 . 0 1 0 . 0 P O S I T I O N D O W N S T R E A M ( c m ) 2 i n e n e a n d i a s m a t e n t i v a r i a 0 p o s i t i o n d o w n s t r e a m S L P d a t a f o r a n i t r o g e n d i s c h a r g e , t a k e n a t 2 5 s c c m fl o w , 0 . 2 5 m T o r r . a t 1 2 4 W a n d 1 6 4 W i n p u t p o w e r s . a s t h e p r o b e i s m o v e d d o w n s t r e a m . N o t e t h e s l i g h t i n c r e a s e i n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e , b u t a l a r g e r i n c r e a s e i n p l a s m a p o t e n t i a l w i t h d o w n s t r e a m p o s i t i o n . ) E ( f l i l l l l l i l l l l i l i l l l l l l l l l l l l l l l l l l l I l l l l l l l L l l l l 2 1 4 0 . 0 8 0 . 0 8 0 . 0 4 0 . 0 2 0 . 0 0 ' 1 d . ‘ o ' o ' ' ' ' ' ' é é l o ' o ' E N E R G Y ( e V ) 1 1 m 4 . 2 3 N i t r o g e n i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n v a r i a t i o n w i t h i n p u t m w e r I E A d a t a . t a k e n 2 c m d o w n s t r e a m a t a c o n s t a n t fl o w o f 2 5 s c c m n i t r o g e n f o r f o u r p o w e r l e v e l s : 1 2 3 W , 1 4 4 W . 1 6 4 W a n d 1 8 2 W . N o t e t h e s h i f t t o w a r d s h i g h e r e n e r g i e s a s i n p u t p o w e r i n c r e a s e s . 2 1 5 3 0 . 0 0 ‘ 2 5 . 0 0 — f 9 E 3 E > — 2 0 . 0 0 E o _ m _ L u : z - I - u : 2 1 5 . 0 0 5 9 : m E o _ g 2 L N o . 0 0 — _ > : < : 5 . 0 0 - E 1 3 1 3 5 1 3 1 5 1 2 5 s c c m : ( 3 8 6 6 0 3 5 s c c m 0 . 0 0 - l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l [ l l l l l l l l l l l l l l l l l r 1 2 0 . 0 1 0 . 0 1 6 0 . 0 1 8 0 . 0 2 0 0 . 0 2 2 0 . 0 2 4 0 . 0 P O W E R ( W ) E l m 4 . 2 4 N i t r o g e n a v e g g e i o n e n e r g y v a r i a t i o n w i t h i n p u t m w e r I E A d a t a t a k e n 2 c m d o w n s t r e a m a t t w o d i f f e r e n t p r e s s u r e l e v e l s ( 2 5 s c c m n i t r o - g e n fl o w , a n d 3 5 s c c m n i t r o g e n fl o w ) . N o t e t h e i n c r e a s e i n a v e r a g e i o n e n e r g i e s w i t h i n p u t p o w e r . 2 1 6 p o w e r f o r t w o d i f f e r e n t g a s fl o w c o n d i t i o n s ( 2 5 s c c m a n d 3 5 s e e m ) . A s i m i l a r v a r i a t i o n o f I E D F s a n d a v e r a g e i o n e n e r g i e s w i t h i n p u t p o w e r w a s a l s o o b s e r v e d i n a r g o n a l s o . T h e n e x t t w o fi g u r e s s h o w t h e i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n v a r i a t i o n w i t h n i t r o g e n d i s c h a r g e p r e s s u r e ( o r f l o w r a t e ) , w h e r e t h e c r u c i a l d i f f e r e n c e b e t w e e n a n a r g o n a n d a n i t r o g e n p l a s m a r e s u r f a c e s . F i g u r e 4 . 2 5 s h o w s t h r e e I E D F s a t 2 5 s c c m , 3 5 s c c m a n d 4 5 s c c m o f n i t r o g e n fl o w . U n l i k e t h e a r g o n d i s c h a r g e . t h e n i t r o g e n I E D F s s h i f t t o w a r d s h i g h e r e n e r g i e s a s t h e p r e s s u r e i n c r e a s e s . T h i s c o r r o b o r a t e s t h e d a t a o f F i g u r e 4 . 2 0 w h i c h s h o w e d t h a t t h e p l a s m a p o t e n t i a l o f a n i t r o g e n d i s c h a r g e i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e . S i n c e t h e v a r i a t i o n i n i o n e n e r g y s e e m s t o f o l l o w t h e v a r i a t i o n o f p l a s m a p o t e n t i a l , t h r o u g h w h i c h t h e i o n s f a l l o n t h e i r w a y t o b e i n g c o l l e c t e d b y t h e I E A . a n i n c r e a s e i n t h e p l a s m a p o t e n t i a l w i t h r i s i n g p r e s s u r e l e a d s t o a c o r r e s p o n d i n g i n c r e a s e i n t h e d i r e c t e d v e l o c i t y o f t h e i o n s . A l s o n o t e t h e b r o a d e n i n g o f t h e I E D F s a s t h e fl o w r a t e g o e s u p - a n i n d i c a t i o n o f a r i s i n g r a n d o m v e l o c i t y , i n p a r t d u e t o g a s h e a t i n g a t h i g h e r p r e s s u r e s . F i g u r e 4 . 2 6 s h o w s t h i s i n c r e a s e i n a v e r a g e i o n e n e r g y w i t h p r e s s u r e a t t w o d i f f e r e n t p o w e r l e v e l s ( 1 2 3 W a n d 1 6 4 W ) . B o t h c u r v e s i n c r e a s e m o n o t o n i c a l l y a s t h e n i t r o g e n d i s c h a r g e p r e s s u r e i n c r e a s e s . F i g u r e 4 . 2 2 , p r e s e n t e d e a r l i e r . s h o w e d t h e p l a s m a p o t e n t i a l v a r i a t i o n w i t h d o w n s t r e a m p o s i t i o n f o r a n i t r o g e n d i s c h a r g e - t h e p o t e n t i a l i n c r e a s e s a s t h e S L P i s m O V e d a w a y f r o m t h e z = 0 p l a n e . T h a t t h e i o n e n e r g i e s a n d I E D F a r e i n h e r e n t l y c o u p l e d t o t h e f a l l o f i o n s t h r o u g h p l a s m a p o t e n t i a l i s i n d i c a t e d i n t h e n e x t t w o p l o t s . F i g u r e 4 . 2 7 s h o w s t h e I E D F v a r i a t i o n w i t h d o w n s t r e a m p o s i t i o n . D a t a a r e t a k e n a t 1 2 3 W i n p u t p o w e r f o r a 2 5 s c c m n i t r o g e n d i s c h a r g e . A s t h e l i l l l l l i l I l i l l l l l J l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l 2 1 7 ( 3 6 9 9 6 ) 2 5 s c c m 0 . 0 8 0 . 0 6 f ( E ) 0 . 0 4 0 . 0 2 0 . 0 0 m " ‘ ‘ I I I I I I l I I I I I I I I I I A 1 " 0 . 0 0 1 0 . 0 0 2 0 . 0 0 3 0 . 0 0 E N E R G Y ( e V ) F i 4 . 2 5 N i t r o e n i o n e n e d i s t r i b u t i o n v a r i a t i o n w i t h r e s a u r e I E A d a t a t a k e n 2 c m d o w n s t r e a m a t 1 2 3 W i n p u t p o w e r a n d a t t h r e e p r e s s u r e l e v e l s : 2 5 s c c m n i t r o g e n fl o w , 3 5 s c c m n i t r o g e n fl o w a n d 4 5 s c c m n i t r o g e n fl o w . T h e I E D F s s h i f t t o w a r d s h i g h e r e n e r g i e s w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e . 2 1 8 P R E S S U R E ( m T o r r ) 0 . 2 0 0 . 3 0 0 . 4 0 0 . 5 0 3 0 0 0 1 1 1 1 1 4 1 1 1 l l l l l i l n l l l l l i l l l l l l 1 j x 1 3 2 5 . 0 0 - 3 : ” 8 ’ A — J I ’ > _ x , 3 1 . . . . 4 3 ' l 1 3 ’ " > — 2 0 . 0 0 a / ’ o : a a . 2 : / L s J : [ 2 f 2 1 5 . 0 0 ‘ 1 < 2 : m E o _ a t : I L “ 1 0 . 0 0 ' j < > t I j . 2 6 6 6 6 6 1 2 3 W 5 . 0 0 - _ 0 1 3 5 1 3 8 1 6 4 W 0 . 0 0 d H r n t l l l l n l l n l l I l l l l l l r i r l l l H I I I I I I I I I I I H I I I I H I I I I I H 2 0 . 0 2 5 . 0 3 0 . 0 3 5 . 0 4 0 . 0 4 5 . 0 5 0 . 0 F L O W ( s c c m ) F i g u r e 4 . 2 6 N i t r o g e n g v e g g e i o n e n e r g y v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e I E A d a t a t a k e n 2 c m d o w n s t r e a m a t t w o d i f f e r e n t p o w e r l e v e l s ( 1 2 3 W a n d 1 6 4 W ) , a s t h e a v e r a g e i o n e n e r g y c h a n g e s w i t h g a s p r e s s u r e . B o t h c u r v e s s h o w a m o n o t o n i c i n c r e a s e i n a v e r a g e i o n e n e r y w i t h g a s p r e s s u r e . u n l i k e a r g o n . 2 1 9 0 . 1 2 6 6 6 6 6 5 c m d o w n s t r e a m [ 3 8 8 8 8 7 c m d o w n s t r e a m $ 5 1 5 1 0 9 c m d o w n s t r e a m 0 . 1 0 0 . 0 8 Q 0 0 6 0 . 0 4 0 . 0 2 0 . 0 0 W i l l u u l l l l l l l l l l = ‘ & . _ ' 3 - . = _ 0 . 0 0 1 0 . 0 0 2 0 . 0 0 3 0 . 0 0 E N E R G Y ( e V ) F i g m 4 . 2 7 N i t r o g e n i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n v a r i a t i o n w i t h d o w n s t r e a m d i s t a n c e I E A d a t a t a k e n a t 1 2 3 W i n p u t p o w e r w i t h 2 5 s c c m n i t r o g e n fl o w . a s t h e I E A i s m o v e d d o w n s t r e a m . N o t e t h e s m a l l e r s e c o n d a r y d i s t r i b u t i o n c u r v e a t l o w e n e r - g i e s . T h i s m a y b e d u e t o c h a r g e e x c h a n g e . 2 2 0 I E A i s m o v e d d o w n s t r e a m a n d a w a y f r o m t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n ( 2 = 0 p l a n e ) . t h e r e i s a s h i f t o f t h e I E D F s t o w a r d s a h i g h e r e n e r g y . A n d F i g u r e 4 . 2 8 s h o w s t h e a v e r a g e i o n e n e r g y v a r i a t i o n f o r t w o fl o w r a t e s ( 2 5 s c c m i n d e x e d b y c i r c l e s a n d 3 5 s c c m i n d e x e d b y s q u a r e s ) , a n d a t t w o i n p u t p o w e r s ( 1 2 3 W i n d e x e d b y a s o l i d l i n e . a n d 1 6 4 W i n d e x e d b y a d a s h e d l i n e ) . T h e s h i f t i n I E D F s i s c o n fi r m e d i n t h i s fi g u r e w h e r e t h e a v e r a g e i o n e n e r g i e s i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g d o w n s t r e a m d i s t a n c e f o r a l l t h e n i t r o g e n d i s c h a r g e p r e s s u r e a n d p o w e r c o n d i t i o n s . F r o m F i g u r e 4 . 2 7 , i t i s e v i d e n t t h a t a s t h i s s h i f t t o w a r d s h i g h e r e n e r g y w i t h d i s t a n c e d o w n s t r e a m o c c u r s . t h e r e i s a r i s e o f a l o w e n e r g r p e a k a w a y f r o m t h e m a i n I E D F . T h i s i s s e c o n d a r y p e a k , o c c u r r i n g a b o u t 4 - 5 e V , i s fi r s t s e e n w h e n t h e I E A i s 7 c m d o w n s t r e a m , a n d b e c o m e s m o r e p r o m i n e n t l y s e p a r a t e d f r o m t h e m a i n c u r v e w h e n t h e I E A i s 9 c m d o w n s t r e a m . T h e s m a l l p e a k i s n o t s e e n 5 c m d o w n s t r e a m , p r e s u m a b l y b e c a u s e t h e m a i n I E D F c u r v e a t 5 c m d o w n s t r e a m i s t o o c l o s e t o t h e 4 - 5 e V r a n g e o f t h e s m a l l e r s e c o n d a r y c u r v e . T h e e x a c t r e a s o n f o r t h i s l o w e n e r g y s e c o n d a r y c u r v e i s n o t k n o w n . H o w e v e r i t i s s p e c u l a t e d t h a t t h i s m a y b e t h e e f f e c t o f c h a r g e e x c h a n g e d o w n s t r e a m f r o m t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n . w h e r e a h i g h e n e r g y i o n c o l l i d e s ’ w i t h a l o w e n e r g y n e u t r a l . I f a p p r o p r i a t e c o n d i t i o n s a r e s a t i s fi e d , t h e c h a r g e o f t h e h i g h e n e r g y i o n i s t r a n s f e r r e d t o t h e l o w e n e r g y n e u t r a l . t h e r e b y r e s u l t i n g i n a l o w e n e r g y i o n a n d a h i g h e n e r g y n e u t r a l . S u c h r e s o n a n t c h a r g e e x c h a n g e h a s b e e n o b s e r v e d i n b o t h o t h e r c o m p a c t , a n d l a r g e r s o u r c e s a l s o [ S z e - 9 3 a . K a u - 8 7 ] , a n d w i l l a l s o b e d i s c u s s e d w h e n t h e M P D R 5 ( a n o t h e r c o m p a c t E C R s o u r c e ) i s s t u d i e d i n C h a p t e r S e v e n . I I I I I I I I I J I I I I I ) V e I ( Y G I I J I I I R I E N E . } N I O O O I E G A I I I I I L I I I I I I I I I I R I 5 O O E V A I I I I I I L I I I I I I I I I I I I 2 2 1 3 0 . 0 0 2 5 . 0 0 [ \ 3 . 0 o o 5 . 0 0 ( 3 6 6 6 0 1 2 3 W , 2 5 s c c m [ 3 6 8 8 8 1 2 3 W , 3 5 s c c m 0 6 0 0 0 1 6 4 W , 2 5 s c c m 0 8 8 8 8 1 6 4 W , 3 5 s c c m 0 . 0 0 I l T T I I l l l l I l r I — T I T I I I I I I I l l l l l l l l l r l l l I I I I I I I I I I T I I I I I I I I T T 4 . 0 0 5 . 0 0 6 . 0 0 7 . 0 0 8 . 0 0 9 . 0 0 1 0 . 0 0 P O S I T I O N D O W N S T R E A M ( c m ) N i t r o v o n c u e a t i n w i t d o w n s t r e a m t a n c g I E A d a t a t a k e n f o r a n i t r o g e n d i s c h a r g e a t 2 5 s c c m a n d 3 5 s c c m , a n d a t t w o d i f - f e r e n t p o w e r l e v e l s ( 1 2 3 W a n d 1 6 4 W ) . 2 2 2 7 . o f o f a N i e n h F r o m t h e a b o v e s e c t i o n . i t i s e v i d e n t t h a t a n i t r o g e n d i s c h a r g e b e h a v e s i n a m a n n e r v e r y u n l i k e a n a r g o n p l a s m a . F o r t h e 6 1 0 , a n a r g o n d i s c h a r g e s e e m s t o f o l l o w t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s r e l a t i v e l y w e l l , a s i s e v i d e n c e d w i t h t h e c a l c u l a t i o n s o f S e c t i o n s 4 . 6 . 3 a n d 4 . 6 . 4 . a n d a l s o f r o m t h e p l a s m a p o t e n t i a l , a v e r a g e e l e c t r o n a n d i o n e n e r g r v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e a n d p o w e r . I n a n i t r o g e n d i s c h a r g e h o w e v e r , t h e p l a s m a p o t e n t i a l i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g d i s c h a r g e p r e s s u r e ( a s s e e n i n F i g u r e 4 . 2 0 ) . T h i s i s c o n fi r m e d w h e n t h e I E D F v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e i s s t u d i e d i n F i g u r e s 4 . 2 5 a n d 4 . 2 6 , w h e r e b o t h t h e I E D F s a n d t h e a v e r a g e i o n e n e r g i e s s h i f t t o w a r d s h i g h e r e n e r g y w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e . F u r t h e r e v i d e n c e o f t h e a n o m a l o u s b e h a v i o r o f a n i t r o g e n d i s c h a r g e e m e r g e i n F i g u r e 4 . 2 2 . w h e r e t h e p l a s m a p o t e n t i a l a n d e l e c t r o n e n e r g y i n c r e a s e s w i t h d o w n s t r e a m p o s i t i o n , c o n t r a r y t o t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s . T h i s d a t a t o o i s c o r r o b o r a t e d w i t h I E D F m e a s u r e m e n t s . a s s e e n i n F i g u r e s 4 . 2 7 a n d 4 . 2 8 w h e r e t h e a v e r a g e i o n e n e r g y a n d t h e l E D F s s h i f t t o w a r d s h i g h e r e n e r g y a s t h e d o w n s t r e a m d i s t a n c e i s i n c r e a s e d . S o m e s p e c u l a t i o n s m a y b e m a d e r e g a r d i n g t h i s a n o m a l o u s b e h a v i o r o f a _ n i t r o g e n d i s c h a r g e . B e i n g a d i a t o m i c g a s . n i t r o g e n h a s a v e r y d i f f e r e n t d i s s o c i a t i o n p h e n o m e n o n a s c o m p a r e d t o a r g o n . T h e m o l e c u l e m i g h t p r o d u c e a t o m i c n i t r o g e n , a n d a t o m i c o r m o l e c u l a r i o n s u p o n c o l l i s i o n s w i t h e n e r g e t i c e l e c t r o n s . S e v e r a l m e t a s t a b l e s p e c i e s m a y a l s o e x i s t i n t h e d i s c h a r g e . A l s o . a t o m i c n i t r o g e n i s e l e c t r o n e g a t i v e . a n d t h e r e m a y t h e r e f o r e b e n e g a t i v e i o n s i n t h e d i s c h a r g e . F u r t h e r , t h e m o l e c u l a r i o n a n d m o l e c u l a r g a s e n e r g i e s m a y b e d i s t r i b u t e d n o t o n l y i n t o r a n d o m a n d d i r e c t e d k i n e t i c e n e r g i e s . b u t a l s o i n t o 2 2 3 v i b r a t i o n a l a n d r o t a t i o n a l e n e r g y s t a t e s . A s m e n t i o n e d e a r l i e r , t h i s d i s c u s s i o n i s p u r e l y s p e c u l a t i o n , a n d f u r t h e r t e s t i n g o f t h e n i t r o g e n d i s c h a r g e n e e d s t o b e c o n d u c t e d , s o a s t o e x p l a i n t h e a n o m a l o u s b e h a v i o r o f a n i t r o g e n d i s c h a r g e i n c o n t e x t w i t h t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s o f t h e v a r i o u s d i f f u s i o n t h e o r i e s . 4 . o n a l e r f o t h 1 - H E L A s m a l l s e t . o f h e l i u m e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d t o c o m p l i m e n t t h e n u m e r i c a l m o d e l l i n g e f f o r t o n t h e 6 1 0 c u r r e n t l y u n d e r w a y a s p a r t o f i m p r o v i n g ' t h e u n d e r s t a n d i n g o f M P D R s [ G m - 9 4 a , G r o - 9 3 , G r o - 9 4 b ] . H e l i u m w a s s p e c i fi c a l l y c h o s e n b y t h e m o d e l l i n g g r o u p b e c a u s e i t i s e a s i e r t o s i m u l a t e t h a n a r g o n ( w h i c h m i g h t g e n e r a t e m u l t i p l y c h a r g e d i o n s - s e e C h a p t e r E i g h t ) , o r n i t r o g e n ( w h i c h i s a d i a t o m i c g a s ) . T h e h e l i u m c h a r a c t e r i z a t i o n r e s u l t s a r e n o w p r e s e n t e d h e r e . W h i l e t h e p l a s m a i g n i t i o n w a s n o t a p r o b l e m f o r h e l i u m , t h e r e w a s u s u a l l y u p t o 1 0 % r e fl e c t e d p o w e r a t o p t i m a l t u n i n g c o n d i t i o n s , a n d t h i s r e fl e c t e d p o w e r l e v e l r e m a i n e d h i g h w i t h n o a m o u n t o f f u r t h e r t u n i n g . T h i s m a y b e d i r e c t l y a t t r i b u t e d t o t h e g a s b e i n g m u c h l i g h t e r t h a n a r g o n o r o x y g e n , a n d h e n c e t h e p r e s s u r e a t m a r d m u m p o s s i b l e g a s fl o w w a s n o t h i g h e n o u g h . f o r o p t i m a l o p e r a t i o n o f t h e 6 1 0 . T h e i n p u t p o w e r l e v e l s q u o t e d h e r e t a k e i n t o a c c o u n t t h i s l a r g e r e fl e c t e d p o w e r . i . e . i n p u t p o w e r i s t h e d i f f e r e n c e o f i n c i d e n t p o w e r a n d r e fl e c t e d p o w e r . F i g u r e 4 . 2 9 s h o w s t h e h e l i u m i o n d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h i n p u t p o w e r . . D a t a a r e t a k e n w i t h a D L P p l a c e d 2 c m d o w n s t r e a m a t a h e l i u m fl o w r a t e o f 5 0 s c c m ( e q u a l l i n g a d i s c h a r g e p r e s s u r e o f 2 X 1 0 ‘ 4 T o r r ) . N o t e t h a t d u e t o t h e l o w e r w e i g h t o f t h e g a s , i t i s n e c e s s a r y t o i n c r e a s e t h e fl o w r a t e s i g n i fi c a n t l y t o r e a c h i i l l l l l l ) L m l c l c i b l l l l u i c i i r l e l p l i 9 l E i 1 ( 0 OO l l y i t i s n e l i J L D l i l n o l I i i i i l L i l i 2 2 4 9 . 0 0 > 1 o 0 3 . 0 0 1 . 0 0 I T I I I I I I I I I I I I T I T I I [ I T I I I I T I I I I I I I I I I I I ] l l r l l T l T ' 6 0 . 0 0 8 0 . 0 0 1 0 0 . 0 0 1 2 0 . 0 0 1 4 0 . 0 0 1 6 0 . 0 0 P o w e r ( W ) 4 . e u m i n d e n s v a r i a o n w i t h a t w e r D L P d a t a t a k e n 2 c m d o w n s t r e a m a t 5 0 s c c m h e l i u m fl o w ( c o r r e s p o n d i n g t o 2 X 1 0 ‘ 4 T o r r p r e s s u r e ) . N o t e t h a t t h e r e i s n o m o d e j u m p , a n d t h e h e l i u m i o n d e n s i - t i e s a r e m u c h l o w e r t h a n t h o s e o b s e r v e d i n a r g o n o r e v e n o x y g e n . 2 2 5 t h e d e s i r e d p r e s s u r e l e v e l s . A s i n p u t p o w e r i n c r e a s e s , t h e r e i s s e e n t o b e n o v a r i a t i o n i n i o n d e n s i t i e s - t h e r e i s n o m o d e c h a n g e f o r h e l i u m e i t h e r . I o n d e n s i t i e s i n a h e l i u m d i s c h a r g e a r e a r o u n d 7 X 1 0 9 c m ' 3 - m u c h l o w e r t h a n t h o s e o b s e r v e d i n o x y g e n o r a r g o n d i s c h a r g e s . T h i s m a y b e d u e t o i n e f fi c i e n t p o w e r c o u p l i n g f r o m t h e E M fi e l d s a n d i n t o t h e h e l i u m g a s ( a s e v i d e n c e d b y t h e r e l a t i v e l y h i g h r e fl e c t e d p o w e r ) . T h e i o n i z a t i o n p o t e n t i a l o f h e l i u m ( a b o u t 2 5 e V ) i s h i g h e r t h a n t h a t o f a r g o n ( 1 5 e V ) . o r n i t r o g e n ( a b o u t 1 4 e V ) . H e n c e t h e i o n i z a t i o n e f fi c i e n c y i n a h e l i u m d i s c h a r g e i s p r o b a b l y n o t a s g o o d a s t h a t f o r a r g o n , l e a d i n g t o a l o w e r h e l i u m i o n d e n s i t y . I o n d e n s i t y d o e s i n c r e a s e s o m e w h a t w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e . a s s e e n i n F i g u r e 4 . 3 0 , w h i c h s h o w s d a t a t a k e n w i t h a D L P a t a c o n s t a n t i n p u t p o w e r o f a b o u t 1 1 0 W . A s t h e h e l i u m fl o w i n c r e a s e s f r o m 2 0 s e e m , t o 2 8 s c c m a n d t o 4 0 s c c m ( w i t h a c o r r e s p o n d i n g i n c r e a s e i n p r e s s u r e f r o m 7 . 2 X 1 0 ' 5 T o r r . t o l X 1 0 ' 4 T o r r a n d t o l . 5 X 1 0 ’ 4 T o r r r e s p e c t i v e l y ) , t h e h e l i u m i o n d e n s i t y i n c r e a s e s f r o m 3 . 8 X 1 0 9 c m ‘ 3 t o a b o u t 6 X 1 0 9 c m ' 3 . a n d t h e D L P m e a s u r e d e l e c t r o n t e m p e r a t u r e d e c l i n e s f r o m 7 0 , 8 0 0 K t o 6 1 , 8 8 7 K a n d t o 6 5 , 7 0 0 K . A s i n t h e c a s e o f a r g o n , t h e i n c r e a s e i n i o n d e n s i t y . a n d t h e c o o l i n g o f t h e e l e c t r o n g a s w i t h _ r i s i n g p r e s s u r e m a y b e d i r e c t l y a t t r i b u t e d t o t h e i o n i z a t i o n - d i f f u s i o n l o s s t h e o r y o f S e c t i o n 4 . 6 . 1 . W T h e o p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 a t 2 . 4 5 6 1 - 1 2 h a s b e e n p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r . S e v e r a l d i f f e r e n t g a s t y p e s w e r e u s e d ( a l t h o u g h a r g o n W a s t h e m a i n o p e r a t i o n a l g a s ) . a n d t h e d a t a w e r e t a k e n f o r a v a r i e t y o f i n p u t c o n t r o l l l i l l l l l l l i i i l l l ) m c c i b u c i i r l e l p 9 l l l E i ( l l y i t l i s n e D n o l i i i l l l I i l L L l L ] L L z m 9 . 0 0 . \ ‘ o 0 . U ‘ o o 3 . 0 0 1 . 0 0 W I I I I I I W I T T I I I I I I I I T T I I I I T T I I I I I I I I I l l l l l l l l l l r l j l l l l l l l l 0 . 4 0 0 . 6 0 0 . 8 0 1 . 0 0 1 . 2 0 1 . 4 0 1 . 6 0 P r e s s u r e ( i i - 4 T o r r ) e l i i o n d e n v a r i o n t h r e s s D L P d a t a t a k e n 2 c m d o w n s t r e a m . a t a n e t i n p u t p o w e r o f l 1 0 W . T h e i o n d e n - s i t y i n c r e a s e s w i t h g a s p r e s s u r e . p r e s u m a b l y b e c a u s e t h e r i s e i n fl o w r a t e l e a d s t o a h i g h e r n e u t r a l d e n s i t y . T h i s r i s e i n i o n d e n s i t y i s a c c o m p a n i e d b y a d e c r e a s e i n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s - a s i n a n a r g o n d i s c h a r g e . 2 2 7 p a r a m e t e r s ( i . e . p r e s s u r e , fl o w . p o w e r a n d p o s i t i o n d o w n s t r e a m a n d r a d i a l l y a w a y f r o m t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n 2 S 0 ) . W h i l e d i s c h a r g e i g n i t i o n w a s n e v e r a p r o b l e m f o r a n y g a s ( o x y g e n . n i t r o g e n , h y d r o g e n . h e l i u m . o r a c o m b i n a t i o n t h e r e o f ) , t h e d e g r e e o f t u n i n g t h a t w a s n e c e s s a r y f o r e a c h g a s t y p e v a r i e d , a s d i d t h e o p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 i n t e r m s o f t h e i o n d e n s i t y a n d e l e c t r o n , a n d i o n e n e r g i e s . T h e a r g o n d i s c h a r g e i n t h e 6 1 0 w a s c a p a b l e o f g e n e r a t i n g h i g h d e n s i t i e s ( 1 0 1 0 t o 1 0 1 1 c m ’ 3 ) a t l o w p r e s s u r e ( s u b - m T o r r ) a n d i n p u t p o w e r ( l e s s t h a n 2 0 0 W ) . T h e 6 1 0 i s t h e r e f o r e “ o v e r d e n s e ” i n t h e c l a s s i c a l ( c r i t i c a l d e n s i t y ) s e n s e . T h e i o n e n e r g i e s w e r e l o w ( 2 0 t o 4 0 e V ) a n d e a s i l y c o n t r o l l a b l e t h r o u g h p r e s s u r e . p o w e r o r s u b s t r a t e b i a s . N o t e t h a t t h e s e i o n e n e r g i e s a r e o p t i m a l f o r m o s t s e m i c o n d u c t o r p r o c e s s i n g - t h e y a r e l o w e n o u g h s o a s t o n o t d a m a g e t h e w a f e r s b y e n e r g e t i c b o m b a r d m e n t , b u t h i g h e n o u g h t o c a t a l y z e s u r f a c e r e a c t i o n s t h a t m i g h t n e e d s o m e k i n e t i c e n e r g y f r o m l o w e n e r g i o n b o m b a r d m e n t . T h e e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s s e e m e d t o a g r e e b e t t e r w i t h t h e t h e o r e t i c a l D r u y v e s t e y n d i s t r i b u t i o n . w i t h s o m e e v i d e n c e o f a d e p l e t e d h i g h e n e r g y t a i l . H o w e v e r . f o r t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t s , a n a s s u m p t i o n o f M a x w e l l i a n e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n i n t h e 6 1 0 w o u l d n o t b e t o o f a r f r o m t h e r e a l i t y . I t h a s b e e n c o n c l u s i v e l y s h o w n h e r e t h a t w h i l e t h e a r g o n p e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 i s i n t e r e s t i n g t o s t u d y , i t d o e s n o t n e c e s s a r i l y g i v e m u c h i n d i c a t i o n a b o u t t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s o u r c e i n o t h e r g a s e s , s p e c i a l l y d i a t o m i c g a s e s ( o t h e r t h a n t h e e a s e o f o p e r a t i o n ) . S e v e r a l d i f f e r e n c e s e i d s t b e t w e e n t h e . o p e r a t i o n o f t h e i o n s o u r c e w i t h a r g o n . a n d w i t h n i t r o g e n o r o x y g e n . F o r e x a m p l e , w h i l e t h e a r g o n i o n e n e r g y v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e e x h i b i t s a s t r o n g m o d e j u m p a n d h y s t e r e s i s l o o p , n o s u c h e f f e c t i s s e e n f o r a n o x y g e n . n i t r o g e n o r 2 2 8 h e l i u m d i s c h a r g e w i t h i n t h e r a n g e o f p r e s s u r e s t h a t w e r e t e s t e d . W h i l e t h e p l a s m a p o t e n t i a l d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g a r g o n d i s c h a r g e p r e s s u r e , t h e p l a s m a p o t e n t i a l i n c r e a s e s a s t h e n i t r o g e n d i s c h a r g e p r e s s u r e i s i n c r e a s e d - t h i s w a s a l s o c o n fi r m e d b y t h e n i t r o g e n I E D F v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e . U p t o n o w , t h e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t o f p l a s m a d y n a m i c s h a s b e e n s o m e w h a t i n d e p e n d e n t o f t h e d i s c h a r g e g a s e s . I t i s s e e n h e r e . h o w e v e r , t h a t c o m m o n d i f f u s i o n ( a m b i p o l a r . S c h o t t k e y . e t c . ) t h e o r i e s t e n d t o fi t t h e a r g o n d i s c h a r g e b e t t e r t h a n a n y o t h e r g a s , a s i s e v i d e n t f r o m t h e p l a s m a p o t e n t i a l a n d i o n e n e r g y v a r i a t i o n s u m m a r i z e d a b o v e . T h a t t h e s e d i f f u s i o n t h e o r i e s d o i n d e e d p r e d i c t t h e b e h a v i o r o f a r g o n ( o r o t h e r e l e c t r o p o s i t i v e n o n - m o l e c u l a r g a s ) w e l l i s s e e n t h r o u g h t h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s o f S e c t i o n s 4 . 6 . 3 a n d 4 . 6 . 4 w h e r e m e a s u r e d d a t a c o m p a r e d w e l l w i t h t h e t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s . H o w e v e r . f u r t h e r c h a r a c t e r i z a t i o n o f M P D R s ( o r o t h e r t y p e s o f E C R I S ) m a y c o r r o b o r a t e o r c o n t r a d i c t m o r e t h e o r e t i c a l d o g m a s . a n d h e n c e t h e i m p o r t a n c e o f c o n t i n u e d e x p e r i m e n t a l e v a l u a t i o n c a n n o t b e o v e r s t a t e d . T h i s c o n t i n u e d e v a l u a t i o n m a y b e u n d e r t a k e n t h r o u g h a n y o f t h e s e v e r a l t e c h n i q u e s m e n t i o n e d d u r i n g t h e p r o c e s s o f r e v i e w i n g c o m p a c t s o u r c e s i n C h a p t e r T w o - o p t i c a l e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y . q u a r t z c r y s t a l m i ' c r o b a l a n c e . l a s e r i n d u c e d fl u o r e s c e n c e , e t c . A s m o r e k n o w l e d g e a b o u t t h e M P D R 6 1 0 i s c o l l e c t e d a n d a n a l y z e d , i t s o p e r a t i o n . a n d a l s o t h e t h e o r e t i c a l b a c k g r o u n d o f E C R p l a s m a 1 s o u r c e s m a y b e b e t t e r u n d e r s t o o d . C h a p t e r 5 E v a l u a t i o n : n g t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 a t 9 1 5 M H z v s . 2 . 4 5 G H z . 5 . 1 I n t r o d u c t i o n 5 . 2 E x p e r i m e n t a l D e s c r i p t i o n . 5 . 3 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e : D e n s i t y a n d T e m p e r a t u r e C o m p a r i s o n s 5 . 4 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e : I o n E n e r g y C o m p a r i s o n s 5 . 5 C o n c l u d i n g R e m a r k s E r r a t a C / i a p t e r 5 g v a f u a t i o n : Q g e r a t i o n o f t fi e m g 6 1 0 a t 9 1 5 W E I - [ z U s . 2 . 4 5 Q B H Z = Q . 1 I n m d u c t i o n I n C h a p t e r F o u r t h e o p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e o f t h e M P D R 6 1 0 w a s p r e s e n t e d i n t e r m s o f t h e o u t p u t o f t h e p l a s m a s o u r c e a s t h e e x t e r n a l p a r a m e t e r s w e r e v a r i e d . T h e s e e x t e r n a l c o n t r o l p a r a m e t e r s i n c l u d e d t h e d i s c h a r g e g a s fl o w / p r e s s u r e . g a s t y p e a n d i n p u t p o w e r . w h i l e t h e s o u r c e o u t p u t w a s m o n i t o r e d b y t h e i o n d e n s i t y . e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . a n d i o n a n d e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s . T h e s p a t i a l v a r i a t i o n o f t h e o u t p u t w a s a l s o s t u d i e d a s d a t a w e r e t a k e n a t v a r i o u s p o s i t i o n s a w a y f r o m t h e z = 0 a n d r = 0 c o o r d i n a t e . ( A s m e n t i o n e d i n C h a p t e r F o u r , 2 < 0 i s t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n i n s i d e t h e q u a r t z c o n t a i n m e n t v e s s e l , a n d z > 0 i s t h e f r e e d i f f u s i o n r e g i o n i n t h e v a c u u m p r o c e s s i n g c h a m b e r , a n d a w a y f r o m t h e p l a s m a s o u r c e . ) T h e s e ' d a t a w e r e c o m p i l e d f o r s e v e r a l g a s t y p e s , a n d c o n c l u s i o n s w e r e t h e n d r a w n o n t h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e M P D R 6 1 0 w h e n o p e r a t e d a t 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e p o w e r . 2 2 9 2 3 0 H o w e v e r , o n e f a c t o r t h a t r e m a i n e d u n c h a n g e d i n t h e s u b - s t u d y o f C h a p t e r F o u r w a s t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n - b e i n g s e t a t 2 . 4 5 G H z . A n i m p o r t a n t u n a n s w e r e d q u e s t i o n r e l a t e s t o t h e p e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 a t a d i f f e r e n t e x c i t a t i o n f r e q u e n c y . A s w i l l b e s e e n l a t e r ( i n C h a p t e r s E i g h t a n d T e n ) . t h e d e v e l o p m e n t o f a c l a s s o f i o n s o u r c e s t h a t p r o d u c e m u l t i p l y c h a r g e d i o n s h a s d e p e n d e d h e a v i l y o n t h e s o c a l l e d “ f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g ” l a w t h a t r e l a t e s t h e i o n d e n s i t y t o t h e s q u a r e o f t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n . F o l l o w i n g R e f e r e n c e J o n - 8 9 , t h i s “ l a w ” m a y b e w r i t t e n a s : f p = 8 . 9 1 x 1 0 3 J n : ( 5 . 1 ) w h e r e f p i s t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n ( i n H z ) a n d n e i s t h e i o n d e n s i t y ( i n c m ‘ 3 ) . W h i l e t h e d e r i v a t i o n o f t h e l a w . b a s e d o n m o d e l l i n g t h e p l a s m a a s a h i g h p a s s fi l t e r i s s o m e w h a t s i m p l i s t i c ( u s i n g a m u l t i t u d e o f a s s u m p t i o n s ) , i n t h e p a s t s e v e r a l y e a r s m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S h a v e i n d e e d s h o w n e n h a n c e d p r o d u c t i o n o f i o n d e n s i t y ( w i t h a r e l a t e d i n c r e a s e i n t h e i n t e n s i t y o f h i g h e r c h a r g e s t a t e i o n c u r r e n t s ) w h e n o p e r a t e d a t h i g h e r f r e q u e n c i e s ( 6 G H z t o 1 8 G H z . a n d u p t o 3 5 _ G H z ) . W h e t h e r t h e ‘ i r n p r o v e m e n t i n i o n d e n s i t y ( a n d c h a r g e s t a t e ) p r o d u c t i o n i n t h e s e E C R i o n s o u r c e s i s d u e t o h i g h e r f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n w i l l b e d i s c u s s e d i n m o r e d e t a i l i n C h a p t e r s E i g h t a n d T e n . F o r n o w , i t r e m a i n s t o b e s e e n w h e t h e r s u c h a “ f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g " i s a p p l i c a b l e f o r l o w c h a r g e s t a t e E C R i o n / p l a s m a s o u r c e s l i k e t h e M P D R 6 1 0 . I t h a s b e e n s t a t e d i n C h a p t e r F o u r t h a t t h e M P D R 6 1 0 i s a c o a x i a l p l a s m a s o u r c e . T h i s m e a n s t h a t e l e c t r o m a g n e t i c ( E M ) e n e r g i s p r o p a g a t e d t h r o u g h t h e s o u r c e b o d y i n a c o a x i a l m o d e . k n o w n a s t h e t r a n s v e r s e e l e c t r o m a g n e t i c ( T E M ) 2 3 1 m o d e . I n s u c h a m o d e . t h e e l e c t r i c fi e l d , t h e m a g n e t i c fi e l d a n d t h e d i r e c t i o n o f p r o p a g a t i o n a r e a l l m u t u a l l y p e r p e n d i c u l a r t o e a c h o t h e r , f o r m i n g a n o r t h o g o n a l s e t . I t i s s p e c u l a t e d t h a t i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e 6 1 0 , t h e e l e c t r i c fi e l d i s r a d i a l . t h e m a g n e t i c fi e l d i s a z i m u t h a l 1 ¢ d i r e c t e d ) . w h i l e 2 i s t h e d i r e c t i o n o f p r o p a g a t i o n o f t h e m i c r o w a v e e n e r g y . I f t h e a p p r o p r i a t e d e r i v a t i o n s a r e c o n d u c t e d , a m a j o r a d v a n t a g e o f t h i s c o a x i a l , o r T E M m o d e c o m e s t o l i g h t - t h e T E M m o d e h a s n o m i n i m u m c u t o f f d i a m e t e r f o r p r o p a g a t i o n o f e l e c t r o m a g n e t i c e n e r g y . O f t h e o t h e r t w o m o d e t y p e s t h r o u g h w h i c h e n e r g y c a n p r o p a g a t e - t h e t r a n s v e r s e e l e c t r i c ( T E ) o r t r a n s v e r s e m a g n e t i c ( T M ) m o d e s . t h e l o w e s t c u t o f f d i a m e t e r i s f o r t h e T E M m o d e . T h i s m o d e r e q u i r e s t h a t t h e p l a s m a s o u r c e ( o r a n y c i r c u l a r w a v e g u i d e ) h a v e a n i n n e r d i a m e t e r o f a b o u t 7 . 2 c m o r m o r e f o r w a v e p r o p a g a t i o n i n t h e T E l 1 m o d e a t 2 . 4 5 G H z . A d i a m e t e r l e s s t h a n t h a t c a n n o t p r o p a g a t e e i t h e r a T E o r a T M m o d e . S i n c e t h e T E M m o d e h a s n o c u t o f f , a c o m p a c t c o a r d a l p l a s m a s o u r c e ( o r a c i r c u l a r w a v e g u i d e ) w i t h a d i a m e t e r l e s s t h a n 7 c m c a n b e d e s i g n e d t o p r o p a g a t e T E M w a v e . I n d e e d . i t w a s t h i s p r o p e r t y t h a t w a s e x p l o i t e d d u r i n g t h e i n i t i a l d e v e l o p m e n t o f t h e 6 1 0 t o m a k e i t a s m a l l . c o m p a c t i o n s o u r c e . N o t e t h a t t h i s p r o p e r t y w a s a l s o e m p l o y e d b y t h e d e s i g n e r s o f t h e J a p a n e s e r a d i c a l g u n a n d t h e A S T e X . I n c . s m a l l i o n s o u r c e ( s e e S e c t i o n s 2 . 2 . 4 a n d 2 . 2 . 6 . C h a p t e r N o ) t o b u i l d s o u r c e s b e l o w t h e c u t o f f d i a m e t e r o f t h e T E a n d T M m o d e s . I n t h e c o a J d a l s e c t i o n O f t h e 6 1 0 . a r e s o n a n t s t a n d i n g w a v e o f e l e c t r i c fi e l d i s s e t u p . H o w e v e r , t h e b o d y o f t h e 6 1 0 a l s o c o n s i s t s o f a c i r c u l a r ( b e l o w c u t o f f ) w a v e g u i d e b e t w e e n t h e t e r m i n u s o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r a n d t h e p l a s m a ( c o n fi n e d b y a q u a r t z t u b e , o r c u p ) . D u e t o i t s s m a l l d i a m e t e r . o n l y e v a n e s c e n t m o d e s m a y b e s e t u p i n t h i s s m a l l c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n . ( S e e 1 F i g u r e 4 . 6 o f C h a p t e r F o u r f o r t h e 2 3 2 d e fi n i t i o n o f c o a x i a l a n d c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n s o f t h e p l a s m a s o u r c e . ) T h a t t h e s t a n d i n g w a v e i s i n d e e d g e n e r a t e d i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e s o u r c e , w h i c h i s t h e n a t t e n u a t e d i n t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n w i l l b e v e r i fi e d l a t e r i n C h a p t e r S i x w i t h d i r e c t m e a s u r e m e n t s o f t h e r a d i a l c o m p o n e n t o f e l e c t r i c fi e l d p a t t e r n s i n t h e 6 1 0 - a ( a n a d a p t e d v e r s i o n o f t h e M P D R 6 1 0 ) . A c o r o l l a r y t o t h e a b o v e m e n t i o n e d a d v a n t a g e o f t h e c o a x i a l s t r u c t u r e o f t h e p l a s m a s o u r c e i s t h a t E M fi e l d s a t a n y f r e q u e n c y m a y b e p r o p a g a t e d t h r o u g h t h e s t r u c t u r e . T h i s m e a n s t h a t s i n c e t h e r e i s n o c u t o f f d i a m e t e r f o r w a v e p r o p a g a t i o n . a n d c o a x i a l s o u r c e m a y b e o p e r a t e d a t a n y f r e q u e n c y o f e x c i t a t i o n b o t h h i g h e r a n d l o w e r t h a n 2 . 4 5 G H z . T h i s c h a p t e r d e t a i l s s o m e e x p e r i m e n t s i n w h i c h t h e 6 1 0 w a s e x c i t e d a t 9 1 5 M H z i n s t e a d o f t h e s t a n d a r d 2 . 4 5 G H z . T h e p e r f o r m a n c e o f t h e s o u r c e i s e v a l u a t e d . a s i n C h a p t e r F o u r . b y c o m p i l i n g d a t a o n ( 1 ) e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s , ( 2 ) a b s o l u t e v a l u e s a n d t h e s p a t i a l v a r i a t i o n o f e l e c t r o n a n d i o n d e n s i t i e s . ( 3 ) s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t i e s . ( 4 ) i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s . a n d ( 5 ) i o n p r o d u c t i o n c o s t s . A l l d a t a a r e t a k e n f o r a r g o n g a s , ( a l t h o u g h s o m e i o n d e n s i t y d a t a i n o x y g e n i s a l s o d i s c u s s e d ) w i t h i n d e p e n d e n t v a r i a t i o n o f t h e i n p u t p o w e r a n d d i s c h a r g e p r e s s u r e , a n d t h e n c o m p a r e d t o s i m i l a r r e s u l t s o b t a i n e d f o r 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n . A l l d a t a a r e t a k e n w i t h t h e 6 1 0 m o u n t e d o n t h e Y o r k t o w n T ( s e e F i g u r e s 4 . 3 a n d 4 . 4 , C h a p t e r F o u r . T h e d i s c h a r g e p r e s s u r e i s o n c e a g a i n d i c t a t e d b y t h e g a s fl o w r a t e d u e t o t h e l a c k o f a v a r i a b l e c o n d u c t i o n v a l v e . T h e r e s u l t s o f t h i s c o m p a r i s o n s t u d y w e r e fi r s t p r e s e n t e d a t t h e A m e r i c a n V a c u u m S o c i e t y s y m p o s i u m ( A V S - 9 2 ) i n C h i c a g o . U S A , [ S r i - 9 2 c ) , a n d s u b s e q u e n t l y p u b l i s h e d i n t h e c o n f e r e n c e p r o c e e d i n g s [ S r i - 9 3 a ) . O t h e r t h a n t e s t i n g t h e “ f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g ” l a w , a n o t h e r r e a s o n t o 2 3 3 u n d e r t a k e t h i s c o m p a r i s o n s t u d y i s t h i s : a s t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n d e c r e a s e s , t h e r e q u i r e m e n t o f t h e E C R m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h g o e s d o w n l i n e a r l y . ( S e e S e c t i o n 1 . 2 . l o f C h a p t e r O n e t h a t d i s c u s s e s p o w e r t r a n s f e r t h r o u g h “ p u r e ” E C R t o t h e d i s c h a r g e . ) T h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n f o r t h e 6 1 0 h a s b e e n d i s c u s s e d i n d e t a i l i n e a r l i e r i n v e s t i g a t i o n s [ A s m - 9 0 . O r a - 9 1 . G r o - 9 2 ] . I n p a r t i c u l a r . t h e g e o m e t r y o f t h e m a g n e t s a n d t h e a s s o c i a t e d E C R a b s o r p t i o n v o l u m e f o r 2 . 4 5 G H z h a v e b e e n s i m u l a t e d , a n d a r e d i s p l a y e d i n F i g u r e s 2 a n d 3 o f R e f e r e n c e G r o - 9 2 . T h e fi e l d s t r e n g t h r e q u i r e d f o r E C R a t 2 . 4 5 G H z i s 8 7 5 G a u s s . B y l i n e a r l y s c a l i n g d o w n t h i s n u m b e r , i t m a y b e s e e n t h a t a t 9 l 5 M H z t h i s fi e l d s t r e n g t h r e q u i r e m e n t f o r E C R i s r e d u c e d t o a b o u t 3 2 5 G a u s s . I f e l e c t r o m a g n e t i c c o i l s a r e u s e d . t h i s w o u l d m e a n t h a t a l e s s e r c u r r e n t i s n e e d e d i n t h e c o i l s t o g e n e r a t e t h e r e q u i s i t e m a g n e t i c fi e l d s , a n d h e n c e a s a v i n g i n p o w e r c o s t s . I n t h e c a s e o f p e r m a n e n t m a g n e t s - a s f o r t h e M P D R 6 1 0 - t h i s m e a n s t h a t t h e “ E C R z o n e s ” a r e p u s h e d i n t o w a r d s t h e c e n t e r ' o f t h e q u a r t z p l a s m a c u p a n d a w a y f r o m t h e w a l l s . S o i f t h e s o u r c e o p e r a t e s w e l l a t 9 1 5 M H z , i t m i g h t a l s o m e a n t h a t c h e a p e r . l e s s p o w e r f u l m a g n e t s m a y b e u s e d i n t h e s o u r c e t o s u s t a i n a n E C R p l a s m a a t t h i s l o w e r f r e q u e n c y . T h e e f f e c t s o f a m o r e p r o n o u n c e d s e t o f E C R z o n e s ( w i t h i n t h e d i s c h a r g e r e g i o n o f t h e s o u r c e ) o n t h e o u t p u t o f t h e 6 1 0 a r e . t h e r e f o r e s t u d i e d i n t h i s c h a p t e r . W A s s h o u l d b e e x p e c t e d . m o s t o f t h e e x p e r i m e n t a l s e t u p f o r t h e s e t e s t s a t 9 1 5 M H z r e m a i n s e x a c t l y t h e s a m e a s t h a t d e s c r i b e d f o r t h e 2 . 4 5 G H z o p e r a t i o n o f t h e 6 1 0 i n C h a p t e r F o u r . A s m e n t i o n e d e a r l i e r . t h e s a m e Y o r k t o w n T ( s e e 2 3 4 F i g u r e s 4 . 3 a n d 4 . 4 ) v a c u u m s y s t e m w a s u s e d f o r e x p e r i m e n t s i n t h i s c h a p t e r . a n d t h e g a s fl o w s y s t e m r e m a i n s t h e s a m e a l s o ( a s i n F i g u r e 4 . 5 ( a ) ) . T h e o n l y m a j o r d i f f e r e n c e i s i n t h e m i c r o w a v e a p p a r a t u s . I n d i v i d u a l m i c r o w a v e c o m p o n e n t s a r e c a l i b r a t e d t o p e r f o r m o n l y o v e r a l i m i t e d r a n g e o f f r e q u e n c i e s . W h i l e t h e s e t u p o f t h e b i d i r e c t i o n a l c o u p l e r / c i r c u l a t o r / d u m m y l o a d / a t t e n u a t o r s / p o w e r m e t e r s . e t c . r e m a i n s t h e s a m e c o n c e p t u a l l y ( a s i n F i g u r e 4 . 5 ( b ) ) . a c o m p l e t e l y d i f f e r e n t s e t o f a p p a r a t u s n e e d s t o b e u s e d t h a t i s r a t e d f o r u s e a t o r a b o u t 9 1 5 M H z f r e q u e n c y . A C h e u n g T M 0 - 5 0 0 W p o w e r s u p p l y p r o d u c i n g m i c r o w a v e s a t 9 1 5 M H z w a s u s e d i n t h i s c a s e t o p o w e r t h e i o n 1 s o u r c e . A n d o f c o u r s e t h e s a m e p l a s m a s o u r c e - t h e M P D R 6 1 0 i s u s e d f o r b o t h f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n . T h e o n l y d i f f e r e n c e i n . t h e s o u r c e s t r u c t u r e i s t h a t t h e r e s o n a n c e p o s i t i o n o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r / s l i d i n g s h o r t a s s e m b l y a t 9 1 5 M H z i s s l i g h t l y d i f f e r e n t f r o m t h a t a t 2 . 4 5 G H z d u e t o t h e d i f f e r e n t E M w a v e l e n g t h a t t h e t w o f r e q u e n c i e s . S e v e r a l p r o b l e m s w e r e e n c o u n t e r e d w h i l e c o m p i l i n g d a t a f o r t h e A V S - 9 2 s y m p o s i u m . T h e C h e u n g p o w e r s u p p l y w a s o f t e n v e r y e r r a t i c i n i t s p o w e r o u t p u t a n d fi n a l l y i t d i d b r e a k d o w n i r r e c o v e r a b l y . A n e w 9 1 5 M H z m a g n e t r o n w i t h a m a x i m u m o f 4 0 0 W p o w e r o u t p u t a n d a 3 0 0 h o u r l i f e t i m e h a d t o b e p l a c e d i n t h e p o w e r s u p p l y . a f t e r w h i c h t h e o u t p u t w a s v e r y s t a b l e , a l b e i t c e n t e r e d a t a b o u t 9 1 8 M H z . A l s o . i t w a s f o u n d t h a t a 2 0 d B a t t e n u a t o r t h r o u g h w h i c h i n c i d e n t p o w e r w a s b e i n g s a m p l e d t o t h e p o w e r m e t e r w a s a c t u a l l y 2 3 d B . A n a d d i t i o n a l 3 d B o f a t t e n u a t i o n r e d u c e d t h e p o w e r r e a d o u t b y 5 0 % . S o w h e n t h e i n c i d e n t p o w e r m e t e r w a s r e a d i n g 1 0 0 W . t h e a c t u a l p o w e r g o i n g t o t h e i o n s o u r c e w a s 2 0 0 W . T h i s d i s c r e p a n c y w a s r e s o l v e d i m m e d i a t e l y b y r e p l a c i n g t h e m a l f u n c t i o n i n g a t t e n u a t o r w i t h a n e w o n e t h a t i s r a t e d t o o p e r a t e w i t h p r e c i s e l y 2 3 5 2 0 d B a t t e n u a t i o n a t 9 1 5 M H z . B e f o r e f u r t h e r d a t a a c q u i s i t i o n . a l l o t h e r c a b l e s a n d a t t e n u a t o r s w e r e t e s t e d u s i n g a n e t w o r k a n a l y z e r a n d i t w a s f o u n d t h a t t h e y c o n f o r m e d t o s p e c i fi c a t i o n s . F i n a l l y . t h e a r g o n p l a s m a g e n e r a t e d b y a 9 1 5 M H z m i c r o w a v e e x c i t a t i o n i s v e r y i n t e n s e . A s w i l l b e s e e n f r o m t h e d a t a t h a t a r e p r e s e n t e d i n t h e f o r t h c o m i n g s e c t i o n s . t h e e l e c t r o n a n d i o n t e m p e r a t u r e s a t t h i s f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n a r e h i g h e r t h a n t h o s e f o u n d i n a 2 . 4 5 G H z e x c i t e d d i s c h a r g e . T h i s l e a d s t o a m u c h h i g h e r e n e r g y t r a n s f e r t o t h e q u a r t z w a l l s d u r i n g c o l l i s i o n s a n d r e c o m b i n a t i o n s . I t m i g h t a l s o b e . a s s o m e e v i d e n c e w i l l i n d i c a t e i n a l a t e r s e c t i o n , t h a t t h e d i f f u s i o n o f c h a r g e d s p e c i e s o u t o f a 9 1 5 M H z e x c i t e d d i s c h a r g e i s d i f f e r e n t f r o m p a r t i c l e d i f f u s i o n i n a 2 . 4 5 G H z e x c i t e d d i s c h a r g e . D u r i n g t h e c o u r s e o f d a t a a c q u i s i t i o n a t 9 1 5 M H z . t h e 6 1 0 ' s q u a r t z c r a c k e d d u e t o t h e i n t e n s e b o m b a r d m e n t o f e n e r g e t i c p a r t i c l e s . T h e h a i r l i n e f r a c t u r e c r e a t e d s u f fi c i e n t p r o b l e m s w i t h v a c u u m s u c h t h a t t h e b a s e p r e s s u r e s w e r e s e v e r a l d e c a d e s h i g h e r t h a n n o r m a l ( w h i c h i s l e s s t h a n 1 0 ' 7 T o r r ) . a n d s o t h e q u a r t z h a d t o b e r e p l a c e d . O n c e t h e r e p l a c e m e n t q u a r t z w a s s e a l e d i n t o p l a c e u s i n g t h e H e l i c o fl e x T M r i n g s , d a t a c o m p i l a t i o n p r o c e e d e d s m o o t h l y f o r t h e d u r a t i o n o f t h e . e x p e r i m e n t s . A l l d a t a r e p o r t e d i n t h i s c h a p t e r a r e t a k e n i n a c c o r d a n c e w i t h t h e p r o c e d u r e s d i s c u s s e d i n C h a p t e r T h r e e . . h m fi l m y “ ' ! , ' ! ' _ ! - r 1 _ _ ! . ' L ! . ' t r . = I ' D I - ‘ _ s ' x ! ' 1 ' : J 2 ; F i g u r e 5 . 1 p l o t s e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s ( T . . . ) a s p r e s s u r e / fl o w c h a n g e s i n a n a r g o n p l a s m a o f 1 6 0 W i n p u t p o w e r . D a t a a r e t a k e n w i t h a d o u b l e L a n g m u i r p r o b e ( D L P ) p l a c e d 3 c m d o w n s t r e a m ( z = 3 , r = 0 ) . A s m e n t i o n e d i n C h a p t e r s 2 3 6 P r e s s u r e ( m T o r r ) 0 . 0 0 0 . 2 0 0 . 4 0 0 . 6 0 0 . 8 0 6 0 0 0 0 : ) I I I I I I I I I I 1 1 1 1 1 1 I I I l I I I I L I I I I l I I I l I n I J L l I " fi s h I E + I 3 3 . 3 - 3 . 3 : I I + / j I I i I / / I A / / a 3 3 / , / I 2 2 " g 4 0 0 0 0 . 0 j 2 1 g . . a 3 a . ) u I " 1 1 s : e . . - 1 ‘ 5 3 0 0 0 0 . 0 j 2 A m : 1 I h a j 2 0 0 0 0 . 0 j i " _ H : 9 1 5 M H z : D D D D D 2 . 4 S G H z 1 O O C ‘ 0 . 0 I T T T T T W I I I I I I T W T T I I 1 1 1 1 1 1 1 1 ] I l l i l l i l l l l i l i l l i ( I l l I I I T I I I I I I I I I I I T T T 0 . 0 5 . 0 1 0 . 0 1 5 . 0 2 0 . 0 2 5 . 0 3 0 . 0 3 5 . 0 F l o w ( s c c m ) _ F _ i g n _ r _ e 5 , 1 E l e c t r o n I c m m r a t g g v a r i a t i o n f o r t h e t _ w o f r e q u e n c i e s T h e i n c i d e n t p o w e r a t b o t h f r e q u e n c i e s i s 1 6 0 W . E l e c t r o n t e m p e r a t u r e d a t a a r e t a k e n 3 c m d o w n s t r e a m w i t h a d o u b l e L a n g m u i r p r o b e . 2 3 7 T h r e e a n d F o u r . a t e a c h p o i n t t h e d a t a w e r e t a k e n s e v e r a l t i m e s t o e n s u r e r e p e a t a b i l i t y . a n d f o r e a c h d a t a p o i n t t h e 6 1 0 w a s t u n e d t o o p t i m a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ( l e s s t h a n 5 % r e fl e c t e d p o w e r ) a s t h e fl o w / p r e s s u r e w a s c h a n g e d . T h e e r r o r b a r s i n F i g u r e 5 . 1 a r e t h e l o w e s t . a n d h i g h e s t T e v a l u e s f r o m t h e s e v e r a l s e t s o f d a t a t h a t w e r e t a k e n a t e a c h fl o w r a t e . T . . . f o r t h e d i s c h a r g e a t 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n f r e q u e n c y g o e s d o w n a s p r e s s u r e i n c r e a s e s . A s w a s m e n t i o n e d i n C h a p t e r F o u r , t h e r e i s a s u d d e n d i p i n t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e w h e n t h e p l a s m a s o u r c e u n d e r g o e s t h e d i s c o n t i n u o u s “ m o d e c h a n g e . ” T h i s s u d d e n d e c r e a s e i n t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e i s s e e n i n t h e 2 . 4 5 G H z c u r v e o f F i g u r e 5 . 1 ( a l s o s e e F i g u r e 4 . 1 0 . C h a p t e r F o u r ) a t a b o u t 0 . 2 m T o r r . W h i l e d i s c u s s i n g F i g u r e 4 . 1 0 . i t w a s s t a t e d t h a t t h e g r a d u a l i n c r e a s e i n t h e T e a s p r e s s u r e f a l l s i s a r e s p o n s e o f t h e d i s c h a r g e t o s u s t a i n i t s e l f — s p e c i fi c a l l y ( s e e S e c t i o n 4 . 6 . l o f C h a p t e r F o u r ) t h a t t h e i o n i z a t i o n - d i f f u s i o n l o s s o u t o f a d i f f e r e n t i a l v o l u m e m u s t b e b a l a n c e d i n s t e a d y s t a t e , a n d a s t h e p r e s s u r e f a l l s . t h e d i f f u s i o n l o s s e s w i t h i n t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n i n c r e a s e . H e n c e t h e i o n i z a t i o n m u s t i n c r e a s e t o s u s t a i n t h e p l a s m a . a n d t h i s i n t u r n p r e d i c a t e s a n i n c r e a s e i n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . T h e 2 . 4 5 G H z c u r v e i n F i g u r e 5 . 1 r e fl e c t s t h i s e l e v a t e d e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a t l o w e r p r e s s u r e s . W i t h i n t h e s p a n o f p r e s s u r e s t e s t e d . t h e g e n e r a l t r e n d o f t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a t 9 1 5 M H z e x c i t e d d i s c h a r g e i s t h a t t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s a r e h i g h e r t h a n t h o s e a t 2 . 4 5 G H z . s p e c i a l l y a t h i g h e r p r e s s u r e s ( > 0 . 4 m T o r r ) . L a t e r i n t h i s c h a p t e r . d a t a o n i o n d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h d i s c h a r g e p r e s s u r e a r e p r e s e n t e d . w h i c h w i l l i n d i c a t e t h a t a d i s c o n t i n u o u s m o d e j u m p o c c u r s e v e n a t 9 1 5 M H z . H o w e v e r . a t 9 1 5 M H z . t h e r e i s n o s u d d e n d r o p i n T e w h e n t h i s m o d e j u m p o c c u r s . a s o b s e r v e d i n t h e d i s c h a r g e o p e r a t i n g a t 2 . 4 5 G H z . I n d e e d , t h e r e m 1 d i f : m c c e r f o r 2 0 ! " . t e n a t t t o r d i s < S a n d i s t e l e c M a ) . g e n : m o r S i n g i t h ; 1 6 m l 2 3 8 s e e m s t o b e a s u d d e n g i g ; i n t h e T e i n a 9 1 5 M H z e x c i t e d d i s c h a r g e a t a b o u t 0 . 3 m T o r r . T h i s e l e v a t e d e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a t h i g h e r p r e s s u r e s i s t h e k e y d i f f e r e n c e i n t h e o p e r a t i o n o f t h e 6 1 0 a t 9 1 5 M H z . a n d i s p r o b a b l y d u e t o t h e m o r e p r o n o u n c e d E C R z o n e s t h a t h a v e b e e n p u s h e d i n w a r d s ( t o w a r d s t h e c e n t e r o f t h e q u a r t z ) b e c a u s e o f t h e l o w e r m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h r e q u i r e m e n t f o r E C R a t 9 1 5 M H z . I t m a y b e p o s s i b l e t h a t w i t h t h i s n e w p l a c e m e n t o f E C R z o n e s . t h e d i f f u s i o n o f c h a r g e d s p e c i e s o u t o f t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n i s h i g h e r f o r a 9 1 5 M H z e x c i t e d d i s c h a r g e f r o m t h a t o f a d i s c h a r g e a t 2 . 4 5 G H z . T h e h i g h e r d i f f u s i o n l o s s e s m u s t b e b a l a n c e d b y a n i n c r e a s e i n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . T h e c h a r g e d p a r t i c l e s m i g h t i n f a c t b e a c c e l e r a t e d o u t o f t h e q u a r t z a t b o t h e n d s . w h i c h m i g h t e x p l a i n t h e h a i r l i n e f r a c t u r e o f t h e q u a r t z c u p a l l u d e d t o e a r l i e r i n S e c t i o n 5 . 2 . a n d a l s o m i g h t e x p l a i n t h e “ h o l l o w b e a m ” e f f e c t t o b e d i s c u s s e d l a t e r w h e n F i g u r e 5 . 6 i s i n t r o d u c e d . I t i s r e - i t e r a t e d h e r e , a s . w a s n o t e d i n C h a p t e r T h r e e . t h a t t h e D L P o n l y s a m p l e s t h e t e m p e r a t u r e o f t h e h i g h e n e r g y t a i l o f t h e e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n , r a t h e r t h a n t h e b u l k t e m p e r a t u r e [ H e r - 8 9 ] . T h u s , t h e m e a s u r e d e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s p r e s e n t e d h e r e a r e i n d i c a t i v e o f t h e t e m p e r a t u r e s o f a M a x w e l l i a n ( o r n e a r — M a x w e l l i a n ) e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n w h i c h h a s t h e s a m e h i g h e n e r g y d i s t r i b u t i o n a s t h e f a s t e l e c t r o n s i n t h e 6 1 0 d i s c h a r g e a t 9 l 5 M H z . T h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e d a t a o f F i g u r e 5 . 1 t h e r e f o r e o n l y p r o v i d e a g e n e r a l t r e n d o f t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n w i t h i n p u t p a r a m e t e r s . A m o r e a c c u r a t e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t i s p o s s i b l e t h r o u g h s i n g l e L a n g m u i r p r o b e ( S L P ) t e c h n i q u e a s d e s c r i b e d i n C h a p t e r T h r e e . H o w e v e r . i t h a s b e e n o b s e r v e d i n l a r g e r . i o n s o u r c e s [ H o p - 9 1 ) t h a t t h e a c t u a l e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s a s m e a s u r e d d i r e c t l y w i t h a s i n g l e L a n g m u i r p r o b e . b y s a m p l i n g t h e fl u c a r d e r i r e 2 3 9 t h e c o m p l e t e d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n v a r y b y a t m o s t 1 5 % w h e n c o m p a r e d t o t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s m e a s u r e d w i t h a d o u b l e L a n g m u i r p r o b e . T h i s v a r i a t i o n c a n n o t e x p l a i n t h e d i f f e r e n c e s o b s e r v e d i n t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a n d i o n d e n s i t y d a t a b e t w e e n t h e d i s c h a r g e s a t t h e t w o f r e q u e n c i e s O f e x c i t a t i o n . a n d s o t h e s e d i f f e r e n c e s m u s t b e i n h e r e n t t o t h e o p e r a t i o n o f t h e s o u r c e a t t w o s e p a r a t e f r e q u e n c i e s . F i g u r e 5 . 2 d i s p l a y s t h e a r g o n i o n d e n s i t y v a r i a t i o n s v e r s u s fl o w / p r e s s u r e , u n d e r t h e s a m e c o n d i t i o n s a s F i g u r e 5 . 1 ( D L P p o s i t i o n e d 3 c m d o w n s t r e a m . 1 6 0 W i n p u t p o w e r ) . A t b o t h e x c i t a t i o n f r e q u e n c i e s . t h e r e i s a d i s c h a r g e m o d e ' c h a n g e w h e r e t h e d e n s i t y q u a d r u p l e s f o r 2 . 4 5 G H z ( f r o m 2 t o 9 X 1 0 1 0 c m ’ 3 ) e x c i t a t i o n , a n d d o u b l e s f o r 9 1 5 M H z ( f r o m 3 t o 6 - 7 X 1 0 1 0 c m ’ 3 ) e x c i t a t i o n . T h i s s u d d e n c h a n g e o f d e n s i t y i s d e p e n d e n t o n t h e a b s o r b e d p o w e r a n d p r e s s u r e o f t h e d i s c h a r g e s u c h t h a t a h y s t e r e s i s l o o p v e r s u s p r e s s u r e . p o w e r a n d d e n s i t y i s o b s e r v e d f o r e i t h e r f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n ( a s m e n t i o n e d i n C h a p t e r F o u r . f o r 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n o f t h e 6 1 0 ) . H e n c e . t h i s h y s t e r e s i s p h e n o m e n o n a l l o w s t w o p o s s i b l e i o n d e n s i t i e s a t t h e s a m e p o w e r a n d p r e s s u r e c o n d i t i o n s . d e p e n d i n g o n t h e i n i t i a l c o n d i t i o n s o f t h e p l a s m a s o u r c e . A s d i s c u s s e d f o r F i g u r e 5 . 1 , t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e d e c r e a s e s f o r a 2 . 4 5 G H z e x c i t e d p l a s m a w h e n t h e d i s c h a r g e u n d e r g o e s t h e m o d e j u m p t o t h e h i g h d e n s i t y m o d e , b u t t h e r e i s n o c o m p a r a b l e m e a s u r a b l e d e c r e a s e i n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s f o r a 9 1 5 M H z d i s c h a r g e . T h i s p h e n o m e n o n i s m i r r o r e d i n F i g u r e 5 . 3 . w h e r e t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y f o r 9 1 5 M H z i s c o m p a r e d t o 2 . 4 5 G H z c u r r e n t d e n s i t y . p l o t t e d f o r t h e s a m e c o n d i t i o n s a s b e f o r e ( 1 6 0 W i n p u t p o w e r . D L P 3 c m d o w n s t r e a m ) . T h e s a t u r a t i o n c u r r e n t i s h i g h e r a t 9 1 5 M H z . e v e n t h o u g h t h e i o n d e n s i t y f o r t h e s a m e p r e s s u r e / p o w e r i s l o w e r , t h a n t h a t a t 2 . 4 5 2 4 0 P r e s s u r e ( m T o r r ) 0 . 0 0 0 . 2 0 0 . 4 0 0 . 6 0 0 . 8 0 1 2 0 0 l L L J l l l l l l l l l l L L L l l l l l l l l l l l i l l l l l l l l i l l l ; I 1 0 . 0 0 3 « 6 ‘ B O O — j E _ 0 I * — * c d _ . _ _ B : / * / k \ K i t 6 . 0 0 - 3 / * ~ . . . « g ‘ . 3 / 2 5 I g 4 . 0 0 — ‘ 1 ~ / a I \ 2 . 0 0 — j 9 S M 3 * H H 9 1 5 M H z : B B B - B E ] 2 . 4 5 G H z 0 . 0 0 u T T I I I I I I I T I T T T I T T T T T I T T T fl T ) I ] 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ( T I I I I I I I I I ( I I T T T V I T I — V T T T T T 0 . 0 5 . 0 1 0 . 0 1 5 . 0 2 0 . 0 2 5 . 0 3 0 . 0 3 5 . 0 F l o w ( s c c m ) L i m e 5 . 2 l o g d e n s i t y v a r i Q o n w i t h p r e s s u r e f o r t h e t w o f r e q u e n c i e s . T h e i n c i d e n t p o w e r i s 1 6 0 W f o r t h e a r g o n d i s c h a r g e . D a t a a r e t a k e n w i t h a d o u - b l e L a n g m u i r p r o b e 3 c m d o w n s t r e a m . 2 4 1 P r e s s u r e ( m T o r r ) 0 . 0 0 0 . 2 0 0 . 4 0 0 . 6 0 0 . 8 0 2 . 5 0 i l l l l i L J i l i l i i l i L J l l i l l i i L L l L l l I l l l i l i l l l I 3 — — - * 2 . 0 0 : 2 " " fi \ ‘ t , e \ . 4 “ 3 * / \ 2 : g 1 . 5 0 1 I 3 : 1 3 3 r 3 : g 1 . 0 0 E 9 . . U I C . - 2 a g : § 0 . 5 0 5 U ) . . : * H H 9 I S M H Z 5 9 3 9 3 9 2 4 5 0 1 1 2 0 . 0 0 - I T H H I I I I I I H I r r r r I I I I I I I I I ] I I I H I I I I ] I I H I I n u n r n r r r r r r u l l r r 0 . 0 5 . 0 1 0 . 0 1 5 . 0 2 0 . 0 2 5 . 0 3 0 . 0 3 5 . 0 F l o w ( s c c m ) F i g u _ r e 5 . 3 t h t i o n c u r r e n t d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e f o r t h e t w o f r e q u e n c i e s I o n s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y i s m e a s u r e d w i t h a d o u b l e L a n g m u i r p r o b e p l a c e d 3 c m d o w n s t r e a m f o r 1 6 0 W i n p u t p o w e r i n a n a r g o n d i s c h a r g e . D a t a a r e t a k e n a t a n e g a t i v e 5 0 v o l t b i a s . 2 4 2 G H z . T h i s a p p a r e n t d i s c r e p a n c y m a y b e e x p l a i n e d b y r e v i s i t i n g E q n . 3 . 1 4 ( C h a p t e r T h r e e ) . w h e r e i t i s s e e n t h a t i o n d e n s i t y i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y . b u t i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h e s q u a r e r o o t o f e l e c t r o n t e m p e r a t u r e . I n d e e d , t h e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t o f S e c t i o n 3 . 2 . 3 ( C h a p t e r T h r e e ) o n d o u b l e L a n g m u i r p r o b e s s h o w s t h a t t h e t h r e e p a r a m e t e r s ( i o n d e n s i t y . e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a n d s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y ) a r e i n h e r e n t l y i n t e r - r e l a t e d . S o e v e n t h o u g h t h e r e i s a s l i g h t i n c r e a s e i n t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y a t 9 1 5 M H z . t h e i o n d e n s i t y a t t h a t f r e q u e n c y i s l o w e r b e c a u s e T c i s h i g h e r a t 9 1 5 M H z t h a n a t 2 . 4 5 G H z . T h e s a m e t r e n d ( h i g h e r s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y . b u t l o w e r i o n d e n s i t y ) i s o b s e r v e d i n F i g u r e 5 . 4 . w h e r e t h e i o n d e n s i t y a n d t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y a r e p l o t t e d v e r s u s a b s o r b e d p o w e r f o r b o t h f r e q u e n c i e s . D a t a a r e t a k e n 5 c m d o w n s t r e a m w i t h a D L P f o r a 0 . 7 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e . W h i l e b o t h t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y a n d i o n d e n s i t y i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g i n p u t p o w e r . i t i s s e e n t h a t t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t i s s l i g h t l y h i g h e r f o r 9 1 5 M H z . b u t t h e i o n d e n s i t y i s c o m p a r a b l e a t b o t h f r e q u e n c i e s . T h i s i s p r o b a b l y d u e o n c e a g a i n t o t h e h i g h e r T e a t 9 1 5 M H z e x c i t a t i o n . T h e s p a t i a l v a r i a t i o n o f i o n d e n s i t y a n d s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y i s p r e s e n t e d i n t h e n e x t t w o fi g u r e s . T h e d o w n s t r e a m c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d i s c h a r g e a t t h e t w o e x c i t a t i o n f r e q u e n c i e s i s s h o w n i n F i g u r e 5 . 5 . w h e r e d a t a a r e t a k e n w i t h a D L P f o r a 1 2 0 W i n p u t p o w e r , 0 . 5 5 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e . T h e d i s c h a r g e a t b o t h f r e q u e n c y o f e x c i t a t i o n i n d i c a t e s t h e e x p o n e n t i a l d e c a y a s d i s t a n c e a w a y f r o m t h e g e n e r a t i o n r e g i o n ( 2 > 0 ) i n c r e a s e s . A s i m i l a r e x p o n e n t i a l d e c a y w a s o b s e r v e d i n C h a p t e r F o u r - a t 2 . 4 5 G H z ( s e e F i g u r e s 4 . 1 3 a n d 4 . 1 4 ) f o r s e v e r a l d i f f e r e n t g a s e s . F i g u r e 5 . 6 s h o w s t h e r a d i a l v a r i a t i o n o f t h e i o n d e n s i t y 2 4 3 6 . 0 A : 1 5 . 0 : A N — I E : i : E 4 : z : ' 0 3 . 1 ; _ . E I E I / * u u 9 l S M H z o 3 . 0 : / D D U D D Z A S G H Z 1 : A 3 - 4 / U : 1 / « 5 ‘ 3 * E I 2 0 2 . 0 2 2 2 _ . ’ 2 ' > 5 ; : / / / — I / * > 5 “ ‘ / . . " . ' 1 . 0 * / / * / g 3 / / C u r r e n t 5 3 D e n s i t y = I 3 _ 0 . 0 I T T T T I T T I I T I T I I I I 7 I [ I I I T T I T I I I l l ( l i l l i i l l l l l l l I I I I T T V T T I I I I 0 . 0 5 0 . 0 1 0 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 0 . 0 2 5 0 . 0 3 0 0 . 0 I n c i d e n t P o w e r ( W ) fl a g 5 . 4 I o n d e n s m a n d s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t g v a r i a t i o n w i t h m m p g w e r f o r t h e t w o f r e q u e n c i e s D a t a a r e t a k e n 5 c m d o w n s t r e a m a t 0 . 7 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e p r e s s u r e . ( S e e E r r a t a n o t e a t t h e e n d o f t h e c h a p t e r . ) S a t u r a t i o n c u r r e n t d a t a a r e t a k e n a t a n e g a t i v e 5 0 v o l t b i a s . 2 4 4 8 . 0 0 ~ \ * u u 9 l S M H z 1 I o n d e n s i t y \ C 1 — C 1 D U D 2 . 4 5 G H z i “ Q 1 E 6 . 0 — V . 1 > 5 - 1 . : d ( I ) E _ . 5 i o 4 . 0 — b . . : 3 _ U A A . i f ? _ I E _ . Q q 2 . 1 o n r ' — 2 . 0 “ x — t v — - I > ‘ _ I . 2 . i U ) a _ 0 q Q _ a — 3 - 0 . 0 l l l l l l l l l l l 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l l l l l r l l l l l T l l l l l l l l l i T T 0 . 0 2 . 0 4 . 0 6 . 0 8 . 0 1 0 . 0 P o s i t i o n D o w n s t r e a m ( c m ) ‘ fl q u e 5 . § I d d d e n g i t y a n d s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h d i s - t a n c e d o w n s t r e a m f o r t h e t w o f r e g u e n c i e s I n c i d e n t p o w e r i s 1 2 3 W . p r e s s u r e i s 0 . 5 5 m T o r r . D a t a a r e t a k e n w i t h a d o u b l e L a n g m u i r p r o b e . S a t u r a t i o n c u r r e n t d a t a a r e t a k e n w i t h a n e g a t i v e 5 0 v o l t b i a s . 2 4 5 8 . 0 4 ; * U U 9 1 5 M H Z 1 D D D D D Z . 4 S G H Z " a 6 . 0 1 ‘ E 2 g 1 ' 3 ? 3 E 4 . 0 . 3 g : I o n a ' : \ * \ D e n s r t y « 3 ' : : S a t u r a t i o n E j C u r r e n t 2 ° _ D e n s i t y 2 ' 2 0 : ' ~ ~ 2 5 ‘ > 5 . : A ? 1 8 A £ 5 1 g - 4 H 0 . 0 T T I I T T I I I I I I I I T I I I I [ 1 1 1 1 1 1 1 [ I l l 1 1 1 1 1 1 1 1 ] l l l l I I T T I I I l l l l I l l l 0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0 R a d i a l P o s i t i o n ( c m ) I ! n a n d c u r r e n t d e n s i v a r i a t i o n w i r a s i t i t h e t w o f r e q u e n c i e s 3 c m d o w n s t r e a m . I n c i d e n t p o w e r i s 2 0 0 W . p r e s s u r e i s 0 . 5 5 m T o r r . D a t a a r e t a k e n w i t h a d o u b l e L a n g m u i r p r o b e . S a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y d a t a a r e t a k e n a t n e g a t i v e 5 0 v o l t b i a s . 2 4 6 a n d s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y , w h e r e t h e d a t a a r e t a k e n 3 c m d o w n s t r e a m ( z = 3 , r 2 0 ) w i t h 2 0 0 W i n p u t p o w e r . a n d f o r a 0 . 5 5 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e . ( r = 0 i s t h e c e n t e r 3 X 1 8 ) . B o t h fi g u r e s i n d i c a t e t h a t t h e d i s c h a r g e a t e i t h e r o f t h e t w o f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n h a s c o m p a r a b l e i o n d e n s i t i e s a n d s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t i e s . A l s o . t h e d i f f u s i o n o f c h a r g e d s p e c i e s a t b o t h f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n f o l l o w s s i m i l a r c h a r a c t e r i s t i c s o u t s i d e t h e d i s c h a r g e e x c i t a t i o n r e g i o n ( d o w n s t r e a m f r o m t h e g e n e r a t i o n r e g i o n ) . F o r F i g u r e 5 . 6 . n o t e t h a t w h i l e t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y f o r b o t h f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n d r o p s s t e a d i l y a s t h e r a d i a l p o s i t i o n i n c r e a s e s . a t z = 3 c m t h e 9 1 5 M H z i o n d e n s i t y d a t a i n d i c a t e s a h o l l o w b e a m d i s c h a r g e . T h i s m e a n s t h a t t h e a r g o n i o n d e n s i t y a t t h e e x a c t c e n t e r o f t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n / d i f f u s i o n r e g i o n ( r = 0 . 2 < = 3 ) i s l o w e r t h a n f o r s o m e r > 0 p o s i t i o n s f o r t h e s a m e 2 c o o r d i n a t e s . N o t e t h a t d u e t o t h e u n k n o w n v a r i a t i o n o f t h e t h i r d f a c t o r i n E q n . 3 . 1 4 o f C h a p t e r T h r e e - n a m e l y t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e , t h e i o n d e n s i t y a t 3 c m d o w n s t r e a m m a y i n d i c a t e a h o l l o w b e a m . b u t t h e s a t u r a t i o n c u r r e n t n e e d n o t v a r y i n t h e s a m e m a n n e r . T h i s m a y m e a n t h a t t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e h a s a u n i q u e r a d i a l v a r i a t i o n o v e r t h e c r o s s s e c t i o n t h a t c o m p e n s a t e s f o r t h e “ h o l l o w i o n b e a m ” e f f e c t . T h i s i m p o r t a n t r e s u l t n e e d s t o b e s t u d i e d f u r t h e r . p o s s i b l y w i t h a s i n g l e L a n g m u i r p r o b e ( t h a t w o u l d b e m o r e a c c u r a t e i n m e a s u r i n g t h e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s ) . F i g u r e 5 . 7 s h o w s t h e r a d i a l c h a r a c t e r i s t i c s w i t h t h e D L P p o s i t i o n e d 5 c m d o w n s t r e a m , a n d a m o r e t y p i c a l p r o fi l e i s s e e n . w h e r e t h e “ h o l l o w ” c e n t e r h a s d i s a p p e a r e d d u e t o t h e c h a r g e d s p e c i e s d i f f u s i o n i n t o t h e l a r g e v a c u u m c h a m b e r a n d a w a y f r o m t h e g e n e r a t i o n r e g i o n . A l s o . t h e u n i f o r m i t y i s s l i g h t l y g r e a t e r a t 5 c m d o w n s t r e a m t h a n a t 3 c m d o w n s t r e a m ( n o t e t h a t t h e Y a x i s h a s d i f f e r e n t 2 4 7 4 . 0 i s . 9 . ) 9 1 5 M H z E \ \ 5 3 — 0 0 0 1 3 2 . 4 5 G H z . s ‘ 3 . 0 3 E Z 2 : g A . 4 \ a I . . U ) - 4 a — I 5 2 . 0 : E i t : _ : 3 i . Q j S a t u r a t i o n , 3 " A C u r r e n t E : D e n s i t y 5 ? . " 1 . 0 — ‘ « 2 5 > 5 . i 3 . . — < ' 5 i g I 8 0 . 0 I I I I I I I I I L I I I I I I I I I I I I I I I I I T T I W fl fi T I I I I I T I I T I I I E I I I I I I I I I I " ‘ 0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0 R a d i a l P o s i t i o n ( c m ) 5 . 7 o d e n s i a n d c u r r e n t d e n s i t v a r i a t i o n w i r a o n - t h e t w o f r e q u e n c i e s , 5 c m d o w n s t r e a m . I n c i d e n t p o w e r i s 2 0 0 W . p r e s s u r e i s 0 . 5 5 m T o r r . D a t a a r e t a k e n w i t h a d o u b l e L a n g m u i r p r o b e . S a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y d a t a a r e t a k e n a t n e g a t i v e 5 0 v o l t b i a s . 2 4 8 r a n g e s f o r F i g u r e s 5 . 6 a n d 5 . 7 ) . a s e x p e c t e d i n t h e c a s e o f a m b i p o l a r d i f f u s i o n o f c h a r g e d p a r t i c l e s o u t o f t h e g e n e r a t i o n r e g i o n . T h i s p h e n o m e n o n ( o f a h o l l o w b e a m ) m a y b e e x p l a i n e d i n p a r t d u e t o t h e m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n w i t h i n t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n . W h i l e t h e m a g n e t i c fi e l d s t h e m s e l v e s d o n o t c h a n g e ( f o r b o t h 2 . 4 5 G H z o r 9 1 5 M H z o p e r a t i o n . t h e s a m e i o n s o u r c e w i t h t h e s a m e p e r m a n e n t m a g n e t s i s u s e d i n e a c h c a s e ) , t h e p o s i t i o n o f t h e E C R z o n e s d o e s c h a n g e . I n f a c t . t h e 9 1 5 M H z “ E C R v o l u m e ” d o e s n o t c o n t a c t t h e d i s c h a r g e w a l l s . f o r m i n g a n u n d u l a t i n g . a x i a l l y s y m m e t r i c c y l i n d r i c a l s u r f a c e t h a t p a s s e s o u t o f t h e e n d o f t h e d i s c h a r g e , w h i l e t h e 2 . 4 5 G H z E C R v o l u m e s t r i k e s t h e q u a r t z w a l l s a t s e v e r a l l o c a t i o n s ( s e e s i m u l a t e d m a g n e t i c fi e l d fi g u r e s i n R e f e r e n c e C i r o — 9 2 ) . T h u s a t l o w p r e s s u r e s , m a n y o f t h e E C R a c c e l e r a t e d e l e c t r o n s m a y e a s i l y d i f f u s e o u t o f t h e d i s c h a r g e a n d i t i s t h i s d i f f e r e n c e i n t h e p o s i t i o n o f t h e E C R s u r f a c e s t h a t i s s p e c u l a t e d t o c r e a t e t h i s h o l l o w b e a m f o r t h e 9 l 5 M H z p l a s m a . A s m e n t i o n e d e a r l i e r . t h e h o l l o w b e a m i s n o t f o u n d f u r t h e r d o w n s t r e a m — 5 c m a n d 7 c m a w a y f r o m t h e p l a s m a s o u r c e s i n c e t h e c h a r g e d e n s i t y v a r i a t i o n i s t h e n d e fi n e d b y a m b i p o l a r d i f f u s i o n p r o c e s s , a n d t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s o f t h e l a r g e p r o c e s s ( v a c u u m ) c h a m b e r w a l l s . D a t a w e r e a l s o t a k e n u s i n g o x y g e n a s t h e d i s c h a r g e g a s a t 9 1 5 M H z ( 2 0 0 . W i n p u t p o w e r ) a s t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e w a s v a r i e d . W h e n c o m p a r e d t o t h e o x y g e n d e n s i t y d a t a a t 2 . 4 5 G H z ( F i g u r e 4 . 9 o f C h a p t e r F o u r . 1 2 3 W i n p u t p o w e r ) . i t w a s n o t e d t h a t t h e 9 l 5 M H z o x y g e n i o n d e n s i t y w a s s o m e w h a t h i g h e r ( m i d 1 0 l o c m ' 3 . a s c o m p a r e d t o h i g h 1 0 9 c m " 3 f o r 2 . 4 5 G H z ) . T h e r a t i o o f i n p u t p o w e r s a t t h e t w o f r e q u e n c i e s i s c l e a r l y l o w e r t h a n t h e r a t i o o f t h e i o n d e n s i t i e s a t t h e t w o f r e q u e n c i e s . s o a 9 1 5 M H z o x y g e n d i s c h a r g e d o e s i n d e e d p r o d u c e a 2 4 9 s l i g h t l y h i g h e r i o n d e n s i t y t h a n a 2 . 4 5 G H z o x y g e n d i s c h a r g e . H O w e v e r . a s i m i l a r t r e n d w a s n o t e d f o r t h e o x y g e n d i s c h a r g e a t b o t h f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n : w i t h i n t h e r a n g e o f p r e s s u r e s t e s t e d . t h e r e i s n o e v i d e n c e o f t h e m o d e j u m p f o r a n o x y g e n p l a s m a t h a t c h a r a c t e r i z e s a n a r g o n d i s c h a r g e a t e i t h e r e x c i t a t i o n f r e q u e n c y . 5 . 4 Q g e r a t i o n a l P g r f o r m a n c e : I o n E n e r g y ( ‘ Q m p a r i s o n s T h e n e x t s e v e r a l fi g u r e s s h o w t y p i c a l i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s I ( I E D F ) f o r a n a r g o n d i s c h a r g e , m e a s u r e d w i t h a g r o u n d e d m u l t i g r i d e n e r g y a n a l y z e r i n a c c o r d a n c e w i t h t h e t e c h n i q u e d e s c r i b e d i n C h a p t e r T h r e e . T h e I E D F s a r e a c q u i r e d 3 c m d o w n s t r e a m . a n d F i g u r e s 5 . 8 a n d 5 . 9 s h o w t h e i r v a r i a t i o n a t v a r i o u s i n p u t p o w e r s ( 1 0 0 - 2 5 0 W ) f o r a fi x e d p r e s s u r e t o f 0 . 5 5 m T o r r . N o t e t h a t a t b o t h f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n . t h e c u r v e s s h i f t t o w a r d s h i g h e r e n e r g i e s a s t h e i n p u t p o w e r i n c r e a s e s . T h i s i s d u e t o t h e h i g h e r e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s a t t h e h i g h e r a b s o r b e d p o w e r s , w h i c h i s a c h a r a c t e r i s t i c o f t h i s s m a l l E C R i o n s o u r c e . A m o r e e n e r g e t i c e l e c t r o n g a s i n d i c a t e s a h i g h e r p l a s m a p o t e n t i a l . s i n c e t h e h i g h e n e r g y e l e c t r o n s d i f f u s e t o t h e w a l l s f a s t e r . T h e i o n s t h e n h a v e t o f a l l t h r o u g h t h i s h i g h e r p l a s m a p o t e n t i a l . t h e r e b y g a i n i n g m o r e e n e r g a s t h e y e n t e r t h e p l a s m a s h e a t h o f t h e i o n e n e r g y a n a l y z e r ( I E A ) . F i g u r e 5 . 1 0 s h o w s t h a t t h e a v e r a g e i o n e n e r g i e s a t 9 1 5 M H z a r e a b o u t t w i c e a s m u c h a s t h o s e a t 2 . 4 5 G H z , i n p a r t b e c a u s e t h e e l e c t r o n e n e r g y ( a n d h e n c e t h e p l a s m a p o t e n t i a l ) a t 9 1 5 M H z i s h i g h e r t h a n t h a t a t 2 . 4 5 G H z . F o r b o t h f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n . t h e r e i s a m o n o t o n i c i n c r e a s e i n t h e a v e r a g e i o n e n e r g ' a s i n p u t p o w e r i n c r e a s e s . 2 5 0 0 . 0 8 : C 0 5 ‘ 3 : 3 ; C : 4 g 0 . 0 2 g 0 . 0 0 E E n e r g y ( e V ) F i n a — r e 5 . 8 I o n e n e m d i s m b u t i o n f u n c t i o n v a r i a t i o n w i t h i n p u t p p w e r a t 9 1 5 M H z D a t a a r e t a k e n w i t h t h e i o n e n e r g y a n a l y z e r 3 c m d o w n s t r e a m f o r a 0 . 5 5 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e a t v a r i o u s i n p u t p o w e r l e v e l s . 2 5 1 0 . 1 0 . J I 0 9 9 9 0 1 0 0 w j B — B — B — B — E i 1 5 0 w 2 0 6 0 - 6 4 ) 2 0 0 W ‘ Q C — , 0 . u 8 A 3 5 0 T . ' 4 . : _ , \ ‘ : i , I I I ) 0 . 0 6 1 g . b _ I Q ; t 1 I “ r ) ‘ . « I I A — 1 g — [ 7 t ] 0 & 1 o O . O 4 ‘ j a ? I I 3 u 1 ‘ Z i ! — , u ( I ‘ 1 l l \ " J u j n f C E “ i s 0 O . O 2 _ ‘ u I , 3 ; u \ \ 7 u \ ‘ ‘ ‘ 0 ‘ : 0 n ’ I “ | ' S “ ‘ T n n I ’ ‘ 3 ‘ “ ‘ \ ‘ \ - i 0 m I , ’ ' t ‘ | u \ é _ . a " n u I ’ « a J ‘ ‘ 1 0 . 5 0 O : 5 “ . ’ 9 6 ! “ Q I I \ ‘ 3 ’ 3 0 _ . : 7 . ‘ ” ( v c ‘ n s \ 0 . . ‘ 0 ‘ 7 1 9 3 - 4 ‘ s e v v ' \ | ‘ O . O O " - " ‘ - " 3 5 ‘ 3 ' ¢ ' ? 9 ‘ " " " 1 : 3 3 : 5 3 ‘ : 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 5 0 . 0 E n e r g y ( e V ) 1 d i s t i n f u n c t i n v a r i a o n w i t h u r a 2 . 4 5 G B : D a t a a r e t a k e n w i t h t h e i o n e n e r g y a n a l y z e r 3 c m d o w n s t r e a m f o r a 0 . 5 5 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e a t v a r i o u s i n p u t p o w e r l e v e l s . 2 5 2 6 0 . 0 g 3 _ I j t 5 0 0 — : / / ' 3 / * / / a , - ” ‘ 4 0 . 0 ' 3 / * 3 t / / A _ / > i 3 : A 3 0 . 0 5 - ‘ 9 3 3 1 2 0 . 0 5 1 0 . 0 : 3 * u u 9 1 5 M H z % 0 0 0 0 0 . 2 . 4 S G H 2 C . O d I I I I I I I I I I I I I I T I I I I [ I I I I I I I I I I I T I I I I I I I I I I I I I I I r r 5 0 . 0 1 0 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 0 . 0 2 5 0 . 0 3 0 0 . 0 I n c i d e n t P o w e r ( W ) . l . v v a r i a t i o n w i t h t r f o r o - g u e n c i e d D a t a a r e t a k e n w i t h t h e i o n e n e r g y a n a l y z e r p l a c e d 3 c m d o w n s t r e a m f o r a 0 . 5 5 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e . 2 5 3 F i g u r e s 5 . l 1 a n d 5 . 1 2 s h o w t h e I E D F v a r i a t i o n w i t h d i s c h a r g e p r e s s u r e ( 0 . 2 5 m T o r r - 0 . 8 m T o r r ) a t a fi x e d i n p u t p o w e r o f 1 5 0 W . D a t a a r e t a k e n . a s b e f o r e . w i t h t h e I F A l o c a t e d 3 c m d o w n s t r e a m f o r a n a r g o n p l a s m a . A t b o t h f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n . t h e c u r v e s a r e s e e n t o m o v e t o w a r d s l o w e r e n e r g y a s t h e p r e s s u r e i n c r e a s e s . a l t h o u g h t h i s I E D F s h i f t ( w i t h c h a n g i n g p r e s s u r e ) i s n o t - a s o b v i o u s a s i t w a s f o r F i g u r e s 5 . 8 a n d 5 . 9 ( w h i c h s h o w e d t h e i n p u t p o w e r v a r i a t i o n o f I E D F s ) . A s w a s m e n t i o n e d i n C h a p t e r F o u r . t h i s s h i f t o f t h e I E D F s t o w a r d s l o w e r e n e r g i e s f o r i n c r e a s i n g p r e s s u r e i s p r o b a b l y d u e t o t h e f a c t t h a t a s t h e p r e s s u r e f a l l s . t h e d i f f u s i o n o f c h a r g e d s p e c i e s t o t h e c h a m b e r w a l l s i n c r e a s e s . a n d t h e r e f o r e . h i g h e r e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s a r e n e e d e d t o s u s t a i n t h e p l a s m a . A n d t h e s e h i g h e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s a t t h e l o w e r p r e s s u r e s . l e a d t o h i g h e r p l a s m a p o t e n t i a l s . w i t h a c o r r e s p o n d i n g i n c r e a s e i n t h e i o n e n e r g y a s t h e i o n s d i f f u s e t o w a r d s t h e g r o u n d e d . s h i e l d e d F a r a d a y c u p t h r o u g h t h e s h e a t h p o t e n t i a l s e t u p o n t h e s u r f a c e m e m b r a n e o f t h e c u p . T h i s p l a s m a p o t e n t i a l v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e h a s b e e n r e p o r t e d e a r l i e r f o r 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n o f t h e 6 1 0 ( s e e f o r e x a m p l e F i g u r e 4 . 1 6 . C h a p t e r F o u r ) . F i g u r e 5 . 1 3 c l e a r l y s h o w s a n i n c r e a s e i n t h e a v e r a g e i o n e n e r g y w i t h d e c r e a s i n g p r e s s u r e f o r b o t h f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n . N o t e t h a t t h e 9 1 5 M H z i o n e n e r g i e s a r e a b o u t t w i c e t h o s e o f t h e 2 . 4 5 G H z p l a s m a . t h e s a m e v a r i a t i o n s e e n i n F i g u r e 5 . 1 0 w h e r e t h e v a r i a t i o n o f 1 a v e r a g e e n e r g i e s i s p l o t t e d v e r s u s i n p u t p o w e r . S i m i l a r e n e r g y d a t a - t h a t i s , a d e c r e a s i n g i o n e n e r g y w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e a n d a n i n c r e a s i n g i o n e n e r g y w i t h i n p u t p o w e r h a v e a l s o b e e n o b s e r v e d i n o t h e r l a r g e r m i c r o w a v e d i s c h a r g e s [ H o p - 9 1 ] . T h e i o n e n e r g i e s i n l a r g e r d i s c h a r g e s . h o w e v e r . v a r y m u c h m o r e s l o w l y w i t h p o w e r a n d p r e s s u r e . t h a n t h e y d o i n t h e m o r e c o m p a c t M P D R 6 1 0 . I ’ l l g o 2 5 4 0 . 1 0 _ I 0 9 9 9 6 0 . 2 5 m T o r r : 9 5 3 3 3 0 . 5 5 m T o r r : - G ~ % € ~ % > 0 . 8 m T o r r 0 . 0 8 — j 3 0 . 0 6 — j 5 E I “ — 0 . 0 4 - _ 0 . 0 2 5 0 . 0 0 " : " " " ‘ i " I I l I 1 I I I l l I I | I I I I I I I I I I I l I i I I 3 3 5 " : T ' E " ' 1 ' 1 ' 3 ’ 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 E n e r g y ( e V ) P i 5 . 1 1 I o n e n e d i s t r i b u t i o n f u n t i o n v a r i a t i o n w i t h d i s c h e r e s - g u r e a t 2 . 4 5 G H z D a t a a r e t a k e n w i t h t h e i o n e n e r g y a n a l y z e r 3 c m d o w n s t r e a m f o r a 1 5 0 W a r g o n d i s c h a r g e a t v a r i o u s p r e s s u r e l e v e l s . 2 5 5 0 . 0 8 I 4 © 6 9 9 6 0 . 2 5 m T o r r I W 0 . 6 m T o r r : W 0 . 8 m T o r r 1 0 . 0 6 : g } 0 0 4 j 1 i 0 . 0 2 : O O O - : ' . . ' . . " . . ' . . . " . ' T . " _ " L . " ~ - . - . ‘ I I I I I I I I I I I I T { I i - £ 1 1 . T m e ' fi a ' y c ' c t d w " . 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 0 E n e r g y ( e V ) F l . 1 2 e 1 ) t i o n f u n c t i o n v a r i t i o n w i d i s c h e s u r e a t 9 1 5 M B : D a t a a r e t a k e n w i t h t h e i o n e n e r g y a n a l y z e r 3 c m d o w n s t r e a m f o r a 1 5 0 W a r g o n d i s c h a r g e a t v a r i o u s p r e s s u r e l e v e l s . 2 5 6 4 5 . 0 r 3 x 4 0 . 0 E \ \ \ : \ k \ E \ x ‘ a t 3 5 . 0 ‘ 3 3 0 . 0 E 9 E 8 : A : ‘ 5 2 5 0 E i 2 1 2 0 . 0 2 ‘ 1 5 . 0 5 . E * 2 ” : 9 1 5 M H z 3 I : I E I E I I : I I : I Z . 4 S G I - I z 1 ' 0 . 0 a 1 1 7 1 1 1 1 l I ] I I I I I I I I I T I I I I I I I I T I T H 1 l ( I I I I T T I H I H I I I I 1 I I I I I I I I I I I I I I H I I I T T I I I 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 P r e s s u r e ( m T o r r ) 5 . 1 3 A v e i o n n e v a r i a t i o n w i d i s c h e r e s s u r e f o r t h t w o f r e q u e n c i e s D a t a a r e t a k e n w i t h t h e i o n e n e r g r a n a l y z e r p l a c e d 3 c m d o w n s t r e a m f o r a 1 5 0 W a r g o n d i s c h a r g e . 2 5 7 I t i s s e e n i n t h i s c h a p t e r t h a t t h e p e r f o r m a n c e o f t h e M P D R 6 1 0 h a s m a n y c o m m o n f e a t u r e s w h e n e x c i t e d a t e i t h e r o f t h e t w o f r e q u e n c i e s - 2 . 4 5 G H z a n d 9 1 5 M H z . A t b o t h f r e q u e n c i e s , t h e p l a s m a s o u r c e r e a d i l y p r o d u c e s a r g o n c h a r g e d e n s i t i e s o f h i g h 1 0 1 0 c m ’ 3 t o l o w 1 0 1 1 c m “ 3 a t m o d e r a t e i n p u t p o w e r l e v e l s o f 1 0 0 - 2 0 0 W f o r s u b - m T o r r d i s c h a r g e p r e s s u r e s . W h e n m e a s u r e d w i t h t h e I E A p l a c e d 3 c m d o w n s t r e a m f r o m t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n , i o n s i m p i n g i n g o n t h e a n a l y z e r h a v e m o s t l y n a r r o w a n d p e a k e d d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s , t y p i c a l l y w i t h l e s s t h a n 2 0 e V f u l l w i d t h a t h a l f m a x i m u m ( F W H M ) a t e i t h e r f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n . T h e I E D F s a n d a v e r a g e i o n e n e r g i e s a r e , f o r b o t h c a s e s , r e l a t i v e l y n a r r o w a n d c o n t r o l l a b l e b y u s i n g p o w e r , p r e s s u r e a n d s u b s t r a t e b i a s v a r i a t i o n s . A l s o , t h e a v e r a g e i o n e n e r g y i n b o t h c a s e s i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g p o w e r , w h i l e i t d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e . A n o t h e r c o m m o n f e a t u r e o f t h e 6 1 0 ’ s o p e r a t i o n i n a r g o n g a s a t e i t h e r f r e q u e n c y i s t h e h y s t e r e s i s l o o p o b s e r v e d i n t h e i o n d e n s i t y v a r i a t i o n w i t h p r e s s u r e a t a n y i n p u t p o w e r l e v e l - a n e f f e c t t h a t l e a d s t o t w o i o n d e n s i t i e s f o r t h e s a m e o p e r a t i n g p r e s s u r e . T h e r e a r e , h o w e v e r , s o m e d i f f e r e n c e s a l s o . A 9 l 5 M H z d i s c h a r g e d i s p l a y s h i g h e r e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s t h a n t h e d i s c h a r g e a t 2 . 4 5 G H z , s p e c i a l l y a t h i g h e r ' p r e s s u r e s ( 0 . 5 m T o r r - 0 . 9 m T o r r ) . T h e r e a s o n f o r t h i s d i f f e r e n c e i n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n ( a n d s p e c i a l l y t h e l a c k o f t h e d r o p i n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e s a t 9 1 5 M H z a s o b s e r v e d f o r a 2 . 4 5 G H z d i s c h a r g e ) i s n o t p r e c i s e l y k n o w n . H o w e v e r , i t i s s p e c u l a t e d t o b e r e l a t e d t o t h e d i f f e r e n t l o c a t i o n o f t h e E C R z o n e s w i t h i n t h e d i s c h a r g e f o r t h e t w o f r e q u e n c i e s , w h i c h m i g h t p r o d u c e d i f f e r e n t c h a r g e d p a r t i c l e d i f f u s i o n c h a r a c t e r i s t i c s o u t o f 2 5 8 t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n . T h e s o u r c e t h e r e f o r e h a s d i f f e r e n t d i f f u s i o n p r o c e s s e s w i t h i n a n d o u t o f t h e d i s c h a r g e a t t h e t w o f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n , t h a t m i g h t p r o d u c e t h e d i f f e r e n t e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s . I t i s s p e c u l a t e d t h a t w h e n u s i n g m o l e c u l a r g a s e s . t h e d i f f e r e n c e s i n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s b e t w e e n t h e d i s c h a r g e a t t h e t w o f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n m a y t r a n s l a t e i n t o d i f f e r e n t a t o m i c r a d i c a l p r o d u c t i o n e f fi c i e n c i e s . A n a n a l y s i s o f r a d i c a l fl u x d e n s i t y u s i n g a q u a r t z c r y s t a l m i c r o b a l a n c e ( a s w a s d o n e f o r t h e O x f o r d A p p l i e d R e s e a r c h r a d i c a l g u n , s e e S e c t i o n 2 . 2 . 8 . C h a p t e r T w o ) w o u l d b e a b l e t o c o n fi r m t h i s h y p o t h e s i s . A n o t h e r d i f f e r e n c e i s o b s e r v e d w h e n m e a s u r i n g t h e a v e r a g e i o n e n e r g i e s . w h i c h a r e h i g h e r f o r a 9 1 5 M H z d i s c h a r g e , c o m p a r e d t o t h o s e a t 2 . 4 5 G H z ( 4 5 e V c o m p a r e d t o 2 2 e V , f o r e x a m p l e ) . T h i s t o o i s d i r e c t l y r e l a t e d d i r e c t l y t o t h e h i g h e r e l e c t r o n e n e r g i e s . a n d t h e r e b y t h e h i g h e r p l a s m a p o t e n t i a l o f t h e 9 1 5 M H z e x c i t e d d i s c h a r g e . A l s o , c l o s e t o t h e d i s c h a r g e c r e a t i o n r e g i o n , t h e r a d i a l p r o fi l e o f t h e i o n d e n s i t y o f a 9 1 5 M H z p l a s m a i n d i c a t e s a h o l l o w b e a m e f f e c t - t h i s i s n o t s e e n i n t h e 2 . 4 5 G H z d i s c h a r g e . T h i s h o l l o w b e a m a t 9 1 5 M H z d o e s s m o o t h o u t , h o w e v e r a s d i s t a n c e d o w n s t r e a m i n c r e a s e s a n d t h e d i f f u s i o n p r o c e s s e s a r e c o n t r o l l e d b y t h e l a r g e r v a c u u m p r o c e s s i n g c h a m b e r . I o n p r o d u c t i o n e f fi c i e n c y i s a n o t h e r fi g u r e o f m e r i t t h a t m a y b e u s e d t o ' c h a r a c t e r i z e t h e p l a s m a . I t i s m e a s u r e d i n w a t t s / b e a m a m p s . o r e V / i o n ( b o t h o f w h i c h a r e i d e n t i c a l u n i t s ) . a n d d e fi n e s t h e e f fi c i e n c y o f t h e p l a s m a s o u r c e , a n d t h e c o s t s i n t e r m s o f t h e p o w e r s u p p l i e d t o c r e a t e ' t h e i o n s . B a s e d o n t h e a v a i l a b l e d a t a o f i o n d e n s i t y , s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y a n d e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s . i t i s e s t i m a t e d t h a t t h e i o n p r o d u c t i o n c o s t s i n t h e M P D R 6 1 0 f o r b o t h f r e q u e n c i e s i s h i g h . a b o u t 1 5 0 0 - 2 0 0 0 e V / i o n , a s c o m p a r e d t o t h e i o n 2 5 9 p r o d u c t i o n c o s t s o f l a r g e r i o n s o u r c e s [ S z e - 9 3 b ] . A n o t h e r i m p o r t a n t c o n c l u s i o n f r o m t h i s s t u d y i s t h e a b s o l u t e l a c k o f e v i d e n c e f o r t h e “ f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g ” e f f e c t t h a t i s w e l l p u b l i c i z e d i n t h e m u l t i p l y c h a r g e d E C R i o n s o u r c e c o m m u n i t y . A c c o r d i n g t o t h a t l a w , t h e i o n d e n s i t y a t 9 1 5 M H z s h o u l d h a v e d e c r e a s e d a s t h e s q u a r e o f t h e r a t i o o f t h e t w o f r e q u e n c i e s ( i . e . d e n s i t i e s o f a 9 1 5 M H z e x c i t e d d i s c h a r g e s h o u l d b e a p p r o z d m a t e l y e i g h t t i m e s l e s s t h a n t h o s e a t 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n ) . T h e d a t a i n t h i s c h a p t e r i n d i c a t e s l i t t l e v a r i a t i o n i n t h e i o n d e n s i t y w h e n t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n i s c h a n g e d f r o m 2 . 4 5 G H z t o 9 1 5 M H z . T w o r e a s o n s m a y b e a t t r i b u t e d A t o t h e l a c k o f t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g e f f e c t . F i r s t . t h e r e s u l t s p r e s e n t e d h e r e m i g h t i n d i c a t e a c o m p l e t e b r e a k d o w n o f t h e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t s t h a t l e d t o t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w . a t l e a s t i n t h e r e a l m o f E C R p l a s m a s o u r c e s u s e d i n i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s . A s w i l l b e c o m e c l e a r l a t e r i n t h i s d i s s e r t a t i o n ( i n C h a p t e r E i g h t ) w h e n m u l t i p l y c h a r g e d i o n s o u r c e s a r e d i s c u s s e d , t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f t h e t w o t y p e s o f s o u r c e s ( i . e . l o w c h a r g e s t a t e i o n / p l a s m a s o u r c e s f o r i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s , a n d t h e m u l t i p l y c h a r g e d i o n s o u r c e s f o r a c c e l e r a t o r i n j e c t i o n a n d a t o m i c p h y s i c s ) , a r e r a d i c a l l y d i f f e r e n t , e v e n t h o u g h b o t h m a y b e E C R s o u r c e s . W h i l e t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w w i l l a g a i n c o m e u n d e r c l o s e s c r u t i n y ( e v e n f o r m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S - i n C h a p t e r T e n o f t h i s d i s s e r t a t i o n ) , d a t a p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r c l e a r l y p r o v i d e n o i n d i c a t i o n t h a t t h i s l a w i s v a l i d f o r t h e E C R p l a s m a s o u r c e s u s e d i n i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s . T h e s e c o n d . a n d m o r e i m p o r t a n t r e a s o n t h a t m a y b e a t t r i b u t e d t o t h i s l a c k o f e v i d e n c e f o r t h e b e l e a g u e r e d f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w h i g h l i g h t s t h e d i s c u s s i o n o f C h a p t e r O n e , w h e r e p o w e r a b s o r p t i o n i n t o E C R p l a s m a s o u r c e s 2 6 0 w a s d i s c u s s e d ( s e e S e c t i o n s 1 . 2 . l a n d 1 . 2 . 2 ) . I t w a s m e n t i o n e d t h e r e , t h a t w h i l e a p l a s m a s o u r c e l i k e t h e M P D R 6 1 0 m a y b e t e c h n i c a l l y c a l l e d a n d “ E C R s o u r c e , ” t h e m e t h o d o f p o w e r t r a n s f e r t o t h e d i s c h a r g e i s s i g n i fi c a n t l y m o r e c o m p l i c a t e d t h a n t h e “ p u r e E C R . ” a s t h e p h e n o m e n o n i s c o m m o n l y u n d e r s t o o d . I t m a y b e t h a t w i t h i n t h e p l a s m a s o u r c e s u s e d i n i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s i n g e n e r a l ( a n d f o r t h e M P D R 6 1 0 i n p a r t i c u l a r ) w h i c h u s u a l l y g e n e r a t e w e a k l y t o m o d e r a t e l y i o n i z e d p l a s m a s , t h e p r e s e n c e o f e n e r g y t r a n s f e r t e c h n i q u e s o t h e r t h a n E C R a l o n e ( l i k e s t o c h a s t i c h e a t i n g , o r s e c o n d h a r m o n i c r e s o n a n c e , e t c . ) , r e p u d i a t e s t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w f r o m t a k i n g e f f e c t . a n d t h a t t h i s l a w m i g h t b e v a l i d o n l y f o r p l a s m a s o u r c e s w h e r e p u r e E C R h e a t i n g d o e s o c c u r ( a s m a y b e t h e c a s e f o r m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S w h e r e E C R c o n d i t i o n s - l i k e e x t r e m e l y l o w o p e r a t i n g p r e s s u r e - a r e m o r e l i k e l y t o b e m e t ) . T h e r e i s a l o t o f w o r k t h a t i s n e e d e d t o c o m p l e t e t h i s p a r t i c u l a r s u b - s t u d y o f m u l t i p l e f r e q u e n c y e x c i t a t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 , a n d s o m e o f t h i s i s m e n t i o n e d n o w . A s m e n t i o n e d a b o v e . a t o m i c / r a d i c a l fl u x d e n s i t y m e a s u r e m e n t o n m o l e c u l a r g a s e s m a y i n d i c a t e a d i f f e r e n c e i n t h e r a d i c a l p r o d u c t i o n c o s t s , a n d t h e d i f f e r e n c e i n t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s a t t h e t w o f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n . . A l s o , o p t i c a l e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y m i g h t b e u s e d t o u n d e r s t a n d t h e i n d i v i d u a l p l a s m a c o n s t i t u e n t s , s p e c i a l l y t h e r e l a t i v e i n c r e a s e o r d e c r e a s e i n t h e a t o m i c s p e c i e s c o n c e n t r a t i o n a t t h e t w o f r e q u e n c i e s . I t h a s a l r e a d y b e e n s h o w n i n C h a p t e r F o u r t h a t m a n y c o n c l u s i o n s d r a w n f o r a n a r g o n d i s c h a r g e d o n o t a p p l y t o d i a t o m i c g a s e s , s p e c i fi c a l l y n i t r o g e n . T h i s l a c k o f c o r r e l a t i n g c o n c l u s i o n s i n t h e t w o d i s c h a r g e g a s e s w h e n o p e r a t e d a t 2 . 4 5 G I - l z m u s t b e t e s t e d a t 9 1 5 M H z a l s o . T e c h n i q u e s l i k e l a s e r i n d u c e d fl u o r e s c e n c e m a y b e u s e d t o c o m p a r e t h e n e u t r a l g a s t e m p e r a t u r e s a t b o t h f r e q u e n c i e s o f e x c i t a t i o n , p r o v i d i n g d a t a o n t h e i s 2 6 1 e n e r g i e s o f a t o m i c s p e c i e s . F i n a l l y , a m o r e a c c u r a t e e l e c t r o n e n e r g y m e a s u r e m e n t n e e d s t o b e d o n e u s i n g t h e s i n g l e L a n g m u i r p r o b e t e c h n i q u e d e t a i l e d i n C h a p t e r T h r e e . T h i s w o u l d p r o v i d e d e fi n i t e r e s u l t s o f t h e v a r i a t i o n o f e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s a n d p l a s m a p o t e n t i a l s f o r t h e t w o f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n . I E r r a t a : A n e r r o r i n R e f e r e n c e S r i - 9 3 a n e e d s t o b e m e n t i o n e d . F i g u r e 5 o f t h i s r e f e r e n c e h a s a n i n c o r r e c t c a p t i o n a n d a s s o c i a t e d d e s c r i p t i o n . T h e d a t a t h a t a r e p l o t t e d i n t h i s fi g u r e w e r e a c t u a l l y t a k e n 5 c m d o w n s t r e a m , a n d a t 0 . 7 m T o r r a r g o n p r e s s u r e ( a n d n o t a t 3 c m d o w n s t r e a m a t 0 . 5 5 m T o r r p r e s s u r e . a s i s m e n t i o n e d i n t h e a r t i c l e ) . A n y i n c o n v e n i e n c e d u e t h i s e r r o r i s r e g r e t t e d . C h a p t e r 6 E v a l u a t i o n : B I O - a a n d t h e E l e c t r i c F i e l d s o f t h e M P D R 6 1 9 6 . 1 I n t r o d u c t i o n 6 . 2 D e s c r i p t i o n o f E x p e r i m e n t a l C o n fi g u r a t i o n 6 . 2 . 1 D e s c r i p t i o n o f t h e 6 1 0 - a 6 . 2 . 2 D e s c r i p t i o n o f t h e M i c r o - c o a x i a l P r o b e s 6 . 3 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - P l a s m a L o a d e d M e a s u r e m e n t s 6 . 4 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - E m p t y C a v i t y M e a s u r e m e n t s 6 . 5 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - W a l l l o s s e s . P l a s m a L o a d e d Q a n d C o u p l i n g E f fi c i e n c y E s t i m a t e s 6 . 6 S u m m a r y o f R e s u l t s 6 . 7 C o n c l u d i n g R e m a r k s E r r a t a C / i a p t e r 6 ‘ E v a l u a t i a m 6 1 0 - a a n d t l i e £ [ e c t n ' c f i e f d i s q f t / i e M R 6 1 0 6 . 1 I n t r o d u c t i o n T h e p r e v i o u s t w o c h a p t e r s h a v e b e e n d e v o t e d t o t h e d e s c r i p t i o n , a n d e v a l u a t i o n o f t h e o p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e o f t h e M P D R 6 1 0 . A v a r i e t y o f e x p e r i m e n t s t h a t w e r e c o n d u c t e d o n t h e p l a s m a s o u r c e h a v e b e e n d e t a i l e d . T h e r e s u l t s o f C h a p t e r s F o u r a n d F i v e p r e s e n t o u t p u t p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s s u c h a s t h e m a g n i t u d e a n d s p a t i a l v a r i a t i o n o f i o n d e n s i t y , i o n a n d e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s a n d s a t u r a t i o n c u r r e n t d e n s i t y v e r s u s t h e e x t e r n a l i n p u t p a r a m e t e r s s u c h a s m i c r o w a v e p o w e r . d i s c h a r g e p r e s s u r e / f l o w . g a s t y p e , m i c r o w a v e f r e q u e n c y . e t c . P o w e r i s t r a n s p o r t e d t o t h e p l a s m a s o u r c e t h r o u g h a 5 0 Q fl e x i b l e c a b l e t h a t t e r m i n a t e s i n a l o o p a n t e n n a a t t a c h e d t o t h e s l i d i n g s h o r t o f t h e m i c r o w a v e c a v i t y . T h e p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n o f t h e 6 1 0 c a n n o t b e c o m p l e t e w i t h o u t u n d e r s t a n d i n g t h e m e t h o d o f e l e c t r o m a g n e t i c e n e r g y t r a n s f e r f r o m t h e l o o p m i c r o w a v e a n t e n n a , t o t h e p l a s m a l o a d . I n t h e l a s t f e w c h a p t e r s , i t h a s b e e n i m p l i c i t l y a s s u m e d t h a t d u e t o t h e u n i q u e c o a x i a l d e s i g n o f t h e s o u r c e . a 2 6 2 2 6 3 t r a n s v e r s e e l e c t r o m a g n e t i c ( T E M ) fi e l d i s g e n e r a t e d w i t h i n t h e b o d y o f t h e 6 1 0 . E n e r g y i s t h e n t r a n s f e r r e d t o t h e p l a s m a l o a d t h r o u g h a s t a n d i n g w a v e p a t t e r n s e t u p b e t w e e n t h e s l i d i n g s h o r t a n d t h e t e r m i n u s o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r . A c c u r a t e m e a s u r e m e n t s o f t h e e l e c t r i c fi e l d s n e e d t o b e m a d e h o w e v e r . t o v a l i d a t e a n d c o r r e l a t e t h e t h e o r e t i c a l a s s u m p t i o n s a b o u t t h e E M fi e l d t o t h e a c t u a l fi e l d s t h a t a r e s e t u p w i t h i n t h e s o u r c e . A k n o w l e d g e o f h o w t h e e l e c t r i c fi e l d v a r i e s w i t h p r e s s u r e / fl o w , p o w e r , a n d g a s t y p e i s i n v a l u a b l e f o r v a l i d a t i n g n u m e r i c a l m o d e l s ( t h a t a r e c u r r e n t l y b e i n g d e v e l o p e d ) a n d c a n l e a d t o b e t t e r u n d e r s t a n d i n g , a n d f u r t h e r o p t i m i z a t i o n o f t h i s p l a s m a s o u r c e . T h i s c h a p t e r e v a l u a t e s t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d s w i t h i n t h e 6 1 0 b y m a k i n g d i r e c t m e a s u r e m e n t s o f t h e s p a t i a l v a r i a t i o n a n d i n t e n s i t y o f t h e fi e l d s . T h e d a t a p r e s e n t e d h e r e a r e l i m i t e d t o t h e m e a s u r e m e n t o f t h e e l e c t r i c fi e l d s w i t h i n t h e p l a s m a s o u r c e . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s e fi e l d s a n d t h e o u t p u t - i o n . e l e c t r o n , a n d r a d i c a l s p e c i e s c o n c e n t r a t i o n s a n d e n e r g i e s - i s n o t c o v e r e d i n t h i s c h a p t e r . H o w e v e r , b y c o m p a r i n g d a t a f r o m C h a p t e r s F o u r a n d F i v e w i t h s i m i l a r e x p e r i m e n t a l i n p u t p a r a m e t e r s a s t h o s e u s e d i n t h i s s t u d y . t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e o u t p u t s p e c i e s c h a r a c t e r i s t i c s ( f r o m t h e p r e v i o u s t w o c h a p t e r s ) a n d t h e s e e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s m a y b e u n d e r s t o o d . T h i s c h a p t e r i s b a s e d o n a p r e s e n t a t i o n a t t h e I C O P S - 9 4 [ S r i - 9 4 a ] , a n d w h i c h w a s s u b s e q u e n t l y p u b l i s h e d i n a r e f e r e e d j o u r n a l [ S r i - 9 5 a ] . T h e f o r m a t o f t h i s c h a p t e r i s a s f o l l o w s . A s w i l l b e s e e n , a n e w i o n s o u r c e s i m i l a r t o t h e M P D R 6 1 0 h a d t o b e b u i l t f o r t h e s e . e x p e r i m e n t s . D u e t o t h e s i m i l a r i t i e s b e t w e e n t h e n e w s o u r c e , k n o w n h e r e a f t e r a s t h e 6 l O - a ( t h e a d a p t e d 6 1 0 ) a n d t h e o r i g i n a l M P D R 6 1 0 , d a t a t a k e n h e r e m a y b e u s e d t o i n f e r v i t a l k n o w l e d g e a b o u t t h e 6 1 0 . T h e e x p e r i m e n t a l c o n fi g u r a t i o n u s e d i n t h i s s u b - 2 6 4 s t u d y i s fi r s t d e s c r i b e d i n d e t a i l , a l o n g w i t h t h e n e c e s s i t y o f d e s i g n i n g a n d b u i l d i n g t h e n e w i o n s o u r c e T h e . d e s i g n o f t h e 6 1 0 - c r i s t h e n d e t a i l e d , u s i n g s e v e r a l c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ( A U T O C A D T M ) a n d a s s e m b l y d r a w i n g s . T h r e e d i f f e r e n t k i n d s o f m i c r o — c o a x i a l p r o b e s w e r e u s e d t o m e a s u r e t h e e l e c t r i c fi e l d s , a n d t h e s e a r e d e s c r i b e d . D a t a a r e t a k e n h e r e i n a c c o r d a n c e t o t h e p r i n c i p l e s d e t a i l e d i n C h a p t e r T h r e e ( S e c t i o n 3 . 5 ) , a n d t h e t h e o r y i s b r i e fl y r e c a p p e d h e r e , a l o n g w i t h s o m e n e c e s s a r y d e t a i l s s p e c i fi c t o t h e 6 1 0 - a n o t m e n t i o n e d i n C h a p t e r T h r e e . T h e m e a s u r e d e l e c t r i c fi e l d d a t a ( b o t h t h e fi e l d p a t t e r n s , a n d t h e e x a c t . c a l i b r a t e d fi e l d s t r e n g t h ) o f a p l a s m a l o a d e d c a v i t y a s t h e g a s fl o w / p r e s s u r e . i n p u t p o w e r a n d g a s t y p e v a r y , a r e p r e s e n t e d . N o t e t h a t a l l d a t a a r e t a k e n a t 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n f r e q u e n c y . M o s t d a t a a r e t a k e n w i t h a r g o n a s t h e w o r k i n g g a s . h o w e v e r s o m e d a t a o n n i t r o g e n i s a l s o p r e s e n t e d . I n C h a p t e r F o u r i t w a s n o t i c e d . t h a t t h e p e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 d i f f e r s s i g n i fi c a n t l y w i t h n i t r o g e n a s t h e d i s c h a r g e g a s . a s c o m p a r e d t o i t s a r g o n p e r f o r m a n c e . D a t a p r e s e n t e d h e r e w i l l a l s o h i g h l i g h t t h e f a c t t h a t d i f f e r e n c e s e x i s t i n t h e e l e c t r i c fi e l d p a t t e r n s f o r t h e p e r f o r m a n c e o f t h e p l a s m a s o u r c e w h e n t h e o p e r a t i n g g a s i s n i t r o g e n , a s . c o m p a r e d t o a r g o n . E l e c t r i c fi e l d d a t a w i t h n o p l a s m a i g n i t e d i n t h e 6 l O - a a r e p r e s e n t e d n e x t . T h e s e d a t a . k n o w n a s e m p t y c a v i t y m e a s u r e m e n t s a r e t a k e n a t v e r y l o w i n p u t p o w e r s ( s e v e r a l m W ) , w i t h t h e 6 1 0 - a o n a t e s t b e n c h . T h e s e m e a s u r e m e n t s a l l o w f o r a c a l c u l a t i o n o f t h e e m p t y c a v i t y q u a l i t y f a c t o r ( 9 5 ) . H o w e v e r , a m o r e i m p o r t a n t r e a s o n t o c o n d u c t t h e s e e x p e r i m e n t s w a s t o t r y t o u n d e r s t a n d t h e , u n i q u e e l e c t r i c fi e l d p a t t e r n s i n t h e e v a n e s c e n t c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n a n d t h e p l a s m a d i s c h a r g e s e c t i o n ( e n c l o s e d b y t h e p e r m a n e n t m a g n e t s ) o f t h e 6 l O - a , 2 6 5 a n d b y i n f e r e n c e t h e 6 1 0 . A s w i l l b e s e e n l a t e r , t h i s c o u l d o n l y b e d o n e w i t h n o p l a s m a i n t h e 6 l O - a . T h e r e s u l t s o f t h e s e e x p e r i m e n t s h e l p e s t a b l i s h c r u c i a l c o n c l u s i o n s a b o u t t h e p e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 . K n o w l e d g e o f t h e e x a c t ( c a l i b r a t e d ) e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h w i t h i n t h e p l a s m a s o u r c e m a y b e u s e d t o a r r i v e a t s e v e r a l i m p o r t a n t a n a l y t i c a l r e s u l t s . T h e s e i n c l u d e t h e f o l l o w i n g c a l c u l a t i o n s : t h e p o w e r l o s t t o t h e w a l l s i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e i o n s o u r c e , t h e p l a s m a l o a d e d q u a l i t y f a c t o r ( 9 , ) , t h e t o t a l e n e r g y s t o r e d i n t h e c a v i t y , a n d fi n a l l y t h e p o w e r c o u p l i n g e f fi c i e n c y o f t h e c o a x i a l m i c r o w a v e a p p l i c a t o r . T h i s c o u p l i n g e f fi c i e n c y i s c a l c u l a t e d t w o d i f f e r e n t w a y s . C o m p a r i n g t h e t w o e f fi c i e n c y c a l c u l a t i o n s t h e n a l l o w s f o r a n e s t i m a t i o n o f t h e e x a c t a m o u n t o f p o w e r l o s t t o t h e w a l l s , a s w e l l a s t o t h e l o o p a n t e n n a . T h i s i n f o r m a t i o n m a y t h e n b e u s e d t o e s t a b l i s h a n e q u i v a l e n t m i c r o w a v e c i r c u i t w i t h l u m p e d c i r c u i t e l e m e n t s f o r t h e 6 1 0 - a . a n d b y i n f e r e n c e f o r t h e M P D R 6 1 0 . T h e e q u i v a l e n t c i r c u i t i s d i s c u s s e d i n a l a t e r s e c t i o n o f t h i s c h a p t e r . T h e c h a p t e r e n d s w i t h s o m e c o n c l u s i o n s , a n d c o m m e n t s o n f u r t h e r s t u d y i n g t h e 6 l O - a t o g a i n m o r e i n s i g h t i n t o t h e p e r f o r m a n c e o f t h e M P D R 6 1 0 . T h e e l e c t r i c fi e l d s t h a t a r e s e t u p i n s i d e a n i o n s o u r c e c a n b e c a l c u l a t e d f r o m a c a l i b r a t e d p o w e r m e a s u r e m e n t p e r f o r m e d b y i n s e r t i n g m i c r o - c o a x i a l p r o b e s i n t o t h e c o n d u c t i n g b o d y o f t h e s o u r c e , a s r e p o r t e d e a r l i e r [ s e e C h a p t e r T h r e e , a n d R e f e r e n c e H o p - 9 0 b i n p a r t i c u l a r ] . F i g u r e s 4 . 3 a n d 4 . 4 ( C h a p t e r F o u r ) s h o w t h e c o n fi g u r a t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 a s i t i s m o u n t e d o n t h e v a c u u m p r o c e s s i n g v e s s e l o f t h e Y o r k t o w n T . S i n c e t h e M P D R 6 1 0 i s d e s i g n e d t o 2 6 6 p e n e t r a t e d e e p i n s i d e t h e v a c u u m c h a m b e r a n d g e n e r a t e a p l a s m a c l o s e t o t h e s u b s t r a t e , i t i s n o t p o s s i b l e t o i n s e r t t h e p r o b e s d i r e c t l y i n t o t h e b o d y o f t h e 6 1 0 i t s e l f . A m o d i fi e d s o u r c e h a d t o b e u s e d t o c o n d u c t t h e s e e x p e r i m e n t s . T h i s a d a p t e d p l a s m a s o u r c e , k n o w n a s t h e 6 1 0 - a w a s d e s i g n e d s p e c i fi c a l l y f o r t h i s s u b - s t u d y , a n d i s n o w d e s c r i b e d i n d e t a i l . 6 . 2 . 1 D e s c r i p t i o n o f t h e fi l o - g T h e 6 1 0 — a i s s h o w n s c h e m a t i c a l l y i n F i g u r e 6 . 1 ( n o t t o s c a l e ) i n i t s a s s e m b l e d f o r m . N o t e t h a t t h e i n s i d e o f t h e s o u r c e h a s a c o a x i a l s e c t i o n o f l e n g t h l a n d , t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n o f l e n g t h d j u s t b e f o r e t h e b e g i n n i n g o f t h e q u a r t z p l a s m a t u b e . T h e t h i c k b r a s s w a l l o f t h e 6 1 0 - a i s s h o w n w i t h t h e p r o b e i n s e r t i o n h o l e s ( n o t a l l a r e s h o w n ) a n d t h e m i c r o - c o a x i a l p r o b e ( b o t h h o l e s a n d t h e p r o b e a r e d r a w n l a r g e r t h a n a c t u a l s i z e ) , w i t h i t s fi x e d c o l l a r . F i g u r e s 6 . 2 t h r o u g h 6 . 6 d e t a i l t h e C A D d r a w i n g s ( w i t h e x a c t d i m e n s i o n s i n i n c h e s ) o f t h e i n d i v i d u a l p a r t s , a n d t h e s e d e t a i l s a r e b r i e fl y d i s c u s s e d n o w . T h e 6 1 0 — a c o n s i s t s o f a n o u t e r s h e l l ( s h o w n i n F i g u r e 6 . 2 ) m a d e o f u n l e a d e d N a v a l b r a s s w i t h a w a l l t h i c k n e s s o f 0 . 5 5 i n c h e s ( a b o u t 1 . 4 c m ) . ( U n l e a d e d N a v a l b r a s s i s t h e p r o p e r ' c h o i c e w h e r e j o i n t s a r e t o b e s o l d e r e d . ) . S m a l l h o l e s o f 2 . 2 6 m m d i a m e t e r f o r i n s e r t i n g t h e m i c r o - c o a x i a l e l e c t r i c fi e l d p r o b e s a r e d r i l l e d t h r o u g h t h e w a l l s t r u c t u r e e v e n l y a t 4 5 ° a n g l e s ( e i g h t h o l e s i n e a c h c i r c u m f e r e n t i a l s e t ) . w i t h 3 0 s u c h s e t s s p a c e d 0 . 2 5 i n c h e s ( 0 . 6 3 5 c m ) a p a r t . T h e s e h o l e s c o n s t i t u t e t h e m i c r o - c o a x i a l p r o b e i n s e r t i o n p o i n t s i n t h e w a l l o f t h e s o u r c e . T h e t h i c k o u t e r w a l l p r e v e n t s t h e m i c r o - c o a x i a l p r o b e s f r o m b e n d i n g , o r w a r p i n g i n s i d e t h e s o u r c e w h i l e d a t a a r e b e i n g c o l l e c t e d . A n o t h e r 2 6 7 M i c r o - c o a x i a l r o b e , w i t h 1 0 fi x e d c o l l a r “ / P o w e r M e t e r E / 8 c o a i d a l s e c t i o n - V z - 1 1 i 2 = l + d _ L . _ _ _ _ _ c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n ‘ 9 A \ 5 F i e 6 . 1 C r o s s s e c t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 — a n o t t o s c a l e . 1 . C o o l i n g a i r f e e d 4 . Q u a r t z p l a s m a c h a m b e r _ 8 . S l i d i n g s h o r t 2 . R i g i d c o a x i a l c a b l e 5 . Q u a r t z c h i m n e y 9 . D i s c h a r g e r e g i o n 3 . R i n g s h a p e d p e r m a - 6 . C e n t e r c o n d u c t o r 1 0 . O u t e r b r a s s w a l l n e n t m a g n e t s 7 . L o o p a n t e n n a 1 1 . M a g n e t h o l d e r ) d y l . n m e o v m a o p d e c a t u e c t r g e r s h T y l n ) C 5 e B 2 v . e m [ ) l y m a t c s i ) i r s a E a ( 0 0 t r c e v u e e v f o s 3 v D 4 ‘ e . / a f t I e m o 4 t s l m i E h s e s b a o r r b p l l a a v i a x N o c - e o r d c b a 1 c l a l l p i r D 4 o n m l F i o r r s b e . o s o t e l t n n c a f m e i ( A e a l . d a c l o o t ' r 5 a s e n p s o g F 2 ' r 5 6 . a 8 2 0 c n a ' p 5 r 2 a 1 s . B e s l r e . . F e s 0 e s y l s r l a e y r s a o v t n e b h y o e l i a ' a i y h 0 a r 3 l N r u s 3 c l e 0 . r r a 0 g y e l e M h a h 3 0 n , 7 a t t 2 l t i d i r e h r o n e t m e s i l c t h : d l e i a h s S t i t l E D a i o D F M w S E t s F N i i a h r p e n i r a x c e T D . . . N 1 2 3 . 4 I r a M t t F r n S m S e M m t I s e ; n h i a r ” m - G t i a r e V | m e p e n I f m n o r 1 D J W t v y l L v a E i e e , b l r h l L M " h l ( I t w a “ e u m - w w b a f N I m l o e h g T n . i s d e n . h d e c l b n e i fi r o c 5 5 i r e r o , f e . t 0 c g n e B l t i g n u p e r i o r e e a n d i l h o c b h a t w a e , t S M n l d l r l e a u v r O w s I e a a I e r i H F h p e W t m o f t o o t s d k c s e i e t h n r t k e c s s i i n h i t ) s e i e e r t f i h t d n e 9 1 4 t a e e 0 h o l N w ( 1 4 4 . 0 1 1 4 1 0 3 . 2 0 d i a 2 . 1 0 ' v V k c « 3 U \ J - u 4 a l l ! d o 2 6 8 T l A l e a h h M t E t d s ) e c r u o s n n I m E i n e W c a e F l F . s n V n A a r V m l a c m i r y a e h - n o I i t c e - - l E m M t t r o a m r b o u f u s i t 8 o f 6 e s t 3 i a s r 4 p e m k o a c . m l e 1 n e 3 f m . e s 0 i # d r e a c o n W 5 m e u c 3 v t s n n s - 3 i e m I e n I 3 t 3 e n m r e r a a m — e e u ) m ! s 7 d ” e o e k 1 u 3 u P l W ( ( : I : y m V t m 0 1 6 8 b e e l g n w e s n a e s . ” « ( “ I t e h . s d i r n - - 2 a e " M a n w n e m # V e : S E e a a a l l r h o H l P e l P U d c t r I u N " T O . . N 1 8 t o n e e s - l e n n a h c d e e F s a G / w — 0 0 . 2 — - r o f y e n m i . h 0 1 c 6 e n e i b g m i r a o h e c h a t ) h R l t i t ) l fi D d P e n t o e t m M a l n r O a n e e e s e ( s ( 1 e a m f s o a c e e a c f a r f u r s u l s p o W h e h t t s f a s o e s m n \ a | i o s s e n h e t m d 0 i 8 4 m . e d n i l a 1 l A t I — J — J J 0 7 8 1 . 0 Q U A R T Z P L A S M A C U P 2 6 9 T A M l l E a V A r W o F o g n o n i i r e e - n i g n E e e n e h ) t u l y o a t e c n u i s r r s t n r o — e n h t i a s m e t e a r l a u c a r - i 0 c 1 Y E N M I H C D E F S A G E . i f y 6 e t 5 c r e y v e e n 6 4 1 r e 3 e i g a l n e v E U h n m i a t t h f 6 e i c s o 6 t r a v a r d 0 t 5 t l e h m t i r h o c f F 0 e # r s e c n - r S k e e e S t f 5 y 3 m s 5 0 9 h n s 1 e t 3 a a n s 9 1 r g v e G a x a i i ) p n T n e . m 7 V . p h r o 8 g n s 1 ) e c s i I i 0 A D 5 D : e s e n a s i r a w e : e a l M ( ( - r r e y v Y a u c c 6 E t c r h h 1 b r M u o g M C ( a t h q s d e a R m - - t : c D Z S T a E e e l o r o . P d t r n t t P r a a u d R A U Q T U . N 1 B e N D A M n b a l m a a r n 5 h 8 1 . 0 4 0 5 7 5 . 1 - e i l g c b i m r a a m o h s e c a h t l a p f i m o e s a e h t l s p d o h n e t h u t s o W a r f o a e l s m l n a a o i s s s e n h a g e g t m n d i i e d k n i r l l a o A t w 2 7 0 0 0 1 . 0 I ; A 1 - g A m N U I ) d a e l c i r o t e c l n a o v c a N , s e b s o a t r B . ' s 3 0 0 7 . 8 9 n ( n 2 r 0 . 0 0 l e a t i e r n m i : e a h S t i t E i a D M w T O . . N 1 2 w w “ ° . ) : ” ) e c s r ' y m : a : w s m T A C ” E S I U R H . 0 . 3 . ; - v . g £ . n : i e - " I : m m m N . 0 a : ‘ 1 — : l - ” s l f . r w o a " n a T . s m ( w r e 0 c 5 0 . 7 a l p 8 n o u d r e h T c a p 8 s 3 / y 9 l l l a l u . m e l n v u a t " e u l - u h “ m t m a l d l i e | p r q D E 3 e l o a C e 3 . B o p D . c . x T s s 3 e 5 0 4 c “ 1 0 2 y # x a 3 l p 0 l . l p a 3 u e 4 u e — 6 q n a D 4 1 E o r m l - ‘ — _ I P 0 1 ( . ° 1 ' 5 2 0 — 3 — . ' fi 1 1 ' ' l . 7 0 E 0 . 5 1 s 1 l [ “ 1 I 0 “ , 1 : 0 . 4 0 6 3 ; ? fl i t / ’ 0 ’ / ’ / 9 1 1 1 4 w w w m I 8 . 0 0 fl W N o t e t h e c h a n n e l i n t h e b a s e p l a t e t h r o u g h w h i c h a n a r r o w t u b e c o n n e c t s a n e x t e r n a l V C R fi t t i n g t o t h e g a s f e e d i n t o t h e q u a r t z c h a m b e r o f t h e 6 1 0 - a . 2 7 1 2 7 2 o p t i o n , a s w a s d o n e f o r t h e M P D R 5 d e s c r i b e d i n C h a p t e r S e v e n , w o u l d h a v e b e e n t o u s e a t h i r m e r w a l l f o r t h e s o u r c e c o n s t r u c t i o n , b u t w i t h t h i c k b a n d s o f b r a s s w r a p p e d a r o u n d t h e s o u r c e w h e r e t h e p r o b e i n s e r t i o n h o l e s a r e l o c a t e d . T h e s e b a n d s w o u l d t h e n p r e v e n t t h e w a r p i n g o r b e n d i n g o f t h e p r o b e s a s t h e y a r e i n s e r t e d i n t o t h e s o u r c e . T h e i n t e r n a l d i m e n s i o n s o f t h e 6 1 0 - a a r e m a i n t a i n e d e x a c t l y t h e s a m e a s t h o s e o f t h e o r i g i n a l M P D R 6 1 0 s u c h t h a t m a x i m u m c o r r e l a t i o n o f d a t a b e t w e e n t h e t w o s o u r c e s c o u l d b e m a d e . I n d e e d . t h e c e n t e r c o n d u c t o r / s l i d i n g s h o r t a s s e m b l y s h o w n i n F i g u r e 6 . 1 ( a n d a l s o i n F i g u r e 4 . 6 ) m a y b e r e m o v e d f r o m t h e o r i g i n a l 6 1 0 , a n d u s e d i n t e r c h a n g e a b l y b e t w e e n t h e t w o s o u r c e s . A l s o , t h e d i m e n s i o n s o f t h e q u a r t z p l a s m a c h a m b e r . t h e q u a r t z c h i m n e y a n d t h e m a g n e t s f o r t h e 6 1 0 - a a r e t h e s a m e a s t h o s e f o r t h e M D P R 6 1 0 . T h e q u a r t z p l a s m a c h a m b e r , s h o w n i n F i g u r e 6 . 3 ( a ) i s s e a l e d t o t h e b a s e p l a t e , s h o w n i n F i g u r e 6 . 4 u s i n g a V i t o n T M O - r i n g a n d a I - I e l i c o fl e x T M s p r i n g s e a l ( s i m i l a r t o t h a t u s e d t o s e a l t h e 6 1 0 ) . A s m a l l p l a t e i s u s e d t o c l a m p t h e s e a l s a n d t h e q u a r t z t u b e t o t h e b a s e p l a t e . T h i s b a s e p l a t e a l s o h a s a s m a l l c h a n n e l f o r t h e g a s l i n e ( s e e S e c t i o n A - A i n F i g u r e 6 . 4 ) . A V C R fi t t i n g i s s o l d e r e d o n t h e o u t s i d e o f t h e b a s e p l a t e a n d w o r k i n g g a s i s f e d t h r o u g h t h i s s m a l l t u b e i n t o t h e q u a r t z p l a s m a c h a m b e r . A n o p t i o n a l q u a r t z c h i m n e y , ( s h o w n i n F i g u r e 6 . 3 ( b ) ) m a y b e u s e d t o d i r e c t t h e g a s t o t h e t o p o f t h e p l a s m a c h a m b e r , w h e r e t h e p l a s m a i g n i t i o n t a k e s p l a c e . T h e 6 1 0 h a s t h r e e a x i a l l y m a g n e t i z e d r i n g s h a p e d r a r e e a r t h p e r m a n e n t m a g n e t s , a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 ( a ) . A s e t o f m a g n e t s w i t h t h e e x a c t s a m e d i m e n s i o n s w a s a l s o u s e d f o r t h e 6 l O - a . I n o r d e r t o p r o b e t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d s i n t h e m a g n e t ( o r p l a s m a l o a d e d ) r e g i o n . o f t h e 6 1 0 , t h e m a g n e t s f o r t h e 6 1 0 — a w e r e m o d i fi e d . F i g u r e 6 . 5 s h o w s t h a t t h e m o d i fi c a t i o n s w e r e m i n o r - a l l . y d e T ) l A e h t l h t e e . a n a s n n u M i E , o o d F a q g i V a d o e m e h A e h V c c 0 . . e m a ) t i 2 a 1 n e i h o s t e n g 6 a f h d e t t - t e e t d k R 6 h i D s 1 o d c e n ) l ? a e l P / n n b M - u p 1 o 0 1 i y c r t u f i o m e h t t o o D s s e r r s r 6 - T d m N n e e e e 1 s n a e u n a ' A n A l e t / n I g z m 1 ” a M i n o c a i . d n a h p e m l t “ m E t h m a s . i s o t e c f e p V t e S v g r m a c t t " u r o d A n g a - - I e a o w e l a V n g n n e l o r u m t n u p r p a e h n s h s e u l s o n . i 0 l 1 e m r t ( ” o s o s t I « r c fi a e F t h . 8 h y y n s d 8 t s e t l l i w e e e e . V e r o a h h t t c ( a r e e ' W l l e 7 e c l n d c . r a a : g ' r n l l k a n S n e i u ” M a g i r d a u i e g E i i i q o r r o x n a p a f R s F o F e l s m A D M T O N 1 8 3 4 . . . . s d e l t l e i r n d g a s e M l o h 5 . 6 r e d d n e a c e a h P . p t O s 4 0 T r y o e a n t l l o t M o . a O t n u s e m m I a C C 9 O “ F " q t T ' e T n e o O o e l 8 s S w B i m d h c W n ' S 5 W E / I H V P i 5 2 6 0 . 0 e h t e t \ O o , T N a n d a l s o t h e g r o o v e s o n t h e t o p a n d b o t t o m . W h e n a l i g n e d t o g e t h e r , t h i s g a v e s e v e n s e t s o f h o l e s f o r t h e p r o b e s t o b e i n s e r t e d i n t o t h e m a g n e t s e c t i o n o f t h e 6 1 O - a . 2 7 3 2 7 4 d i m e n s i o n s ( i n n e r a n d o u t e r d i a m e t e r , a n d h e i g h t ) r e m a i n e d t h e s a m e a s f o r t h e m a g n e t s o f t h e o r i g i n a l 6 1 0 , b u t e i g h t 0 . 0 6 2 5 i n c h ( 0 . 1 5 6 c m ) d i a m e t e r h o l e s w e r e d r i l l e d t h r o u g h t h e c e n t e r p l a n e o f e a c h m a g n e t , w i t h s l o t s o f s i m i l a r d i a m e t e r a t t h e t o p a n d b o t t o m o f t h e r i n g s . W h e n a l i g n e d p r o p e r l y s e v e n s e t s o f h o l e s i n t h e m a g n e t a s s e m b l y w e r e a v a i l a b l e ( w i t h e i g h t h o l e s l o c a t e d 4 5 ° a p a r t i n e a c h s e t ) i n w h i c h t h e m i c r o - c o a x i a l p r o b e c o u l d b e i n s e r t e d t o m e a s u r e t h e p o w e r o f t h e r a d i a l c o m p o n e n t o f t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d i n t h e d i s c h a r g e r e g i o n o f t h e 6 1 0 - a . I t m u s t b e m e n t i o n e d t h a t t h e a d d i t i o n o f h o l e s a n d s l o t s o n t h e m a g n e t s d i d n o t c h a n g e t h e p o l e f a c e s t r e n g t h , a n d i s t h e r e f o r e e x p e c t e d t h a t t h e m a g n e t i c fi e l d s w i t h i n t h e d i s c h a r g e o f t h e 6 1 0 — a a r e t h e s a m e a s t h o s e i n t h e o r i g i n a l 6 1 0 ( w i t h i t s n o r m a l m a g n e t s ) . T h e t w o p a r t s o f t h e m a g n e t h o l d e r a r e s h o w n i n F i g u r e 6 . 6 ( a ) a n d ( b ) , a n d t h e a s s e m b l y i s s h o w n i n F i g u r e 6 . 6 ( c ) . T h i s h o l d e r , u s e d f o r t h e m a g n e t a s s e m b l y o f t h e c o m m e r c i a l M P D R 6 1 0 i o n s o u r c e s w a s b o u g h t f r o m W a v e m a t , I n c . ( F i g u r e s 6 . 6 ( a ) t h r o u g h 6 . 6 ( c ) a r e c o u r t e s y o f W a v e m a t , I n c . o f P l y m o u t h M i c h i g a n . ) T h e a l u m i n u m h o l d e r a l s o h a s 0 . 1 2 5 i n c h d i a m e t e r h o l e s d r i l l e d i n t h e a p p r o p r i a t e l o c a t i o n s ( s e v e n s e t s w i t h e i g h t h o l e s e a c h , 4 5 0 a p a r t ) s u c h t h a t , t h e y a r e a l i g n e d w i t h t h e s e v e n s e t s o f e i g h t 0 . 0 6 2 5 i n c h d i a m e t e r h o l e s o f t h e m a g n e t s . N o t e t h a t l a r g e r h o l e s i n t h e m a g n e t h o l d e r h e l p i n p h y s i c a l l y a l i g n i n g t h e s m a l l e r m a g n e t h o l e s t o t h o s e o n t h e h o l d e r w h e n t h e a s s e m b l y i s b e i n g p u t t o g e t h e r . A w o r d o f c a u t i o n a b o u t a s s e m b l i n g t h e t h r e e m a g n e t s . A s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 ( a ) , t h e c o n fi g u r a t i o n o f t h e m a g n e t s f o r t h e M P D R 6 1 0 , a n d t h e r e f o r e f o r t h e 6 1 0 - a i s s u c h t h a t t h e t h r e e r i n g s n a t u r a l l y r e p e l ( i . e . t h e S o u t h p o l e s o f t w o r i n g s f a c e e a c h o t h e r ) . C a r e m u s t b e e x e r c i s e d w h e n p u t t i n g t h e m a g n e t s 2 7 5 — C - . 4 2 n . — — - - 2 0 ‘ 2 _ " ” . 1 2 1 2 o " 5 0 ’ m a m m o m n a m ( H i m 2 . 0 0 0 1 9 0 5 — — T l . - — + / N 3 5 % ” — - 1 - i — . 0 0 4 - — — I - ‘ — 1 3 1 - - — — 1 . 7 9 - — — o — T h i s a l u m i n u m m a g n e t a n d s t a i n l e s s s t e e l m a g i e t h o l d e r a s s e m b l y w a s b o u g h t f r o m W a v e m a t I n c . a n d i s t h e s a m e a s t h a t u s e d f o r t h e M P D R 6 1 0 s o u r c e s . T h e o u t e r a l u m i n u m s h e l l a l s o h a d h o l e s d r i l l e d ( 0 . 1 2 5 i n c h d i a m e t e r ) t h a t a l i g n e d w i t h t h e m a g n e t s i n s i d e , a n d t h e b r a s s o u t e r w a l l o f t h e 6 1 0 - a o u t s i d e . I B I K S 0 8 I K S 9 7 7 K 5 \ 2 7 6 T l . 1 T h e t w o s e c t i o n s o f F i g u r e 6 . 6 ( a ) a n d ( b ) a r e a t t a c h e d u s i n g s e t s c r e w s . T h i s fi g - u r e s h o w s t h e p o s i t i o n o f t h e m a g i e t s , t h e h o l d e r a s s e m b l y , a n d t h e q u a r t z d i s - c h a r g e c h a m b e r 2 7 7 t o g e t h e r , n o t o n l y s o t h a t a l l t h e h o l e s a n d s l o t s o n t h e m a g n e t s a l i g n , b u t a l s o b e c a u s e t h e s l i g h t e s t l a p s e c a n c a u s e t h e m a g n e t s t o fl i p o v e r a n d s m a s h i n t o e a c h o t h e r ( o r i n t o s o m e o t h e r m a g n e t i c m a t e r i a l ) . T h i s m a y a l s o b e h a z a r d o u s t o h e a l t h s i n c e t h e m a g n e t s c o u l d a c t a s f a s t p r o j e c t i l e s w h e n b e i n g a t t r a c t e d t o w a r d s o t h e r m a g n e t i c m a t e r i a l s . D u e t o t h e t h i n d i m e n s i o n s ( 0 . 1 2 5 i n c h e s t h i c k n e s s , 0 . 5 i n c h h i g h ) , a n d a l s o b e c a u s e o f t h e p r o b e i n s e r t i o n h o l e s d r i l l e d i n t h e r a r e e a r t h S m C o m a t e r i a l , t h e m a g n e t s a r e e x c e e d i n g l y fi ‘ a g i l e . I n d e e d , s u c h a n a c c i d e n t d i d o c c u r w h e n t h e m a g n e t s w e r e b e i n g p u t t o g e t h e r , l e a d i n g t o d e s t r u c t i o n o f t w o o f t h e t h r e e r i n g s . T h e b r o k e n m a g n e t s h a d t o b e r e o r d e r e d t h a t l e d t o s e v e r a l w e e k s l o s s o f v a l u a b l e t i m e I F i g u r e 6 . 7 s h o w s t h e t w o i o n s o u r c e s ( 6 1 0 , a n d t h e 6 1 0 - a ) a s t h e y a r e m o u n t e d o n t h e v a c u u m c h a m b e r o f t h e Y o r k t o w n T . A s c a n b e s e e n , t h e m a i n d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o s o u r c e s i s t h a t t h e 6 1 0 — a s i t s o u t s i d e o f t h e v a c u u m c h a m b e r a n d t h e v a c u u m s e a l i s f o r m e d n e a r t h e p l a s m a d i s c h a r g e r e g i o n ( a s i s t h e c a s e f o r a l l o t h e r M P D R s o u r c e s ) , w h i l e t h e d i s c h a r g e o f t h e 6 1 0 i s g e n e r a t e d d e e p i n s i d e t h e v a c u u m , f a r a w a y f r o m i t s 4 . 5 i n c h C o n fl a t fl a n g e v a c u u m s e a l . T h i s k e e p s t h e e n t i r e b o d y o f t h e 6 1 0 - a o u t s i d e o f t h e v a c u u m , a n d a l l o w s f o r e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d p a t t e r n m e a s u r e m e n t s t o b e p e r f o r m e d o n t h e s o u r c e t h r o u g h t h e s m a l l h o l e s d r i l l e d i n t h e o u t e r w a l l . R e g u l a r V i t o n T M O - r i n g s a r e u s e d t o m a k e t h e v a c u u m s e a l b e t w e e n t h e 6 1 0 - a a n d t h e v a c u u m c h a m b e r . T h e s e s e a l s a r e c a p a b l e o f a c h i e v i n g b a s e p r e s s u r e s u p t o t h e m i d 1 0 ‘ 8 T o r r r a n g e . A s i n C h a p t e r s F o u r a n d F i v e , t h e i n p u t g a s fl o w r a t e a n d t h e c h a m b e r p r e s s u r e a r e r e l a t e d d u e t o t h e a b s e n c e o f a v a r i a b l e c o n d u c t a n c e v a l v e o n t h e v a c u u m s y s t e m . T h u s e x p e r i m e n t s d e s c r i b e d h e r e a r e d e fi n e d i n t e r m s o f t h e s t a c k p r e s s u r e a l o n e . T h e c o r r e s p o n d i n g g a s fl o w r a t e s f o r t h e p r e s s u r e s . e - h d r i t e l b ) s m 5 2 d ( n a h . a c , r e m b a r - o u 0 t m 1 u c a 6 h c u c a e d h n V t o m ) c f u 1 u 2 o r ( e d c e t a e . n s f e v e c c s e h r a e u h g t o t s ) n 4 ) o o 2 7 ( 2 w ( a t . - a d . e 0 — n s h 1 t a 0 e 1 c 6 r r 6 , o u d f 0 e o 1 n h s s 6 a t l a e ) 0 e h 3 1 2 s t h t o ( b 6 f m o o , u t R a l u — a D n c O e P I s o a M v m B m e m e u e h h o h t t u c c T f f o 7 . n o a y l v l a b 6 o ) i 6 e m e t s 2 e r u a s ( c s m o u . a l 0 1 u 1 t F e c 6 r h t a o R h V s e D ) t 2 P g o 2 n N ( M i 2 4 2 2 T O P L M P S h 2 7 2 7 8 2 7 9 i n d i c a t e d i n t h e f o r t h c o m i n g s e c t i o n s m a y b e l o o k e d u p i n t h e p r e v i o u s t w o c h a p t e r s . 6 . 2 . 2 D e s c r i p t i o n o f t h e M i c r o - c o a x i a l P r o b e s A s s t a t e d e a r l i e r , m e a s u r e m e n t s o f t h e e l e c t r i c fi e l d s a r e c o n d u c t e d u s i n g a s e t o f s e m i - r i g i d m i c r o - c o a x i a l p r o b e s . T h e o u t e r d i a m e t e r o f t h e p r o b e s i s 2 . 2 5 m m , a n d t h e i n n e r c o n d u c t o r d i a m e t e r i s 0 . 6 m m . T h e d e t a i l s o f u s i n g s u c h m i c r o - c o a x i a l p r o b e s ( a l s o k n o w n a s t h e E - fi e l d p r o b e s ) h a v e b e e n d e s c r i b e d e a r l i e r [ H o p - 9 0 b , H o p - 9 1 , A s m - 8 7 , R o g - 8 2 ] , a n d a l s o d e t a i l e d i n C h a p t e r T h r e e ( s e c t i o n 3 . 5 ) . F o r t h e s a k e o f c o m p l e t i o n , a b r i e f r e c a p i t u l a t i o n i s p r e s e n t e d h e r e . T h e E - fi e l d p r o b e i s i n s e r t e d s u c h t h a t t h e o u t e r c o n d u c t o r i s fl u s h w i t h t h e i n n e r w a l l o f t h e p l a s m a s o u r c e , a n d t h e r e i s g o o d e l e c t r i c a l c o n t a c t b e t w e e n t h e o u t e r c o n d u c t o r a n d t h e s o u r c e w a l l - i . e . t h e p r o b e d o e s n o t m o v e , b e n d o r w a r p i n s i d e t h e h o l e . T h e i n n e r c o n d u c t o r o f t h e p r o b e p e n e t r a t e s s l i g h t l y d e e p e r i n t o t h e s o u r c e b o d y . T h i s c r e a t e s a m o n o p o l e o v e r a s e m i - i n fi n i t e p l a n e e f f e c t , w h e r e t h e i n n e r c o n d u c t o r a c t s a s a r e c e i v i n g a n t e n n a , a n d m e a s u r e s t h e n o r m a l ( r a d i a l ) c o m p o n e n t o f t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d . T h i s t y p e o f c o a x i a l p r o b e i s i d e n t i fi e d a s t h e “ p e n e t r a t i n g p r o b e ” i n t h i s d i s s e r t a t i o n ( s e e F i g u r e 3 . 1 3 , C h a p t e r T h r e e ) . T o m a i n t a i n t h e s e n s i t i v i t y o f t h e m e a s u r e m e n t , t h e i n n e r c o n d u c t o r o f t h e p r o b e m u s t b e i n s e r t e d s u f fi c i e n t l y d e e p i n t o t h e s o u r c e . Y e t , t h e d e e p e r t h e p r o b e p e n e t r a t e s i n t o t h e s o u r c e , t h e m o r e t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d s a r e p e r t u r b e d . T o m i n i m i z e t h i s p e r t u r b a t i o n w h i l e m a i n t a i n i n g t h e s e n s i t i v i t y o f t h e m e a s u r e m e n t , t h e i n n e r c o n d u c t o r o f t h e p r o b e w a s i n s e r t e d o n l y 3 0 / 1 0 0 0 o f a n 2 8 0 i n c h i n t o t h e i o n s o u r c e b o d y . A fi x e d c o l l a r , a s s h o w n i n F i g u r e 6 . 1 w a s u s e d o n t h e o u t e r c o n d u c t o r o f t h e p r o b e s o t h a t a t e a c h i n s e r t i o n h o l e , t h e p r o b e w a s i n s e r t e d i n t o t h e s o u r c e b o d y t o e x a c t l y t h e s a m e d e p t h ( a l s o s e e F i g u r e 3 . 1 5 , C h a p t e r T h r e e ) . T h i s m a i n t a i n e d t h e r e l a t i v i t y o f t h e p o w e r m e a s u r e m e n t a t e v e r y h o l e w i t h r e s p e c t t o o t h e r m e a s u r i n g p o s i t i o n s . N o t e t h a t i n t h e m a g n e t r e g i o n o f t h e i o n s o u r c e , t h e E - fi e l d p r o b e h a s t o b e i n s e r t e d d e e p e r i n t o t h e s o u r c e , s i n c e t h e m a g n e t s . w h i c h a r e i n g o o d e l e c t r i c a l c o n t a c t w i t h t h e o u t e r w a l l o f t h e s o u r c e , e f f e c t i v e l y i n c r e a s e t h e w a l l t h i c k n e s s . H e n c e p r o b e s w i t h t w o d i f f e r e n t l e n g t h s h a d t o b e u s e d - o n e f o r t h e . c o a x i a l s e c t i o n o f t h e s o u r c e ( o u t e r w a l l o n l y ) , a n d o n e f o r t h e m a g n e t ( o r t h e d i s c h a r g e l o a d e d ) s e c t i o n o f t h e s o u r c e ( o u t e r w a l l p l u s t h e m a g n e t / m a g n e t h o l d e r ) . C a r e w a s t a k e n w h e n c o n s t r u c t i n g t h e p r o b e s , t h a t f o r e a c h t y p e o f p r o b e , t h e i n s e r t i o n o f t h e i n n e r c o n d u c t o r i s e x a c t l y 3 0 / 1 0 0 0 o f a n i n c h , w h i l e t h e o u t e r c o n d u c t o r o f t h e p r o b e i s s t i l l fl u s h w i t h t h e i n n e r w a l l o f t h e s o u r c e ( i n t h e c o a x i a l s e c t i o n ) , o r t h e m a g n e t ( i n t h e d i s c h a r g e l o a d e d s e c t i o n ) . A n o t h e r t y p e o f p r o b e , w i t h i t s i n n e r a n d o u t e r c o n d u c t o r b o t h fl u s h w i t h t h e i n n e r w a l l o f t h e i o n s o u r c e w a s u s e d t o c a l i b r a t e t h e d a t a [ H o p - 9 0 b , H o p - 9 1 , B u r - 8 5 ] . T h e m i c r o - c o a x i a l p r o b e p o w e r m e a s u r e m e n t ( P p ) m a d e w i t h t h i s “ fl u s h ” p r o b e i s r e l a t e d t o t h e a b s o l u t e m a g n i t u d e o f t h e r a d i a l e l e c t r i c fi e l d ( E , ) b y t h e e q u a t i o n [ B u r - 8 5 ] : 2 — l - E r = ( e o K r n c ( 1 ) ) R 2 ? ( 6 . 1 ) w h e r e c i s 0 . 3 c m - t h e r a d i u s o f t h e i n n e r c o n d u c t o r o f t h e m i c r o - c o a x i a l p r o b e . 0 ) i s t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n ( 2 1 : X 2 . 4 5 G H z ) . 8 0 i s t h e p e r m i t t i v i t y o f f r e e 2 8 1 s p a c e , K , i s a d i m e n s i o n l e s s a r e a m u l t i p l i e r a n d e q u a l s 3 . 8 4 6 f r o m R e f . B - 1 f o r a fl u s h p r o b e , a n d R 0 i s t h e 5 0 Q c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e o f t h e c o a x i a l p r o b e . F i g u r e 3 . 1 3 ( C h a p t e r T h r e e ) s h o w s t h e d e t a i l s o f t h e t w o t y p e s o f p r o b e s t h a t w e r e u s e d t o m e a s u r e . a n d c a l i b r a t e t h e e l e c t r i c fi e l d s . A s w i t h a n y o t h e r e x p e r i m e n t m e n t i o n e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n , e a c h d a t a a c q u i s i t i o n s e s s i o n w i t h t h e m i c r o - c o a x i a l p r o b e w a s c o n d u c t e d s e v e r a l t i m e s t o m i n i m i z e r a n d o m e r r o r s a n d e n s u r e r e p e a t a b i l i t y . N o t e t h a t t h e a c c u r a c y o f t h i s m e a s u r e m e n t d e p e n d s h e a v i l y o n t h e u s e o f t h e c o n s t a n t K , w h o s e v a l u e i s t a k e n f r o m l i t e r a t u r e t o b e 3 . 8 4 6 , a n d t h i s m a y b e a s o u r c e o f e r r o r w h i l e c a l i b r a t i n g t h e m e a s u r e m e n t o f t h e e l e c t r i c fi e l d s . T h e v a l i d i t y o f u s i n g t h i s v a l u e o f t h e c o n s t a n t i s c u r r e n t l y b e i n g t e s t e d b y c o m p a r i n g t h e e l e c t r i c fi e l d d a t a t h a t i s t a k e n o n a n o t h e r M P D R s o u r c e u s i n g t h i s c o n s t a n t , w i t h t h e e l e c t r i c fi e l d d a t a c a l c u l a t e d b y a n o t h e r m e t h o d . I n i t i a l e v i d e n c e m a y i n d i c a t e d t h a t t h e a c t u a l v a l u e o f t h e e l e c t r i c fi e l d s m a y b e l e s s t h a n t h o s e c a l i b r a t e d u s i n g t h i s K , v a l u e [ M a k - 9 5 ] . 6 . 3 m g r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - P l u m L o a d e d M e a s u r e m e n t s I n g e n e r a l , t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r ( a t 2 . 4 5 G H z ) c o u p l e d i n t o t h e s o u r c e i s g i v e n b y P , = P , - P , w h e r e P , i s t h e i n c i d e n t p o w e r , P , i s t h e r e fl e c t e d p o w e r . P , i s t h e r e f o r e t h e n e t i n p u t p o w e r a b s o r b e d b y t h e p l a s m a s o u r c e . H o w e v e r , t h e w a l l s o f t h e p l a s m a s o u r c e a r e n o t p e r f e c t l y c o n d u c t i n g , a n d s o n o t a l l i n p u t p o w e r i s a c t u a l l y a b s o r b e d b y t h e p l a s m a d i s c h a r g e . T h e n e t i n p u t p o w e r m a y t h e r e f o r e b e f u r t h e r d i v i d e d b e t w e e n t h e p o w e r d e l i v e r e d t o t h e c o n d u c t i n g w a l l s P m , a n d p o w e r d e l i v e r e d t o t h e p l a s m a l o a d P 1 . T h e e x a c t d i v i s i o n o f t h e i n p u t p o w e r b e t w e e n t h e w a l l s a n d t h e p l a s m a l o a d d e p e n d s o n 2 8 2 t h e r e l a t i v e l o s s e s t o t h e p l a s m a , a n d t h e l o s s e s o n t h e c o n d u c t i n g w a l l s . A l l e l e c t r i c fi e l d d a t a p o i n t s p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r w e r e t a k e n w i t h t h e s o u r c e o p t i m a l l y m a t c h e d t o m i n i m u m r e fl e c t e d p o w e r . U n d e r a l l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s f o r b o t h t h e M P D R 6 1 0 a n d t h e 6 1 0 - a d i s c u s s e d i n t h i s c h a p t e r , t h e r e fl e c t e d p o w e r i s l e S s t h a n 5 % o f t h e i n c i d e n t p o w e r w h e n t h e s o u r c e i s o p t i m a l l y t u n e d , a n d s o P , c a n u s u a l l y b e a p p r o x i m a t e d b y P 1 . F i g u r e 6 . 8 s h o w s a t y p i c a l m e a s u r e d e l e c t r i c fi e l d c u r v e , v e r s u s t h e c a v i t y l e n g t h f o r a d i s c h a r g e l o a d e d 6 1 0 — a . T h e a r g o n g a s d i s c h a r g e , a t a p r e s s u r e o f 1 . 0 m T o r r w i t h a b o u t 1 3 0 W i n p u t p o w e r w a s m a t c h e d t o t h e e x t e r n a l t r a n s m i s s i o n l i n e b y a d j u s t i n g t h e l e n g t h s l t o b e 8 . 2 5 c m , a n d d t o b e 2 . 5 c m . ( S e e F i g u r e 6 . 1 , o r F i g u r e 4 . 6 o f C h a p t e r F o u r f o r t h e d e fi n i t i o n s o f t h e t w o l e n g t h s l a n d d . ) T h e a b s c i s s a o n t h e e x p e r i m e n t a l d a t a p l o t c o r r e s p o n d s t o t h e p r o b e i n s e r t i o n h o l e s o n t h e w a l l o f t h e 6 1 0 - a . e a c h p o i n t b e i n g 0 . 2 5 i n c h e s a p a r t , w h i l e t h e o r d i n a t e o f t h e d a t a p l o t i s t h e a b s o l u t e ( c a l i b r a t e d ) e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h i n k V / m . T h i s a b s o l u t e fi e l d i s c a l c u l a t e d u s i n g E q n . 6 . 1 a f t e r t h e r e l a t i v e p o w e r m e a s u r e m e n t s t h a t a r e t a k e n w i t h t h e “ p e n e t r a t i n g ” p r o b e a r e c a l i b r a t e d w i t h t h e “ fl u s h ” p r o b e . A s c a n b e s e e n , e x p e r i m e n t a l d a t a a r e t a k e n f o r h o l e s 1 2 - 2 0 , a n d 2 4 - 3 0 . B e c a u s e o f i n t e r f e r e n c e f r o m t h e fi n g e r s t o c k o f t h e s l i d i n g s h o r t , d a t a c o u l d n o t b e t a k e n f o r h o l e s b e l o w n u m b e r 1 2 . S i m i l a r l y , t h e d a t a b e t w e e n h o l e n u m b e r s 2 0 t h r o u g h 2 4 i s u n a v a i l a b l e , d u e t o i n t e r f e r e n c e f r o m t h e fi n g e r s t o c k o f t h e m a g n e t h o l d e r . N o t e h o w e v e r , t h a t b a s e d o n t h e m e a s u r e d d a t a f o r h o l e s 1 2 t h r o u g h 2 0 , a d a s h e d c u r v e i s p l o t t e d f o r h o l e s 9 t h r o u g h 1 2 w h i c h t h e n e x t r a p o l a t e s t h e m e a s u r e d d a t a t o t h e e x p e c t e d e x p e r i m e n t a l s t a n d i n g ( s i n e f u n c t i o n ) w a v e e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d t h a t s t a r t s f r o m t h e s l i d i n g s h o r t s u r f a c e 0 3 1 1 1 8 1 2 1 1 1 6 [ 2 i i i 4 i fl i i i i l l l 2 2 2 0 2 r ’ i i 8 n i r f r i I l i r i i l i l [ 1 * 1 1 6 1 4 1 2 1 0 1 8 0 . 0 0 . 0 6 ( “ U / M ) 0 1 3 1 3 0 1 3 1 0 3 1 3 I N S E R T I O N H O L E N U M B E R ' Q f l “ a : " ‘ 1 t n 2 : ‘ 0 ‘ 1 0 ; . 1 . ! 3 ‘ 1 " ' g : : . 1 ' 1 } I A l . 5 . 1 % D a t a i s t a k e n f o r a 1 . 0 m T o r r a r g o n p l a s m a a t 1 3 0 W i n p u t p o w e r . D a s h e d l i n e i n d i c a t e s e x t r a p o l a t e d d a t a f o r p o s i t i o n s 9 - 1 2 . 2 8 3 2 8 4 p l a n e l o c a t e d a t h o l e n u m b e r 9 . S e v e r a l s a l i e n t f e a t u r e s o f t h e d a t a s t a n d o u t . F o r a b o u t 1 3 0 W i n p u t . p o w e r , t h e r a d i a l e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h c a n r e a c h u p t o s e v e r a l t e n s o f k V / m . I f , a s s h o w n i n F i g u r e 6 . 8 , u s i n g t h e 4 0 x 1 0 3 s i n ( k z ) f u n c t i o n a l d e p e n d e n c e , t h e e x p e r i m e n t a l d a t a i s e x t r a p o l a t e d b a c k f r o m h o l e n u m b e r 1 2 , t h e e l e c t r i c fi e l d d o e s i n d e e d r e d u c e t o z e r o a s e x p e c t e d , a t h o l e n u m b e r 9 - w h i c h i s t h e l o c a t i o n o f t h e s l i d i n g s h o r t . F r o m p o s i t i o n 9 , t h e e l e c t r i c fi e l d i n c r e a s e s t o a m a x i m u m a t h o l e 1 4 , a n d a g a i n d e c r e a s e s t o a l m o s t z e r o a t h o l e 1 9 i n d i c a t i n g t h e p r e s e n c e o f a t y p i c a l s t a n d i n g w a v e p a t t e r n . T a k i n g t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e l o c a l m a x i m u m a n d t h e l o c a l m i n i m u m o n t h e d a t a p l o t , t h e e x p e r i m e n t a l l y m e a s u r e d w a v e l e n g t h i s c a l c u l a t e d t o b e a b o u t 1 2 . 7 c m w i t h i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e s o u r c e . T h e d i s c r e p a n c y i n t h e e x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e d w a v e l e n g t h a n d t h e t h e o r e t i c a l T E M m o d e w a v e l e n g t h a t 2 . 4 5 G I - I z o f 1 2 . 2 4 c m i s p r o b a b l y d u e t o t h e l i m i t a t i o n i n t a k i n g t h e d a t a a t d i s c r e t e i n t e r v a l s - i . e . e v e r y 0 . 2 5 i n c h . T h e d i s c r e p a n c y m a y a l s o b e e n h a n c e d b y t h e s l i g h t s h i f t s i n t h e l o c a l m i n i m u m o f t h e fi e l d p a t t e r n c a u s e d b y t h e fl i n g i n g e v a n e s c e n t fi e l d s f r o m t h e t e r m i n u s o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r . D e s p i t e t h i s m i n o r l i m i t a t i o n , t h e m e a s u r e m e n t s c o n fi r m t h a t a s t a n d i n g w a v e i s s e t u p i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e s o u r c e . B a s e d o n t h i s , i t i s e x p e c t e d t h a t a l o c a l m a x i m u m b e s e t u p a t t h e t e r m i n a t i o n o f t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e 6 1 0 ( o r t h e 6 1 0 - a ) , w h i c h i s a t t h e e n d o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r a t h o l e n u m b e r 2 2 . T h i s w i l l b e c o r r o b o r a t e d l a t e r i n F i g u r e 6 . 1 2 , w h e n d a t a t a k e n w i t h o u t i n t e r f e r e n c e f r o m t h e m a g n e t h o l d e r ’ s fi n g e r s t o c k a r e p r e s e n t e d . T h e d i s t a n c e 1 i n F i g u r e 6 . l , f r o m t h e e n d o f t h e s l i d i n g s h o r t ( p o s i t i o n 9 ) t o t h e e n d o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r ( p o s i t i o n 2 2 ) c a n n o w b e e x p r e s s e d i n t e r m s o f t h e T E M m o d e 2 8 5 w a v e l e n g t h . T h e l e n g t h l i s e q u a l t o a b o u t 0 . 6 7 1 . . N o t e t h a t t h i s i s n e i t h e r 0 . 5 7 1 . , n o r 0 . 7 5 1 . , b u t s o m e w h e r e i n t h e m i d d l e . B o u n d a r y c o n d i t i o n s a t t h e t e r m i n u s o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r d i c t a t e t h a t e v a n e s c e n t e l e c t r o m a g n e t i c m o d e s b e s e t u p i n p o s i t i o n s 2 2 t h r o u g h 3 0 , i n t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e a n d t h e p l a s m a l o a d e d s e c t i o n s o f t h e m i c r o w a v e a p p l i c a t o r . T h i s i s b e c a u s e t h e d i a m e t e r o f t h i s p a r t o f t h e s o u r c e i s l e s s t h a n t h a t r e q u i r e d f o r t h e l o w e s t c u t o f f p r o p a g a t i n g m o d e a t 2 . 4 5 0 1 - 1 2 ( T E I 1 ) . H o w e v e r , a s c a n b e s e e n i n F i g u r e 6 . 8 , t h e r e i s c l e a r l y s o m e e v i d e n c e o f a n o n - d e c a y i n g e l e c t r i c fi e l d i n t h e p l a s m a l o a d e d s e c t i o n o f t h e s o u r c e , a n d t h e r e m a y b e s o m e l o w i n t e n s i t y s t a n d i n g w a v e s b e i n g s e t u p i n , o r o n t h e s u r f a c e o f t h e d i s c h a r g e t h a t h a v e a r a d i a l c o m p o n e n t ( t h e m i c r o - c o a x i a l p r o b e s c a n o n l y m e a s u r e r a d i a l l y d i r e c t e d e l e c t r i c fi e l d s ) . I t i s d i f fi c u l t t o r e p r e s e n t t h e e x a c t a n a l y t i c a l s h a p e o f t h e fi e l d i n t h i s r e g i o n w i t h o u t a m o r e t h o r o u g h t h e o r e t i c a l s o l u t i o n . H o w e v e r , t h e m e a s u r e d d a t a d o i n d i c a t e t h a t t h e e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h a t t h e i n n e r w a l l s o f t h e m a g n e t s i s d i m i n i s h e d - a b o u t h a l f , t o o n e t h i r d t h e fi e l d s t r e n g t h i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e s o u r c e . F i g u r e 6 . 9 s h o w s t h e v a r i a t i o n o f t h e a b s o l u t e r a d i a l e l e c t r i c fi e l d v e r s u s t h e p l a s m a c a v i t y l e n g t h f o r s e v e r a l a r g o n d i s c h a r g e p r e s s u r e s a t a fi x e d i n p u t p o w e r o f 1 3 0 W . A s h a d b e e n r e p o r t e d e a r l i e r i n C h a p t e r F o u r o f t h i s . d i s s e r t a t i o n , t h e M P D R 6 1 0 h a s t w o d i s t i n c t m o d e s o f o p e r a t i o n : t h e l o w d e n s i t y m o d e a t l o w p r e s s u r e s , a n d t h e h i g h d e n s i t y m o d e a t h i g h e r p r e s s u r e . T h e r e i s a d i s c o n t i n u o u s j u m p i n i o n d e n s i t y a n d b r i g h t n e s s o f t h e p l a s m a b e t w e e n t h e t w o m o d e s ( s e e F i g u r e 4 . 8 , C h a p t e r F o u r ) . I n F i g u r e 6 . 9 , t w o p r e s s u r e s ( 1 . 5 m T o r r , a n d l m T o r r ) c o r r e s p o n d t o t h e h i g h d e n s i t y m o d e , a n d t w o p r e s s u r e s ( 0 . 7 m T o r r a n d 0 . 2 m T o r r ) c o r r e s p o n d t o t h e l o w d e n s i t y m o d e . I n t h e l o w d e n s i t y r r r r r r o o o T T T m m m : 1 r 1 r 1 o 1 T 1 m 1 8 2 0 1 3 0 0 7 2 6 0 5 . . . . 1 6 [ t 2 u 1 p n 0 0 1 1 1 R i 1 i 1 1 _ 4 E L W 0 e ; ? : 0 s _ “ * 0 a * s 0 e _ * 0 L a 2 B : 1 0 : 3 1 L 1 M 1 U 1 1 t a 2 1 N _ 2 1 1 1 , ' e r 3 u 1 _ E s s 1 0 L 3 e 1 O p 2 ~ r " H n 1 " 0 o h ; g r a 1 8 ; N . 1 O e { r 1 1 I r T 1 R 6 ' c r 1 n o e T d m 1 ' n 5 2 e 1 E . fl p 0 1 S e : 1 - 1 N d ; d _ n 1 I a 4 ‘ 1 : 7 v 6 1 1 1 . i ‘ 0 1 i , 2 0 1 1 1 1 1 0 1 . ‘ 1 , 5 . l 1 1 t f t a 1 r 1 g n n e ‘ k 3 ‘ 8 a 0 0 w . . a o D p 0 0 6 Q t . ' r a e t ( L U / M ) 0 1 3 1 3 0 1 3 1 0 3 1 3 2 8 6 2 8 7 m o d e t h e p e a k e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h i s a p p r o x i m a t e l y 3 0 k V / m , w h i l e t h e p e a k fi e l d s t r e n g t h f o r t h e h i g h d e n s i t y m o d e i s 4 0 k V / m . D a t a a r e t a k e n f o r a r g o n g a s , w i t h a n e t i n p u t p o w e r o f 1 3 0 W a n d o p t i m i z e d t u n i n g f o r e a c h c a s e . C a v i t y t u n i n g f o r t h e t w o m o d e s i s e s s e n t i a l l y t h e s a m e , w i t h m i n o r a d j u s t m e n t s n e c e s s a r y o n t h e l e n g t h o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r ( a b o u t 1 m m ) . W h e n t h e s o u r c e j u m p s b e t w e e n t h e t w o m o d e s o f a n a r g o n d i s c h a r g e , b o t h t h e i o n d e n s i t y o u t p u t o f t h e s o u r c e a n d e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h w i t h i n t h e s o u r c e b o d y i n c r e a s e a n d d e c r e a s e t o g e t h e r . O n c e t h e i o n s o u r c e i s i n e i t h e r t h e l o w d e n s i t y , o r h i g h d e n s i t y m o d e , t h e e l e c t r i c fi e l d v a r i e s o n l y s l i g h t l y o v e r t h e ' r e s p e c t i v e e x p e r i m e n t a l r a n g e o f p r e s s u r e s s h o w n i n F i g u r e 6 . 9 . H o w e v e r i n b o t h m o d e s t h e e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h d e c r e a s e s w i t h d e c r e a s i n g p r e s s u r e . S i n c e t h e l o a d e d q u a l i t y f a c t o r o f t h e c a v i t y i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h , a l o w e r fi e l d s t r e n g t h i n t h e l o w d e n s i t y m o d e s e e m s t o i n d i c a t e t h a t t h e l o a d e d q u a l i t y f a c t o r h a s d e c r e a s e d i n t h i s m o d e . H e n c e , t h e p o w e r c o u p l i n g t o t h e p l a s m a s e e m s t o a c t u a l l y g e t b e t t e r a t t h e l o w d e n s i t y m o d e - t h e r e i s m o r e c o l l i s i o n l e s s d a m p i n g a t l o w e r p r e s s u r e . T h i s fi e l d s t r e n g t h v a r i a t i o n i s v e r y s l i g h t b e t w e e n 1 . 0 m T o r r a n d 1 . 5 m T o r r , b u t t h e r e i s a 4 k V / m d e c r e a s e b e t w e e n 0 . 6 7 m T o r r a n d 0 . 2 m T o r r . F i g u r e 6 . 1 0 s h o w s t h e i n p u t p o w e r d e p e n d e n c e o f t h e e l e c t r i c fi e l d f o r a 1 . 0 m T o r r a r g o n p l a s m a . A s e x p e c t e d , t h e a b s o l u t e fi e l d s t r e n g t h i n c r e a s e s w i t h p o w e r . I n b o t h F i g u r e s 6 . 9 a n d 6 . 1 0 , t h e r e i s o n c e a g a i n , e v i d e n c e o f a n o n d e c a y i n g fi e l d i n t h e d i s c h a r g e ( m a g n e t ) r e g i o n o f t h e s o u r c e . F i g u r e 6 . 1 1 d i s p l a y s t h e p r e s s u r e d e p e n d a n c e o f t h e p l a s m a s o u r c e o p e r a t i n g i n n i t r o g e n g a s w i t h a c o n s t a n t i n p u t p o w e r o f 1 3 0 W . S o m e d i f f e r e n c e i n t h e m e a s u r e m e n t s o f e l e c t r i c fi e l d s b e t w e e n d i s c h a r g e s o f t h e t w o g a s t y p e s W W 0 5 3 7 1 1 * 0 0 3 I I I 8 I 2 I I T 6 l 2 . l _ . * e 0 R l _ * 0 E l 4 g r a * 0 _ l j 2 B h c * s 0 M l l U 2 l N 2 i d n o g r a l l l l i W [ ] l l E r 0 L 2 O r o T m H 0 . 1 a 8 r N O 1 I o f , j m r T R e e w 6 o l l E p g l t 1 u S l f l l l [ l N p ‘ n 4 I i 1 0 W 2 3 1 d n l a 1 l 5 ‘ l I 0 7 1 r o I f 1 I 8 0 . 0 n e k a t a t a D ‘ “ ( L U / M ) 0 1 3 1 3 0 1 3 1 0 3 1 3 6 0 . 0 2 8 8 T T 2 r r r r r r o o o T m m m 1 4 0 . . . 0 1 0 * 0 M * _ 0 _ 0 3 1 8 1 1 1 1 | 1 1 F 1 6 2 R o r e z e h 4 t E . a 1 2 B m t a s h a t l * 1 M 0 _ * 0 A 1 U e p A t | 2 n N o * 0 A 1 2 o N g r . a r E e e 0 L 2 O w h o t p f t o u 1 1 1 1 1 ~ 1 p H t - 1 8 " N a n h i t m W o O 0 r 1 3 f 1 t 1 1 I T n 1 1 6 1 R E S r e o r f e f , f r i 1 1 r d 1 N | 4 I o T n m o i 0 t 1 . i 1 s 1 o 1 p d n a a t 4 a . s 1 0 i 1 | 2 1 1 1 1 1 — ~ — 0 0 0 | 0 1 1 1 , d 1 l . e 0 fi t c a i 1 n r t 8 l e c k e a e t e a h t t a f . . D o . 0 0 0 6 4 2 ( w / M ) 0 1 3 1 1 0 1 3 1 0 3 1 3 O . O 2 8 9 2 9 0 w e r e o b s e r v e d . I n c o n t r a s t t o a n a r g o n d i s c h a r g e , t h e 6 1 0 - a h a d t o b e r e t u n e d t o m a t c h t h e n i t r o g e n p l a s m a l o a d i m p e d a n c e a s d i s c h a r g e p r e s s u r e w a s v a r i e d . I n p a r t i c u l a r , f o r 0 . 4 m T o r r a n d 1 . 0 m T o r r , t h e s l i d i n g s h o r t a n d t h e c e n t e r c o n d u c t o r w e r e s h i f t e d t o g e t h e r a p p r o x i m a t e l y 0 . 7 c m f u r t h e r a w a y f r o m t h e p o s i t i o n s t h a t w e r e n e c e s s a r y f o r m a t c h i n g a n a r g o n p l a s m a , a n d s o t h e l e n g t h d i s a b o u t 3 . 2 c m . H o w e v e r , s i n c e b o t h t h e c e n t e r c o n d u c t o r a n d t h e s l i d i n g s h o r t h a d t o s h i f t t o g e t h e r , t h e l e n g t h l r e r n a i n e d a p p r o x i m a t e l y c o n s t a n t a 0 . 6 7 1 . , - t h e s a m e l e n g t h r e q u i r e d t o s u s t a i n a n a r g o n d i s c h a r g e . T h e p r e s s u r e d e p e n d e n c e o f t h e e l e c t r i c fi e l d i s o p p o s i t e t h a t o b s e r v e d i n a r g o n - t h e e l e c t r i c fi e l d i n c r e a s e s w i t h d e c r e a s i n g p r e s s u r e . D e s p i t e t h e s e d i f f e r e n c e s , t h e s p a t i a l v a r i a t i o n a n d a b s o l u t e m a g n i t u d e o f t h e e l e c t r i c fi e l d s w i t h i n t h e s o u r c e b o d y f o r a n i t r o g e n d i s c h a r g e a r e s i m i l a r t o t h a t f o r a r g o n . F i n a l l y . t h e s t a n d i n g w a v e i n t h e c o a x i a l s e c t i o n , a n d a n o n - d e c a y i n g fi e l d i n t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e r e g i o n a r e o n c e a g a i n c l e a r l y v i s i b l e . 6 . 4 g m ' r a t i o n a l P e m m e - m C a v i t y M e a s m m e n t s F o r e m p t y c a v i t y m e a s u r e m e n t s o n t h e M P D R 6 1 0 a n d t h e 6 l O - a . t h e s o u r c e s w e r e e x c i t e d a t l o w p o w e r ( a f e w m W ) u s i n g a s w e e p o s c i l l a t o r s e t a t 2 . 4 5 G H z w h i l e p l a c e d a t a t m o s p h e r i c c o n d i t i o n s o n a t e s t b e n c h . T h e p o w e r a b s o r p t i o n v e r s u s f r e q u e n c y c u r v e w a s d i s p l a y e d o n a n o s c i l l o s c o p e , a n d t h e 6 1 0 , o r t h e 6 1 0 - a t h e n t u n e d t o i t s t y p i c a l p l a s m a l o a d e d p o s i t i o n . F r o m t h e p o w e r a b s o r p t i o n c u r v e , t h e e m p t y c a v i t y q u a l i t y f a c t o r ( Q ) o f t h e M P D R 6 1 0 a n d t h e m i c r o w a v e g e n e r a t o r e q u i p m e n t w a s d e t e r m i n e d u s i n g t h e f o l l o w i n g f o r m u l a : 2 9 1 9 : 3 , m m w h e r e , A f i s t h e h a l f m a x i m u m w i d t h o f t h e Q c u r v e w h e n t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y i s m a t c h e d t o t h e e x t e r n a l m i c r o w a v e c i r c u i t , a n d f 0 i s t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y ( a p p r o x i m a t e l y 2 . 4 5 G H z ) . F o r t h e c a s e o f c r i t i c a l l y c o u p l e d c a v i t y ( m i n i m u m r e fl e c t e d p o w e r , a n d m a x i m u m p o w e r t r a n s f e r t o t h e l o a d ) , t h e e m p t y c a v i t y Q B o f t h e 6 1 0 i s t w i c e t h e m e a s u r e d Q , a n d w a s d e t e r m i n e d t o b e a b o u t 1 8 0 0 . T h i s h i g h u n l o a d e d c a v i t y q u a l i t y f a c t o r i n d i c a t e s t h a t t h e c o u p l i n g l o o p a n d t h e c a v i t y w a l l s h a v e l o w l o s s e s . S u c h a l o w l o s s c a v i t y a l s o p r o v i d e s t h e b e n e fi t o f s i m p l e d i s c h a r g e i g n i t i o n a t l o w ( s u b - m T o r r ) v a c u u m p r e s s u r e s . T h e h i g h e l e c t r i c fi e l d s r e q u i r e d f o r g a s b r e a k d o w n a t s u b - m T o r r p r e s s u r e s a r e r e a d i l y a c h i e v e d i n s i d e t h e c a v i t y w i t h l o w i n c i d e n t p o w e r s b e c a u s e o f t h i s h i g h u n l o a d e d ( e m p t y c a v i t y ) q u a l i t y f a c t o r . I n o r d e r t o i m p r o v e t h e u n d e r s t a n d i n g o f t h e h i g h p o w e r p l a s m a l o a d e d b e h a v i o r s e v e r a l l o w p o w e r ( 1 0 m W t o 1 2 m W ) , e m p t y c a v i t y e x p e r i m e n t s w e r e a l s o p e r f o r m e d o n t h e 6 1 0 - a . T h e s w e e p o s c i l l a t o r w a s a d j u s t e d t o 2 . 4 5 G H z c o n t i n u o u s w a v e o p e r a t i o n a n d a p p r o x i m a t e l y 1 0 - 1 2 m W o f i n c i d e n t p o w e r w a s a p p l i e d t o t h e s o u r c e . T h e p o s i t i o n s I a n d d w e r e a d j u s t e d f o r a m a t c h e d r e s o n a n c e , a n d u s i n g t h e s a m e m i c r o - c o a x i a l p r o b e s f r o m t h e p l a s m a l o a d e d e x p e r i m e n t s a b o v e , t h e e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h v e r s u s p o s i t i o n w a s m e a s u r e d f o r s e v e r a l c a v i t y c o n fi g u r a t i o n s : ( 1 ) e m p t y c a v i t y w i t h t h e m a g n e t s i n p l a c e ( i . e . t h i s i s t h e h i g h : p o w e r c a v i t y c o n fi g u r a t i o n , b u t w i t h o u t t h e p l a s m a l o a d ) , ( 2 ) e m p t y c a v i t y w i t h t h e m a g n e t s r e m o v e d a n d ( 3 ) e m p t y c a v i t y w i t h t h e i n n e r s u r f a c e o f t h e m a g n e t s c o v e r e d w i t h a l a y e r o f t h i n c o n d u c t i n g t a p e ( t h e r e a s o n f o r c h o o s i n g t h e s e c o n fi g u r a t i o n s w i l l b e c o m e a p p a r e n t s h o r t l y ) . D u e t o t h e m i n i m a l 2 9 2 p o w e r b e i n g a p p l i e d t o t h e 6 1 0 - a . t h e e l e c t r i c fi e l d p a t t e r n s m e a s u r e d b y t h e p r o b e s i n t h e s e e x p e r i m e n t s w e r e a c t u a l l y a m p l i fi e d n u m e r i c a l v o l t a g e s i g n a l s t h a t h a d t o b e n o r m a l i z e d t o t h e p l a s m a l o a d e d c a v i t y m e a s u r e m e n t s f o r c o m p a r i s o n . I n F i g u r e 6 . 1 2 t h e m e a s u r e d e l e c t r i c fi e l d s f o r t w o o f t h e s e c a v i t y c o n fi g u r a t i o n s a r e d i s p l a y e d , a n d c o m p a r e d w i t h a n e x a m p l e p l a s m a l o a d e d d a t a s e t f o r a r g o n g a s . T h i s d a t a s e t f o r a r g o n g a s i n F i g u r e 6 . 1 2 d i s p l a y s t h e a c t u a l m e a s u r e d d a t a ( p l a s m a l o a d e d c a v i t y ) , w h i l e t h e l o w p o w e r m e a s u r e d fi e l d s t r e n g t h s w e r e a m p l i fi e d a n d a r e d i s p l a y e d w i t h t h e t w o l o w p o w e r c u r v e s n o r m a l i z e d t o 4 0 k V / m m a x i m u m . I t i s o b s e r v e d t h a t a l l t h r e e c u r v e s h a v e a s i m i l a r s t a n d i n g w a v e s h a p e v e r s u s a x i a l p o s i t i o n i n t h e c o a x i a l 0 < 1 z < 1 s e c t i o n . S o t h e p l a s m a s o u r c e , f o r a n a r g o n d i s c h a r g e , n e e d s l i t t l e a d j u s t m e n t f r o m t h e e m p t y c a v i t y s l i d i n g s h o r t a n d c e n t e r c o n d u c t o r p o s i t i o n s t o m a t c h p o w e r f o r t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a t l 3 0 W i n p u t . F o r t h e e m p t y c a v i t y m e a s u r e m e n t s , t h e l e n g t h s l a n d d r e m a i n t h e s a m e a s f o r t h e p l a s m a l o a d e d c a v i t y - a t 0 . 6 7 7 1 . a n d 2 . 5 c m r e s p e c t i v e l y . H o w e v e r , t h e c u r v e s d i f f e r i n t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e r e g i o n 2 > 1 . W h e n t h e m a g n e t s a r e r e m o v e d i t i s p o s s i b l e t o m a k e m i c r o - c o a x i a l p r o b e m e a s u r e m e n t s i n p o s i t i o n s 2 0 t h r o u g h 2 4 b e c a u s e t h e r e i s n o m o r e m a g n e t h o l d e r fi n g e r s t o c k t o i n t e r f e r e w i t h t h e m e a s u r e m e n t s . A s e x p e c t e d , t h i s “ e m p t y c a v i t y - n o m a g n e t s " c u r v e i n F i g u r e 6 . 1 2 h a s a l o c a l m a x i m u m a p p r o x i m a t e l y a t p o s i t i o n 2 2 w h e r e t h e c e n t e r c o n d u c t o r t e r m i n a t e s . B e y o n d t h i s p o s i t i o n , f o r h o l e s 2 3 t h r o u g h 3 0 , t h e e l e c t r i c fi e l d d e c a y s . T h i s s p a t i a l ' fi e l d v a r i a t i o n i s e x p e c t e d f o r t h e e v a n e s c e n t ( c u t o f f ) e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s s e t u p i n t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n o f t h e s o u r c e . W h e n t h e m a g n e t s a n d t h e m a g n e t h o l d e r a s s e m b l y a r e s t e s n t g e a n m g a t m 0 3 I I I 8 I 2 T T T 6 T t 2 I - u g p a n I R m i F t u E o h h t t i i 4 u I W 2 B I 0 T M _ 3 o h t i I U 1 w y , w w I 2 t N 3 e i y y t t I 2 r v u a s c I I _ s I E e y r t I 0 L 1 p i i p v v a a c c y y t t p p m m E E 0 _ 0 2 < . _ 2 _ 0 — _ _ O O O I 2 O 3 r 1 m e H 1 . r 1 1 N 8 o d T n m a 2 , . s " ! ' 1 1 O 0 t 1 I : _ : e 1 , n 1 T 1 R 6 a g m a l l s m a h 1 E l " p t 1 i S 1 ! 1 N " n w 1 o y g t 1 I 4 r ‘ i 1 a v ( a 1 i c 1 i 1 i o a I y t ' a t d p m y e t v t a ‘ c d e ; d } r ' e a 1 d 1 1 1 1 1 1 1 _ 1 0 G 1 2 ' 0 1 p a o m l o . a — t 8 c 0 . 0 a a ) m d r s e s a w t l o e P p n ( L U / N 1 ) 0 1 3 1 . 1 0 1 3 1 0 3 1 3 6 0 . 0 — L L L L " P l a s m a L o a d e d C a v i t y A . 2 9 3 2 9 4 r e i n s e r t e d i n t o t h e s o u r c e . t h e fi e l d e x h i b i t s a n o n d e c a y i n g b e h a v i o r f o r p o s i t i o n s 2 5 t h r o u g h 3 0 w h i c h i s s i m i l a r i n s h a p e t o t h e fi e l d s m e a s u r e d w h e n t h e c a v i t y i s l o a d e d b y a d i s c h a r g e . N o t e t h a t w i t h t h e m a g n e t s i n p l a c e . t h e fi e l d c a n n o t b e m e a s u r e d i n h o l e s 2 0 t h r o u g h 2 4 . f o r b o t h t h e e m p t y c a v i t y a n d t h e d i s c h a r g e l o a d e d c a v i t y c a s e s . T h e s e e m p t y c a v i t y d a t a , s p e c i a l l y t h e “ e m p t y c a v i t y - n o m a g n e t s ” c u r v e , s u g g e s t t h a t t h e r a r e e a r t h p e r m a n e n t m a g n e t s . w h i c h a r e m a d e o f S a m a r i u m - C o b a l t - a m a t e r i a l w i t h a h i g h e r s u r f a c e r e s i s t i v i t y t h a n b r a s s o r s t a i n l e s s s t e e l ( t h e m a t e r i a l o f w h i c h t h e 6 l O - a a n d t h e 6 1 0 a r e m a d e o f , r e s p e c t i v e l y ) m a y a c t u a l l y h e l p t h e e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d p e n e t r a t i o n i n t o t h e d i s c h a r g e r e g i o n b y c r e a t i n g a l o c a l i z e d s t a n d i n g w a v e i n t h i s r e g i o n o f t h e M P D R 6 1 0 . w h e r e E M t h e o r y a l l o w s t h e e i d s t e n c e o f e v a n e s c e n t m o d e s o n l y . T o t e s t t h i s h y p o t h e s i s f u r t h e r . t h e m a g n e t s w e r e c o a t e d w i t h c o n d u c t i v e c o p p e r t a p e h a v i n g a c o n d u c t i v e a d h e s i v e , w i t h s m a l l o p e n i n g s l e f t f o r p r o b e i n s e r t i o n . T h i s a l l o w e d t h e e n t i r e l e n g t h o f t h e 6 l O - a f r o m t h e e n d o f t h e c e n t e r . c o n d u c t o r ( p o s i t i o n 2 2 ) t o t h e b o t t o m ( p o s i t i o n 3 0 ) t o b e a n e x c e l l e n t e l e c t r i c a l c o n d u c t o r . A g a i n m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e w i t h a b o u t 1 0 - l 2 m W o f p o w e r f r o m t h e s w e e p o s c i l l a t o r . a n d t h e a m p l i fi e d v o l t a g e s i g n a l w a s n o r m a l i z e d , a s b e f o r e . I t w a s o b s e r v e d t h a t t h e e l e c t r i c fi e l d i n t h e c o a x i a l p a r t o f t h e s o u r c e ' m a t c h e d e x a c t l y w i t h t h e p l a s m a l o a d e d c a v i t y . I n t h e m a g n e t r e g i o n h o w e v e r . w h e n t h e m a g n e t s w e r e c o v e r e d w i t h t h e c o n d u c t i v e t a p e . t h e fi e l d s d e c a y e d e x p o n e n t i a l l y e x a c t l y a s i n t h e c a s e . o f t h e t ‘ e m p t y c a v i t y - n o m a g n e t s . ” C l e a r l y , t h e l o s s y m a t e r i a l o f t h e m a g n e t s h e l p s i n s o m e w a y t o p r o d u c e t h e n o n - d e c a y i n g fi e l d s t h a t a r e o b s e r v e d i n t h e d i s c h a r g e r e g i o n ( h o l e s 2 4 t h r o u g h 3 0 ) a s s e e n i n F i g u r e s 6 . 8 t h r o u g h 6 . 1 2 . 2 9 5 z - O 2 : ! 2 a = 1 . 2 c m 2 b = 5 . 3 c m I : 8 . 2 5 c m F u g 6 . 1 3 T o m l o g ! o f t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e 6 1 0 - a T h i s fi g u r e s h o w s w h e r e t h e e x a c t c a l c u l a t i o n s o f t h e w a l l l o s s e s , a n d t h e l o a d e d q u a l i t y f a c t o r o f t h e 6 1 0 - a a r e c o n d u c t e d . H e r e , 1 1 5 t h e l e n g t h o f t h e c e n t e r c o n - d u c t o r o f t h e 6 1 0 . T h e m i c r o w a v e p o w e r a b s o r b e d b y t h e c o n d u c t i n g w a l l s , P m , a n d t h e c o u p l i n g e f fi c i e n c y o f t h e m i c r o w a v e p o w e r i n t o t h e p l a s m a s o u r c e m a y n o w b e e s t i m a t e d f r o m t h e m e a s u r e d s p a t i a l e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h s . I n g e n e r a l , t h e p l a s m a l o a d e d c o u p l i n g e f fi c i e n c y i s g i v e n b y [ A s m - 8 7 ] : P l p w E f f = [ ( 3 0 % 1 0 0 ] = [ I - 7 ] x 1 0 0 . ( 6 . 3 ) l 1 S i n c e f o r a l l c a s e s r e p o r t e d i n t h i s c h a p t e r , t h e 6 1 0 a n d t h e 6 1 0 - a a r e t u n e d t o a n o p t i m a l m a t c h ( m i n i m u m r e fl e c t e d p o w e r ) , t h e c o u p l i n g e f fi c i e n c y c a n b e e x p r e s s e d a s : P E f f = [ 1 - 7 , ! ) x 1 0 0 . ( 6 . 4 ) t T h e c o u p l i n g e f fi c i e n c y c a n a l s o b e e x p r e s s e d i n t e r m s o f p l a s m a l o a d e d q u a l i t y f a c t o r , Q L a n d e m p t y c a v i t y q u a l i t y f a c t o r , 9 3 , [ M a l t - 9 2 ) , i . e . 1 Q 1 E f f = l - — X 1 0 0 . ( 6 . 5 ) Q E B y s u b s t i t u t i n g t h e m e a s u r e d e l e c t r i c fi e l d f r o m t h e e x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t s o f S e c t i o n 6 . 3 , t h e p o w e r l o s s t o t h e w a l l s i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e r e s o n a n t c a v i t y o f t h e 6 1 0 - a , a n d b y i n f e r e n c e , t h e M P D R 6 1 0 c a n b e a p p r o x i m a t e l y c a l c u l a t e d . F i g u r e s 6 . l a n d 6 . 1 3 ( p r e v i o u s p a g e ) s h o w s t h e e x a c t z = O t o z = 1 r e g i o n f o r w h i c h t h i s c a l c u l a t i o n i s m a d e . F o r a T E M m o d e . t h e t r a n s v e r s e e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s a r e : P I T 2 9 7 . , l . E = — r m ; e x p [ j ( 0 ) t - k Z ) ] a n d ( 6 6 ) H = 4 ? ) V 0 l e x [ j ( 0 ) t - k z ) ] ( 6 - 7 ) Z T E M l n ( b / a ) r p W h e n s t a n d i n g w a v e s a r e g e n e r a t e d , t h e s e e q u a t i o n s s i m p l i f y t o : V O l H = k ' a n d ( p Z T E M l n ( b / a ) r c o s ( 2 ) e x p ( 1 0 ) : ) ( 6 . 8 ) E - — ‘ - / - 0 — — l s i n ( k ) e x ( j m t ) 6 9 f - l n ( b / a ) r z p ( ‘ ) w h e r e , z = = n = 3 7 7 9 a n d k = 2 1 % = 5 1 . 3 3 m ' 1 f o r 2 . 4 5 G H z . T E M E T h e n , u s i n g p e r t u r b a t i o n t h e o r y [ H a t - 6 1 ] , p o w e r l o s t t o t h e w a l l s i s g i v e n b y : 1 2 . 1 P W = i m j l fl c p l 0 " ( 6 4 0 ) S w h e r e t h e s u r f a c e r e s i s t i v i t y o f b r a s s 9 ! = 5 . 1 1 x 1 0 _ 7 . / } ' Q f o r a g i v e n f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n f ( i n H e r t z ) , a n d S i s t h e i n t e r i o r c o n d u c t i n g s u r f a c e o f t h e p l a s m a s o u r c e . T h e n , t h e p o w e r l o s s t o t h e w a l l s i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e s o u r c e m a y b e w r i t t e n a s : _ 2 9 8 ( 2 n ( Z n 1 2 1 2 P C W = 5 9 1 I M H ‘ P I r = a r ( d ¢ p ) d z + 5 9 1 J I I I - l ‘ p l 0 0 O 0 r ( d ¢ ) d z + r = b b 2 1 t l 2 2 9 1 1 1 1 1 1 1 1 a 0 S u b s t i t u t i n g E q n . 6 . 8 i n t o _ E q n . 6 . 1 l a n d i n t e g r a t i n g w i t h r e s p e c t t o 1 1 > l e a d s t o " d i m ” ( 6 . 1 1 ) z = 0 t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : 2 1 t V 2 l b O l l 2 l ( 2 + B ) J ( c o s k z ) d z + J - ; d r , ( 6 . 1 2 ) . 0 a 1 = J 1 1 c w 2 2 2 m . P ( l n ( b / a ) ) 2 N o w , t h e e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h a t s o m e g i v e n p o w e r a n d p r e s s u r e f o r a n a r g o n p l a s m a i s k n o w n . H e n c e , t h e c o n s t a n t V 0 c a n b e c a l c u l a t e d b y s u b s t i t u t i n g t h e e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h i n t o E q n . 6 . 9 , e v a l u a t e d a t a m a x i m u m o f t h e fi e l d p a t t e r n , w h e r e t h e m e a s u r e m e n t i s m o s t s e n s i t i v e . F o r e x a m p l e , a t z = 3 . 1 7 5 c m ( 1 3 0 W , 1 m T o r r a r g o n p l a s m a ) , E r = 4 0 k V / m . S u b s t i t u t i n g a = 0 . 6 c m , r = b = 2 . 6 5 c m , a n d 9 1 : 5 . 1 1 x 1 0 - 7 " / 2 . 4 5 x 1 0 9 = 0 . 0 2 5 3 ( 2 , E q n s . 6 . 9 a n d 6 . 1 2 l e a d t o V 0 = 1 5 7 5 V , 1 a n d P a w = 6 . 0 W . W h e n t h e s o u r c e i s o p e r a t i n g a t t h e l o w d e n s i t y m o d e ( 0 . 2 m T o r r c u r v e o n F i g u r e 6 . 9 ) , t h e m a x i m u m e l e c t r i c fi e l d i s 3 0 k V r e s u l t i n g i n V 0 = 1 1 8 1 V . T h e n , t h e p o w e r l o s s t o t h e w a l l s , P c w i s a b o u t 3 . 5 W . I n e i t h e r m o d e o f o p e r a t i o n , t h e e l e c t r i c fi e l d s f o r t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n ( 2 > I ) a r e h a l f . t o o n e t h i r d t h e fi e l d s t r e n g t h i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e s o u r c e . A 1 8 0 , . t h e s u r f a c e a r e a f o r z > l 2 9 9 r e g i o n i s a b o u t h a l f t h e c o a x i a l s e c t i o n . H e n c e t h e p o w e r l o s t t o t h e w a l l s i n t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n o f t h e s o u r c e i s a t m o s t 1 5 % o f t h e p o w e r l o s t i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e s o u r c e , a n d s o t o t a l w a l l l o s s e s ( i n t h e m a n u a l s e c t i o n , p l u s t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n o f t h e 6 l O - a a n d t h e M P D R 6 1 0 ) a r e l . 1 5 P c w , o r 7 W a n d 4 W f o r t h e t w o m o d e s o f o p e r a t i o n , r e s p e c t i v e l y . I n e i t h e r c a s e , l e s s t h a n 6 % o f t h e n e t i n p u t p o w e r i s l o s t t o t h e w a l l s o f t h e c a v i t y a n d t h e c o u p l i n g e f fi c i e n c y f o r t h e s o u r c e , b y l e t t i n g P W = P c w i n E q n . 6 . 4 , i s t h e n s e e n t o b e a p p r o x i m a t e l y 9 4 % . H a v i n g m e a s u r e d t h e e l e c t r i c fi e l d i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e p l a s m a ' s o u r c e . t h e d i s c h a r g e l o a d e d q u a l i t y f a c t o r ( 9 , ) c a n a l s o b e e s t i m a t e d b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : Q L = m o w / P t . . ( 6 . 1 3 ) w h e r e ( n o i s t h e f r e q u e n c y o f e x c i t a t i o n ( 2 1 : X 2 . 4 5 G H z ) , W i s t h e t o t a l e n e r g y s t o r e d i n t h e c a v i t y , a n d P . i s t h e t i m e a v e r a g e p o w e r l o s t . o r a b s o r b e d i n t h e a p p l i c a t o r / p l a s m a s y s t e m . A s m e n t i o n e d e a r l i e r , F i g u r e 6 . 1 3 s h o w s t h e e x a c t t o p o l o g y . a n d d i m e n s i o n s f o r w h i c h t h e l o a d e d q u a l i t y f a c t o r c a l c u l a t i o n s a r e c o n d u c t e d . F a r a t y p i c a l a r g o n d i s c h a r g e , t h e i n p u t p o w e r , o r P t , i s a b o u t 1 3 0 W . A l s o , t h e t o t a l e n e r g y s t o r e d i n t h e c a v i t y i s g i v e n b y : 8 0 2 w = 3 . 1 1 1 5 1 ( I V , ( 6 . 1 4 ) V 7 w h e r e V i s t h e i n t e r n a l v o l u m e o f t h e p l a s m a s o u r c e , i n c l u d i n g t h e d i s c h a r g e r e g i o n . T h e e l e c t r i c fi e l d E q n . 6 . 9 , a n d t h e c a v i t y d i m e n s i o n s u s e d f o r t h e p o w e r ‘ 3 0 0 l o s s c a l c u l a t i o n a b o v e c a n a l s o b e u t i l i z e d f o r t h i s c a l c u l a t i o n . T h e n , t h e s t o r e d e n e r g y f o r z = O t o z = l r e g i o n i s : b 2 n l w = 2 0 1 I I l z fi d z d c p d r . ( 6 . 1 5 ) 0 0 0 S u b s t i t u t i n g E q n . 6 . 9 i n t o E q n . 6 . 1 5 , t h i s l e a d s t o t h e f o l l o w i n g d e r i v a t i o n : : 5 o n b 2 1 t l w = 2 ! I ! J E L L ’ Z ‘ Q L d r d ¢ d z ( 6 . 1 6 ) 2 ( l n ( b / a ) ) b 1 = > W = 0 2 2 n I - } _ d r ( s i n ( k z ) ) 2 d : ( 6 . 1 7 ) 2 ( l n ( b / a ) ) a o e v 2 . _ O 0 £ _ 5 1 1 1 ( 2 k ! ) ( 6 . 1 8 ) W ‘ 2 ( 1 n ( b / a ) ) 2 “ [ 4 k 1 H e r e , V O = 1 5 7 5 . 6 v , s o = 8 . 8 5 x 1 0 ’ 1 2 F / m , b = 2 . 6 5 x 1 0 ' 2 m , a = 0 . 6 x 1 0 ' 2 m l = 8 . 2 5 X 1 0 ' 2 m a n d k = 2 1 1 / 1 = 5 1 . 3 3 m ‘ l . A f t e r s u b s t i t u t i o n s , i t i s o b s e r v e d t h a t W = 1 . 7 6 x 1 0 - 6 J o u l e s . a n d Q L , - - 2 0 0 . I f t h e e n e r g y s t o r a g e i n t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e r e g i o n ( 2 > I ) i s t o b e i n c l u d e d i n t h e e f fi c i e n c y c a l c u l a t i o n s , t h e t o t a l e n e r g y s t o r e d i n t h e p l a s m a s o u r c e ( c o a x i a l r e g i o n p l u s t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n ) m a y b e e s t i m a t e d t o i n c r e a s e b y a t m o s t 1 5 % , r e s u l t i n g i n Q L = 2 3 0 . A s 3 0 1 m e n t i o n e d b e f o r e , t h e e m p t y c a v i t y q u a l i t y f a c t o r Q ; i s 1 8 0 0 . U s i n g t h i s v a l u e o f 9 3 , E q n . 6 . 5 a n d Q L = 2 3 0 , t h e c o u p l i n g e f fi c i e n c y i s c a l c u l a t e d t o b e a b o u t 8 7 % , i . e . o f t h e n e t i n p u t p o w e r b e i n g i n j e c t e d i n t o t h e s o u r c e ( i n c i d e n t m i n u s r e fl e c t e d ) , a b o u t 8 7 % i s c o u p l e d d i r e c t l y i n t o t h e p l a s m a . W h i l e b o t h m e t h o d s o f c a l c u l a t i n g c o u p l i n g e f fi c i e n c y i n v o l v e a p p r o x i m a t i o n s , t h e fi r s t m e t h o d d o e s n o t i n c l u d e t h e p o w e r l o s s e s i n t h e l o o p a n t e n n a . T h u s t h e c o u p l i n g e f fi c i e n c y o f 9 4 % c a l c u l a t e d b y t h i s m e t h o d i s e x p e c t e d t o b e s l i g h t l y h i g h . T h e s e c o n d m e t h o d o f e f fi c i e n c y c a l c u l a t i o n d o e s t a k e t h e l o s s e s i n t h e l o o p a n t e n n a i n t o a c c o u n t . A l s o , b o t h m e t h o d s a c c o u n t f o r t h e e n e r g y s t o r e d i n t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e r e g i o n . T h u s t h e 7 % d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o c o u p l i n g e f fi c i e n c y c a l c u l a t i o n s m u s t b e r e l a t e d t o t h e p o w e r l o s s i n t h e l o o p a n t e n n a . W i t h 1 3 0 W i n p u t p o w e r , t h i s a m o u n t s t o a p p r o x i m a t e l y 9 W o f p o w e r l o s t t o t h e c o u p l i n g l o o p . M W T h e s e e x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t s c a n n o w b e u s e d t o e s t a b l i s h , a n e q u i v a l e n t m i c r o w a v e c i r c u i t f o r t h e M P D R 6 1 0 , u s i n g l u m p e d c i r c u i t e l e m e n t s . S u c h a c i r c u i t i s s h o w n i n F i g u r e 6 . 1 4 . T h e s o u r c e c o n s i s t s o f f o u r i n t e r c o n n e c t e d c o m p o n e n t s : ( 1 ) a c o u p l i n g l o o p , ( 2 ) a r e s o n a n t c o a x i a l w a v e g u i d e o f l e n g t h l . ( 3 ) a c i r c u l a r w a v e g u i d e o f l e n g t h d e x c i t e d w i t h e v a n e s c e n t fi e l d s a n d ( 4 ) t h e E C R p l a s m a l o a d e d w a v e g u i d e s e c t i o n . E a c h o f t h e s e c o m p o n e n t s i s r e p r e s e n t e d a s e i t h e r a s p e c i a l t r a n s m i s s i o n l i n e , o r l u m p e d c i r c u i t e l e m e n t . T h i s c i r c u i t i s s i m i l a r t o t h e e q u i v a l e n t c i r c u i t d e v e l o p e d f o r o t h e r l o o p c o u p l e d c o a x i a l l y e x c i t e d m i c r o w a v e d i s c h a r g e s [ F r e - 7 1 a , F r e - a m s d a a l o P l , 1 2 l h . c l c R l z n — ’ S o u r c e I n p u t . 1 R d ~ 1 d e i s t h e e l c o u p l i n g o o p i m p e d a n c e , 2 0 a n d B o a r e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e a n d p r o p a g a t i o n c o n s t a n t f o r t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e s o u r c e ( l e n g t h I ) , c h w a n d a c w a r e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e a n d d e c a y c o n s t a n t f o r t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n o f t h e s o u r c e ( l e n g t h d ) , a n d Z L i s t h e p l a s m a l o a d i m p e d a n c e . 3 0 2 3 0 3 7 1 b ] . T h e m a j o r d i f f e r e n c e b e t w e e n t h i s E C R p l a s m a s o u r c e , a n d t h o s e i n R e f e r e n c e s F r e - 7 l a a n d F r e - 7 1 b i s t h a t f o r t h i s s o u r c e , t h e p l a s m a a l m o s t fi l l s t h e e n t i r e w a v e g u i d e s e c t i o n . a n d a n a d j u s t a b l e i m p e d a n c e m a t c h i n g c i r c u l a r w a v e g u i d e ( e v a n e s c e n t fi e l d s o n l y ) s e c t i o n h a s a l s o b e e n a d d e d . T h e c o u p l i n g l o o p i s r e p r e s e n t e d a s a l u m p e d r e s i s t a n c e a n d r e a c t a n c e o f a n i d e a l t r a n s f o r m e r w i t h a n n : 1 t u r n s r a t i o . I n c o n t r a s t t o s o m e o f t h e o t h e r i n t e r n a l l y t u n e d c a v i t y a p p l i c a t o r s w h e r e t h e c o u p l i n g c i r c u i t i s a d j u s t a b l e [ R 0 0 - 8 5 , W h i - 8 7 ] , h e r e t h e l o o p i s fi x e d w i t h t h e c o r r e c t o r i e n t a t i o n a n d s i z e . I n i t i a l t r i a l m o d e l s o f t h e 6 1 0 h a d a m o v a b l e l o o p t o a i d i n t u n i n g t h e s o u r c e , b u t p r o d u c t i o n m o d e l s o f t h e 6 1 0 a r e b u i l t w i t h a fi x e d l o o p p o s i t i o n a n d o r i e n t a t i o n . T h i s r e d u c e s t h e d e g r e e s o f f r e e d o m ( n u m b e r o f a d j u s t m e n t s ) f o r t u n i n g , b u t i t i s o b v i o u s t h a t t w o a d j u s t m e n t s — t h e s l i d i n g s h o r t a n d t h e c e n t e r c o n d u c t o r p o s i t i o n s - a r e s u f fi c i e n t f o r t h e c a v i t y t o b e m a t c h e d r e a s o n a b l y w e l l o v e r a r a n g e o f e x p e r i m e n t a l g a s t y p e , p r e s s u r e a n d p o w e r i n p u t s , t y p i c a l l y w i t h l e s s t h a n 5 % r e fl e c t e d p o w e r . N o t e t h a t t h i s a l s o s i m p l i fi e s g r e a t l y t h e l o a d i m p e d a n c e m a t c h i n g . I n t h e e q u i v a l e n t c i r c u i t o f F i g u r e 6 . 1 4 t h e l o o p i s t h e r e f o r e r e p r e s e n t e d a s a fi x e d i m p e d a n c e a n d a fi x e d i d e a l t r a n s f o r m e r . T h e c o a i d a l a n d c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n s o f t h e s o u r c e a r e r e p r e s e n t e d a s t r a n s m i s s i o n l i n e s , e a c h w i t h i t s o w n p r o p a g a t i o n c o n s t a n t a n d c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e . N o t e t h a t i n t h e c o a x i a l s e c t i o n a T E M p r o p a g a t i n g m o d e i s s e t u p . a n d s o t h e t r a n s m i s s i o n l i n e c i r c u i t h a s a r e a l c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e 2 0 a n d a f r e e s p a c e p r o p a g a t i o n c o n s t a n t B o = ( o / c ' ( c i s t h e s p e e d o f l i g h t ) . w h i l e t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n h a s a c a p a c i t i v e w a v e i m p e d a n c e i j X a n d a n i m a g i n a r y p r o p a g a t i o n c o n s t a n t 1 : j a c w w h i c h p r o d u c e s fi e l d s i n t h i s r e g i o n t h a t d e c a y a s e x p ( t a c w z ) . B e c a u s e t h e fi e l d s o f t h e T E M m o d e h a v e r o t a t i o n a l 3 0 4 s y m m e t r y , i t i s e x p e c t e d t h a t o n l y t h e a z i m u t h a l l y s y m m e t r i c T M O , u fi e l d s a r e e x c i t e d i n t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e . S i n c e t h e s e T M O m m o d e s a r e a l l b e l o w c u t o f f . a n d T M “ m m o d e s a r e t y p i c a l l y c a p a c i t i v e , t h e y h a v e m o r e e n e r g y s t o r e d i n t h e e l e c t r i c fi e l d t h a n i n t h e m a g n e t i c fi e l d . ( A s a c o r o l l a r y , T E u m m o d e s a r e t y p i c a l l y i n d u c t i v e w i t h t h e e v a n e s c e n t T E u m fi e l d s c o n c e n t r a t i n g p o w e r i n m a g n e t i c fi e l d s . ) T h e r e f o r e , t h e w a v e i m p e d a n c e i n t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e r e g i o n i s c a p a c i t i v e . W h i l e t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n o f t h e s o u r c e i s r e p r e s e n t e d t h r o u g h F i g u r e 6 . 1 4 a s a s i m p l e r e a c t a n c e a n d p r o p a g a t i o n c o n s t a n t , i t i s u n d e r s t o o d t h a t m o r e t h a n o n e e v a n e s c e n t T M O m m o d e m a y c o n t r i b u t e t o t h e ' t o t a l fi e l d i n t h i s r e g i o n . T h u s i n t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n , t h e fi e l d s a r e n o t p r o d u c e d b y j u s t o n e s i n g l e d e c a y i n g m o d e , b u t a r e t h e s u m o f s e v e r a l e v a n e s c e n t m o d e s . F i n a l l y t h e p l a s m a i s r e p r e s e n t e d a s a s i m p l e l u m p e d i m p e d a n c e w h i c h i s t h e i n p u t i m p e d a n c e p r e s e n t e d t o t h e s o u r c e b y t h e p l a s m a a t t h e z = l + d p l a n e . S i n c e t h e d i s c h a r g e r e g i o n c o n s i s t s o f a c i r c u l a r p l a s m a l o a d e d w a v e g u i d e , t h i s s e c t i o n c o u l d a l s o b e r e p r e s e n t e d a s a s p e c i a l t r a n s m i s s i o n l i n e . H o w e v e r f o r s i m p l i c i t y t h e d i s c h a r g e i s r e p r e s e n t e d h e r e a s a s i m p l e i m p e d a n c e a t z = l + d w h i c h v a r i e s a s t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s ( i n p u t p o w e r , g a s fl o w / p r e s s u r e , g a s t y p e , e t c . ) c h a n g e . R e f e r r i n g t o t h e c i r c u i t i n F i g u r e 6 . 1 4 , s o m e o f t h e d e t a i l s o f t h e o p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e o f t h e E C R p l a s m a s o u r c e a r e i l l u m i n a t e d . I t i s k n o w n t h a t t h e r e s i s t a n c e a n d r e a c t a n c e o f t h e p l a s m a l o a d i m p e d a n c e w i l l v a r y a s i n p u t p o w e r , p r e s s u r e a n d g a s t y p e a r e c h a n g e d . T h u s t h e l e n g t h s d a n d l a r e t h e i m p e d a n c e m a t c h i n g a d j u s t m e n t s r e q u i r e d t o m a t c h t h e i m p e d a n c e o f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e t o t h a t o f t h e d i s c h a r g e . N o t e t h a t i n t h e e x p e r i m e n t s r e p o r t e d 3 0 5 h e r e t h e l e n g t h l v a r i e s o n l y s l i g h t l y - t h i s p r e d i c t s a n a l m o s t c o n s t a n t l o a d i m p e d a n c e a t t h e p l a n e 2 = 1 l o o k i n g b a c k t o w a r d t h e m i c r o w a v e o s c i l l a t o r . T h u s , a s t h e p l a s m a i m p e d a n c e v a r i e s . t h e l e n g t h o f t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n , d i s a d j u s t e d t o y i e l d t h e b e s t m a t c h c o n d i t i o n s a t t h e s o u r c e i n p u t . T h e r o l e o f t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n t h e r e f o r e . i s t h a t o f a v a r i a b l e i m p e d a n c e t r a n s f o r m e r s e c t i o n r e q u i r e d f o r m a t c h i n g t h e i m p e d a n c e o f t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e s o u r c e t o t h e d i s c h a r g e i m p e d a n c e . . 7 C o n c l u R e k s T h e s e e x p e r i m e n t s h a v e v e r i fi e d a n d c l a r i fi e d t h e i n t e r n a l e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d b e h a v i o r o f t h i s c o m p a c t E C R s o u r c e . T h e e x p e r i m e n t a l d a t a p r e s e n t e d h e r e , t o g e t h e r w i t h t h e e v a l u a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s d e t a i l e d i n C h a p t e r s F o u r a n d F i v e s h o u l d p r o v i d e v a l u a b l e e x p e r i m e n t a l i n f o r m a t i o n f o r n u m e r i c a l m o d e l e r s . H o w e v e r , a d d i t i o n a l e x p e r i m e n t a l w o r k i s n e c e s s a r y t o u n d e r s t a n d a n d b e t t e r d e fi n e t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e m e a s u r e d i m p r e s s e d e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s , a n d t h e d e n s i t i e s a n d e n e r g i e s o f t h e v a r i o u s o u t p u t c h a r g e d a n d r a d i c a l . s p e c i e s . I n p a r t i c u l a r . a d d i t i o n a l e x p e r i m e n t s i n a n a r g o n d i s c h a r g e t h a t i n v e s t i g a t e t h e e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s a s t h e s o u r c e s w i t c h e s b e t w e e n t h e t w o d i s c h a r g e m o d e s ( w h i c h a r e s h o w n c l e a r l y i n C h a p t e r F o u r , F i g u r e 4 . 8 ) a r e n e e d e d . N o t e t h a t t h i s t y p e o f n o n — l i n e a r b e h a v i o r , a s w e l l a s o t h e r p h e n o m e n a s u c h a s t h e p r e s e n c e o f h y s t e r e s i s l o o p s i n d e n s i t y v e r s u s p r e s s u r e o r i n p u t p o w e r , h a s b e e n o b s e r v e d i n m i c r o w a v e d i s c h a r g e s f o r m a n y y e a r s [ F r e - 7 1 a , F r e - 7 1 b , A s m - 7 4 ) , a n d h a v e r e c e n t l y b e e n s h o w n t o e x i s t i n p l a s m a p r o c e s s i n g 3 0 6 d i s c h a r g e s a s w e l l [ A y d - 9 3 , A s m - 9 4 ] . T h e c a u s e o f t h i s n o n - l i n e a r b e h a v i o r i s m o s t l i k e l y d u e t o s e v e r a l p h e n o m e n a s u c h a s e l e c t r o m a g n e t i c m o d e s w i t c h i n g , p l a s m a - c i r c u i t i n s t a b i l i t i e s . e t c . a n d e a c h m u s t b e u n d e r s t o o d i n o r d e r t o d e s i g n i m p r o v e d a n d m o r e o p t i m a l m i c r o w a v e p l a s m a s o u r c e s . E r r a t a : B e f o r e t h i s c h a p t e r c o n c l u d e s . s o m e e r r o r s i n R e f e r e n c e S r i - 9 5 a n e e d t o b e m e n t i o n e d . E q n s . 9 a n d 1 3 h a v e b e e n i n c o r r e c t l y p r i n t e d i n t h e j o u r n a l . T h e l i m i t s o n E q n . 9 ( p a g e 1 0 3 3 o f t h e j o u r n a l ) h a v e n o t b e e n c o r r e c t l y p r i n t e d . T h e fi r s t i n t e g r a l g o e s f r o m 0 t o 2 1 1 : , w h i l e t h e s e c o n d i n t e g r a l g o e s f r o m O t o l . T h i s t y p o g r a p h i c a l e r r o r i s r e p e a t e d t w i c e i n E q n . 9 . A l s o , t h e t r i p l e i n t e g r a l o f E q n . 1 3 ( p a g e 1 0 3 4 o f t h e j o u r n a l ) h a s a n i n c o r r e c t d i f f e r e n t i a l v o l u m e . T h i s v o l u m e u n d e r t h e i n t e g r a l s i g n s h o u l d h a v e b e e n p r i n t e d a s : r d z d o d r , a n d n o t r 2 d z d o d r . T h e c a l c u l a t i o n s o f t h e s t o r e d e n e r g y u s i n g E q n . 1 3 h a v e b e e n d o n e w i t h t h e c o r r e c t d i f f e r e n t i a l v o l u m e . a n d t h e r e s u l t s d i s c u s s e d i n t h e p a p e r a r e t h e c o r r e c t c a l c u l a t i o n s . r d n , a l l C h a p t e r 7 E v a l u a t i o n : T h e M P D R 5 - ; M u l t i fi l a r E C R P l a s m a S o u r c e 7 . 1 I n t r o d u c t i o n 7 . 2 D e s c r i p t i o n o f t h e S o u r c e - M P D R 5 7 . 2 . 1 S o u r c e D e s i g n 7 . 2 . 2 M i c r o w a v e C a v i t y D e s i g n C o n s i d e r a t i o n s 7 . 3 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e M P D R 5 7 . 3 . 1 P r e v i o u s C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e M P D R 5 - a S y n o p s i s 7 . 3 . 2 F u r t h e r C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e M P D R 5 7 . 4 C o n c l u d i n g R e m a r k s C / i a p t e r 7 fi v a l u a t i o n : ‘ Z fl e M 1 ? ? ? 5 - a M u f t i p o fi z r £ 0 7 6 p I a s m a s o u r c e 7 . 1 I n t r o d u c t i o n T h e p a s t s e v e r a l c h a p t e r s h a v e b e e n d e v o t e d t o t h e d e s c r i p t i o n , a n d p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 - a c o m p a c t , c o a x i a l E C R p l a s m a s o u r c e . T h i s e v a l u a t i o n h a s b e e n c o n d u c t e d b o t h b y d i r e c t m e a s u r e m e n t s o n t h e 6 1 0 ( a s i n C h a p t e r s F o u r a n d F i v e ) , a n d a l s o i n d i r e c t l y , w i t h t h e a i d o f t h e 6 1 0 - a ( a s d e s c r i b e d i n C h a p t e r S i x , w h e r e r e s u l t s o f t h e 6 1 0 - a a r e u s e d t o c h a r a c t e r i z e p r o p e r t i e s o f t h e 6 1 0 ) . V a l u a b l e i n f o r m a t i o n h a s b e e n o b t a i n e d a b o u t t h e o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e 6 1 0 , a n d t h e d e p e n d e n c e o n i n p u t p a r a m e t e r s ( l i k e p r e s s u r e / fl o w , p o w e r , g a s t y p e . e t c . ) a s t h e l a t t e r a r e v a r i e d w i t h i n t h e r a n g e s . d e fi n e d i n C h a p t e r s F o u r t h r o u g h S i x . F o c u s n o w s h i f t s b r i e fl y t o a n o t h e r c o m p a c t , m u l t i p o l a r p l a s m a s o u r c e w h i c h w a s s t u d i e d d u r i n g t h i s r e s e a r c h 4 t h e M P D R ' 5 . T h e M P D R o f c o u r s e , s t a n d s f o r “ m i c r o w a v e p l a s m a d i s k r e a c t o r , ” w h i l e t h e “ 5 ” a t t h e e n d d e n o t e s t h e 5 c m d i a m e t e r o f t h e d i s c h a r g e . T h i s s o u r c e w a s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d a t t h e P l a s m a S c i e n c e L a b o r a t o r i e s o f t h e D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ( E E ) a t 3 0 7 3 0 8 M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y ( M S U ) b y M a h o n e y a n d A s m u s s e n a n d w a s i n t r o d u c e d a t t h e I C I S - 8 9 c o n f e r e n c e i n B e r k e l e y . U S A [ M a h - 8 9 b ) . S i n c e t h e n . i t h a s b e e n t h e s u b j e c t o f s e v e r a l s t u d i e s a t M S U . T h e i n t e r e s t i n t h i s s m a l l s o u r c e c o n t i n u e s t o d a y , a s m o d i fi e d v e r s i o n s o f t h e M P D R 5 a r e b e i n g e v a l u a t e d a t s e v e r a l o t h e r u n i v e r s i t i e s w h e r e p l a s m a r e s e a r c h i s c o n d u c t e d , i n c l u d i n g o n g o i n g s t u d i e s a t M S U l i k e t h e o n e p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r . T h i s s u s t a i n e d i n t e r e s t i m p l i e s n o t o n l y t h e i m p o r t a n c e o f c o m p a c t p l a s m a s o u r c e s , b u t a l s o r e - i t e r a t e s t h e f a c t t h a t d e s p i t e s e v e r a l y e a r s o f e f f o r t . m u c h s t i l l n e e d s t o b e l e a r n e d a b o u t t h i s t y p e o f p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e . T h i s c h a p t e r c o n t i n u e s t h e w o r k o f M a h o n e y a n d S z e o n t h e M P D R 5 , b o t h o f w h o m p a r t i a l l y b a s e d t h e i r M . S . t h e s i s [ M a h - 8 9 a l a n d P h . D . d i s s e r t a t i o n ( S z e - 9 3 a ] r e s p e c t i v e l y o n t h i s s o u r c e . S o m e s e c t i o n s o f t h e w o r k d e s c r i b e d h e r e w e r e p r e s e n t e d a t t h e I C I S - 9 3 i n B e i j i n g , C h i n a [ S r i - 9 3 b ] , w i t h s u b s e q u e n t p u b l i c a t i o n i n t h e p r o c e e d i n g s [ S H - 9 4 b ] o f t h e c o n f e r e n c e . T h e c h a p t e r b e g i n s w i t h a d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e M P D R 5 , a n d t h e m i n o r m o d i fi c a t i o n s t o t h e Y o r k t o w n T t h a t w e r e n e c e s s a r y t o m o u n t t h i s s o u r c e o n t h e v a c u u m s y s t e m . T h e u n i q u e m u l t i p o l a r d e s i g n o f t h e m a g n e t s i s a l s o d e s c r i b e d . T h e r e s o n a n t m i c r o w a v e c a v i t y p a r a m e t e r s ( l i k e t h e d i a m e t e r , h e i g h t , e t c . ) a r e c r i t i c a l l y d e p e n d e n t o n t h e e l e c t r o m a g n e t i c m o d e w h i c h i s t o b e e x c i t e d i n t h e i o n s o u r c e . a n d t h e s e d i m e n s i o n s a r e t h e r e f o r e i m p o r t a n t f a c t o r s i n t h e o v e r a l l d e s i g n o f t h e i o n s o u r c e . T h e s t r u c t u r e o f t h e M P D R 5 , d e s i g n e d a r o u n d i t ' s o p e r a t i o n a t a s p e c i fi c e l e c t r o m a g n e t i c m o d e i s t h e n d i s c u s s e d . W h i l e i o n d e n s i t y , i o n e n e r g i e s a n d i o n b e a m e x t r a c t i o n d a t a h a v e a l r e a d y b e e n d i s c u s s e d i n e a r l i e r p u b l i c a t i o n s b y M a h o n e y a n d S z e [ M a h - 8 9 b . M a h - 9 0 . S z e - 9 3 b ] , f u r t h e r d a t a o n e l e c t r i c fi e l d p a t t e r n . i o n a n d e l e c t r o n e n e r g y 3 0 9 d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s ( E E D F , I E D F ) a r e p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r . S o m e o f t h i s d a t a i n i t i a l l y a p p e a r e d i n S z e ’ s d i s s e r t a t i o n , b u t w e r e c o - p u b l i s h e d a f t e r p r e s e n t a t i o n a t I C I S - 9 3 i n B e i j i n g , C h i n a [ S H - 9 3 b , S r i - 9 4 b ] . T h i s p u b l i s h e d d a t a a r e p r e s e n t e d h e r e i n a s e c t i o n t h a t b r i e fl y r e c a p i t u l a t e s s o m e o f t h e r e s u l t s o b t a i n e d p r i o r t o t h e w o r k f o r t h i s d i s s e r t a t i o n . N e w d a t a a c q u i r e d f o r t h i s s u b - s t u d y a r e t h e n p r e s e n t e d i n a l a t e r s e c t i o n . A s w i l l b e s e e n , t h e e l e c t r i c fi e l d p a t t e r n m e a s u r e m e n t s c o n fi r m e d t h e s i n g l e E M m o d e a t w h i c h t h e s o u r c e w a s d e s i g n e d t o o p e r a t e . T h e E E D F s i n d i c a t e t h a t e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f o r t h e M P D R 5 i s c l o s e r i n s h a p e t o t h e D r u y v e s t e y n f u n c t i o n t h a n t o t h e M a x w e l l i a n ( a s i s c o m m o n l y a s s u m e d ) , w h i l e t h e I E D F s r e v e a l a p o s s i b i l i t y o f t h e p r o d u c t i o n i n t h i s s o u r c e , o f d o u b l y c h a r g e d i o n s . T h e c h a p t e r e n d s w i t h s o m e c o n c l u d i n g r e m a r k s t h a t s u m m a r i z e t h e d a t a t h a t w e r e p r e s e n t e d i n e a r l i e r s e c t i o n s , w h i l e a l s o p r o p o s i n g s e v e r a l n e w e x p e r i m e n t s t h a t n e e d t o b e u n d e r t a k e n f o r c o n t i n u e d s t u d y o f t h e s a l i e n t f e a t u r e s o f t h e M P D R 5 . 7 . 2 n - e M P R W h i l e t h e M P D R 5 w a s d e s i g n e d a n d b u i l t b y M a h o n e y a n d h a s b e e n d e s c r i b e d i n d e t a i l e a r l i e r , s p e c i fi c a l l y i n h i s M S t h e s i s [ M a h - 8 9 a ] a d e s c r i p t i o n o f t h e s o u r c e i s p r e s e n t e d i n t h e f o l l o w i n g s u b - s e c t i o n . T h e d i s c u s s i o n o n t h e o v e r a l l d e s i g n o f t h e s o u r c e i s f o l l o w e d b y a b r i e f d i g r e s s i o n i n t o t h e e l e c t r o m a g n e t i c c o n s i d e r a t i o n s t h a t d e t e r m i n e d t h e e x a c t d i m e n s i o n s , a n d o t h e r d e s i g n c r i t e r i a o f t h e r e s o n a n t m i c r o w a v e c a v i t y s t r u c t u r e t h a t c o m p r i s e s t h i s s m a l l s o u r c e . 3 1 0 7 D e s F i g u r e 7 . 1 s h o w s a s c h e m a t i c o f t h e M P D R 5 ( n o t t o s c a l e ) , w h i l e F i g u r e 7 . 2 ( n o t t o s c a l e ) s h o w s t h e M P D R 5 m o u n t e d o n t h e p r o c e s s i n g c h a m b e r o f t h e Y o r k t o w n T . ( A s f o r t h e 6 1 0 , a n d 6 1 0 - a e x p e r i m e n t s , t h e r e i s n o v a r i a b l e c o n d u c t a n c e v a l v e o n t h e v a c u u m s y s t e m , a n d s o t h e g a s fl o w d e t e r m i n e s t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e . ) U n l i k e t h e 6 1 0 , t h e M P D R 5 i s a n “ e x t e r n a l ” s o u r c e , w h e r e t h e m i c r o w a v e c a v i t y s t r u c t u r e i s o u t s i d e t h e v a c u u m s y s t e m . T h e d e s i g n o f t h e 6 1 0 - a w a s i n f a c t b a s e d t o s o m e e x t e n t o n t h e M P D R 5 . T h e p l a s m a i s f o r m e d n e a r t h e v a c u u m s e a l b e t w e e n t h e M P D R 5 a n d t h e v a c u u m ( o r p r o c e s s i n g ) c h a m b e r , a s i n t h e c a s e o f t h e 6 1 0 - a . T h e M P D R 5 c o n s i s t s o f a c y l i n d r i c a l m i c r o w a v e c a v i t y s t r u c t u r e ( 4 ) m a d e o f b r a s s w i t h a n 8 . 9 c m i n n e r d i a m e t e r . T h e c a v i t y i s b o u n d e d o n t h e t o p b y a p o s i t i o n a d j u s t a b l e s l i d i n g s h o r t ( 1 ) . F i n g e r s t o c k c o n n e c t e d t o t h e s l i d i n g s h o r t k e e p i t i n g o o d e l e c t r i c a l c o n t a c t w i t h t h e c o n d u c t i n g c a v i t y w a l l s . T h e d i s c h a r g e i s c o n fi n e d b y a q u a r t z c u p ( 6 ) , w i t h a 4 . 9 c m i n n e r d i a m e t e r , a n d 2 . 8 c m h e i g h t . A s i l i c o n e O - r i n g b e t w e e n t h e s t a i n l e s s s t e e l b a s e p l a t e ( 7 ) , a n d t h e q u a r t z c u p , a n d a l a r g e r V i t o n T M O - r i n g b e t w e e n t h e b a s e p l a t e a n d t h e t o p p l a t e o f t h e v a c u u m p r o c e s s i n g c h a m b e r f o r m t h e t w o v a c u u m s e a l s , a l l o w i n g m i n i m u m b a s e p r e s s u r e s i n t h e l o w 1 0 ' 7 T o r r r a n g e . T h e Y o r k t o w n T t h e r e f o r e d i d n o t r e q u i r e . m u c h m o d i fi c a t i o n f o r o p e r a t i n g t h e M P D R 5 . O n l y a n e w t o p p l a t e w i t h a h o l e i n t h e c e n t e r h a d t o b e b u i l t ( s e e F i g u r e 7 . 2 ) . T h i s p l a t e w a s m a d e o f 1 . 5 i n c h t h i c k a l u m i n u m w i t h a p o l i s h e d v a c u u m fi n i s h w h e r e t h e v a c u u m c h a m b e r O - r i n g s w e r e t o b e fi t t e d . T h e p l a s m a g e n e r a t e d i n t h e q u a r t z c u p o f t h e M P D R 5 d i f f u s e d o u t o f t h e s o u r c e t h r o u g h t h i s h o l e i n t h e a l u m i n u m t o p p l a t e a n d i n t o A / / f / / / / / / / f / / / / / / / / / / / / / / / / I I I I I I I I I I / I I I I I / I I I [ I I I I I I / A I — r w w h t m m l \ 3 1 _ - N J 3 ' / / / / / / / / / / / / / / . — l A 1 1 F i n n — r e 7 . 1 T h e M P D R 5 . S l i d i n g S h o r t . S h o r t m o v i n g g e a r a s s e m b l y . M o v a b l e a n t e n n a ( o r p r o b e ) . M i c r o w a v e c a v i t y . D i s c h a r g e c r e a t i o n r e g i o n . Q u a r t z c u p . S t a i n l e s s S t e e l b a s e p l a t e 8 . A i r / w a t e r c o o l i n g 9 . D i s c h a r g e g a s f e e d 1 0 . M i c r o w a v e f e e d f r o m p o w e r s u p p l y 1 1 . E x t r a c t i o n g r i d s ( n o t u s e d i n t h i s p a p e r ) 1 2 . P e r m a n e n t m a g n e t s 1 3 . S c r e e n e d w i n d o w 1 4 . M i c r o - c o a x i a l p r o b e h o l e s ( c i r c u m f e r e n - t i a l ) E B O R P E T V E S s i e r u g fi s i A N h W G O A R M C I M . - 1 . . v : l l I \ S E G t n i n w o . h y d s u t r s e — b b m u s a h s c i h t t n r o e f m e n n fi e k a n t o c s t l u c i s t e e r n g a m m l a t n e m i T a E R A N H G C A S M I D e r r e t p s x n e w l l o a d r o e f h t t n t e a s h e t r p e t t o o N n Q U A R T Z C U P \ S L I D I N G S H O R T G A S F E E D I I I I I I I I I I I T O E L E C T R I C A L F E E D ’ I ‘ H R O U G H A N D P R O B E C I R C U I T R Y B A S E P L A T E Z = O P L A N E D O W N S T R E A M C O N F I N E M E N T C H A M B E R ( O P T I O N A L ) ' I I I ’ I I I I I I E N E R G Y A N A L Y Z E R 3 1 2 3 1 3 t h e v a c u u m c h a m b e r . A s m e n t i o n e d a b o v e . t h e M P D R 5 w a s v a c u u m s e a l e d t o t h i s n e w t o p p l a t e u s i n g a V i t o n O - r i n g . A s i n o t h e r M P D R s o u r c e s , t h e r e s o n a n t m i c r o w a v e c a v i t y i t s e l f , t h e r e f o r e i s a t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e , w h i l e t h e q u a r t z d o m e ( o r c u p ) c o n fi n e s t h e p l a s m a t o t h e l o w p r e s s u r e d i s c h a r g e r e g i o n . W i t h t h e b a s e p l a t e o f t h e s o u r c e ( 7 ) b e i n g 2 c m h i g h a n d h a v i n g a 4 . 8 c m d i a m e t e r o r i fi c e t h r o u g h w h i c h t h e p l a s m a d i f f u s e s o u t , t h e t o t a l d i s c h a r g e v o l u m e i s a b o u t 9 0 c m ‘ 3 . E x t r a c t i o n g r i d s c a n b e a t t a c h e d t o t h e b o t t o m o f t h i s b a s e p l a t e f o r h i g h v o l t a g e i o n b e a m e x t r a c t i o n . 1 M i c r o w a v e e n e r g y i s t r a n s p o r t e d f r o m t h e 2 . 4 5 G H z p o w e r s u p p l y u s i n g a fl e x i b l e c o a x i a l c a b l e ( a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 5 ( b ) , C h a p t e r F o u r ) , a n d i n t o t h e M P D R 5 t h r o u g h a l e n g t h a d j u s t a b l e a n t e n n a ( 3 ) . T h e l e n g t h o f t h i s a n t e n n a , a n d t h e h e i g h t o f t h e r e s o n a n t c a v i t y a r e c r i t i c a l p a r a m e t e r s i n t u n i n g t h e s o u r c e b y r e d u c i n g t h e r e fl e c t e d p o w e r , a n d t h e r e b y m a x i m i z i n g t h e a b s o r p t i o n o f i n c i d e n t p o w e r i n t o t h e d i s c h a r g e . T e c h n i q u e s o f p l a s m a i g n i t i o n a n d s u s t e n a n c e t h r o u g h m i n i m i z i n g t h e r e fl e c t e d p o w e r b y a d j u s t i n g t h e s e t w o d e g r e e s o f f r e e d o m w i l l b e d i s c u s s e d i n a l a t e r s e c t i o n . T h e m a g n e t i c fi e l d s t r u c t u r e o f t h e M P D R 5 i s d i f f e r e n t f r o m t h a t o f t h e M P D R 6 1 0 , o r t h e 6 1 0 - a . W h i l e t h e l a t t e r t w o s o u r c e s e m p l o y a x i a l l y m a g n e t i z e d r i n g s h a p e d m a g n e t s , t h e M P D R 5 h a s a r a d i a l “ m u l t i p o l a r ” fi e l d g e n e r a t e d b y e i g h t e q u a l l y s p a c e d p e r m a n e n t m a g n e t s a r o u n d t h e c i r c u l a r p e r i m e t e r o f t h e q u a r t z c u p . T h e fi e l d s t r u c t u r e i s s h o w n c l e a r l y i n F i g u r e 7 . 3 ( n o t t o s c a l e ) . t h a t s h o w s a t o p v i e w o f t h e q u a r t z s u r r o u n d e d b y t h e 1 6 n e o d y m i u m - i r o n - b o r o n m a g n e t s ( w i t h d i m e n s i o n s 1 . 3 c m X 1 . 3 c m X 1 . 0 c m ) s t a c k e d t w o t o g e t h e r . T h e s e m a g n e t p a i r s a r e p l a c e d i n a . n o n - m a g n e t i z a b l e b a s e p l a t e a n d g e n e r a t e t h e r a d i a l o c t a p o l a r s t a t i c m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n f o r E C R a n d c h a r g e m . . . M y " / / M A G N E T S 3 1 4 C O U P L I N G P R O B E ~ - - » 2 . . . . ~ l — x / — E L E C T R I C F I E L D S “ _ _ M A G N E T I C F I E L D S F i g u r e 7 . 3 T h e o c t a p o l a r m a g n e t i c fi e l d c o n fl g m t i o n f o r t h e M P D R 5 N o t e t h a t t h e p o s i t i o n o f t h e a n t e n n a e n s u r e s t h a t t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d i s p e r p e n d i c u l a r t o t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d g e n e r a t e d b y t h e 1 6 n e o d y m i u m b o r o n m a g n e t s ( s t a c k e d t w o t o g e t h e r ) . T h i s i s a c o n d i t i o n f o r E C R h e a t i n g . 3 1 5 s p e c i e s c o n fi n e m e n t W i t h i n t h e q u a r t z c u p o f t h e M P D R 5 . T h e m a x i m u m p o l e f a c e s t r e n g t h o f t h e s e m a g n e t s i s a b o u t 0 . 3 5 T e s l a [ M a h - 8 9 a ] . T h e d i r e c t i o n , a n d l i n e s o f f o r c e o f b o t h t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d s , a n d t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d ( f r o m t h e a n t e n n a ) a r e a l s o s u p e r - i m p o s e d o n F i g u r e 7 . 3 . N o t e t h a t t h e o r i e n t a t i o n o f t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d i s d e t e r m i n e d b y t h e l o c a t i o n o f t h e a n t e n n a r e l a t i v e t o t h e m a g n e t s , a n d i t i s p o s i t i o n e d s u c h t h a t t h e e l e c t r i c fi e l d i s p e r p e n d i c u l a r t o t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d t o s a t i s f y t h e E C R c o n d i t i o n . T h e m a g n e t s a r e c o v e r e d b y a b r a s s p l a t e t h a t k e e p s t h e m c o o l , w h i l e p r o v i d i n g a fl a t s u r f a c e f o r t h e r e fl e c t i o n a n d c o n fi n e m e n t o f r e s o n a n t e l e c t r i c fi e l d s t a n d i n g w a v e s w i t h i n t h e m i c r o w a v e c a v i t y . D i s c h a r g e g a s i s f e d t h r o u g h a t u b e ( 9 ) i n t h e b a s e p l a t e , a n d i n t o a n a n n u l a r c h a n n e l t h a t d i s t r i b u t e s t h e g a s i n t o t h e p l a s m a r e g i o n ( 5 ) t h r o u g h e i g h t e q u a l l y s p a c e d p i n h o l e s . C o m p r e s s e d a i r c o o l i n g o f t h e q u a r t z , a n d w a t e r c o o l i n g ( 8 ) f o r t h e b a s e p l a t e a r e r e q u i r e d t o d i s s i p a t e t h e h e a t g e n e r a t e d d u r i n g t h e e x p e r i m e n t s . C r i t i c a l l o c a t i o n o f t h e s e c o o l i n g d e v i c e s a l l o w s u p t o 2 0 0 W o f p o w e r t o b e a b s o r b e d i n t o t h e p l a s m a , f o r s e v e r a l h o u r s a t a t i m e w i t h o u t h a r m t o t h e m a g n e t s , t h e q u a r t z , o r t h e s i l i c o n e O - r i n g s . T h e t h e o r y o f r e s o n a n t e l e c t r o m a g n e t i c c a v i t y d e s i g n i s c o v e r e d i n s e v e r a l t e x t s a n d r e f e r e n c e s [ H a r - 6 1 , R a m - 8 4 ] , a n d s o o n l y a c o n c i s e r e p o r t i s p r e s e n t e d h e r e t o b r i e fl y e x p l a i n t h e d e s i g n o f t h e M P D R 5 . T h e i n n e r d i a m e t e r o f t h e m i c r o w a v e c a v i t y i s 8 . 9 c m , a s m e n t i o n e d b e f o r e . T h e e x c i t a t i o n o f m i c r o w a v e r e s o n a n t s t a n d i n g w a v e s w i t h i n t h i s c a v i t y s t r u c t u r e d e t e r m i n e s t h e d i m e n s i o n s 3 1 6 o f t h e c a v i t y . T h e M P D R 5 i s d e s i g n e d t o b e a m i c r o w a v e c a v i t y s u p p o r t i n g a s i n g l e r e s o n a n t e l e c t r o m a g n e t i c m o d e . T h i s i s t h e T E “ m o d e - t h e l o w e s t p r o p a g a t i n g t r a n s v e r s e e l e c t r i c ( o r H ) m o d e . F o r a p e r f e c t l y c o n d u c t i n g c y l i n d r i c a l c a v i t y w i t h c l o s e d e n d s , t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y o f a p a r t i c u l a r m o d e d e p e n d s o n t h e c a v i t y d i a m e t e r , c a v i t y h e i g h t ( o r l e n g t h ) , a n d t h e a p p r o p r i a t e r o o t o f t h e B e s s e l f u n c t i o n s o l u t i o n t o t h e p a r t i a l d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s . C o n v e r s e l y , f o r a fi x e d c a v i t y r a d i u s ( a ) , a n d f r e e s p a c e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n ( f = c / A ) , t h e c a v i t y l e n g t h ( L s ) f o r a ’ I ' E l m n m o d e m a y b e d e t e r m i n e d b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n [ M a h - 8 9 a ] : L = 2 . , ( 7 . 1 ) S 2 1 / 2 x I . l m 2 n 1 — _ 2 1 1 a w h e r e x ' l m a r e t h e m t h z e r o s o f t h e 1 t h o r d e r B e s s e l f u n c t i o n J ’ 1 ( x ’ ) . F o r o p e r a t i o n a t 2 . 4 5 G H z a n d w i t h a n 8 . 9 c m d i a m e t e r c a v i t y , t h e t h e o r e t i c a l h e i g h t f o r T 3 1 1 1 m o d e o p e r a t i o n i s c a l c u l a t e d t o b e a b o u t 1 0 . 5 c m - t h e d i s t a n c e f r o m t h e b a s e p l a t e t o t h e s l i d i n g s h o r t . N o t e t h a t t h e M P D R 5 i s n o t a n i d e a l m i c r o w a v e r e s o n a n t c a v i t y . - t h e r e a r e s e v e r a l d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e s o u r c e a n d a p e r f e c t c y l i n d r i c a l c a v i t y . F o r e x a m p l e , t h e b r a s s c a v i t y i s n o t a p e r f e c t c o n d u c t o r a n d t h e r e i s a q u a r t z c u p p r e s e n t a l o n g w i t h t h e l o s s y d i s c h a r g e ( a f t e r p l a s m a i g n i t i o n ) 6 1 : a l a r g e h o l e i n t h e b a s e p l a t e ( b e f o r e p l a s m a i g n i t i o n ) . W h e n c o m b i n e d , t h e s e d i f f e r e n c e s l e a d t o a p e r t u r b e d v a l u e o f t h e c a v i t y l e n g t h ( a s c o m p a r e d t o t h e c a l c u l a t e d l e n g t h f o r a n i d e a l c a v i t y ) u n d e r o p t i m a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f t h e p l a s m a s o u r c e . T h i s l e n g t h i s u s u a l l y f o u n d e m p i r i c a l l y . H e n c e . 3 1 7 t h e t o t a l h e i g h t ( o r l e n g t h . b o t h t e r m s m e a n t h e s a m e d i m e n s i o n L s f o r t h e s o u r c e ) o f t h e m i c r o w a v e c a v i t y w a s m a d e t o b e s e v e r a l c e n t i m e t e r s m o r e t h a n 1 0 c m . T h i s w a s d o n e t o p r o v i d e a m p l e b u f f e r s p a c e f o r t h e m o t i o n o f t h e s l i d i n g s h o r t w h i l e o p t i m i z i n g t h e r e s o n a n c e f o r i g n i t i o n o f t h e p l a s m a , o r f o r f u r t h e r t u n i n g i f t h e p l a s m a l o a d c o n d i t i o n s w e r e t o c h a n g e d u e t o v a r i a t i o n o f e x t e r n a l p a r a m e t e r s ( l i k e p r e s s u r e , p o w e r , e t c . ) . I n d e e d , o p e r a t i o n o f t h e M P D R 5 w i t h z e r o r e fl e c t e d p o w e r c o u l d b e a c h i e v e d a t t w o d i f f e r e n t c a v i t y h e i g h t s a n d m i c r o w a v e a n t e n n a ( o r p r o b e ) l e n g t h s , a s s e e n i n T a b l e 4 - 1 a n d F i g u r e 4 . 1 4 o f r e f e r e n c e M a h - 8 9 a . 7 . 3 n g r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e M P D R 5 T h i s s e c t i o n d e s c r i b e s t h e e x p e r i m e n t a l d a t a o b t a i n e d f o r t h e M P D R 5 . S i n c e i t ’ s c o n c e p t i o n , a l o t o f r e s e a r c h h a s b e e n c o n d u c t e d o n t h i s i o n s o u r c e , a n d a b r i e f s y n o p s i s o f t h e p r e v i o u s w o r k b y M a h o n e y a n d S z e i s p r e s e n t e d i n S u b - s e c t i o n 7 . 3 . 1 , s p e c i a l l y d a t a f r o m S z e ’ s d i s s e r t a t i o n t h a t w a s c o - p u b l i s h e d i n t h e 1 0 1 8 - 9 3 p r o c e e d i n g s . T h e s u p p l e m e n t a l d a t a t h a t w e r e a c q u i r e d s p e c i fi c a l l y f o r t h i s e v a l u a t i v e s u b - s t u d y o f t h e s o u r c e a r e p r e s e n t e d i n S u b - s e c t i o n 7 . 3 . 2 . 7 . . o u s t o M P D R - a o i s E v a l u a t i o n o f t h e M P D R 5 w a s c o n d u c t e d p r i m a r i l y b y M a h o n e y a s p a r t o f h i s M S t h e s i s [ M a h - 8 9 a ] . S e c t i o n s o f t h i s d a t a w e r e p r e s e n t e d a t t h e I C I S - 8 9 a t B e r k e l e y , C a l i f o r n i a [ M a h - 8 9 b ] , a n d p u b l i s h e d i n t h e c o n f e r e n c e p r o c e e d i n g s 3 1 8 [ M a h - 9 0 ] . F u r t h e r c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e M P D R 5 w a s u n d e r t a k e n b y S z e , a s p a r t o f a c o m p a r a t i v e s t u d y o f s e v e r a l m u l t i p o l a r m i c r o w a v e E C R p l a s m a r e a c t o r s w i t h d i f f e r e n t s i z e s a n d s t r u c t u r a l d e s i g n s ( m o s t o f t h e m w e r e M P D R s ) . T h i s s t u d y w a s f e a t u r e d i n S z e ' s P h . D . d i s s e r t a t i o n [ S z e - 9 3 a ] , a n d a l s o p u b l i s h e d i n a r e f e r e e d j o u r n a l [ S z e - 9 3 b ] . I n f o r m a t i o n p r e s e n t e d i n t h i s s e c t i o n i s t a k e n f r o m r e f e r e n c e s M a h - 8 9 a , S z e - 9 3 a a n d S r i - 9 4 b , a n d b r i e fl y d i s c u s s e s t h e s a l i e n t f e a t u r e s o f t h e o p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e o f t h e M P D R 5 . M a h o n e y o b s e r v e d t h a t a d i s c h a r g e i n t h e M P D R 5 c o u l d b e e a s i l y i g n i t e d f o r p r e s s u r e s o f l e s s t h a n 1 0 m T o r r a n d w i t h i n p u t p o w e r s l e s s t h a n 1 0 0 W w i t h o u t t h e n e e d o f T e s l a c o i l s , o r i g n i t i o n fi l a m e n t s . D o u b l e L a n g m u i r p r o b e , d a t a ( t a k e n i n a c c o r d a n c e w i t h t h e m e t h o d s d e s c r i b e d i n C h a p t e r T h r e e ) , a t 0 c m d o w n s t r e a m i n d i c a t e a h i g h d e g r e e o f i o n i z a t i o n . F o r a 2 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e , t h e i o n d e n s i t y w a s 2 X 1 0 1 1 c m ‘ 3 , i n c r e a s i n g t o a b o u t 1 0 1 2 c m ‘ 3 a s p r e s s u r e w a s r a i s e d t o 4 0 m T o r r a t a c o n s t a n t 1 7 0 W i n p u t p o w e r . I t w a s a l s o n o t e d t h a t t h i s s m a l l s o u r c e i s c a p a b l e o f o p e r a t i n g o v e r t h r e e d e c a d e s o f d i s c h a r g e p r e s s u r e - f r o m s u b - m T o r r p r e s s u r e s , a n d u p t o s e v e r a l t e n s o f m T o r r . A t t h e h i g h e r p r e s s u r e s , p r o c e s s e s o t h e r t h a n E C R a r e p r o b a b l y c o n t r i b u t i n g t o p o w e r t r a n s f e r t o t h e d i s c h a r g e . I o n d e n s i t y i n c r e a s e d w i t h i n p u t p o w e r . C P A a n d C P a c u r v e s i n d i c a t e d a f a l l i n g e l e c t r o n t e m p e r a t u r e w i t h i n c r e a s i n g . p r e s s u r e , i n d i c a t i v e o f t y p i c a l a m b i p o l a r d i f f u s i o n l o s s e s o u t o f t h e p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n . M a h o n e y a l s o c o n d u c t e d h i g h v o l t a g e i o n b e a m e x t r a c t i o n e x p e r i m e n t s f r o m t h e M P D R 5 . T w o fl a t , g r a p h i t e g r i d s w e r e u s e d , o n e a t t a c h e d t o t h e s o u r c e , w h i l e t h e o t h e r w a s b i a s e d n e g a t i v e t o a c c e l e r a t e i o n s a n d r e t a r d e l e c t r o n s . A t a v e r y l o w fl o w / p r e s s u r e o f 3 . 5 s c c m ( 5 X 1 0 ' 5 T o r r ) a r g o n d i s c h a r g e w i t h 2 5 0 W 3 1 9 i n p u t p o w e r a n d a 1 . 3 5 k V e x t r a c t i o n p o t e n t i a l , t h e t o t a l a r g o n i o n b e a m c u r r e n t o u t p u t w a s a l m o s t 6 0 m A . T h i s b e a m c u r r e n t i n c r e a s e d w i t h i n p u t p o w e r , a n d a l s o w i t h t h e a p p l i e d p o t e n t i a l . T h e b e a m p r o fi l e ( a s i n d i c a t e d b y t h e f u l l w i d t h a t h a l f m a x i m u m ) g o t b e t t e r w i t h i n c r e a s i n g e x t r a c t i o n p o t e n t i a l - t h a t i s , t h e b e a m b e c a m e m o r e f o c u s s e d a n d c o l l i r n a t e d w h e n t h e e x t r a c t i o n p o t e n t i a l w a s r a i s e d . S i m i l a r r e s u l t s w e r e o b t a i n e d f o r o x y g e n ( w i t h a b o u t 4 5 m A m a x i m u m b e a m c u r r e n t f o r a 2 2 4 W i n p u t p o w e r , 5 s c c m o x y g e n fl o w , 6 X 1 0 ’ 5 T o r r d i s c h a r g e w i t h 2 k V e x t r a c t i o n v o l t a g e ) , a n d n i t r o g e n ( 3 5 m A m a x i m u m c u r r e n t f o r 2 4 5 W i n p u t p o w e r , 5 s c c m n i t r o g e n fl o w , w i t h 1 . 4 k V e x t r a c t i o n b i a s ) d i s c h a r g e s a l s o . I n h i s e v a l u a t i o n o f t h e M P D R 5 , S z e c o n c e n t r a t e d m a i n l y o n t h e d o w n s t r e a m a n d r a d i a l p e r f o r m a n c e o f t h e s o u r c e o u t p u t . A l s o , h e u s e d a m u l t i - p o l a r m a g n e t i c c o n fi n e m e n t c h a m b e r ( s e e F i g u r e 7 . 2 ) w i t h a 2 0 c m i n n e r d i a m e t e r . T h i s d o w n s t r e a m c o n fi n e m e n t c h a m b e r i m p r o v e s t h e u n i f o r m i t y o f t h e i o n d e n s i t y r a d i a l p r o fi l e d i f f u s i n g o u t o f t h e s o u r c e [ S z e - 9 3 b ] , a n d m a y b e i n s t a l l e d o n a n y o f t h e M P D R s ( e x c e p t t h e M P D R 6 1 0 , w h i c h i s a n “ i n t e r n a l ” s o u r c e ) . U s i n g a d o u b l e L a n g m u i r p r o b e , i t w a s o b s e r v e d t h a t t h e a r g o n i o n d e n s i t y d e c r e a s e d e x p o n e n t i a l l y w i t h d o w n s t r e a m d i s t a n c e , c o n fi r m i n g . t h e c l a s s i c a l a m b i p o l a r d i f f u s i o n t y p i c a l o f r e a c t o r s o f t h i s d e s i g n ( a n d a l s o t h e M P D R 6 1 0 , a s n o t e d i n C h a p t e r s F o u r a n d F i v e ) . R a d i a l p r o fi l e s o f t h e i o n d e n s i t y i m p r o v e d i n u n i f o r m i t y a s t h e L a n g m u i r p r o b e w a s m o v e d f u r t h e r d o w n s t r e a m ( z > 0 , s e e F i g u r e 7 . 2 ) f r o m t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n . T h e s e d o w n s t r e a m a n d r a d i a l p r o fi l e s a r e s h o w n i n F i g u r e s 7 . 4 . t h r o u g h 7 . 6 . I t m u s t b e r e - i t e r a t e d t h a t S z e a c q u i r e d t h e s e c u r v e s w i t h t h e d o w n s t r e a m m u l t i - p o l a r m a g n e t i c c o n fi n e m e n t i n p l a c e . a n d h e n c e t h e u n i f o r m i t y o f t h e r a d i a l p r o fi l e i s 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ) m c c i 1 b 1 u 1 c 1 r e p 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 E 1 1 1 x ( y t i s n e d 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 1 1 a 1 m 1 s a l P 1 1 1 L 1 1 1 1 1 1 3 2 0 5 . 0 0 ( 3 6 6 6 0 1 0 m T o r r , 1 6 0 W A — A A A A 1 . 5 m T o r r , 1 6 0 W W 1 5 m T o r r , 1 0 0 W P o o 3 . 0 0 i " o o 1 . 0 0 0 . 0 0 I I I I I I I I I I I I I I I T I — I I I I I I I I I I I I I I I I I T T I I I I T I I I I I I I I I I I T I I I I I I 0 . 0 1 . 0 2 . 0 3 . 0 4 . 0 5 . 0 6 . 0 D o w n s t r e a m p o s i t i o n ( c m ) ' 1 1 . ; A H . 1 ; ° ' _ 1 1 - ; L u . . _ ' ~ . d . ~ . _ a s 2 c c . D a t a a r e t a k e n f o r a n a r g o n d i s c h a r g e w i t h a d o u b l e L a n g m u i r p r o b e c e n t e r e d a t r = 0 a x i s . w i t h t h e d o w n s t r e a m m a g n e t i c c o n fi n e m e n t c h a m b e r i n p l a c e . 1 1 1 1 1 1 1 n 1 1 1 ) m c c 1 i b u c r e 1 1 1 1 1 1 1 1 1 p 3 1 1 E 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 x “ ( 1 1 1 y 1 t 1 i s n e d a 1 1 1 1 1 1 1 1 . m _ s a l P . _ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 2 1 3 . 0 0 6 6 6 6 9 1 5 c m d o w n s t r e a m A — A — A m fi - A E B c m d o w n s t r e a m W 5 5 c m d o w n s t r e a m i " 0 1 o 0 1 " o o \ \ 1 . 5 0 1 . 0 0 . - ¢ 0 5 0 ' f : . \ _ 3 0 . 0 0 I I I I I I I I I I I I I I I I I f T I I I I I I I I r I 0 . 0 2 . 0 4 . 0 6 . 0 R a d i a l d i s t a n c e ( c m ) p g s i t l o n s . D a t a a r e t a k e n f o r a 1 . 0 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e w i t h 1 6 0 W i n p u t p o w e r , a n d w i t h t h e d o w n s t r e a m m a g n e t i c c o n fi n e m e n t c h a m b e r i n p l a c e . l l l l l l l l l L l l l m l l ) m c c i I b L ‘ u l c r e p l l l l l 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 E 1 1 x ( y 1 1 1 l l l l l l J l t l i s n e d a m l l l l l L l l l I l l l l s l a l P l l l l l l l l l l l l l l 3 2 2 0 . 8 0 . 0 a ) O 0 . 4 0 0 . 2 0 ( 9 6 6 6 0 1 5 m T o r r , 1 6 0 W W 1 0 m T o r r , 1 6 0 W W 1 5 m T o r r , 1 0 0 W 0 . 0 0 T I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I T T T 0 . 0 2 . 0 4 . 0 6 . 0 R a d i a l d i s t a n c e ( c m ) 3 1 . - a x - . 6 - _ b u y . . . l a s r n a - . 5 ' t a ; L u t . s . 1 e c o n - d i t i o n s . D a t a a r e t a k e n u s i n g a D L P 5 c m d o w n s t r e a m f o r v a r i o u s p r e s s u r e a n d p o w e r c o n d i t i o n s , w i t h t h e d o w n s t r e a m m a g n e t i c c o n fi n e m e n t c h a m b e r i n p l a c e . 3 2 3 m u c h b e t t e r t h a n w o u l d n o r m a l l y b e e x p e c t e d w i t h m a g n e t i c fi e l d - fi ' e e r a d i a l d i f f u s i o n . T h e s e d a t a w e r e j o i n t l y p r e s e n t e d a t I C I S - 9 3 , a n d c o - p u b l i s h e d [ S z e - 9 3 a , S r i - 9 3 b ] i n t h e p r o c e e d i n g s . S z e a l s o p e r f o r m e d e l e c t r o n a n d i o n e n e r g y a n a l y s e s w i t h a s i n g l e L a n g m u i r p r o b e ( S L P ) , a n d t h e m u l t i - g r i d i o n e n e r g y a n a l y z e r ( I E A ) r e s p e c t i v e l y o n t h e M P D R 5 , a g a i n w i t h t h e m a g n e t i c c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e i n p l a c e . T h e E E D F m e a s u r e m e n t s , c o n fi r m e d i n t h i s s u b - s t u d y i n d i c a t e d a n e a r D r u y v e s t e y n e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n . T h i s i s c l e a r l y s e e n i n F i g u r e 7 . 7 , t h a t s h o w s a t y p i c a l E E D F o f t h e M P D R 5 f o r a 1 5 0 W i n p u t p o w e r ( a l m o s t 0 W r e fl e c t e d ) , 1 3 s c c m ( 5 X 1 0 ' 4 T o r r ) a r g o n d i s c h a r g e . O n c e a g a i n i t m u s t b e r e - i t e r a t e d t h a t o fi e n f o r s i m p l i c i t y t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t s o f E C R p l a s m a p h y s i c s a s s u m e a p e r f e c t M a x w e l l i a n d i s t r i b u t i o n o f e l e c t r o n e n e r g i e s , a n d t h i s i s c l e a r l y n o t t h e c a s e e i t h e r f o r t h e M P D R 5 , o r f o r t h e M P D R 6 1 0 . U n d e r u s u a l o p e r a t i n g p r e s s u r e a n d p o w e r c o n d i t i o n s , t h e a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g i e s w i t h i n t h e M P D R 5 a r e a b o u t 8 - 1 0 e V , w h i l e t h e p l a s m a p o t e n t i a l i s a b o u t 2 0 — 2 2 V . R a d i a l a n d d o w n s t r e a m v a r i a t i o n o f p l a s m a p o t e n t i a l , a s m e a s u r e d b y S z e . i s s h o w n i n F i g u r e 7 . 8 , w h i c h i n d i c a t e s a r e l a t i v e l y u n i f o r m p l a s m a p o t e n t i a l r a d i a l p r o fi l e a t 5 c m d o w n s t r e a m , w i t h a s m a l l d e c r e a s e i n t h e p l a s m a p o t e n t i a l a s d i s t a n c e d o w n s t r e a m f r o m t h e g e n e r a t i o n r e g i o n i n c r e a s e s . T h e i o n e n e r g y a n a l y s i s p e r f o r m e d b y S z e o n t h e M P D R 5 r e v e a l e d i n t e r e s t i n g r e s u l t s . F o r a 1 . 0 m T o r r , 1 6 0 W i n p u t p o w e r a r g o n d i s c h a r g e , t h e I E D F a c q u i r e d a t 2 c m d o w n s t r e a m ( w i t h t h e i o n e n e r g y a n a l y z e r c e n t e r e d a t z = 0 l o c a t i o n , t h e a x i s i s d e fi n e d i n F i g u r e 7 . 2 ) s h o w e d a t y p i c a l c u r v e w i t h a v e r a g e i o n e n e r g y a b o u t 2 9 e V . A s t h e d i s t a n c e d o w n s t r e a m i n c r e a s e d t o 3 c m , 4 c m a n d t h e n t o 5 c m ( f o r r = 0 , t h e c e n t r a l a x i s o f t h e s o u r c e ) , t h e r e d e v e l o p e d a 3 2 4 0 . 0 8 . : / \ “ E X P E R I M E N T A L - ’ \ D R U Y V E S T E Y N : — — M A X W E L U A N o n e - Z , \ : 3 0 0 4 — v 3 3 0 0 2 — : 0 . 0 0 E > I I I I I I I I I ' I I I I I I I I I I I I I _ 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 E N E R G Y ( e V ) , g m 7 . 7 ” g a l E E D F f g r t h e M P D R 5 . N o t e t h e n e a r M a x w e l l i a n d i s t r i b u t i o n o f e l e c t r o n s i n t h e M P D R 5 . D a t a t a k e n f o r a 1 3 s c c m ( a b o u t 0 . 5 m T o r r ) a r g o n d i s c h a r g e w i t h 1 5 0 W i n p u t p o w e r . 5 c m d o w n s t r e a m . T h e d o w n s t r e a m c o n fi n e m e n t c h a m b e r i s n o t p r e s e n t . 3 2 5 2 5 . 0 0 - § > — — € * \ e \ 1 . A 2 0 . 0 0 3 f ) a . V A 0 A E > - v - t ' § 1 5 . 0 0 E ' E : 2 _ o I a . g 1 0 . 0 0 E U , _ 2 i 0 ' E G e e e e d o w n s t r e o m d i r e c t i o n , r 2 0 c m , 1 1 0 W : A fi fi - A — A r a d i a l d i r e c t i o n , 2 : 5 c m , 1 0 0 W 5 . 0 0 j 0 . 0 0 - ‘ fi I I I I I I I I I I I T I I I I I I I I I T I I I P I I 0 . 0 2 . 0 4 . 0 6 . 0 P o s i t i o n ( c m ) D a t a t a k e n w i t h a s i n g l e L a n g m u i r p r o b e ( E E D F s ) , w i t h t h e d o w n s t r e a m m a g - n e t i c c o n fi n e m e n t c h a m b e r i n p l a c e . 3 2 6 m o r e d i s t i n c t s e c o n d p e a k a t a b o u t h a l f t h e e n e r g y . e v e n a s t h e i n t e n s i t y o f t h e 3 0 . e V p e a k ( k n o w n h e r e t o f o r e a s t h e h i g h e n e r g y . p e a k ) d e c l i n e d . A s i m i l a r e f f e c t w a s o b s e r v e d f o r a 1 0 0 W i n p u t p o w e r 1 . 5 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e . w h e r e a b i m o d a l d i s t r i b u t i o n d e v e l o p e d a s t h e d i s t a n c e d o w n s t r e a m i n c r e a s e d ( f o r t h e s a m e r = 0 p o s i t i o n ) . T h i s b i m o d a l d i s t r i b u t i o n w a s a l s o p r e s e n t w h e n t h e I E A p o s i t i o n w a s r a d i a l l y v a r i e d a t a c o n s t a n t d o w n s t r e a m z = 5 c m p o s i t i o n , f o r r v a l u e s o f 1 c m , 2 c m , 3 c m a n d 4 c m . T h i s p h e n o m e n o n i s i l l u s t r a t e d w e l l t h r o u g h F i g u r e s 5 . 1 5 t h r o u g h 5 . 1 7 o f r e f e r e n c e S z e - 9 3 a . S z e g a v e t w o p o s s i b l e e x p l a n a t i o n s f o r t h e d e v e l o p m e n t o f t h i s b i m o d a l d i s t r i b u t i o n . F i r s t , i t m a y b e d u e t o d o w n s t r e a m i o n i z a t i o n o f t h e r e s i d u a l a r g o n g a s a w a y f r o m t h e h y p o t h e t i c a l “ d i s c h a r g e g e n e r a t i o n I r e g i o n , " l e a d i n g t o t h e d e v e l o p m e n t o f t h e l o w e n e r g y p e a k i n t h e I E D F s . H o w e v e r , t h i s c a n n o t e x p l a i n t h e r e s u l t i n g d e c l i n e i n t h e h i g h e n e r g y p e a k . T h e s e c o n d , a n d m o r e p r o b a b l e r e a s o n , i s t h a t t h e r e i s r e s o n a n t c h a r g e e x c h a n g e o c c u r r i n g w i t h i n t h e d o w n s t r e a m m u l t i - p o l a r m a g n e t i c c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e . A s t h e 3 0 e V a v e r a g e e n e r g y i o n s d i f f u s e o u t o f t h e p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n . t h e y a r e e f f e c t i v e l y c o n fi n e d b y t h e d o w n s t r e a m m a g n e t i c fi e l d o f t h e c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e . i n c r e a s i n g t h e i o n n e u t r a l c o l l i s i o n f r e q u e n c y , a n d p r o b a b l y l e a d i n g t o c h a r g e e x c h a n g e b e t w e e n t h e h i g h e n e r g y i o n ( A r l ‘ p ) a n d l o w e n e r g ' n e u t r a l a t o m ( A r ) . T h i s r e s u l t s i n t h e f o r m a t i o n o f l o w e n e r g y i o n s M r “ ) , a n d h i g h e n e r g y n e u t r a l s ( A r ' ) , w i t h a s u b s e q u e n t d e c l i n e i n t h e h i g h e n e r g r i o n p o p u l a t i o n . T h e p r o c e s s m a y b e p r e s e n t e d a s a n e q u a t i o n : A r “ . + A r - - > A r ' + A r “ _ ( 7 - 2 ) 3 2 7 T h i s c h a r g e e x c h a n g e p r o c e s s h a s b e e n e x p l a i n e d i n l i t e r a t u r e [ K a u - 8 7 ] . N o o t h e r M P D R s e e m s t o e x h i b i t t h i s d e v e l o p m e n t o f a l o w e n e r g y p e a k a s t h e d i s t a n c e d o w n s t r e a m i n c r e a s e s . I n d e e d , f u r t h e r i o n e n e r g y e v a l u a t i o n o f t h e M P D R 5 w i t h o u t t h e d o w n s t r e a m m u l t i - p o l a r m a g n e t i c c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e i n d i c a t e s o t h e r i n t e r e s t i n g p h e n o m e n a a s w i l l b e s e e n l a t e r , b u t t h e r e s e e m s t o b e n o e v i d e n c e o f r e s o n a n t c h a r g e e x c h a n g e o c c u n i n g d o w n s t r e a m o f t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n , a s o b s e r v e d b y S z e . 7 . 3 . 2 F u r t h e r C h a _ r a c t e r i z a t i o n o f t h e M P D R 5 T h e p r i m a r y a i m o f t h i s s u b - s t u d y w a s t o c o n fi r m s e v e r a l p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e M P D R 5 . w h i l e a t t h e s a m e t i m e t o c o n d u c t f u r t h e r e v a l u a t i o n i n o r d e r t o d e v e l o p a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e s m a l l s o u r c e . U s i n g m i c r o - c o a x i a l p r o b e s s i m i l a r t o t h o s e d e s c r i b e d i n C h a p t e r S i x ( a n d i n t h e r e l e v a n t d i a g n o s t i c s s e c t i o n s o f C h a p t e r T h r e e ) . t h e e l e c t r i c fi e l d s t r u c t u r e s s e t u p i n t h e M P D R 5 w e r e m e a s u r e d . O n l y r e l a t i v e fi e l d m e a s u r e m e n t s w e r e c o n d u c t e d , w i t h n o c a l i b r a t i o n t o t h e e x a c t fi e l d s t r e n g t h ( a s w a s d o n e o n t h e 6 1 0 - a i n C h a p t e r S i x ) . D a t a w e r e t a k e n b o t h i n t h e c i r c u m f e r e n t i a l ( a b o u t 4 c m a b o v e t h e b a s e p l a t e ) , a n d a x i a l d i r e c t i o n s . S p e c i a l b a n d s o f b r a s s w i t h s m a l l . f e e d — t h r o u g h h o l e s f o r t h e m i c r o - c o a x i a l p r o b e s w e r e s o l d e r e d o n t h e b o d y o f t h e s o u r c e s o a s t o p r e v e n t t h e p r o b e s f r o m b u c k l i n g , o r m o v i n g w h i l e d a t a i s b e i n g t a k e n . A s w a s n o t e d i n C h a p t e r T h r e e . t h i s e l e c t r i c fi e l d m e a s u r e m e n t i s e x t r e m e l y s u s c e p t i b l e t o g i v e f a l s e r e a d i n g s i f t h e p r o b e p o s i t i o n s a r e e v e n m i n u t e l y d i S t u r b e d . S u c h a b r a s s b a n d w i t h m i c r o - c o a x i a l p r o b e h o l e s ( 1 4 ) i s s h o w n i n t h e c r o s s - s e c t i o n s k e t c h o f t h e M P D R 5 i n F i g u r e 7 . 1 . 3 2 8 F i g u r e 7 . 9 s h o w s t h e v a r i a t i o n o f t h e m e a s u r e d p o w e r ( w h i c h i s p r o p o r t i o n a l t o I E I 2 ) , a r o u n d t h e c i r c u m f e r e n c e o f t h e M P D R 5 . T h e c i r c l e s i n d i c a t e t h e e x p e r i m e n t a l l y m e a s u r e d p o w e r l e v e l s , w h i l e t h e s o l i d l i n e i s a n o r m a l i z e d s i n e s q u a r e d c u r v e . N o t e t h a t t h e e x p e r i m e n t a l d a t a fi t s t h e t h e o r e t i c a l s i n e s q u a r e d d e p e n d e n c e , c o n fi r m i n g t h a t a T E l 1 1 s t a n d i n g w a v e i s g e n e r a t e d w i t h i n t h e M P D R 5 . N o d a t a w e r e a v a i l a b l e b e t w e e n 1 5 0 ° a n d 2 0 0 ° d u e t o t h e p r e s e n c e o f a s c r e e n e d o b s e r v a t i o n w i n d o w ( 1 3 ) o n t h e c a v i t y w a l l ( s e e F i g u r e 7 . 1 ) . H o w e v e r , i t i s e x p e c t e d t h a t t h e e l e c t r i c fi e l d r e d u c e s t o a l o c a l m i n i m u m a b o u t 1 8 0 ° , c l o s e l y f o l l o w i n g t h e t h e o r e t i c a l c u r v e . A l s o , t h e a n t e n n a t h a t l a u n c h e s t h e m i c r o w a v e s i n t o t h e c a v i t y i s a z i m u t h a l l y fi x e d a t 2 7 0 ° - a t t h e m a x i m u m o f t h e s e c o n d p e a k . T h e n e a r z o n e fi e l d s f r o m t h e a n t e n n a ( e v a n e s c e n t m o d e s a r e a l s o s e t u p i n t h e c a v i t y ) m a y e x p l a i n w h y t h e s e c o n d p e a k i n F i g u r e 7 . 9 i s h i g h e r t h a n t h e fi r s t . F i g u r e 7 . 1 0 , s h o w s t h e v e r t i c a l v a r i a t i o n o f t h e m e a s u r e d p o w e r b e t w e e n t h e s l i d i n g s h o r t a n d t h e b a s e p l a t e . T h e s i n g l e p e a k w i t h a m a x i m u m i n t h e c e n t e r a n d z e r o fi e l d s a t b o t h e n d s a g a i n c o n fi r m s t h e g e n e r a t i o n o f t h e T 1 5 1 1 1 e l e c t r i c fi e l d s t a n d i n g w a v e w i t h i n t h e m i c r o w a v e c a v i t y o f t h e M P D R 5 . A d d i t i o n a l i o n e n e r g y m e a s u r e m e n t s w e r e p e r f o r m e d o n t h e M P D R 5 f o r c o n fi r m a t i o n t r i a l s o f t h e r e s o n a n t c h a r g e e x c h a n g e h y p o t h e s i s o f S z e ( S e c t i o n . 7 . 3 . 1 ) . T h e I E D F a c q u i s i t i o n f o r t h e s e e x p e r i m e n t s w a s c o n d u c t e d w i t h o u t t h e d o w n s t r e a m m u l t i - p o l a r c o n fi n e m e n t c h a m b e r . F i g u r e 7 . 1 1 d i s p l a y s t h e I E D F ' s v a r i a t i o n w i t h i n p u t m i c r o w a v e p o w e r a t a . c o n s t a n t a r g o n d i s c h a r g e p r e s s u r e o f 1 . 2 m T o r r . D a t a a r e t a k e n w i t h t h e g r o u n d e d i o n e n e r g y a n a l y z e r 5 c m d o w n s t r e a m fi ' o m t h e z = 0 l o c a t i o n . T h e I E D F s a r e n a r r o w a n d p e a k e d f o r m o d e r a t e i n p u t p o w e r l e v e l s ( < 1 6 0 W ) , T h e f u l l w i d t h a t h a l f m a x i m u m ( F W H M ) 3 2 9 5 0 0 . 0 0 q 3 4 0 0 . 0 0 5 . 2 3 o g I o . 0 3 0 0 . 0 0 3 O : 6 , : o a ; E o o 3 : a . 2 0 0 . 0 0 - _ ; . 2 2 0 * 3 E 0 O . 1 a _ j 0 1 0 0 . 0 0 — _ 0 . 0 0 - I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I — r l I I I T I I I I I I I I I I I 0 . 0 1 0 0 . 0 2 0 0 . 0 3 0 0 . 0 4 0 0 . 0 C i r c u m f r e n c e ( d e g r e e s ) - 7 . l t r n r n n t s f r e R 5 . D a t a t a k e n w i t h a m i c r o - c o a x i a l p r o b e . N o t e t h a t t h e p o w e r m e a s u r e m e n t s a r e n o t a b s o l u t e ( n o c a l i b r a t i o n w a s c o n d u c t e d f o r t h e s e t e s t s , a s w a s d o n e i n C h a p - t e r S i x f o r t h e 6 1 0 - a ) . T h e m i c r o w a v e a n t e n n a i s l o c a t e d a t 2 7 0 ° . T h e s e c o n d p e a k i s t h e r e f o r e h i g h e r d u e t o t h e e v a n e s c e n t n e a r z o n e fi e l d s . 3 3 0 4 0 . 0 0 _ I R I / \ Z / \ I / \ A 3 0 0 0 e ( , 0 C 9 ( 0 ‘ \ : 2 : j I Q C : 3 j / l . o " / \ L — 1 3 : I 1 5 2 0 . 0 0 T / \ o — l 3 r I t o — 1 0 . : C 5 \ . 2 ‘ / 1 * 3 i / 1 0 _ 1 : 1 1 0 : 0 0 j / 1 r / \ I [ ( 5 \ - O i / \ . ( 5 < 9 4 \ O 0 . 0 0 I I I I I T I I I I I I I W I I I I I I N I I I I I I I I I I I I I — I W I I I [ I I I I T I I I I I I I I I I I I I I 0 . 0 0 2 . 0 0 4 . 0 0 6 . 0 0 8 . 0 0 1 0 . 0 0 1 2 . 0 0 V e r t i c a l D i s t a n c e F l 7 . V v n f t h e l c e 1 i n t h e M P T h e v e r t i c a l v a r i a t i o n s h o w s o n l y o n e p e a k i n t h e c e n t e r , c o n fi r m i n g t h e T E 1 1 m o d e o p e r a t i o n o f t h e M P D R 5 . l l l l l l l l l l l l l l l l l l l ) E I ( f l l l l l L l l l l l l l l l l l N . . 3 3 1 0 . 2 0 0 . 1 5 0 . 0 5 0 . 0 1 1 0 . 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 E N E R G Y ( e V ) m 7 . 1 1 I E D F v a r i a t i o n w i t h m w e r f o r t h e M P D R 5 . D a t a t a k e n w i t h t h e I E A 5 c m d o w n s t r e a m f o r a 1 . 2 m T o r r a r g o n d i s c h a r g e . w i t h o u t t h e d o w n s t r e a m c o n fi n e m e n t c h a m b e r . N o t e t h a t t h e r e i s n o e v i d e n c e o f t h e l o w e n e r g y p e a k a s r e p o r t e d b y S z e . 3 3 2 i n c r e a s e s w i t h i n p u t p o w e r , g o i n g u p f r o m 4 . 5 e V a t 1 2 0 W , t o 5 . 5 e V a t 1 6 0 W . H o w e v e r , t h e I E D F b r o a d e n s s i g n i fi c a n t l y a s t h e i n p u t p o w e r i n c r e a s e s t o 2 0 0 W . T h i s b r o a d e n i n g i s n o t f u l l y u n d e r s t o o d a t t h i s t i m e , b u t i t i s s p e c u l a t e d t h a t i t m a y b e d u e t o g a s h e a t i n g - t h e I E D F b r o a d e n i n g m a y b e d u e t o t h e i n c r e a s e d e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s a t h i g h e r p o w e r s a s w a s o b s e r v e d f o r t h e M P D R 6 1 0 i n C h a p t e r s F o u r a n d F i v e . I t h a s b e e n r e p o r t e d e a r l i e r t h a t t h e a b s o r b e d p o w e r d e n s i t y o f t h i s s m a l l E C R d i s c h a r g e i s 2 - 4 W / c m 3 ( S z e - 9 3 b ] . T h i s i s b e c a u s e o f t h e h i g h s u r f a c e - t o - v o l u m e r a t i o o f t h e d i s c h a r g e r e g i o n . S i g n i fi c a n t i o n - e l e c t r o n w a l l r e c o m b i n a t i o n o c c u r s a t h i g h d e n s i t y a n d l o w p r e s s u r e o p e r a t i o n r e s u l t i n g i n a h i g h e r e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s . a n d a c o r r e s p o n d i n g l y h i g h e r t h e r m a l e n e r g y o f t h e i o n s a n d n e u t r a l s i n t h i s s m a l l E C R d i s c h a r g e . F i g u r e 7 . 1 2 s h o w s t h e p r e s s u r e d e p e n d e n c e f o r a c o n s t a n t 1 2 0 W a b s o r b e d p o w e r i n a n a r g o n d i s c h a r g e . D a t a a r e t a k e n 5 c m d o w n s t r e a m f r o m t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n . I t i s c l e a r l y s e e n t h a t t h e I E D F s s h i fi t o w a r d s l o w e r e n e r g i e s a s t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e i n c r e a s e s . A s m e n t i o n e d i n C h a p t e r F o u r ( s e e S e c t i o n 4 . 6 . 1 f o r t h e i o n i z a t i o n - d i f f u s i o n l o s s b a l a n c e t h e o r y ) , t h e s e t r e n d s a r e r e l a t e d t o t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a n d p l a s m a p o t e n t i a l v a r i a t i o n w i t h d i s c h a r g e p r e s s u r e , w h e r e b y r a i s i n g p r e s s u r e d e c r e a s e s t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a n d p l a s m a p o t e n t i a l o f t h e d i s c h a r g e . T h i s l e a d s t o a l o w e r p o t e n t i a l t h r o u g h w h i c h t h e i o n s f a l l o n t h e i r w a y t o t h e I E A , w h i c h u l t i m a t e l y l o w e r s t h e i o n e n e r g y a t h i g h e r p r e s s u r e s . T h i s p r e s s u r e a n d p o w e r d e p e n d e n c e o f t h e I E D F s i n t h e M P D R 5 i s c o n s i s t e n t w i t h m e a s u r e m e n t s r e p o r t e d o n b o t h l a r g e r [ M a k - 9 2 , S z e - 9 3 b ] , a n d s m a l l e r [ S H - 9 2 a , S r i - 9 3 a ] p e r m a n e n t m a g n e t E C R p l a s m a s o u r c e s . T h e l o w p r e s s u r e I E D F s h o w n i n F i g u r e 7 . 1 2 d i s p l a y s c o n s i d e r a b l e 3 3 3 0 . 2 0 _ 2 9 9 9 9 6 0 . 5 0 m T o r r 1 1 1 0 . 1 5 3 A I 3 0 1 0 - _ F — 0 . 0 5 3 0 . 0 0 . . . . . . . , 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 E N E R G Y ( e V ) F i m 7 . 1 2 I E D F v a r i a t i o n w i t h d i s c h a r g e p r e s s u r e . D a t a t a k e n w i t h t h e I E A 5 c m d o w n s t r e a m , f o r a 1 2 0 W i n p u t p o w e r a r g o n d i s - c h a r g e , a n d w i t h o u t t h e d o w n s t r e a m m a g n e t i c fi e l d c o n fi n e m e n t c h a m b e r . N o t e t h e d e v e l o p m e n t o f t h e s e c o n d a r y p e a k a t t w i c e t h e e n e r g r o f t h e p r i m a r y p e a k . a s t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e d e c r e a s e s . 3 3 4 b r o a d e n i n g b e y o n d t h a t w h i c h w o u l d b e e x p e c t e d f r o m o r d i n a r y g a s h e a t i n g . T h i s I E D F i n f a c t s h o w s t h e d e v e l o p m e n t o f a s e c o n d p e a k a t a n e n e r g y a p p r o x i m a t e l y t w i c e t h a t o f t h e m a j o r p e a k , s u g g e s t i n g t h e p o s s i b i l i t y o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s , i . e . t h e p r o d u c t i o n o f A r 2 + i n t h i s s o u r c e . E v i d e n c e o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s h a s n o t b e e n m e a s u r e d b e f o r e i n t h e I E D F o f m u l t i - p o l a r E C R s o u r c e s , b u t a r e c e n t c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 i n d i c a t e s a b o u t 5 % A r z " p r o d u c t i o n [ S r l - 9 4 c , s e e a l s o C h a p t e r E i g h t ) . T h e f a c t t h a t t h i s s m a l l E C R s o u r c e o p e r a t e s w i t h h i g h p o w e r d e n s i t i e s , a n d h e n c e h i g h e r e x c i t i n g e l e c t r i c fi e l d s m a y r e s u l t i n A r 2 + p r o d u c t i o n a s t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e d e c r e a s e s . F u r t h e r m o r e , t h e o c t a p o l a r m a g n e t i c fi e l d o f t h e s o u r c e e f fi c i e n t l y t r a p s h i g h e n e r g y e l e c t r o n s p r o d u c i n g c o n fi n e m e n t t i m e s t h a t a r e p o s s i b l y l o n g e n o u g h t o a l l o w t h e e l e c t r o n s t o a c h i e v e e n o u g h e n e r g y t o c r e a t e m u l t i p l y c h a r g e d i o n s t h r o u g h s u c c e s s i v e e l e c t r o n i m p a c t i o n i z a t i o n . 7 . o n 1 R e m a r F r o m t h e d a t a p r e s e n t e d h e r e . a l o n g w i t h o t h e r s t u d i e s t h a t h a v e b e e n c o m p l e t e d o n t h e d e v e l o p m e n t a n d o p e r a t i o n o f t h e M P D R 5 , s o m e k e y c o n c l u s i o n s m a y b e d r a w n . I t i s a n e l e c t r o d e - l e s s , h i g h i o n / e l e c t r o n d e n s i t y , e f fi c i e n t m i c r o w a v e E C R p l a s m a s o u r c e , w i t h . p r e d i c t a b l e , a n d r e p e a t a b l e o p e r a t i n g p e r f o r m a n c e . A E l 1 1 m o d e s t a n d i n g w a v e i s s e t u p w i t h i n t h e m i c r o w a v e c a v i t y s t r u c t u r e t h a t e n h a n c e s p o w e r t r a n s f e r f r o m t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d t o t h e d i s c h a r g e l o a d . M o s t c h a r a c t e r i z a t i o n h a s b e e n c o n d u c t e d w i t h a r g o n a s t h e d i s c h a r g e g a s . R a d i a l p r o fi l e s o f i o n d e n s i t y a n d p l a s m a p o t e n t i a l a r e v e r y u n i f o r m , e s p e c i a l l y i n t h e p r e s e n c e o f t h e m a g n e t i c 3 3 5 c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e . T h e e l e c t r o n g a s h a s a n e a r D r u y v e s t e y n d i s t r i b u t i o n , c o n t r a r y t o m o s t t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s ( t h a t a s s u m e a M a x w e l l i a n d i s t r i b u t i o n ) , w h i l e u n d e r m o s t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s , t h e i o n e n e r g i e s a r e n a r r o w a n d p e a k e d . U n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s h o w e v e r ( l i k e w i t h h i g h i n p u t p o w e r s , o r . a t v e r y l o w p r e s s u r e s ) , t h e I E D F t e n d s t o s p r e a d o u t . i n p a r t d u e t o g a s h e a t i n g ( a t h i g h p o w e r s ) . A t l o w p r e s s u r e s , t h i s e n e r g y s p r e a d m a y b e d u e i n p a r t t o t h e p o s s i b i l i t y o f t h e p r o d u c t i o n o f d o u b l y c h a r g e d i o n s . s i n c e e l e c t r o n c o n fi n e m e n t i n c r e a s e s a n d c o l l i s i o n f r e q u e n c i e s d e c r e a s e a s t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e f a l l s , l e a d i n g t o s u c c e s s i v e e l e c t r o n i m p a c t i o n i z a t i o n . T h e r e i s a l s o s o m e e v i d e n c e o f r e s o n a n t c h a r g e e x c h a n g e a n d a b i - m o d a l i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n i n t h e p r e s e n c e o f a m u l t i - p o l a r m a g n e t i c c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e , b u t t h i s h a s n o t y e t b e e n c o n fi r m e d . M u c h w o r k n e e d s t o b e d o n e . h o w e v e r , f o r f u r t h e r u n d e r s t a n d i n g o f t h i s s m a l l s o u r c e . C a n t h e l o w e n e r g y s e c o n d a r y I E D F p e a k b e r e p r o d u c e d w i t h t h e m a g n e t i c c o n fi n e m e n t i n p l a c e ? W i t h o u t t h i s c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e , c a n t h e h i g h e n e r g y s e c o n d a r y I E D F p e a k b e r e p r o d u c e d a s p r e s s u r e d e c r e a s e s ? H o w d o e s t h e M P D R 5 o p e r a t e w i t h o u t i t s c o m p l i m e n t o f o c t a p o l a r m a g n e t s , i . e . i s t h e r e p o w e r t r a n s f e r t o t h e w o r k i n g g a s w i t h o u t E C R , a n d a t w h a t p r e s s u r e / p o w e r c o n d i t i o n s ? C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e s o u r c e w i t h o t h e r d i s c h a r g e g a s e s ( l i k e n i t r o g e n , h y d r o g e n . ‘ h e l i u m e t c . ) n e e d s t o b e d o n e a s w e l l . A s w a s s e e n w i t h t h e M P D R 6 1 0 , n i t r o g e n a n d h e l i u m o p e r a t i o n o f t h e s o u r c e v a r i e d s i g n i fi c a n t l y f r o m i t s o p e r a t i o n i n a r g o n . I t n e e d s t o b e c o n fi r m e d t h a t t h i s d e p e n d e n c e o n w o r k i n g g a s i s o b s e r v e d i n t h e M P D R 5 a l s o . O t h e r d i a g n o s t i c t e c h n i q u e s l i k e o p t i c a l 3 3 6 e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y ( t o i d e n t i f y o t h e r p l a s m a s p e c i e s ) , q u a r t z c r y s t a l m i c r o - b a l a n c e ( t o o b t a i n a t o m i c fl u x d e n s i t y ) , a n d l a s e r i n d u c e d fl u o r e s c e n c e , e t c . w i l l a l s o c o n t r i b u t e v a l u a b l e d a t a t o w a r d s f u r t h e r u n d e r s t a n d i n g o f t h i s s o u r c e . F i n a l l y , s o m e b e a m d e v e l o p m e n t w a s c o n d u c t e d b y M a h o n e y . T h i s n e e d s t o b e r e p e a t e d a n d f u r t h e r s t u d i e d , w i t h a b e t t e r d e s i g n o f i o n e x t r a c t i o n o p t i c s a n d w i t h p r o p e r b e a m c h a r a c t e r i z a t i o n t e c h n i q u e s ( l i k e e m i t t a n c e a n d b r i g h t n e s s m e a s u r e m e n t s , a n d c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n e v a l u a t i o n ) . T h e i o n e x t r a c t i o n s y s t e m m a y b e c o n s t r u c t e d f o r a b r o a d i o n b e a m u s i n g m u l t i p l e a p e r t u r e s o n t h e g r i d s . C o n v e r s e l y , a s i n g l e c e n t r a l a p e r t u r e , w i t h a t h r e e g r i d a c c e l - d e c e l s y s t e m m a y b e d e s i g n e d t o e x t r a c t h i g h c u r r e n t , h i g h e n e r g y i o n b e a m s f r o m t h e M P D R 5 . M o r e k n o w l e d g e a b o u t t h e o p e r a t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h i s s o u r c e w i l l l e a d t o f u r t h e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e p l a s m a p h y s i c s i n s m a l l E C R s o u r c e s . P o s s i b l e a p p l i c a t i o n s o f t h e M P D R 5 a r e f o r e s e e n t o b e a s a s o u r c e o f i o n b e a m s , r e a c t i v e a t o m i c s p e c i e s , o r q u a s i - n e u t r a l p l a s m a f o r m a t e r i a l s p r o c e s s i n g . "I11111111111171.1111“ l E . t . . § . . x . . ¥ . : . L f . I ) r n . a ‘ . k . 7 L 3 r . 5 : . 3 2 : : o J ‘ A k ‘ . . . A r _ k . ; ‘ A 1 I . V . A . A A 2 A ‘ . . . . 1 . _ ‘ . u . . 1 v . . m 3 . fl m . _ _ $ . . . : é ' . I . . ‘ u . , . < . a ‘ . o fi : ' i 7 . . . < V A ? . o . T a M L E . M . . Q : , . 3 9 . ! " h a n k ? a 5 ! : i f . ! E U N A R A T I T Y V R S N I R \\\Yi‘xxxxxxummamun‘funxxnumnl I E S B 3 1 6 m M l u G A m 3 1 2 9 3 0 1 5 5 5 0 “ + 5 3 1 5 L I B R A R Y M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y P L A C E I N R E T U R N 3 0 X t o r e m o v e t h i s c h o c k o u t h o w y o u : r e c o r d . T O A V O I D F I N E S m u m o n o r b e f o r e d a t e d u o . D A T E D U E , D A T E D U E ! D A T E D U E M S U I . A n A f fl r m a t l v o W M O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n W m : P R O P E R T I E S O F E L E C T R O N C Y C L O T R O N R E S O N A N C E P L A S M A S O U R C E S B Y A s e e m K u m a r S r i v a s t a v a A D I S S E R T A T I O N V O L U M E I I S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g . 1 9 9 5 C h a p t e r 8 A p p l i c a t i o n : T h e 6 1 9 a s g I n j e c t o r t o t h e S C E C R 8 . 1 I n t r o d u c t i o n 8 . 2 M u l t i p l y C h a r g e d E C R I S - a B r i e f I n t r o d u c t i o n 8 . 3 M u l t i p l y C h a r g e d E C R I S - a B l a c k B o x M o d e l 8 . 4 T h e S u p e r c o n d u c t i n g E C R I o n S o u r c e ( S C E C R ) 8 . 5 E x p e r i m e n t a l H a r d w a r e D e s c r i p t i o n ‘ 8 . 6 O p e r a t i o n o f t h e H y b r i d S o u r c e 8 . 7 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - 6 1 0 o n , S C E C R o f f 8 . 8 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - 6 1 0 o n , S C E C R o n 8 . 9 S u m m a r y o f R e s u l t s 8 . 1 0 C o n c l u d i n g R e m a r k s C / i a p t e r 8 fi p p l z ’ c a t i o m ‘ Z fi e 6 1 0 a s a n i r y ' e c t o r t o t fi e 5 Q £ fi C K 8 . 1 I n t r o d u c t i o n O t h e r t h a n s e m i c o n d u c t o r p r o c e s s i n g a p p l i c a t i o n s , t h e r e i s a n o t h e r v e r y i m p o r t a n t fi e l d o f s c i e n c e w h e r e i o n s o u r c e s a r e u s e d - t o c r e a t e i o n b e a m s f o r i n j e c t i o n i n t o p a r t i c l e a c c e l e r a t o r s . T h e s e a c c e l e r a t e d b e a m s ( u p t o 2 0 G e V p e r n u c l e o n a t t h e C E R N s u p e r c o l l i d e r i n E u r o p e ) a r e t h e n u s e d i n a v a r i e t y o f n u c l e a r p h y s i c s a n d p a r t i c l e f r a g m e n t a t i o n e x p e r i m e n t s . T h e r e a r e c u r r e n t l y a b o u t 4 5 e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e i o n s o u r c e s ( E C R I S ) f o r m u l t i p l y c h a r g e d p o s i t i v e i o n b e a m s i n o p e r a t i o n t h r o u g h o u t t h e w o r l d , w i t h 1 0 - l 5 m o r e u n d e r c o n s t r u c t i o n [ L y n - 9 2 ] . O n t h e c a m p u s o f M S U . i s t h e N a t i o n a l S u p e r c o n d u c t i n g C y c l o t r o n L a b o r a t o r y ( N S C L ) , w h e r e n u c l e a r p h y s i c s e x p e r i m e n t s a r e c a r r i e d o u t . P r i o r t o t h e m i d 8 0 s w h e n t h e fi r s t E C R I S w a s c o m m i s s i o n e d a t t h e N S C L . b e a m i n j e c t i o n i n t o t h e t w o c y c l o t r o n s a t t h e N S C L ( t h e K 5 0 0 a n d t h e K 1 2 0 0 ) w a s d o n e u s i n g P I G ( P h i l l i p s / P e n n i n g I o n i z a t i o n G a u g e ) s o u r c e s . H o w e v e r , P I G s o u r c e s h a v e c a t h o d e s t h a t a r e i m m e r s e d i n t h e p l a s m a . E n e r g e t i c i o n b o m b a r d m e n t f r o m t h e p l a s m a l e a d s t o e r o s i o n o f t h e c a t h o d e s a n d t h e r e f o r e , 3 3 7 3 3 8 s h o r t l i f e t i m e s f o r t h e s e s o u r c e s . I n d e e d t h e P I G s o u r c e s a t t h e N S C L h a d t o b e r e p l a c e d e v e r y f e w h o u r s d e p e n d i n g o n t h e i o n b e a m t h a t w a s t o b e i n j e c t e d i n t o t h e c y c l o t r o n ( e v e r y t w o h o u r s , f o r e x a m p l e w h e n a n e o n b e a m w a s u s e d [ C o l - 9 5 ] ) . A s m e n t i o n e d e a r l i e r , t h e s e P I G s o u r c e s w e r e s u b s e q u e n t l y s u p p l a n t e d b y m u l t i p l y c h a r g e d E C R i o n s o u r c e s , d e v e l o p e d a t t h e N S C L b y D r . T i m o t h y A n t a y a ’ s r e s e a r c h g r o u p . B e a m i n j e c t i o n f r o m t h e e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e i o n s o u r c e s ( E C R I S ) h a s s e v e r a l a d v a n t a g e s o v e r t h e c o n v e n t i o n a l P e n n i n g s o u r c e s : a m u c h l o n g e r l i f e t i m e d u e t o t h e a b s e n c e o f a n y e l e c t r o d e s i n t h e p l a s m a , s o t h a t t h e o n l y c o n s u m e d m a t e r i a l i n t h e i o n s o u r c e i s t h e w o r k i n g g a s i t s e l f . T h e E C R s o u r c e s a r e a l s o b e t t e r a b l e t o r e p r o d u c e t h e p e r f o r m a n c e o n a d a y t o d a y b a s i s . F i n a l l y , a w i d e r s e l e c t i o n o f i o n b e a m s m a y b e e x t r a c t e d f r o m t h e E C R I S , i n c l u d i n g m e t a l l i c i o n s s i n c e a b r o a d e r s p e c t r u m o f c h a r g e s t a t e s i s a v a i l a b l e . M a n y d i f f e r e n c e s e x i s t b e t w e e n t h e u s e o f E C R t e c h n o l o g y f o r m u l t i p l y c h a r g e d i o n s o u r c e s ( l i k e t h e o n e s u s e d a t t h e N S C L ) a n d t h e w a y t h i s v e r y s a m e t e c h n o l o g y i s u s e d i n p l a s m a s o u r c e s t h a t fi n d i n d u s t r i a l s e m i c o n d u c t o r a p p l i c a t i o n s ( l i k e t h e M P D R 6 1 0 ) . T h i s w i l l b e c o m e m o r e a p p a r e n t i n t h e n e x t f e w s e c t i o n s w h e r e m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S a n d t h e i r o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a r e d i s c u s s e d . D e s p i t e t h i s . s e v e r a l a r e a s o f m u t u a l i n t e r e s t b e t w e e n t h e t w o i o n s o u r c e g r o u p s a t M S U w e r e i d e n t i fi e d f o r i n v e s t i g a t i o n . T h i s c h a p t e r d e s c r i b e s t h e fi r s t o f s e v e r a l e x p e r i m e n t s c o n d u c t e d a t t h e N S C L a s a c o l l a b o r a t i v e e f f o r t o f t h e A n t a y a i o n s o u r c e g r o u p a t t h e N S C L a n d t h e A s m u s s e n g r o u p a t E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ( E E ) . T h e s e e x p e r i m e n t s e m p l o y e d t h e e x p e r t i s e a n d k n o w l e d g e o f b o t h r e s e a r c h g r o u p s . T h e r e s u l t s o f t h e s e e x p e r i m e n t s v e r i fi e d a n d f u r t h e r 3 3 9 e x p l a i n e d p h e n o m e n a c o n c e r n i n g i n t e n s e h i g h c u r r e n t m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S ( d e t a i l e d i n C h a p t e r s E i g h t a n d T e n ) . w h i l e a t t h e s a m e t i m e a l l o w e d c o n t i n u e d c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 ( a s d e t a i l e d i n C h a p t e r N i n e ) . T h e c h a p t e r b e g i n s w i t h a b r i e f i n t r o d u c t i o n t o m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S . W h i l e s e v e r a l b o o k s d i s c u s s t h e s e s o u r c e s i n g r e a t e r d e t a i l , a n i n t r o d u c t i o n i s w a r r a n t e d t o l a y a f o u n d a t i o n f o r t h e r e s t o f t h i s c h a p t e r ( a n d a l s o C h a p t e r T e n ) . A l s o . t h e m a i n d i f f e r e n c e s i n d e s i g n a n d o p e r a t i n g c o n d i t i o n s b e t w e e n m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S a n d t h e i o n s o u r c e s f r o m t h e E E g r o u p ( t h a t a r e s i m i l a r t o t h e i o n / f r e e r a d i c a l s o u r c e s w h i c h w e r e r e v i e w e d i n C h a p t e r T w o ) a r e d e t a i l e d . A n e x c e l l e n t s u m m a r y o f m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S o f t h e w o r l d i s p r o v i d e d i n R e f e r e n c e J o n - 8 9 . w h e r e t h e h i s t o r y o f t h e S U P E R M A F I O S , M I N I M A F I O S , E C R E V E ' I T E , O C T O P U S , a n d s e v e r a l o t h e r m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S f r o m a r o u n d t h e w o r l d i s d i s c u s s e d ( s e e . f o r e x a m p l e T a b l e 1 0 . 2 , R e f e r e n c e J o n — 8 9 ) . S e c t i o n s o f t h i s r e f e r e n c e a l s o d i s c u s s e s s o m e o f t h e c r u c i a l t h e o r e t i c a l b a c k g r o u n d a n d b a s i c p r i n c i p l e s o f m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S i n a c o n c i s e a n d r e a d a b l e m a n n e r . T h e n e x t s e c t i o n i n t h i s c h a p t e r p r e s e n t s a s i m p l i fi e d , b l a c k b o x m o d e l o f a m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S . f o l l o w e d b y a d e s c r i p t i o n o f t h e ' S u p e r c o n d u c t i n g E C R I o n S o u r c e ( S C E C R ) . o n e o f t h r e e m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S c u r r e n t l y i n o p e r a t i o n a t t h e N S C L ( t h e o t h e r s b e i n g t h e R o o m T e m p e r a t u r e E C R i o n s o u r c e - R T E C R . a n d t h e C o m p a c t E C R i o n s o u r c e - . t h e C P E C R ) . A m a j o r i t y o f t h e c o l l a b o r a t i v e e x p e r i m e n t a l w o r k ( b e t w e e n t h e N S C L a n d t h e E B i o n s o u r c e g r o u p s ) w a s c o n d u c t e d o n t h e S C E C R . D e t a i l s o f t h e e x p e r i m e n t s t h a t w e r e p e r f o r m e d f o r t h i s c h a p t e r a r e t h e n d i s c u s s e d , f o l l o w e d b y t h e r e s u l t s . w h i c h w e r e p r e s e n t e d a t t h e I C I S - 9 3 [ S r i - 9 3 c ) . a n d s u b s e q u e n t l y p u b l i s h e d i n t h e 3 4 0 p r o c e e d i n g s [ S r i - 9 4 c ] . . 2 M u ! R I - B r i I n d u c t i A s t h e n a m e s u g g e s t s , m u l t i p l y c h a r g e d i o n s o u r c e s c r e a t e a p l a s m a w h o s e c o n s t i t u e n t s i n c l u d e i o n s t h a t h a v e l o s t m o r e t h a n o n e o f t h e i r e l e c t r o n s . M u l t i p l y c h a r g e d i o n s o u r c e s a r e n o w e a s i l y a b l e t o p r o d u c e b e a m s o f f u l l y s t r i p p e d c h a r g e d s p e c i e s ( ” N 7 + o r 1 6 0 8 " ) , t o i n j e c t t h e o x y g e n o r n i t r o g e n n u c l e i i n t o t h e c y c l o t r o n s . o r t h e s e n u c l e i m a y b e u s e d d i r e c t l y i n a t o m i c p h y s i c s e x p e r i m e n t s . E C R I S m a y n o w a l s o b e u s e d t o g e n e r a t e m e t a l l i c i o n b e a m s t h r o u g h s p u t t e r i o n i z a t i o n o f m e t a l s i m m e r s e d i n a n i n t e n s e p l a s m a . T h e r e a s o n f o r u s i n g b e a m s o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s i s t h a t t h e a c c e l e r a t i o n o f t h e c h a r g e d s p e c i e s t h r o u g h a n e x t r a c t i o n p o t e n t i a l i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e c h a r g e . o f t h e i o n s . I n t h e o r y , a d o u b l y c h a r g e d i o n w i l l b e a c c e l e r a t e d t w i c e a s m u c h a s a s i n g l y c h a r g e d i o n w h e n g o i n g t h r o u g h t h e s a m e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e . ( N o t e , h o w e v e r t h a t i n a c y c l o t r o n t h e e n e r g y g a i n e d b y a n i o n i s p r o p o r t i o n a l t o t h e s q u a r e o f i t s c h a r g e . ) H e n c e , t h e h i g h e r t h e c h a r g e o n t h e i o n . t h e m o r e i t c a n b e a c c e l e r a t e d t h r o u g h t h e c y c l o t r o n s . T h i s i s i n f a c t , p r e c i s e l y t h e r e a s o n w h y i n d u s t r i a l s e m i c o n d u c t o r a p p l i c a t i o n s o f E C R i o n s o u r c e s M d e s i r e m u l t i p l y c h a r g e d i o n s - e n e r g e t i c i o n b o m b a r d m e n t o f t h e s u b s t r a t e m a y l e a d t o p r o h i b i t i v e l y h i g h d a m a g e r a t e s o n t h e s u r f a c e d u r i n g t h e m i c r o c h i p m a n u f a c t u r i n g o r fi l m d e p o s i t i o n b e i n g c a r r i e d o u t w i t h t h e a i d o f s o m e p l a s m a s p e c i e s . M o s t m u l t i p l y c h a r g e d i o n s o u r c e s t h a t a r e i n u s e i n t h e p a r t i c l e a c c e l e r a t o r l a b o r a t o r i e s o f t h e w o r l d a r e E C R i o n s o u r c e s [ A n t - 9 4 a , C l a - 8 3 , L y n - 3 4 1 9 2 , L o i - 8 4 ] . A s m e n t i o n e d e a r l i e r , s o m e E C R I S a r e a l s o u s e d d i r e c t l y i n a t o m i c p h y s i c s e x p e r i m e n t s ( l i k e t h e M I C R O M A F I O S ) . A l l E C R I S e m p l o y t h e s a m e e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e t h e o r y a s i n d u s t r i a l p l a s m a s o u r c e s t o c o u p l e p o w e r f r o m t h e e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s i n t o t h e e l e c t r o n g a s i n t h e p r e s e n c e o f a s p e c i fi e d s t a t i c m a g n e t i c fi e l d . T h e s e h o t e l e c t r o n s t h e n i m p a r t e n e r g y t o t h e n e u t r a l s a n d i o n s t h r o u g h c o l l i s i o n s . I t i s b e l i e v e d t h a t a n i o n g e t s m u l t i p l y c h a r g e d t h r o u g h a p r o c e s s k n o w n a s “ s u c c e s s i v e e l e c t r o n i m p a c t i o n i z a t i o n " w h e r e b y , a n i o n o f c h a r g e 1 ( h a v i n g l o s t t e l e c t r o n s ) u n d e r g o e s a n i n e l a s t i c c o l l i s i o n w i t h a n e n e r g e t i c e l e c t r o n a n d g e t s i o n i z e d f u r t h e r - t o a c h a r g e o f i + 1 . w h i l e l o s i n g a n o t h e r e l e c t r o n . T h i s m a y b e s h o w n t h r o u g h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n , w h e r e e " i n d i c a t e s a n e n e r g e t i c e l e c t r o n : A i + e ¢ = A i + l + 2 e ' ( 8 . 1 ) W h i l e t h e p r o c e s s o f e n e r g t r a n s f e r m a y b e t h e s a m e ( E C R ) , t h e c o n d i t i o n s u n d e r w h i c h m u l t i p l y c h a r g e d i o n s a r e g e n e r a t e d i n t h e E C R I S a r e s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t f r o m t h e s i n g l y ( o r a t m o s t d o u b l y ) c h a r g e d s u b s t r a t e p r o c e s s i n g i n d u s t r i a l E C R i o n s o u r c e s . S u c c e s s i v e e l e c t r o n i m p a c t i o n i z a t i o n ( a l s o k n o w n a s s t e p - w i s e i o n i z a t i o n ) o c c u r s i f a n d o n l y i f t h e c h a r g e d s p e c i e s i n . t h e p l a s m a c h a m b e r a r e c o n fi n e d l o n g e n o u g h t o u n d e r g o s e v e r a l e l a s t i c ( n o n - i o n i z i n g ) a n d i n e l a s t i c ( i o n i z i n g ) c o l l i s i o n s w i t h e n e r g e t i c e l e c t r o n s . T h i s l o n g c o n fi n e m e n t t i m e i s a c h i e v e d t h r o u g h t h e u s e o f m a g n e t i c b o t t l i n g o f t h e c h a r g e d s p e c i e s . A s t h e e l e c t r o n s o s c i l l a t e a r o u n d t h e fi e l d l i n e s a n d t r a v e l f r o m a r e g i o n o f l o w m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h t o a r e g i o n o f h i g h fi e l d s t r e n g t h . t h e d i r e c t e d ( n o n r o t a t i o n a l ) v e l o c i t y - 7 d e c r e a s e s d u e t o t h e f o r c e o f t h e m a g n e t i c 3 4 2 fi e l d s . I f t h e r a t i o o f t h e l o w e s t t o h i g h e s t m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h ( k n o w n a s t h e m a g n e t i c m i r r o r r a t i o ) i s l a r g e e n o u g h , t h e e l e c t r o n w i l l c o m e t o a f u l l h a l t . a n d s t a r t m o v i n g b a c k t o t h e r e g i o n o f l o w fi e l d s t r e n g t h . g a i n i n g e n e r g y a s i t g o e s t h r o u g h t h e E C R r e g i o n s ( a s s u m i n g t h e E C R z o n e s l i e s o m e w h e r e w i t h i n t h e m a g n e t i c b o t t l e ) . T h e e l e c t r o n i s t h e n s a i d t o b e “ c o n fi n e d ” b y t h e m a g n e t i c b o t t l e . D u e t o t h i s c o n fi n e m e n t . t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s i n m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S a r e u s u a l l y v e r y h i g h - t y p i c a l l y f r o m 1 k e V t o 1 0 k e V ( c o m p a r e d w i t h t h e s e v e r a l e V o f a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g y i n t h e i o n s o u r c e s u s e d i n i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s , l i k e t h e M P D R s o u r c e s i n E E ) . A l l m u l t i p l y c h a r g e d i o n s o u r c e s e m p l o y m a g n e t i c c o n fi n e m e n t ( b o t h r a d i a l a n d a x i a l ) t o p r e v e n t l o s s o f c h a r g e d s p e c i e s b e f o r e s u c c e s s i v e i o n i z a t i o n h a s o c c u r r e d . H e n c e t h e d e s i g n o f t h e s e c o n fi n i n g m a g n e t i c fi e l d s i s c r i t i c a l t o t h e p e r f o r m a n c e o f t h e E C R I S , a n d s e v e r a l c o m p u t e r c o d e s e x i s t ( l i k e P O I S S O N a n d P A N D I R A , o r T O S C A ) t o a c c u r a t e l y c o n s t r u c t t h e r e q u i s i t e m a g n e t i c fi e l d t o p o l o g r . T h e s e c o n fi n e m e n t m a g n e t s a l s o p r o v i d e t h e c l o s e d “ E C R z o n e s ” i n c e r t a i n p a r t s o f t h e p l a s m a c h a m b e r ( w i t h i n t h e m a g n e t i c b o t t l e ) . w h i c h a l l o w s t h e E C R p o w e r t r a n s f e r m e c h a n i s m t o t a k e p l a c e a s t h e e l e c t r o n s o s c i l l a t e a b o u t t h e s t a t i c m a g n e t i c fi e l d l i n e s . T h e m a g n e t i c fi e l d s i m u l a t i n g c o m p u t e r c o d e s m a y a l s o b e u s e d t o c r i t i c a l l y l o c a t e t h e s e E C R z o n e s f o r o p t i m a l e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e h e a t i n g ( E C R H ) a n d s o u r c e p e r f o r m a n c e . S i n c e t h e e l e c t r o n s a r e s e l e c t i v e l y h e a t e d i n a n E C R I S , t h e i o n g a s t e m p e r a t u r e ( a n d h e n c e t h e r a n d o m e n e r g y o f t h e i o n s ) r e m a i n s r e l a t i v e l y l o w - p r o b a b l y l e s s t h a n 1 e V [ J o n - 8 9 ] . T h i s i s a m a j o r r a m i fi c a t i o n o f E C R H b e c a u s e m o s t o f t h e b e a m b r o a d e n i n g , e n e r g y s p r e a d a n d t h e c o r r e s p o n d i n g h i g h e m i t t a n c e s o f t h e i o n b e a m i s c a u s e d b y h i g h r a n d o m e n e r g y o f t h e i o n g a s 3 4 3 ( s o m e b r o a d e n i n g m a y a l s o b e l i n k e d t o s p a c e c h a r g e , a n d c h a r g e e x c h a n g e e f f e c t s ) . I n a n E C R I S . t h e i o n g a s i s r e l a t i v e l y c o l d . w h i c h r e d u c e s t h e e n e r g y s p r e a d , a n d e n h a n c e s i o n b e a m t r a n s p o r t a b i l i t y . T h e e m i t t a n c e o f t h e i o n b e a m s e x t r a c t e d f r o m a n E C R I S i s t h e r e f o r e d o m i n a t e d b y t h e p r o p e r t i e s o f t h e b e a m e x t r a c t i o n a n d t r a n s p o r t s y s t e m s , a n d n o t b y t h e e f f e c t s o f r a n d o m i o n e n e r g y . A n o t h e r m a j o r f a c t o r i n c r e a t i n g m u l t i p l y c h a r g e d s p e c i e s i s t h e p r e s s u r e a t w h i c h t h e i o n s o u r c e o p e r a t e s . F o r m u l t i p l y c h a r g e s t a t e i o n s o u r c e s . a n i n t e r e s t i n g t r a d e o f f i s e n c o u n t e r e d w h i l e c o n s i d e r i n g t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e . E C R I S f o r m u l t i p l y c h a r g e d i o n s n o r m a l l y o p e r a t e a t p r e s s u r e s a b o u t 1 0 ' 6 T o r r o r l e s s - t w o t o t h r e e d e c a d e s l o w e r t h a n t h e i r p l a s m a p r o c e s s i n g c o u s i n s u s e d i n i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s . A t s u c h p r e s s u r e s . t o a fi r s t a p p r o x i m a t i o n . i o n d e n s i t y ( a n d h e n c e t h e h i g h c h a r g e s t a t e i o n s ) p r o d u c e d b y t h e i o n s o u r c e i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e n e u t r a l d e n s i t y ( m o r e n e u t r a l s e q u a l s m o r e i o n s t h a t c a n b e f o r m e d ) . w h i c h i s i n i t s e l f d e fi n e d b y t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e . S o i n c r e a s i n g p r e s s u r e s h o u l d i n c r e a s e i o n d e n s i t y . H o w e v e r , a h i g h d i s c h a r g e p r e s s u r e a l s o m e a n s m o r e i o n - n e u t r a l c o l l i s i o n s l e a d i n g t o s c a t t e r i n g a n d a l o s s o f c o n fi n e m e n t o f t h e i o n s , a n d a l s o p h e n o m e n a l i k e c h a r g e e x c h a n g e . T h e s e p h e n o m e n a r e t a r d t h e s u c c e s s i v e ( o r s t e p w i s e ) e l e c t r o n i m p a c t i o n i z a t i o n a n d h e n c e a t h i g h e r p r e s s u r e s . t h e p r o d u c t i o n o f h i g h c h a r g e s t a t e s i s a l s o d e p r e s s e d . T h e r e f o r e . a c o m p r o m i s e i n t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s i s u s u a l l y n e c e s s a r y . w h e r e t h e ‘ n e u t r a l d e n s i t y i n t h e p l a s m a i s h i g h e n o u g h t o g e n e r a t e t h e r e q u i r e d a m o u n t o f c h a r g e d s p e c i e s . b u t t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e i s l o w e n o u g h t o a l l o w l o n g i o n l i f e t i m e s , t h a t i n t u r n a l l o w s u c c e s s i v e i o n i z a t i o n . T h i s o p t i m a l o p e r a t i n g p r e s s u r e i n a n E C R I S i s g e n e r a l l y r e a c h e d t h r o u g h e m p i r i c a l m e a n s . 3 4 4 A s w i l l b e s e e n i n a l a t e r s e c t i o n , t h i s d i f f e r e n c e o f o p e r a t i n g p r e s s u r e w a s a m a j o r o b s t a c l e i n t h e e x p e r i m e n t s d e t a i l e d i n t h i s c h a p t e r . W h e n h e a v i e r g a s e s l i k e n e o n , o r k r y p t o n a r e u s e d t o p r o d u c e m u l t i p l y c h a r g e d i o n s , a p r o c e s s k n o w n a s “ s u p e r g a s m i x i n g ” m a y b e u s e d t o e n h a n c e i o n c o n fi n e m e n t a n d g e n e r a t i o n o f m u l t i p l y c h a r g e d s p e c i e s [ A n t - 9 2 ] . A s a r u l e . n o a m o u n t o f m a g n e t i c c o n fi n e m e n t c a n k e e p t h e h i g h e n e r g y e l e c t r o n s f r o m b r e a k i n g a w a y f r o m t h e fi e l d l i n e s a n d l e a v i n g t h e c o n fi n e d p l a s m a . W h e n e n e r g e t i c e l e c t r o n s b r e a k o u t o f t h e m a g n e t i c c o n fi n e m e n t a n d a r e l o s t t o t h e w a l l s . t h e i o n s i n t h e p l a s m a m u s t f o l l o w t h e s e l o s t e l e c t r o n s t o m a i n t a i n q u a s i - n e u t r a l i t y i n t h e p l a s m a . I f t h e e l e c t r o n l o s s w a s n o t c o m p l e m e n t e d b y a s i m i l a r i o n i c l o s s , t h e p l a s m a p o t e n t i a l w o u l d c o n t i n u o u s l y i n c r e a s e w i t h t i m e a n d i n c r e a s i n g e l e c t r i c fi e l d s w o u l d b e s e t u p i n s i d e t h e p l a s m a . T o c o n t a i n t h i s l o s s o f h e a v y i o n s ( a n d t h e r e b y i n c r e a s i n g t h e i o n l i f e t i m e s ) . a “ b a l l a s t g a s ” w i t h a m u c h l o w e r a t o m i c w e i g h t i s i n j e c t e d i n t o t h e p l a s m a a n d i o n i z e d . T h e l i g h t e r b a l l a s t g a s i o n s t h e n f o l l o w t h e b r e a k a w a y e n e r g e t i c e l e c t r o n s a n d a l l o w t h e h e a v i e r m a i n g a s i o n s t o r e m a i n c o n fi n e d i n s i d e t h e p l a s m a t o u n d e r g o m u l t i p l e i o n i z a t i o n . I n e f f e c t , t h i s t e c h n i q u e “ c o o l s ” t h e h e a v y i o n s . T h e p l a s m a p o t e n t i a l i n t h e s o u r c e i s r e d u c e d . a n d u s u a l l y v a r i e s b e t w e e n 1 0 t o 4 0 V ( p o s i t i v e ) i n a m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e E C R I S l i k e t h e A E C R a t L a w r e n c e B e r k e l e y L a b o r a t o r y [ X i e - 9 3 ] . F o r e x a m p l e . o x y g e n m a y b e . u s e d a s t h e b a l l a s t g a s f o r t h e k r y p t o n i o n b e a m i n t h e S C E C R . T h e r e s u l t s a r e s h o w n i n t h e s a m p l e c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n o f F i g u r e 3 . 1 5 . C h a p t e r T h r e e , w h i c h s h o w s t h e i n d i v i d u a l i o n p e a k s o f t h e k r y p t o n / o x y g e n p l a s m a . B e c a u s e o f t h e l i g h t e r o x y g e n i o n s , t h e k r y p t o n i o n s h a d s u f fi c i e n t l y l o n g l i f e t i m e s i n t h e S C E C R s o a s t o a l l o w t h e p r o d u c t i o n o f h i g h c h a r g e s t a t e s . 3 4 5 A fi n a l c r u c i a l d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o s e t s o f i o n s o u r c e s i s t h e t h e o r y o f “ f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g ” t h a t h a s b e e n u s e d t i l l n o w f o r d e s i g n i n g m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e E C R I S . T h i s w i l l b e c o v e r e d m o r e t h o r o u g h l y i n C h a p t e r T e n , b u t a s y n o p s i s i s p r e s e n t e d h e r e i n t h e c o n t e x t o f d i s c u s s i n g t h e s e E C R I S . A c c o r d i n g t o t h i s r a t h e r s i m p l i fi e d t h e o r y ( w h i c h e m p l o y s m a n y a s s u m p t i o n s ) , t h e p l a s m a m a y b e m o d e l l e d a s a h i g h p a s s fi l t e r . S u b s e q u e n t d e r i v a t i o n s f r o m t h i s s i m p l i fi e d m o d e l i m p l y t h a t t h e i o n d e n s i t y p r o d u c e d i n a n E C R I S i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e s q u a r e o f t h e f r e q u e n c y o f e x c i t a t i o n [ J o n - 8 9 ] . H e n c e , t h e r e h a s b e e n ( a n d c o n t i n u e s t o d a t e ) a s t e a d y m i g r a t i o n i n t h e d e v e l o p m e n t o f m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e E C R I S t o h i g h e r f r e q u e n c i e s , a n d m o s t s u c h s o u r c e s n o w o p e r a t e a t f r e q u e n c i e s r a n g i n g f r o m 6 G H z t o 1 8 G H z , w h i l e s o m e o p e r a t e a t e v e n h i g h e r f r e q u e n c i e s . I n c o m p a r i s o n , a l m o s t a l l i o n s o u r c e s t h a t a r e u s e d i n i n d u s t r y u t i l i z e t h e c o m m o n l y a v a i l a b l e f r e q u e n c y o f 2 . 4 5 G H z . ( S o m e o p e r a t e a t e v e n l o w e r f r e q u e n c i e s - r a d i o f r e q u e n c i e s - b u t n o n e g o h i g h e r t h a n a f e w G H z . ) W h i l e d i s c u s s i n g t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g i n C h a p t e r T e n , i t w i l l a l s o b e n o t e d t h a t w h i l e t h i s l a w h a s b e e n s u c c e s s f u l i n p r o d u c i n g h i g h e r d e n s i t i e s ( a n d h i g h e r c h a r g e d s t a t e s ) i n E C R I S , o t h e r c r i t e r i a a r e e q u a l l y i m p o r t a n t f o r p r o d u c i n g h i g h i n t e n s i t i e s o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n b e a m s . T h i s w a s p o s t u l a t e d a s f a r b a c k a s 1 9 8 4 [ J o n - 8 4 ) . A s i m p l i fi e d p i c t u r e o f a n E C R I S f o r m u l t i p l y c h a r g e d i o n b e a m s n o w e m e r g e s , a n d i s d e p i c t e d i n F i g u r e 8 . 1 . M a d e o f c o p p e r o r b r a s s , i t u s u a l l y c o n s i s t s o f t w o s t a g e s : t h e fi r s t s t a g e w h i c h i s t h o u g h t t o p r e - i o n i z e t h e w o r k i n g 3 4 6 A t m o s p h e r i c P r e s s u r e i E 3 C e r a m i c P r e s s u r e W i n d o w O f f A x i s R e c t a n a r W a v e g u i d e M i c r o w a v e I n j e c ' o n ( i n v a c u u m ) S o l i d F e e d f o r G a s M e t a l l i c I o n s I n j e c t i o n — F i r s t S t a g e _ _ . _ l _ 4 - M a g n e t i c S t r u c t u r e < - H i V a c u u R e g g l i l o n ( < 1 6 . 9 7 T o r r ) < - _ l _ i _ _ i E E K : , / \ 1 1 { 2 : 2 2 : 2 3 / ' / \ P u m p i n g . E x t r a c t i o n E l e c t r o d e s P o s i t i v e I o n B e a m F l 8 . 1 S c h e m a t i c o f a t i a l E C R I S o r m u l t i l c e d i o n s . N o t e t h e a g g r e s s i v e m a g n e t i c c o n fi n e m e n t o f t h e p l a s m a i n t h e m a i n s t a g e . 3 4 7 g a s a n d i n j e c t t h e l o w d e n s i t y . l o w c h a r g e s t a t e p l a s m a i n t o t h e m a i n s t a g e . w h e r e - u n d e r t h e r i g h t d i s c h a r g e p r e s s u r e . p o w e r a n d m a g n e t i c c o n fi n e m e n t c o n d i t i o n s - s u c c e s s i v e e l e c t r o n i m p a c t i o n i z a t i o n g e n e r a t e s t h e h i g h l y c h a r g e d i o n s . T h e m a i n r e a s o n f o r a d u a l s t a g e s o u r c e , h o w e v e r w a s t h o u g h t t o b e t o s a t i s f y t h e t r a d e o f f t h a t w a s d i s c u s s e d e a r l i e r i n S e c t i o n 8 . 2 - h o w t o k e e p t h e p r e s s u r e h i g h . e n o u g h t o i n c r e a s e i o n d e n s i t y . w h i l e a t t h e s a m e t i m e k e e p i n g t h e p r e s s u r e l o w e n o u g h f o r s u c c e s s i v e e l e c t r o n i m p a c t i o n i z a t i o n . T h i s i s s o l v e d b y m a i n t a i n i n g a h i g h e r p r e s s u r e i n t h e fi r s t s t a g e t h a t p r e - i o n i z e s t h e g a s ( t h e r e b y s a t i s f y i n g t h e P a s c h e n l a w f o r g a s b r e a k d o w n ) a n d t h e r e b y i n c r e a s i n g t h e i o n d e n s i t y . D i f f e r e n t i a l p u m p i n g o f t h e m a i n s t a g e t h e n a l l o w s a l o w e r p r e s s u r e i n t h e m a i n s t a g e t h a n i n t h e fi r s t s t a g e w h i c h i n c r e a s e s t h e m e a n l i f e t i m e o f t h e i o n s ( a n d c r e a t e s c o n d i t i o n s c o n d u c i v e t o s u c c e s s i v e i m p a c t i o n i z a t i o n ) . T h e m a i n s t a g e d i s c h a r g e p r e s s u r e i s k e p t a t o r b e l o w 1 0 ‘ 6 T o r r f o r o p t i m a l m u l t i p l y c h a r g e d i o n p r o d u c t i o n . B o t h s t a g e s m a y b e f e d m i c r o w a v e s t h r o u g h o n e g e n e r a t o r ( t y p i c a l l y v i a w a v e g u i d e s ) . o r t h e y m a y h a v e s e p a r a t e w a v e g u i d e s t h a t t r a n s p o r t t h e T E 1 0 m o d e ( l o w e s t w a v e g u i d e c u t o f f m o d e ) t o t h e p l a s m a . B o t h s t a g e s m a y e v e n o p e r a t e a t d i f f e r e n t m i c r o w a v e f r e q u e n c i e s . N o t e t h a t s i n c e t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n f o r t h e m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S r a n g e s f r o m a b o u t 6 G I - I z t o 3 5 G H z . t h e h i g h p o w e r k l y s t r o n ( o r g y r o t r o n ) b a s e d m i c r o w a v e t r a n s m i t t e r s a r e e x t r e m e l y e x p e n s i v e t o p u r c h a s e a n d m a i n t a i n . c o m p a r e d t o t h e p l a s m a s o u r c e s u s e d i n i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s w h i c h a r e u s u a l l y o p e r a t e d u s i n g t h e a b u n d a n t l y a v a i l a b l e ( a n d c h e a p e r ) 2 . 4 5 G I - I z m a g n e t r o n s . A t t h e b a s e o f t h e s o u r c e i s t h e e x t r a c t i o n a p p a r a t u s . f r o m w h e r e s p e c i a l l y d e s i g n e d m u l t i p l e e l e c t r o d e s e x t r a c t t h e i o n b e a m . N o t e t h a t A L L i o n s w h i c h d i f f u s e t o t h e b a s e a r e e x t r a c t e d . a n d 3 4 8 t h e s e p a r a t i o n o f d i f f e r e n t c h a r g e s t a t e s ( l i k e 1 4 N 7 * f r o m 1 4 N 6 + . f o r e x a m p l e ) t a k e s p l a c e l a t e r a s t h e b e a m i s d e fl e c t e d t h r o u g h a d i p o l e m a g n e t d o w n s t r e a m f r o m t h e e x t r a c t i o n e l e c t r o d e s . H e n c e t h e r e i s t h e “ i n j e c t i o n e n d ” a n d t h e “ e x t r a c t i o n e n d ” o f t h e E C R I S . T h e [ m a g n e t i c fi e l d s t r u c t u r e s u r r o u n d i n g t h e m a i n s t a g e i s a c r u c i a l d e s i g n p a r a m e t e r a n d a b o u t o n e t h i r d o f t h e fi n a n c h r e s o u r c e s i n b u i l d i n g a n e w E C R I S m a y b e d e v o t e d f o r t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f m a g n e t s a l o n e . T h e m a g n e t s m a y b e p e r m a n e n t a n d / o r e l e c t r i c c o i l s t h a t m a y b e a t r o o m t e m p e r a t u r e , o r t h e r e m a y b e c r y o g e n i c a l l y c o o l e d s u p e r c o n d u c t i n g c o i l s . A s p e c i a l m a g n e t i c fi e l d t o p o l o g y k n o w n a s t h e “ m i n i m u m B c o n fi g u r a t i o n “ i s g e n e r a l l y u s e d f o r m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e E C R I S . w h e r e t h e fi e l d s t r e n g t h i s m i n i m u m i n t h e c e n t e r o f t h e s o u r c e a n d i n c r e a s e s i n e v e r y d i r e c t i o n . T h i s m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n p r o v i d e s c o n fi n e m e n t o f c h a r g e d s p e c i e s i n b o t h t h e a i d a l a n d r a d i a l d i r e c t i o n s , a n d a l s o p r o d u c e s t h e fi e l d s t r e n g t h n e c e s s a r y f o r E C R a t t h e o p e r a t i n g f r e q u e n c y o f t h e i o n s o u r c e . G e n e r a l l y a x i a l c o n fi n e m e n t i s p r o d u c e d f r o m m a g n e t i c fi e l d g e n e r a t e d b y a s e r i e s o f s o l e n o i d c o i l s s u r r o u n d i n g t h e p l a s m a c h a m b e r . T h e r a t i o o f m a x i m u m t o m i n i m u m fi e l d i s k n o w n a s t h e m i r r o r r a t i o . F o r o p t i m a l a x i a l c o n fi n e m e n t , t h e m i r r o r r a t i o a t t h e i n j e c t i o n e n d o f t h e E C R I S ( c l o s e t o t h e fi r s t s t a g e ) i s h i g h e r t h a n t h e r a t i o a t t h e e x t r a c t i o n e n d o f t h e s o u r c e . R a d i a l c o n fi n e m e n t i s p r o d u c e d b y a m u l t i - p o l a r fi e l d ( l i k e a h e x a p o l e , o r o c t a p o l e fi e l d ) . F i n a l l y . t h e m i n i m u m B c o n fi g u r a t i o n a l s o s t a b i l i z e s t h e p l a s m a b o u n d a r y f r o m m a g n e t o - h y d r o - d y n a m i c ( M I - I D ) i n s t a b i l i t i e s [ J o n - 8 9 , J o n - 8 4 ] . A s s i m p l e a s t h i s p i c t u r e l o o k s ( s p e c i a l l y i n F i g u r e 8 . l ) . t h e m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S i s a c o m p l i c a t e d s y s t e m . I t i n c o r p o r a t e s s e v e r a l d i f f e r e n t 3 4 9 t e c h n o l o g i e s l i k e e l e c t r o m a g r r e t i c s , c r y o g e n i c s , s u r f a c e s c i e n c e ( e l e c t r o n e m i t t i n g s u r f a c e s w o r k w e l l f o r t h e p l a s m a c h a m b e r - a s w i l l b e s e e n l a t e r ) , v a c u u m s c i e n c e . a n d t h e t h e o r i e s o f e x t r a c t i n g a n d t r a n s p o r t i n g i o n b e a m s . T h e c o m p l e x i t y a n d s o p h i s t i c a t i o n o f s u c h a n E C R I S i s n o w f u r t h e r c l a r i fi e d w i t h t h e d e s c r i p t i o n o f t h e S C E C R . w h i c h h a s b e e n d e m o n s t r a t e d a s h a v i n g s o m e o f t h e w o r l d ’ s b e s t o p e r a t i o n p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s t o d a y [ A n t - 9 4 a , A n t - 8 9 ] f o r g e n e r a t i n g h i g h i n t e n s i t i e s o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s . . 4 u o n d u R I u r c R F i g u r e 8 . 2 i s a s c h e m a t i c o f t h e S C E C R a t t h e N S C L . C o m m i s s i o n e d i n 1 9 8 9 , i t i s a v a r i a b l e f r e q u e n c y , f u l l y s u p e r c o n d u c t i n g , h e x a p o l e s t a b i l i z e d t a n d e m m i r r o r i o n s o u r c e w i t h a c o l l i s i o n a l p r e - i o n i z i n g i n j e c t o r a n d a m u l t i m o d e m i c r o w a v e c a v i t y a s t h e m a i n s t a g e . A n e x p l a n a t i o n o f t h e a b o v e s t a t e m e n t f o l l o w s . T h e S C E C R h a s a f u l l c o m p l i m e n t o f fi v e l i q u i d h e l i u m c o o l e d , s u p e r c o n d u c t i n g c o i l s c o n t a i n i n g c o p p e r s t a b i l i z e d n i o b i u m t i t a n i u m c o n d u c t o r s ( w i t h f o r m v a r i n s u l a t i o n ) , s t a c k e d t h r e e ( a t t h e i n j e c t i o n e n d ) a n d t w o ( a t t h e e x t r a c t i o n e n d ) , t h a t p r o v i d e t h e a x i a l c o n fi n e m e n t . T h e s e c o i l s a r e t h e o r e t i c a l l y a b l e t o g e n e r a t e fi e l d s t r e n g t h s t o s a t i s f y E C R a n d c o n fi n e m e n t c o n d i t i o n s f o r . f r e q u e n c i e s a s l o w a s 2 . 4 5 G H z a n d u p t o 3 5 G H z . T h e s o u r c e h a s a h e x a p o l e f o r r a d i a l c o n fi n e m e n t , w h i c h i s a l s o s u p e r c o n d u c t i n g a n d r e s i d e s i n s i d e t h e b o r e o f t h e t a n d e m m i r r o r . I t p r o v i d e s t h e r a d i a l c o n fi n e m e n t f o r t h e c h a r g e d s p e c i e s , t h e r e b y g e n e r a t i n g t h e r a d i a l c o m p o n e n t o f t h e m i n i m u m B c o n fi g u r a t i o n . T h e d e s i g n o f t h e S C E C R i s v e r y r o b u s t , w i t h s e p a r a t e s y s t e m s a c t i n g i n d e p e n d e n t l y o f e a c h o t h e r . F o r e x a m p l e , t h e c r y o g e n i c v a c u u m s y s t e m o p e r a t e s i n d e p e n d e n t 3 5 0 V E R T I C A L S U P P O R T F I R S T S T A G E T U B E S V O K E S O L E N O I D H E X A P O L E M A G N E T N I T R O G E N S l - E L D C R Y O S T A T 3 6 . 8 1 2 R E F R A D I A L S U P P O R T P L A S M A C H M E R T E F L 0 N I N S U L A T O R \ E X T R A C T I O N E L E C T R O D E E X T R A C T I O N E L E C T R O D E A D J U S T I N J G N M E C H A N I S M 8 . 2 c 1 ’ t h N o t e t h e 5 s o l e n o i d c o i l s a n d t h e h e x a p o l e c o i l s w i t h i n t h e b o r e . A l l m a g n e t s a r e s u p e r c o n d u c t i n g . T h e s y s t e m i s s e t u p f o r 6 . 4 G i - I z f r e q u e n c y i n j e c t i o n i n t o t h e m a i n s t a g e . 3 5 1 o f t h e p l a s m a v a c u u m s y s t e m . T h e l e n g t h o f t h e m a i n s t a g e i s 5 0 c m . a n d i t h a s a d i a m e t e r o f 1 4 c m . w h i c h c r e a t e s a s t a n d a r d c i r c u l a r w a v e g u i d e m u l t i m o d e m i c r o w a v e c a v i t y s t r u c t u r e . S o m e m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S m a y b e a s l a r g e a s t h e S U P E R M A F I O S w i t h a 1 0 0 c m l e n g t h a n d 3 5 c m d i a m e t e r . O t h e r s , l i k e s o m e J a p a n e s e s o u r c e s a t R I K E N a r e r e l a t i v e l y s m a l l e r - E C R I S c o m e i n v a r i o u s s i z e s [ J o n - 8 9 ] . A t h r e e e l e c t r o d e P i e r c e - t y p e a c c e l - d e c e l e x t r a c t i o n s y s t e m a t t h e b a s e o f t h e S C E C R p r o v i d e s t h e n e c e s s a r y v o l t a g e s a t a p p r o p r i a t e e l e c t r o d e a n g l e s f o r i o n b e a m e x t r a c t i o n . T h e fi r s t e l e c t r o d e i s c o n n e c t e d t o t h e S C E C R a n d s o i s m a i n t a i n e d a t h i g h p o t e n t i a l ( u p t o 3 0 k V ) . T h e s e c o n d e l e c t r o d e m a y b e e i t h e r g r o u n d e d . o r a t a n e g a t i v e p o t e n t i a l - h e n c e t h e “ a c c e l ” s e c t i o n o f t h e e x t r a c t i o n a p p a r a t u s . T h e fi n a l e l e c t r o d e i s g e n e r a l l y g r o u n d e d , t h e r e b y p r o v i d i n g t h e “ d e c e l ” s e c t i o n o f t h e a p p a r a t u s . T h e s p h e r i c a l “ q u a s i - P i e r c e “ a n g l e o f t h e fi r s t e l e c t r o d e , a n d t h e s e p a r a t i o n b e t w e e n t h e e l e c t r o d e s i s c r i t i c a l t o t h e o p e r a t i o n o f t h e a p p a r a t u s . ( T h i s w i l l b e c o v e r e d i n m o r e d e t a i l i n C h a p t e r N i n e , w h e r e a s i m i l a r s y s t e m i s d e s i g n e d f o r e x t r a c t i n g b e a m s d i r e c t l y f r o m t h e 6 1 0 . ) I n e f f e c t , t w o e l e c t r o s t a t i c l e n s e s a r e c r e a t e d t h a t f o c u s a n d a c c e l e r a t e t h e i o n b e a m o u t o f t h e S C E C R a n d i n t o t h e b e a m p i p e . T h e S C E C R i s t h e r e f o r e a fi x e d v o l u m e i o n s o u r c e ( u n l i k e t h e v a r i a b l e - v o l u m e M P D R s l i k e t h e 6 1 0 ) w h e r e t u n i n g o f t h e s o u r c e i s d o n e b y v a r y i n g t h e f l u x o f s p e c i e s f r o m t h e fi r s t s t a g e , t h e g a s t y p e ( g a s m i x i n g ) , d i s c h a r g e p r e s s u r e ( f l o w r a t e o f t h e w o r k i n g g a s ) i n . t h e m a i n s t a g e , m i c r o w a v e i n p u t p o w e r . e x t r a c t i o n v o l t a g e s a n d b y a d j u s t i n g t h e v a r i o u s m a g n e t i c fi e l d s ( h e n c e t h e n e c e s s i t y o f h a v i n g e l e c t r o m a g n e t i c c o i l s ) . A s m e n t i o n e d e a r l i e r , a l l o f t h i s t u n i n g u l t i m a t e l y c o n t r o l s t h e p l a s m a p o t e n t i a l i n s i d e t h e s o u r c e t h a t e q u a l i z e s t h e i o n 3 5 2 a n d e l e c t r o n l o s s e s t o t h e w a l l s [ X i e - 9 3 ) . A s n o t e d a b o v e . t h e S C E C R i s a t w o s t a g e s o u r c e . W o r k i n g g a s i s f e d t h r o u g h t h e fi r s t s t a g e , a n d m i c r o w a v e s ( a t 6 . 4 G H z ) a r e i n j e c t e d i n t o t h e m a i n s t a g e t h r o u g h a w a v e g u i d e t e r m i n a t i n g a t t h e b a f fl e p l a t e t h a t s e p a r a t e s t h e m a i n s t a g e f r o m t h e fi r s t s t a g e . T h e m i c r o w a v e s m i g r a t e d o w n i n t o t h e m a i n s t a g e . a n d a t t h e s a m e t i m e u p i n t o t h e fi r s t s t a g e w h e r e , b y d e s i g n . t h e f a l l i n g e d g e o f t h e a x i a l m a g n e t i c fi e l d ( f r o m t h e i n j e c t i o n e n d m i r r o r fi e l d ) c r e a t e s a n E C R z o n e . T h e h i g h p r e s s u r e ( c o m p a r e d t o t h e m a i n s t a g e ) i n t h e fi r s t s t a g e i s t h o u g h t t o g e n e r a t e a c o l d . c o l l i s i o n a l l o w c h a r g e s t a t e p l a s m a w h i c h t h e n d i f f u s e s f r e e l y i n t o t h e m a i n s t a g e b e c a u s e o f a d e n s i t y a n d p r e s s u r e g r a d i e n t . I n f a c t , a b i a s d i s k r a i s e d t o a p o t e n t i a l r e l a t i v e t o t h e s o u r c e m a y b e a t t a c h e d t o t h e e g r e s s o f t h e fi r s t s t a g e t o “ e x t r a c t ” t h e c o l l i s i o n a l p l a s m a ( o r a c e r t a i n c h a r g e d s p e c i e s ) f r o m t h e fi r s t s t a g e m o r e e f fi c i e n t l y . T i r e v e r y l o w p r e s s u r e s ( ~ 1 0 ' 6 T o r r . o r l o w e r ) . E C R h e a t e d e l e c t r o n s ( u p t o 1 0 k e V ) a n d t h e m i n i m u m B m a g n e t i c fi e l d c o n fi n e m e n t i n t h e m a i n s t a g e , a n d g a s m i x i n g a l l p r o v i d e t h e c o n d i t i o n s n e c e s s a r y f o r s u c c e s s i v e i m p a c t i o n i z a t i o n . A t y p i c a l S C E C R c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n w a s s h o w n i n C h a p t e r T h r e e ( fi g u r e 3 . 1 5 ) , w h e r e a k r y p t o n b e a m w a s b e i n g e x t r a c t e d w i t h o x y g e n u s e d a s a b a l l a s t g a s . M o r e e x o t i c s p e c i e s . f o r e x a m p l e 2 3 8 W h a v e a l s o b e e n s u c c e s s f u l l y p r o d u c e d i n t h e S C E C R . W h i l e t h e n e c e s s i t y o f t h e fi r s t s t a g e f o r t h e o p t i m a l p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R h a s b e e n p r o v e n b e y o n d d o u b t ( r e m o v i n g t h e fi r s t s t a g e d e p r e s s e s t h e p e r f o r m a n c e o f h i g h c h a r g e s t a t e s f r o m t h e s o u r c e ) . t h e e x a c t r o l e p l a y e d b y t h e fi r s t s t a g e w a s a m b i g u o u s . W h a t s p e c i fi c s p e c i e s o f t h e c o l d . c o l l i s i o n a l , l o w c h a r g e s t a t e p l a s m a g e n e r a t e d b y t h e fi r s t s t a g e w e r e a c t u a l l y r e q u i r e d b y t h e m a i n s t a g e f o r o p t i m a l p e r f o r m a n c e ? A u n i q u e 3 5 3 o p p o r t u n i t y t o s t u d y t h i s a r o s e t h r o u g h t h e c o l l a b o r a t i o n w i t h t h e B E i o n s o u r c e r e s e a r c h g r o u p . a n d t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s o f t h i s c h a p t e r d e t a i l t h e e x p e r i m e n t s a n d t h e r e s u l t s . s t a r t i n g w i t h t h e d e s c r i p t i o n o f t h e h a r d w a r e . 8 . 5 g u n m e n t a l H a r d w a r e D e s c r i p t i o n T h e d e s i g n . o p e r a t i o n a n d p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e M P D R 6 1 0 h a v e b e e n t h o r o u g h l y d e t a i l e d i n C h a p t e r s F o u r t h r o u g h S i x . A t 2 . 4 5 G H z o p e r a t i o n . t h e s o u r c e i s a b l e t o s u c c e s s f u l l y p r o d u c e i o n d e n s i t i e s o f a b o u t 1 0 1 l c m ‘ 3 , w i t h n a r r o w c o n t r o l l a b l e i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n s . a n d n e a r M a x w e l l i a n ( o r m o r e s p e c i fi c a l l y . n e a r - D r u y v e s t e y n ) e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s . T y p i c a l a v e r a g e i o n e n e r g i e s a r e a b o u t 2 0 t o 4 0 e V , w h i l e t y p i c a l a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g i e s r a n g e f r o m 3 t o 8 e V . T h e 6 1 0 . t h e r e f o r e , i s a h i g h l y i n t e n s e a n d v e r y b r i g h t p l a s m a s o u r c e t h a t c a n b e r a i s e d t o a p o t e n t i a l . a n d f r o m w h i c h e l e c t r o n s o r i o n s m a y b e s e l e c t i v e l y e x t r a c t e d . I n d e e d . C h a p t e r N i n e i s a d i s c u s s i o n o n t h e b e a m e x t r a c t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o n f r o m t h e 6 1 0 . O r a n e u t r a l p l a s m a m a y f l o w f r e e l y o u t o f t h e s o u r c e i f t h e e x t r a c t i o n p o t e n t i a l i s r e d u c e d t o z e r o . T h e p r e m i s e b e h i n d t h e e x p e r i m e n t s o f t h i s c h a p t e r w a s t o m o u n t t h e 6 1 0 o n t h e S C E C R i n a m a n n e r s u c h t h a t t h e 6 1 0 w o u l d a c t a s t h e fi r s t s t a g e o f t h e S C E C R . I f t h e 6 1 0 w a s e l e c t r i c a l l y i s o l a t e d f r o m t h e S C E C R , t h i s w o u l d a l l o w e i t h e r p o s i t i v e . n e u t r a l o r n e g a t i v e i n j e c t i o n f r o m t h e 6 1 0 i n t o t h e m a i n s t a g e o f t h e S C E C R . d e p e n d i n g o n t h e p o t e n t i a l o n t h e 6 1 0 w i t h r e s p e c t t o t h e S C E C R . T h e o r e t i c a l l y i t w o u l d t h e n b e p o s s i b l e t o c o m p a r e t h e o p e r a t i o n o f t h e S C E C R a s v a r i o u s s p e c i e s a r e i n j e c t e d f r o m t h e 6 1 0 i n t o i t s m a i n s t a g e . a n d d e t e r m i n e e x a c t l y w h i c h s p e c i e s ( i o n s . e l e c t r o n s , o r n e u t r a l p l a s m a ) f r o m t h e fi r s t s t a g e 3 5 4 r e s u l t s i n t h e b e s t o p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R . T o t h i s e f f e c t . t h e “ h y b r i d s o u r c e " w a s d e s i g n e d . S h o w n i n F i g u r e 8 . 3 . t h e 6 1 0 + S C E C R s o u r c e w a s d e s i g n e d t o r e t a i n a s m u c h o f t h e S C E C R h a r d w a r e a s p o s s i b l e . T h e fi r s t s t a g e o f t h e S C E C R w a s r e p l a c e d b y t h e 6 1 0 . w h i c h i t s e l f w a s m o u n t e d o n a s m a l l a l u m i n a i s o l a t i o n p l a t f o r m . T h i s a l l o w e d t h e 6 1 0 t o b e e l e c t r i c a l l y fl o a t i n g w i t h r e s p e c t t o t h e S C E C R a n d t h e r e b y t o b e b i a s e d a t p o s i t i v e . n e g a t i v e , o r n e u t r a l p o t e n t i a l r e l a t i v e t o t h e S C E C R . H o w e v e r . t h e d i a m e t e r o f t h e 6 1 0 ( 5 . 8 c m ) i s l a r g e r t h a n t h a t o f t h e o r i g i n a l fi r s t s t a g e o f t h e S C E C R ( a b o u t 4 . 5 c m ) . D u e t o t h i s , a n d t h e 4 . 5 i n c h C o n fl a t fl a n g e s o f t h e 6 1 0 a n d t h e a l u m i n a i s o l a t i o n p l a t f o r m , t w o m i n o r c h a n g e s i n t h e w a v e g u i d e f e e d i n g t h e m i c r o w a v e s ( a t 6 . 4 G H z ) i n t o t h e m a i n s t a g e h a d t o b e m a d e . T h e s e a r e d i s c u s s e d b e l o w . a n d s h o w n i n F i g u r e 8 . 3 . T h i s fi g u r e . s h o w i n g t h e n e w “ fi r s t s t a g e ” a n d t h e t w o m i n o r m o d i fi c a t i o n s . m a y b e c o m p a r e d t o t h e o r i g i n a l fi r s t s t a g e o f t h e S C E C R s h o w n i n F i g u r e 8 . 2 . F i r s t , t h e f u l l h e i g h t 6 . 4 G H z w a v e g u i d e ( W R 1 3 7 ) h a d t o b e r e p l a c e d b y a h a l f h e i g h t w a v e g u i d e i n s i d e t h e fi r s t s t a g e s i n c e t h e r e w a s n o r o o m o n t h e t o p 8 i n c h C o n fl a t fl a n g e t o p l a c e t h e a p p r o p r i a t e c o n n e c t o r s f o r b o t h t h e 6 1 0 a n d t h e f u l l h e i g h t w a v e g u i d e . N o t e t h a t s i n c e t h e T E l o m o d e i s b e i n g t r a n s p o r t e d i n t h e s e w a v e g u i d e s . t h e e x a c t h e i g h t o f t h e w a v e g u i d e i s i r r e l e v a n t ( a s l o n g a s i t i s n o t s o s m a l l t h a t t h e p o w e r d e n s i t y a t t h e e d g e s b e c o m e s p r o h i b i t i v e l y h i g h ) . T h i s t r a n s i t i o n f r o m t h e f u l l h e i g h t 6 . 4 G H z w a v e g u i d e t o t h e h a l f h e i g h t w a v e g u i d e w a s d o n e u s i n g a b r a s s q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r . w h i c h i s d e t a i l e d i n F i g u r e 8 . 4 . T h e f u l l h e i g h t w a v e g u i d e o u t e r d i m e n s i o n s a r e - l . 5 i n c h e s b y 0 . 7 5 i n c h e s ( 3 . 8 1 c m b y 1 . 9 0 c m ) . w h i l e t h e h a l f h e i g h t w a v e g u i d e d i m e n s i o n s a r e - 1 . 5 i n c h e s b y 0 . 4 4 i n c h e s ( 3 . 8 1 c m b y 1 . 1 2 c m ) . T h e w a l l t h i c k n e s s o f b o t h I . - ‘ t \ - \ \ - L \ - \ t a t t \ . 4 - M A / N S T A G E 6 / 0 / S O L A 7 ' / O N m 8 . 3 S c h e m a t i c o f t h e S C E C R + B I Q “ H y b r i d S o u r c e " . N o t e t h a t t h e 6 1 0 i s a b o u t 3 0 c m f r o m t h e S C E C R m a i n s t a g e . A l s o , t h e S C E C R i s p o w e r e d b y a 6 . 4 G H z w a v e g u i d e , w h i l e t h e 6 1 0 h a s a c o a r d a l c o n n e c t o r f o r 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e p o w e r . 3 5 6 - r _ _ _ _ _ _ . i L _ _ . . _ _ — _ . 1 " I I L _ _ _ _ _ _ _ _ _ H 1 H r H 2 r _ _ _ _ _ _ _ _ _ I I . _ _ _ J _ _ _ . I - i _ _ _ _ _ _ J ‘ > H T = ’ H l H Z = 1 . 1 1 c m H e r e , H 1 i s 1 . 5 8 c m . w h i l e H 2 i s 0 . 8 c m 9 . = = 1 . 6 1 3 c m J 1 - ( M 2 a ) ) 2 l = 7 t / 4 8 m m 8 . 4 S c h e m a t i c p f t h e q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r . T h i s t r a n s f o r m e r w a s u s e d t o c o n n e c t t h e r e g u l a r h e i g h t W R 1 3 7 w a v e g u i d e t o i t s h a l f h e i g h t c o u n t e r p a r t ( b o t h f o r 6 . 4 G H z t r a n s m i s s i o n ) . N o t e t h a t f o r a l l c a l - c u l a t i o n s , t h e i n s i d e d i m e n s i o n s w e r e u s e d . a i s t h e w i d t h o f t h e w a v e g u i d e . a n d . l . i s t h e f r e e s p a c e w a v e l e n g t h a t 6 . 4 G H z ( 4 . 6 8 c m ) . 3 5 7 w a v e g u i d e s i s 1 / 1 6 o f a n i n c h ( 0 . 1 6 c m ) . A s i m i l a r t r a n s f o r m e r w i l l b e u s e d i n C h a p t e r T e n f o r a 2 . 4 5 G H z w a v e g u i d e , a n d s o i t s d e s i g n i s d e t a i l e d n o w . T h e t h e o r y o f q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r s m a y b e f o u n d i n s e v e r a l t e x t s [ R a g - 4 8 , R a m - 6 5 . R i z - 8 8 ] . a n d s o o n l y t h e s p e c i fi c s o f t h e d e s i g n o f t h i s t r a n s f o r m e r a r e p r e s e n t e d h e r e . E s s e n t i a l l y . q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r s a r e u s e d t o m a t c h a r e s i s t i v e l o a d t o a n i n p u t t r a n s m i s s i o n l i n e . o r t o m a t c h t w o t r a n s m i s s i o n l i n e s w i t h d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c i r n p e d a n c e s s o a s t o m i n i m i z e r e fl e c t i o n o f p o w e r fi ' o r n a n u n m a t c h e d j o i n t . t h e r e b y m a x i m i z i n g t h e p o w e r t r a n s f e r f r o m o n e l i n e t o t h e o t h e r . I f t h e i m p e d a n c e o f o n e t r a n s m i s s i o n l i n e i s 2 1 a n d t h a t o f t h e o t h e r l i n e i s 2 2 . t h e n t h e q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r i m p e d a n c e Z , - i s g i v e n b y [ R a m - 6 5 ] : Z = Z Z ( 8 . 2 ) F o r w a v e g u i d e m a t c h i n g w h e r e o n l y t h e n a r r o w d i m e n s i o n s o f t h e t w o s e c t i o n s d i f f e r ( a s i n t h e c a s e h e r e ) . t h e c a l c u l a t i o n o f t h e q u a r t e r - w a v e l e n g t h t r a n s f o r m e r b e c o m e s m u c h s i m p l e r s i n c e t h e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e i s p r o p o r t i o n a l t o t h e n a r r o w d i m e n s i o n ( h e i g h t ) o n l y . T h u s . t h e a b o v e e q u a t i o n s i m p l i fi e s t o ‘ t h e f o l l o w i n g [ R a g - 4 8 ) : ( 8 . 3 ) ” T = H 1 1 1 2 w h e r e H T i s t h e h e i g h t o f t h e t r a n s f o r m e r a n d H 1 . a n d H 2 a r e t h e h e i g h t s o f t h e t w o w a v e g u i d e s e c t i o n s ( s e e F i g u r e 8 . 4 ) . 3 5 8 T h e l e n g t h l o f t h e t r a n s f o r m e r i s a l s o a n i m p o r t a n t p a r a m e t e r a n d i s g i v e n i n t e r m s o f t h e g u i d e d w a v e l e n g t h A g o f t h e q u a r t e r - w a v e t r a n s f o r m e r b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s : 1 = 1 9 / 4 W h e r e ( 8 4 ) i g = i ( 8 . 5 ) ( I — ( i t / ( 2 a ) ) 2 H e r e . A . i s t h e w a v e l e n g t h i n f r e e s p a c e a t 6 . 4 G H z ( 4 . 6 8 7 5 c m ) , a n d a i s t h e 1 w i d t h o f t h e w a v e g u i d e . W h e n a l l t h e n u m b e r s a r e s u b s t i t u t e d i n t o t h e a b o v e e q u a t i o n s ( u s i n g t h e i n n e r d i m e n s i o n s o f t h e t w o w a v e g u i d e s - W R 1 3 7 a n d t h e h a l f h e i g h t 6 . 4 G H z w a v e g u i d e ) , t h e q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r d i m e n s i o n s a r e c a l c u l a t e d t o b e : H T : 1 . 1 1 c m ( 0 . 4 4 i n c h e s ) i s = 6 . 3 2 2 c m ( 2 . 4 8 9 i n c h e s ) 1 : 1 8 / 4 = 1 . 5 8 c m ( 0 . 6 2 3 i n c h e s ) I f t h e c o r n e r s o f t h e t r a n s f o r m e r a r e fi l l e t e d b y a r a d i u s f o r e a s e o f m a c h i n i n g . t h e n t h e l e n g t h o f t h e t r a n s f o r m e r i n c r e a s e s s l i g h t l y [ s e e f o r e l u c i d a t i o n . R e f e r e n c e B r a - 7 1 , E q n . 3 ] : I : 1 . 6 1 3 c m ( 0 . 6 3 5 i n c h e s ) f o r a n 1 / 8 i n c h fi l l e t o n e a c h c o r n e r . T h e s e c o n d c h a n g e t h a t w a s m a d e i n t h e m i c r o w a v e d e l i v e r y s y s t e m w a s 3 5 9 t h a t t h e h a l f h e i g h t W a v e g u i d e h a d t o b e t i l t e d s l i g h t l y . t o c l e a r t h e 4 . 5 i n c h C o n fl a t fl a n g e o f t h e 6 1 0 . B o t h t h e s e c h a n g e s a r e m i n o r . a n d w h i l e t h e r e m a y b e s o m e p o w e r l o s s i n t h e q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r d u e t o r e fl e c t i o n s . i t i s e x p e c t e d t h a t t h e r e i s n o s i g n i fi c a n t d i s r u p t i o n i n t h e p o w e r t r a n s f e r f r o m t h e 6 . 4 G H z t r a n s m i t t e r s t o t h e p l a s m a i n t h e S C E C R . T h i s w a s c o n fi r m e d b y t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w h e r e t h e S C E C R w a s e a s i l y a b l e t o i g n i t e a n d s u s t a i n a p l a s m a a t 6 . 4 G H z u s i n g t h e q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r w i t h o u t m u c h r e fl e c t e d p o w e r . o r h e a t i n g o f t h e w a v e g u i d e . N o t e t h a t t h e w a v e g u i d e t r a n s i t i o n f r o m f u l l h e i g h t t o h a l f h e i g h t m a y a l s o b e a c c o m p l i s h e d u s i n g a g e n t l y t a p e r i n g t r a n s f o r m e r . w h i c h i s . i n e f f e c t a n i n fi n i t e n u m b e r o f s m a l l e r t r a n s i t i o n s . I n t h e o r y . t h e s m a l l e r t h e t r a n s i t i o n s t e p s . t h e l e s s e r t h e p o w e r l o s s ( d u e t o r e fl e c t i o n s ) . a n d t h e r e f o r e , h a v i n g m a n y s m a l l s t e p s i n t h e t r a n s i t i o n i s p r o b a b l y b e t t e r f o r p o w e r t r a n s f e r t h a n h a v i n g o n e l a r g e s t e p . H o w e v e r . a s a fi r s t o r d e r t r i a l , t h e s i n g l e s t e p q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r w a s u s e d , a n d t h i s w o r k e d w e l l f o r t h e f o r t h c o m i n g e x p e r i m e n t s h e r e , a n d a l s o l a t e r i n C h a p t e r T e n . I t w a s n e c e s s a r y i n t h e s e e x p e r i m e n t s t o b i a s t h e 6 1 0 u p t o 1 k V r e l a t i v e t o t h e S C E C R . I n o r d e r t o m a i n t a i n t h e 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y a n d . t h e . p o w e r m e t e r s ( t h a t r e a d t h e i n c i d e n t a n d r e fl e c t e d p o w e r s t o t h e 6 1 0 - s e e F i g u r e 4 . 5 ( b ) f o r t h e m i c r o w a v e c i r c u i t ) a t g r o u n d p o t e n t i a l , a n i s o l a t i o n j o i n t w a s d e s i g n e d . S h o w n i n F i g u r e 8 . 5 ( n o t t o s c a l e ) . t h e i s o l a t i o n j o i n t c o n s i s t e d o f a l / 4 i n c h t h i c k t e fl o n p l a t e s a n d w i c h e d b e t w e e n t h e t w o w a v e g u i d e t o c o a x i a l c a b l e a d a p t e r s a t o n e e n d o f t h e b i - d i r e c t i o n a l c r o s s g u i d e c o u p l e r . T h i s w a v e g u i d e b i - d i r e c t i o n a l c o u p l e r w a s u s e d i n s t e a d o f t h e r e g u l a r ( m o r e c o m p a c t ) c o a x i a l d i r e c t i o n a l c o u p l e r p r e c i s e l y s o t h a t s u c h a D C i s o l a t i o n j o i n t c a n b e m a d e . T h e t w o w a v e g u i d e - c o a x i a l a d a p t e r s o f t h e i s o l a t i o n j o i n t t h a t s a n d w i c h 3 6 0 I n c i d e n t P o w e r < 3 G o c ’ E c : < : > . o o V . T o fl d 0 0 R e e c t e P o w e r L V 2 0 d B 0 g c i d e n t M e t e r 2 0 d B I t ? ? ? ” I e e r 0 0 0 ’ I l ‘ e f l l o t r } _ ‘ / G 1 0 C l a m p s s o a o n < = P l a t e \ o c o < = > T o I o n S o u r c e F l 8 . 5 T h e h i v o l t i s o l a t i o n o i n t o n t h e w a v e d e b i d i r e c t i o n a l c o u p l e r . O n l y t h e w a v e g u i d e - c o a x i a l c a b l e a d a p t e r , a n d t h e c o a x i a l c a b l e s h o w n h e r e w e r e a t h i g h v o l t a g e . A l l o t h e r p o r t s w e r e i s o l a t e d a n d a t g r o u n d p o t e n t i a l . 3 6 1 t h e t e fl o n p l a t e a r e c l a m p e d t o g e t h e r u s i n g f o u r G - l O c l a m p s ( G - l O i s a m a c h i n a b l e , i s o l a t i n g d i e l e c t r i c ) . I n t h i s m a n n e r , o n l y t h e c o a x i a l c a b l e t o t h e 6 1 0 . t h e g a s l i n e t o t h e 6 1 0 ( a s s u m i n g i t i s a m e t a l l i n e - a t e fl o n l i n e w i t h p o l y f l o w fi t t i n g s w o u l d w o r k a l s o ) , a n d t h e 6 1 0 i t s e l f a r e a t h i g h p o t e n t i a l . T h e c r o s s g u i d e b i - d i r e c t i o n a l c o u p l e r , t h e p o w e r m e t e r s , t h e a t t e n u a t o r s a n d t h e 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y a r e a l l a t g r o u n d p o t e n t i a l . T h i s n o t o n l y p r o t e c t s t h e m i c r o w a v e a p p a r a t u s f r o m b e i n g s u b j e c t e d t o h i g h p o t e n t i a l a n d i t s fl u c t u a t i o n s , i t a l s o d i s p e l s a n y n e e d f o r s p e c i a l i s o l a t i o n c a g e s t o s a f e l y h o u s e t h e m i c r o w a v e a p p a r a t u s i f i t i s t o b e r a i s e d t o a h i g h p o t e n t i a l . T h e 2 . 4 5 G H z p o w e r s u p p l y m a y n o w b e p l u g g e d i n t o t h e s t a n d a r d p o w e r o u t l e t s . w i t h o u t t h e n e e d f o r i s o l a t i o n a m p l i fi e r s , a n d m a y b e h a n d l e d a s u s u a l . w i t h t h e fl e x i b i l i t y o f c h a n g i n g . o r c o m p l e t e l y s h u t t i n g o f f p o w e r l e v e l s e v e n w h e n t h e 6 1 0 i s b i a s e d a t s o m e p o t e n t i a l . N o t e t h a t w i t h t h e p l a c i n g o f t h e t e fl o n p l a t e b e t w e e n t h e t w o w a v e g u i d e - c o a x i a l c a b l e a d a p t e r s t o c r e a t e t h e D C i s o l a t i o n , a n e f f e c t i v e t e fl o n fi l l e d “ w a v e g u i d e ” h a s b e e n c r e a t e d w i t h t h e t w o a d a p t e r s a c t i n g a s t h e t w o s e m i - i n fi n i t e p l a n e s o f t h i s “ w a v e g u i d e . ” H e n c e t h e r e w i l l b e s o m e m i c r o w a v e p o w e r l o s s t h r o u g h t h i s p s e u d o - w a v e g u i d e . U s i n g a n e l e c t r i c fi e l d p r o b e , i t w a s s e e n t h a t a t n o r m a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ( a b o u t 1 0 0 W i n p u t t o t h e 6 1 0 ) , t h i s p o w e r l o s s a t t h e i s o l a t i o n j o i n t w a s l e s s t h a n 1 0 m W / c m 2 n e a r t h e j o i n t , d e c r e a s i n g r a p i d l y a s t h e d i s t a n c e f r o m t h e j o i n t i n c r e a s e d . ( T h i s p o w e r l o s s m a y b e r e d u c e d s o m e w h a t b y s t i c k i n g c o n d u c t i v e a l u n r i n u m t a p e o n t h e G - 1 0 c l a m p s . C a r e m u s t b e t a k e n t h a t t h e t a p e d o e s n o t s h o r t o u t t h e t w o w a v e g u i d e t o c o a x i a l c a b l e a d a p t e r s . ) A t a b o u t 5 c m fi ' o m t h e j o i n t , t h e m i c r o w a v e p o w e r w a s n e g l i g i b l e - i t i s a n e a r z o n e fi e l d w i t h n o h e a l t h r i s k s b e y o n d 5 - 1 0 c m o f t h e 3 6 2 i s o l a t i o n j o i n t , a n d a l s o h a s n o e f f e c t o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 . A s a n a s i d e . t h i s D C i s o l a t i o n j o i n t c o u l d b e r e d e s i g n e d u s i n g r a d i a l w a v e g u i d e t h e o r y I s u c h t h a t t h e d i a m e t e r o f t h e i s o l a t i n g fl a n g e s i s j u s t r i g h t f o r m i n i m u m r a d i a t i o n . . o o f t h e r i d T h e o p e r a t i o n o f t h e h y b r i d s o u r c e ( 6 1 0 + S C E C R ) i s n o w d e s c r i b e d . I t w a s m e n t i o n e d i n t h e i n t r o d u c t i o n t h a t t h e S C E C R t y p i c a l l y o p e r a t e s a t p r e s s u r e s o f 1 0 ' 6 T o r r o r l e s s . w h i l e t h e 6 1 0 ’ s n o r m a l o p e r a t i n g p r e s s u r e s a r e a b o u t 1 0 ' 4 t o 1 0 ' 3 T o r r . T h i s d i f f e r e n c e i n t h e o p t i m a l p r e s s u r e c o n d i t i o n s i m p l i e s t h a t i n O r d e r f o r t h e 6 1 0 t o o p e r a t e u n d e r i t s o p t i m a l c o n d i t i o n s ( a b o u t m T o r r p r e s s u r e ) , t h e S C E C R w o u l d b e u n a b l e t o p r o d u c e h i g h l y c h a r g e d s p e c i e s d u e t o t h e c o l l i s i o n a l n a t u r e o f t h e p l a s m a a t t h o s e p r e s s u r e s . A s a c o r o l l a r y , t h e 6 1 0 c a n n o t o p e r a t e w e l l a t t h e S C E C R ' s o p t i m a l o p e r a t i n g p r e s s u r e s . T o r e c t i f y t h i s . a s m a l l b o r o n n i t r i d e b a f fl e p l a t e w i t h a 1 . 0 c m d i a m e t e r h o l e i n t h e c e n t e r w a s a t t a c h e d t o t h e o u t l e t o f t h e 6 1 0 t o t h r o t t l e i t s o u t p u t a n d c r e a t e a p r e s s u r e d i f f e r e n t i a l b e t w e e n t h e 6 1 0 ' s p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n a n d t h e r e s t o f t h e fi r s t s t a g e . T h i s a l l o w e d a s l i g h t l y h i g h e r p r e s s u r e i n s i d e t h e 6 1 0 ’ s q u a r t z t u b e , w h i l e t h e fi r s t s t a g e d i f f e r e n t i a l p u m p i n g . a n d t h e n t h e r e g u l a r p u m p s o f t h e S C E C R k e p t t h e p r e s s u r e i n t h e m a i n s t a g e l o w e n o u g h f o r l o n g i o n c o n fi n e m e n t t i m e s . E v e n w i t h t h e b a f fl e p l a t e a t t a c h e d . t o t h e . 6 1 0 , i t i s e x p e c t e d t h a t t h e c o m p a c t E C R i o n s o u r c e w a s o p e r a t i n g a t a p r e s s u r e o f l e s s t h a n 1 0 ' 4 T o r r . a n d t h e r e f o r e i n i t s “ l o w d e n s i t y m o d e . ” s i n c e t h e p r e s s u r e d i f f e r e n t i a l o n e i t h e r s i d e o f t h e B N b a f fl e p l a t e c a n n o t b e t h r e e d e c a d e s h i g h . N o t e t h a t t h i s p r e s s u r e d i f f e r e n t i a l i s 3 6 3 d e t e r m i n e d b y t h e g a s t y p e . t h e a p e r t u r e s i z e . t h e g a s fl o w r a t e a n d t h e r a t e a t w h i c h t h e i o n s a r e e x t r a c t e d f r o m t h e s o u r c e . T h r o t t l i n g t h e o u t p u t o f t h e 6 1 0 h o w e v e r . r e d u c e d t h e n e t c u r r e n t d e n s i t y e x i t i n g t h e c o m p a c t s o u r c e . A 0 . 5 c m d i a m e t e r B N b a f fl e p l a t e w a s a l s o t r i e d . b u t t h i s s m a l l e r a p e r t u r e s e v e r e l y r e d u c e d t h e 6 1 0 o u t p u t , w h i l e s t i l l b e i n g u n a b l e t o p r o v i d e t h e d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e s n e c e s s a r y f o r t h e 6 1 0 t o b e i n i t s “ h i g h d e n s i t y m o d e ” a t t h e o p t i m a l S C E C R p r e s s u r e c o n d i t i o n s . T h e 1 . 0 c m B N b a f fl e w a s t h e r e f o r e u s e d i n t h e s e e x p e r i m e n t s . n o t i n g t h a t n e i t h e r t h e 6 1 0 . n o r t h e S C E C R w e r e o p e r a t i n g a t t h e i r r e s p e c t i v e o p t i m a l p r e s s u r e s . T h e 6 1 0 s t i l l p e r f o r m e d ' w e l l , w i t h l e s s t h a n 1 0 % r e fl e c t e d p o w e r , a l t h o u g h d u e t o t h e l o w p r e s s u r e a n d l o w d e n s i t y p l a s m a b e i n g g e n e r a t e d i n s i d e t h e q u a r t z . t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s w e r e p r o b a b l y v e r y h i g h . T h i s w a s r e fl e c t e d i n t h e h e a t c o n d u c t e d i n t o t h e p l a s m a s o u r c e b o d y . w h i c h g o t m u c h w a r m e r t h a n i t w o u l d u n d e r t h e 6 1 0 ’ s n o r m a l “ h i g h d e n s i t y m o d e “ o p e r a t i o n . A v a r i a t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 d e s i g n e d f o r i o n e x t r a c t i o n a t l o w p r e s s u r e s m u s t t h e r e f o r e h a v e a b e t t e r c o o l i n g s y s t e m f o r t h e q u a r t z a n d t h e m a g n e t s t h a n t h e c u r r e n t s o u r c e . T h e p l a s m a f r o m t h e 6 1 0 s t r e a m e d o u t o f t h e t h r o t t l e d o u t p u t p l a n e a n d d i f f u s e d d o w n t o t h e m a i n s t a g e t h r o u g h t h e l a r g e c o p p e r b a f fl e p l a t e . N o t e t h a t s i n c e t h e s o l e n o i d fi e l d s o f t h e S C E C R a r e i n c r e a s i n g a s t h e p l a s m a d i f f u s e s t o w a r d s t h e m a i n s t a g e , i t i s e x p e c t e d t h a t t h e c h a r g e d s p e c i e s e x p e r i e n c e a s m a l l f o c u s s i n g e f f e c t t h r o u g h t h e b a f fl e p l a t e t h a t i s o l a t e s t h e m a i n s t a g e f r o m t h e “ fi r s t s t a g e ” . T h i s b a f fl e p l a t e a l s o h a s a 1 . 0 c m h o l e t h r o u g h w h i c h t h e p l a s m a i s i n j e c t e d i n t o t h e m a i n s t a g e . T h e r e m i g h t a l s o b e s o m e p l a s m a r e fl e c t i o n b a c k t o w a r d s t h e 6 1 0 d u e t o t h e m i r r o r fi e l d . 3 5 4 A s m e n t i o n e d a b o v e , t h e 6 1 0 w a s o p e r a t e d s u c c e s s f u l l y a t 2 . 4 5 G H z f r e q u e n c y , w h i l e m i c r o w a v e s a t 6 . 4 G H z w e r e f e d t o t h e m a i n s t a g e o f t h e S C E C R . T h e fi r s t e x p e r i m e n t s . h o w e v e r w e r e c o n d u c t e d w i t h j u s t t h e 6 1 0 o n . T h e S C E C R m i c r o w a v e s u p p l y w a s s w i t c h e d o f f . s o t h a t t h e o u t p u t o f t h e 6 1 0 w a s t h e o n l y b e a m b e i n g e x t r a c t e d f r o m t h e b a s e o f t h e S C E C R . T o e x t r a c t t h i s b e a m , t h e S C E C R m a g n e t s ( s o l e n o i d s a n d h e x a p o l e c o i l s ) w e r e s w i t c h e d o n . F o r t h i s e x p e r i m e n t , t h e a l u m i n a i s o l a t i o n p l a t f o r m ( t h a t e l e c t r i c a l l y i s o l a t e s t h e 6 1 0 f r o m t h e S C E C R ) w a s n o t u s e d a n d t h e 6 1 0 w a s m o u n t e d d i r e c t l y o n t h e S C E C R s o t h a t i t c o u l d b e b i a s e d a t t h e s a m e p o t e n t i a l a s t h e m a i n s t a g e . W h e n t h e f o l l o w i n g r e s u l t s a r e p r e s e n t e d . t h e c u r r e n t s o f i n d i v i d u a l s o l e n o i d c o i l s ( fi v e ) f r o m t o p t o b o t t o m , a n d t h e h e x a p o l e w i l l b e w r i t t e n i n p a r e n t h e s e s . F o r e x a m p l e , t h e s i x c u r r e n t s ( i n a m p e r e s ) f o r a s e t o f e x p e r i m e n t s m a y b e w r i t t e n a s : ( 8 . 7 . 8 . 7 . 8 . 7 . 7 . 4 , 7 . 2 . 4 9 . 2 A ) . w h e r e t h e fi r s t fi v e n u m b e r s d e n o t e t h e s o l e n o i d c o i l c u r r e n t s ( t h r e e a t t h e i n j e c t i o n e n d a n d t w o a t t h e e x t r a c t i o n e n d ) . a n d t h e s i x t h d e n o t e s t h e h e x a p o l e c u r r e n t . W i t h t h e S C E C R o f f . t h e M P D R 6 1 0 w a s s w i t c h e d o n . T h e c h a m b e r p r e s s u r e i n t h e i n j e c t o r s t a g e w a s a b o u t 3 . 5 X 1 0 ' 5 T o r r o f a r g o n . a n d t h e i n p u t p o w e r a t 2 . 4 5 G H z w a s a b o u t 1 5 0 W ( l e s s t h a n 5 W r e fl e c t e d ) . T h e 6 1 0 + S C E C R w a s r a i s e d t o 1 0 k V . a n d t h e S C E C R m a g n e t s w e r e t h e n s w i t c h e d o n ( 8 . 7 . 8 . 7 . 8 . 7 . 7 . 4 , 7 . 2 , 4 9 . 2 A ) . A c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n o f t h e 6 1 0 b e a m i n j e c t i o n w a s t a k e n ( i n a c c o r d a n c e w i t h t h e a c q u i s i t i o n t e c h n i q u e s o f C h a p t e r T h r e e ) . a n d t h i s i s s h o w n i n F i g u r e 8 . 6 . N o t e t h a t t h e n u m b e r s C 1 t o C 6 i n t h e c o l u n m o n t h e r i g h t h a n d s i d e o f t h e p l o t r e p r e s e n t t h e m a g n e t c u r r e n t s a s l i s t e d a b o v e . A t a n s m m @ 1 4 e 4 5 a m 2 m w . . + 1 - r e m 0 8 5 4 % m — — - - t 1 — a U 2 3 [ l e i L L N N N m O V U U O 0 I a I [ _ ; , _ 2 ) m _ 1 _ 0 _ 2 1 _ _ 3 _ ( ( - _ 2 5 F R 9 W N v P P H C M M i 0 _ . — — . £ _ _ — - _ 5 5 2 I 5 e c a . t a n e 2 r 6 r 1 I u C s i s g l 6 a . I 8 n 1 H 1 0 . I 4 ' M E I 8 I e t r u u o s b M s a 2 W I 8 e r e p b n o o t 3 g 6 8 1 3 r d a e r r r u o s 2 T a 3 . e 5 f ' m 0 f 3 o 0 1 s i 8 R U 2 C X t k n 6 5 E e 2 4 2 2 . r C 3 0 r 1 S u . 0 c n 1 2 6 o + 1 , 0 r 2 h + 0 A e l t 1 8 e l h r 6 o 6 T H f t 1 o r ) e . O fi 1 0 w n / u 1 o 8 I 0 e M p 6 l 6 + 2 z l . R 1 H 8 C G E 0 5 C 1 4 S . l 2 F 8 W 0 5 e h t n o 5 1 s a t i a b n e V k k 7 a a h 0 t 1 w a 7 t d L a n D a 1 2 7 a 0 3 . — - _ ~ — . p I I k o 0 m 0 0 0 0 e . ~ l 9 8 7 5 5 . 5 a c s ( \ R d ' N N S S S U J G D N K U W S S S d ‘ L 0 L ) l i I l I I I I I I I I l l l l l | I l l l l H l l i U l l H l H l H l H l H H l H ‘ m . 3 6 5 3 6 6 e x t r a c t i o n p o t e n t i a l o f 1 0 k V . t h e A r 1 + c u r r e n t i s l 1 . 7 “ A . T h e s a m e C S D i s s h o w n i n m o r e d e t a i l i n F i g u r e 8 . 7 . a n d n o w t h e d o u b l y a n d p o s s i b l y t r i p l y c h a r g e d a r g o n i o n b e a m s a r e c l e a r l y v i s i b l e . a s a r e o t h e r p e a k s . l i k e t h e N 2 “ , H 2 0 . 0 2 1 * a n d a v e r y m i n o r c a r b o n p e a k a t M / Q o f 1 2 . N o t e t h a t s i n c e t h e S C E C R i s n o t o n . t h e r e i s n o p l a s m a i n t h e m a i n s t a g e ( o t h e r t h a n t h a t s t r e a m i n g f r o m t h e 6 1 0 ) . a n d s o t h e n i t r o g e n . w a t e r a n d o x y g e n h a v e n o t y e t o u t g a s s e d f r o m t h e m a i n s t a g e , a s i n d i c a t e d b y t h e v e r y s m a l l p e a k s . T h e A r 2 + g e n e r a t i o n i n t h e 6 1 0 i s m e a s u r e d t o b e a b o u t 0 . 6 5 u A , a s c o m p a r e d t o l 1 . 7 “ A o f t h e A r 1 + g e n e r a t i o n . H e n c e t h e 6 1 0 . b i a s e d a t 1 0 k V . p r o d u c e s a b o u t 9 5 % o f A r “ . a n d a b o u t 5 % A r 2 + w i t h t r a c e a m o u n t s o f A r 3 * . I t i s t h e r e f o r e c o n fi r m e d t h a t t h e 6 1 0 i s a h i g h i n t e n s i t y l o w c h a r g e s t a t e i o n s o u r c e . F o r t h e n e x t s t u d y , t h e g a s fl o w . c h a m b e r p r e s s u r e a n d a l l S C E C R m a g n e t s a r e m a i n t a i n e d a t t h e s a m e l e v e l s w h i l e t h e e f f e c t o n t h e b e a m c u r r e n t o f r a i s i n g m i c r o w a v e i n p u t p o w e r t o t h e 6 1 0 i s s t u d i e d . A t 1 0 0 W i n p u t p o w e r , t h e A r 1 + c u r r e n t i s 8 . 8 ( L A . a t 1 5 0 W t h e c u r r e n t i s 9 . 4 u A a n d a t 1 7 5 W t h e A r 1 + c u r r e n t i s 9 . 7 u A . D a t a a r e t a k e n w i t h a 5 k V b i a s o n t h e 6 1 0 + S C E C R . T h e i n t e n s i t y o f t h e i o n c u r r e n t f r o m t h e 6 1 0 . t h e r e f o r e , g o e s u p s l i g h t l y w i t h i n c r e a s i n g m i c r o w a v e i n p u t p o w e r . N o t e t h e s i m i l a r i t y w i t h F i g u r e 4 . 8 ( C h a p t e r F o u r ) w h e r e t h e i o n d e n s i t y o f t h e 6 1 0 a t a n y p r e s s u r e i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g i n p u t r r r i c r o w a v e p o w e r . U s i n g t h e w i r e s c a n m e t h o d m e n t i o n e d i n C h a p t e r T h r e e ( S e c t i o n 3 . 6 . 3 ) . t h e e m i t t a n c e o f t h e 6 1 0 b e a m w a s t a k e n . T h e p r e s s u r e i n t h e fi r s t s t a g e w a s a b o u t 2 . 6 X 1 0 ' 5 T o r r . a n d d a t a w e r e t a k e n w i t h 1 0 0 W i n p u t p o w e r t o t h e 6 1 0 a t 5 k V 6 1 0 + S C E C R b i a s . T h e e r r r i t t a n c e m e a s u r e m e n t a p p a r a t u s w a s p l a c e d a b o u t 2 m e t e r s a w a y f r o m t h e 9 0 ° b e n d i n g m a g n e t ( s e e F i g u r e 3 . 1 4 . C h a p t e r 6 0 m 0 1 4 2 5 @ 4 m 2 0 0 . . . @ 4 S 0 8 e - - - - O @ I - U I I 2 3 w U L I L N N N 6 U U U U O 0 0 l I [ [ ” _ _ 2 _ ‘ _ ' _ F W , 6 5 2 3 6 0 2 _ t 0 n e H H P P C W “ W B E I I U 8 I 4 I 4 I 4 I 2 I I H 3 I I I 8 I 8 8 . I c 1 t I e 3 J — . I 2 I . “ 6 2 3 . H 0 8 N I 3 e , I r 8 “ V I 2 2 R u I 6 i g 0 l 2 0 e F l 4 n i 1 k 2 i l 2 I r 6 I D 2 s , k r 1 2 u C s i s g l a 0 n 8 H i l 0 . 4 7 I S J C 0 } a 2 1 I e p 8 P e I h r i 9 t e J l 6 h 1 o R o f t | Q 4 I / d u s l e l I M n 2 i I l i a a l t I ) 9 r I 1 7 e . D “ A . 8 , I “ L B e z r A 1 f o 6 e _ i | c n e s e I 1 r + p e I h I t e t o N k o e l a c s I . _ I _ C 2 [ \ R Q ‘ N N S S S C D C D N K U ‘ I S S S 3 6 7 3 6 8 T h r e e ) . T h e A r 1 + c u r r e n t w a s a b o u t 8 . 8 p A . F i g u r e s 8 . 8 a n d 8 . 9 d i s p l a y t w o s u c h e r r r i t t a n c e m e a s u r e m e n t s . T h e s h a p e o f t h e e l l i p s e s i n d i c a t e a d i v e r g e n t b e a m ( t h i r d q u a d r a n t t o fi r s t q u a d r a n t - s e e F i g u r e 3 . 5 o f R e f e r e n c e K e l - 8 9 ) . w i t h a n e m i t t a n c e o f a b o u t 8 6 m m - m r a d w i t h 7 0 % c o v e r a g e a n d a b o u t 1 3 5 m m - m r a d w i t h 9 0 % c o v e r a g e o f t h e d a t a b y t h e e l l i p s e s . T h i s i s r e l a t i v e l y h i g h . p r o b a b l y d u e t o s p a c e c h a r g e e f f e c t s , h i g h r a n d o m e n e r g y o f t h e i o n s f r o m t h e 6 1 0 a n d a l s o d u e t o t h e e x t r a c t i o n a p p a r a t u s t h a t i s o p t i m i z e d f o r S C E C R o p e r a t i o n s a n d n o t f o r a b e a m f r o m t h e 6 1 0 . A t a c o n s t a n t 6 1 0 i n p u t p o w e r ( 1 0 0 W ) . t h e A r 1 + c u r r e n t e x t r a c t e d ( a t 5 k V b i a s ) f r o m t h e S C E C R w a s m e a s u r e d a s t h e c h a m b e r p r e s s u r e w a s v a r i e d . T h e S C E C R w a s s t i l l s w i t c h e d o f f , b u t i t s m a g n e t s w e r e o n a s b e f o r e ( 8 . 7 , 8 . 7 . 8 . 7 , 7 . 3 , 7 . 3 , 5 0 A ) . T h e r e s u l t i s s e e n i n F i g u r e 8 . 1 0 . w h e r e t h e p r e s s u r e i n t h e c h a m b e r i s i n c r e a s e d f r o m 1 . 5 X 1 0 ' 5 T o r r t o 2 . 7 5 X 1 0 ' 4 T o r r . T h e d a t a i n d i c a t e s t h a t a t v e r y l o w p r e s s u r e s ( l e s s t h a n 2 X 1 0 ' 5 T o r r ) . t h e A r 1 + c u r r e n t i s v e r y l o w , b u t i t r i s e s s t e a d i l y t o r e a c h a l o c a l m a x i m u m a t a b o u t 3 X 1 0 ' 5 T o r r . A s t h e p r e s s u r e i n c r e a s e s f u r t h e r . t h e c u r r e n t d r o p s s l i g h t l y . r e a c h i n g a n o t h e r l o c a l m a x i m u m a b o u t 1 X 1 0 ' 4 T o r r , f a l l i n g a g a i n s l i g h t l y a s a d d i t i o n a l a r g o n fl o w s t h r o u g h t h e 6 1 0 . A t a b o u t 2 . 1 X 1 0 ‘ 4 T o r r . t h e 6 1 0 s u d d e n l y j u m p s t o i t s h i g h d e n s i t y m o d e . a n d t h e c u r r e n t b e i n g e x t r a c t e d f r o m t h e S C E C R a l s o g o e s u p s h a r p l y . W h e n t h i s j u m p o c c u r s . t h e 6 1 0 d i s p l a y s a s u d d e n i n c r e a s e i n r e fl e c t e d p o w e r . a n d h a s t o b e r e t u n e d a f t e r t h e h i g h v o l t a g e b i a s o n t h e 6 1 0 i s s h u t o f f . A r e m o t e c o n t r o l l e d s t e p p e r m o t o r m a y b e a t t a c h e d t o t h e t u n i n g m e c h a n i s m o f t h e 6 1 0 s o t h a t a n y r e - t u n i n g m a y b e p e r f o r m e d w i t h o u t s h u t t i n g o f f t h e h i g h v o l t a g e . B e y o n d t h i s p r e s s u r e . t h e b e a m c u r r e n t i s s e e n t o d r o p a g a i n . T h i s m a y U 4 U l l : - - s r e u r c p l + l r o n 1 g A A r l ] V I [ I I l l U I 1 I a e h r T r . o e T s p 5 i ' l 0 l 1 e e X h t 6 . y 2 b , e g I 0 l 6 r e 1 a e v h o t c m I m U ( o % t A P Y T L C d n S e e z k V I i E m a k S U t 5 i x L e I 5 E c a d 0 n I 1 ' n m a t s a 1 6 + I r I c e I c s 5 9 2 . . i t L E N L O i . r e t r r n r u e D E s r F I 0 E P Y T l I ) r 0 r u C I L x r 7 I L e w d o n I + 1 ' r ' fi A p a . A 0 t . L I s l 1 u ‘ I l 4 1 0 a p 8 i n b . i 8 0 t W 1 u 0 0 6 o + b R a . 1 I I 4 C o E t t E I ‘ a t n e I fi u e I 8 I . 8 I ' . 2 3 6 . 1 1 8 . — . 1 7 7 : — x x 1 0 ( m r ) 0 - 1 0 - 2 0 - 3 0 4 + 0 . I . I L L . J . 1 . I . I . I . I . s % 9 I u I I 0 L 4 . . . - - . e u s r l r c p I + v w . . n 1 o r g A I r I l I v I I I . h e a . r . r T . o e I f T s w o p 5 i . ' l . C 1 R l 0 e . h X C t E e . S 6 m I . y 2 b l 0 I v fi — T t — n I e I r r I u C v 1 1 , e . g 6 0 1 a . r . e 6 e h t e v h o . ) f t c m o o % I m t t m ( 0 . l 9 o r x . e w d 4 e o n c p a n t , . A I s . a “ I a l I I + 1 I r H H u e 8 B 0 1 6 % r ' c — e fi c s U t a ' i I b . t n p 8 u - 8 i i . m 0 . W E 1 t u . . + b 9 o 6 0 0 8 1 R a ' e 1 C o w E t t R m ' E z P C d n S e m T a k m . t - e l Y F ” k V z i m 0 E 5 i e x 1 9 S d a m c . . L ' n n m 4 0 3 1 = c a r E : — ' , a a s t i , e t t i " r n m u e E s r E N O D F I 0 0 0 0 0 0 [ 1 2 3 + D I - - - 4 ) E ‘ r x m ( P Y T m u : m m N N S . l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l N T \ 0 ' ! L n 8 9 9 9 9 E : F I I I I I I I I I I I I I I I I I I I . ‘ 3 7 0 L 1 1 l l i i i I ) s l p i m A i i i L o L r i c l i l m l e l c l l i i i i t l r a l i P 3 5 I ( oo . i L T i N E R R i L l i l U i C l i i i i l l i i l 0 . 0 0 T I F I I I I I I I I I I T T I I I I I I I I I I I I T I I I I I I I T I I I I I I I T I I I I I T I I T I T T T T I 3 7 1 2 5 . 0 0 N . O O O 1 5 . 0 0 5 . 0 0 0 . 0 0 5 . 0 0 1 0 . 0 0 1 5 . 0 0 2 0 . 0 0 2 5 . 0 0 3 0 . 0 0 P R E S S U R E ( E — S T o r r ) 1 1 " c v s s u r e i n e i n e c t i o n . D a t a a r e t a k e n a t 1 0 0 W i n p u t p o w e r t o t h e 6 1 0 ( S C E C R i s o f f ) a s t h e a r g o n p r e s s u r e i s v a r i e d b y a d j u s t i n g t h e fl o w r a t e . N o t e t h e j u m p i n c u r r e n t v a l u e s a t a b o u t 0 . 2 m T o r r a s t h e 6 1 0 c h a n g e s m o d e s . 3 7 2 b e b e c a u s e t h e b e a m e x i t i n g t h e 6 1 0 i s n o t w e l l f o c u s s e d i n t o t h e 1 c m h o l e o f t h e l a r g e c o p p e r b a f fl e p l a t e . I n t h e “ h i g h d e n s i t y m o d e “ o f t h e 6 1 0 . t h e t o t a l c u r r e n t w a s p r o b a b l y i n c r e a s i n g w i t h p r e s s u r e . H o w e v e r , d u e t o l a c k o f a n y f o c u s s i n g ( o t h e r t h a n t h e w e a k m a g n e t i c f o c u s s i n g d u e t o t h e r i s i n g m i r r o r fi e l d a t t h e i n j e c t i o n e n d o f t h e S C E C R ) . t h e “ b e a m ” f r o m t h e 6 1 0 s p r e a d s o u t s u c h t h a t o n l y p a r t o f i t m a y b e t r a n s m i t t e d t h r o u g h t h e h o l e i n t h e b a f fl e p l a t e . T h e b e a m c u r r e n t t h e r e f o r e d r o p s . a l t h o u g h t h e t o t a l c u r r e n t i n t e n s i t y o u t o f t h e 6 1 0 w a s p r o b a b l y h i g h e r a s p r e s s u r e r o s e b e y o n d 0 . 2 5 m T o r r . T h i s e x e r c i s e o f m e a s u r i n g t h e A r “ c u r r e n t w i t h p r e s s u r e p r o v i d e d s e v e r a l i m p o r t a n t r e s u l t s . I t c o n fi r m s t h a t b e l o w t h e p r e s s u r e o f a b o u t 2 X 1 0 ‘ 4 T o r r i n t h e fi r s t s t a g e . t h e 6 1 0 o p e r a t e s i n i t s l o w d e n s i t y m o d e . I f t h e 6 1 0 i s o p e r a t e d a t a h i g h e r p r e s s u r e i n i t s h i g h ' d e n s i t y m o d e . t h e S C E C R c a n n o t g e n e r a t e m u l t i p l y c h a r g e d i o n s b e c a u s e o f h i g h c o l l i s i o n r a t e s a n d t h e c o r r e s p o n d i n g l o w c o n fi n e m e n t t i m e s o f t h e i o n s . H e n c e e v e n w i t h i t s 1 c m B N b a f fl e p l a t e . t h e 6 1 0 m u s t b e o p e r a t e d i n i t s l o w d e n s i t y m o d e . A t t h e l o w e r p r e s s u r e s . t h e r e i s a l o c a l c u r r e n t m a x i m a . a n d f u r t h e r e x p e r i m e n t s w i t h t h e S C E C R s w i t c h e d o n w e r e c o n d u c t e d w i t h t h e fi r s t s t a g e p r e s s u r e a t o r a r o u n d t h i s m a x i m a . w i t h t h e u n d e r s t a n d i n g t h a t t h e 6 1 0 i s o p e r a t i n g i n i t s l o w d e n s i t y m o d e . T h e s e e x p e r i m e n t s a r e n o w d e s c r i b e d . a n c e - 1 n T h e o p e r a t i o n o f t h e 6 1 0 a s a n i n j e c t o r t o t h e S C E C R i s n o w d e s c r i b e d . O x y g e n w a s c h o s e n a s t h e w o r k i n g g a s . B e f o r e t h e s e e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d ( S C E C R o n , 6 1 0 o n ) . h o w e v e r . a c r u c i a l a n d s i g n i fi c a n t d e v e l o p m e n t 3 7 3 o c c u r r e d i n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R - t h e “ H i g h - B m o d e “ o f o p e r a t i n g t h e S C E C R w a s c o n fi r m e d b y A n t a y a a n d G a r n m i n o [ A n t - 9 4 a , A n t - 9 3 a . A n t - 9 4 b ] a n d p r e s e n t e d a t t h e 1 9 9 3 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s i n B e i j i n g . C h i n a i n 1 9 9 3 . I t w a s o r i g i n a l l y p r o p o s e d a s a n a l t e r n a t e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f t h e m i n i m u m - B m a g n e t i c c o n fi n e m e n t o f c h a r g e d p a r t i c l e s b y C i a v o i a a n d G a m r r r i n o a t t h e 1 9 9 1 i n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s i n B e n s h e i m , G e r m a n y [ C i a - 9 2 ] . W h i l e t h e d e t a i l s o f t h i s d e v e l o p m e n t , a n d i t s i m p a c t o n t h e t h e o r e t i c a l a n d m e c h a n i c a l d e s i g n o f E C R I S a r e d i s c u s s e d i n t h e a p p r o p r i a t e r e f e r e n c e s . a n d u t i l i z e d i n C h a p t e r T e n , t h e g i s t i s n o w p r e s e n t e d . T h e o p e r a t i o n o f t h e S C E C R a t 6 . 4 G H z w i t h a s t a n d a r d a x i a l fi e l d t o p o l o g y a n d h a v i n g a m a g n e t i c m i r r o r r a t i o o f a b o u t 2 ( b a s e d o n t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f t h e R T E C R ) p l a c e s t h e S C E C R ' s p e r f o r m a n c e w e l l a m o n g s t t h e b e t t e r d e s i g n e d E C R I S f o r m u l t i p l y c h a r g e d i o n s . H o w e v e r . i t w a s o b s e r v e d b y A n t a y a a n d G a r n m i n o t h a t i f t h e r r r i r r o r r a t i o w a s r a i s e d t o a b o v e 7 a t t h e i n j e c t i o n e n d . a n d a b o u t 3 t o 4 a t t h e e x t r a c t i o n e n d b y s h a r p l y r a i s i n g t h e c u r r e n t s o f t h e t h r e e o u t e r m o s t c o i l s a n d d r o p p i n g t h e c u r r e n t s o f t h e t w o i n n e r c o i l s t o z e r o , t h e e x t r a c o n fi n e m e n t p r o v i d e d b y t h i s e n h a n c e d b o t t l i n g d r a m a t i c a l l y s h i f t e d t h e c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n o f t h e S C E C R t o h i g h e r s t a t e s o n c e t h e n e u t r a l d e n s i t y p r e s s u r e w a s o p t i m i z e d f o r t h e p a r t i c u l a r c o n fi n e m e n t c o n fi g u r a t i o n . I n i t s H i g h - B m o d e , t h e p r o d u c t i o n o f h i g h c h a r g e s t a t e s f r o m t h e S C E C R a t 6 . 4 G H z i s c o m p a r a b l e t o a l l E C R I S . e v e n t h o s e o p e r a t i n g a t h i g h e r f r e q u e n c i e s ( 1 4 . 4 G H z , o r e v e n 1 8 G H z ) . F o r t h e f o l l o w i n g e x p e r i m e n t s ( 6 1 0 o n , S C E C R o n ) , a s i m i l a r H i g h - B m o d e fi e l d t o p o l o g y w a s a d o p t e d . T h e t y p i c a l c u r r e n t s i n t h e c o i l s t h e r e f o r e a r e : 3 8 , 1 3 , 0 , 0 . 2 2 . 5 A i n t h e s o l e n o i d s . a n d 5 0 A o n t h e h e x a p o l e . A t 5 k V 6 1 0 + S C E C R 3 7 4 b i a s w i t h 1 0 0 W 2 . 4 5 G H z i n p u t p o w e r t o t h e 6 1 0 . t h e r e w a s a n i m m e d i a t e c h a n g e i n t h e c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n . T h e A r 2 + c u r r e n t r e m a i n e d r e l a t i v e l y c o n s t a n t a t 0 . 2 2 L I A . b u t t h e A r 1 + c u r r e n t d r o p p e d f r o m 8 . 8 1 1 A t o 6 . 1 5 i L A . S o w i t h h i g h e r c o n fi n e m e n t , t h e r a t i o o f A r 1 + t o A r 2 + h a s a l r e a d y c h a n g e d ( f r o m t i m e s 4 0 t o t i m e s 2 8 ) . A s w i l l b e s e e n l a t e r . t h i s r a t i o a c t u a l l y r e v e r s e s ( w i t h t h e A r 2 + c u r r e n t b e i n g h i g h e r t h a n t h e A r 1 + c u r r e n t ) a s t h e h y b r i d s o u r c e i s f u r t h e r t u n e d . T h i s t u n i n g w a s d o n e w i t h t h e S C E C R s e t u p a t 1 0 k V h i g h v o l t a g e , w h i l e t h e r e l a t i v e D C b i a s o n t h e e l e c t r i c a l l y i s o l a t e d 6 1 0 ( t h e a l u m i n a i s o l a t i o n p l a t f o r m w a s u t i l i z e d i n t h e s e e x p e r i m e n t s ) w a s v a r i e d f r o m n e g a t i v e 1 k V . t o z e r o , a n d t h e n t o p o s i t i v e 1 k V . B e f o r e a n y e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d . t h e 6 . 4 G H z p o w e r t o t h e S C E C R w a s s w i t c h e d o n ( w i t h t h e 6 1 0 o f f ) a n d a n o x y g e n p l a s m a s u s t a i n e d f o r s e v e r a l h o u r s t o b u r n o f f a l l r e m a i n i n g a r g o n a n d h y d r o c a r b o n s f r o m t h e s o u r c e a n d g a s l i n e s . O n c e t h i s “ c o n d i t i o n i n g ” o f t h e S C E C R w a s c o m p l e t e d . t h e S C E C R w a s s w i t c h e d o f f a n d t h e 6 1 0 w a s s w i t c h e d o n w i t h 1 2 5 W a t 2 . 4 5 G H z . T h e p r e s s u r e i n t h e i n j e c t i o n s t a g e o f t h e h y b r i d s o u r c e w a s a b o u t 6 . 8 X 1 0 ’ 6 T o r r , w h i l e t h e p r e s s u r e i n t h e m a i n s t a g e w a s a b o u t 2 . 8 X 1 0 ' 7 T o r r . O n c e t h e 6 1 0 w a s t u n e d _ t o i t s b e s t p e r f o r m a n c e ( w i t h a b o u t 1 0 % r e fl e c t e d p o w e r ) , t h e S C E C R w a s s w i t c h e d o n w i t h a b o u t 3 0 0 W a t 6 . 4 G H z . T h e m a g n e t s o f t h e S C E C R w e r e t h e n r a m p e d u p ( 3 8 . 1 3 . 0 , 0 , 2 2 . 7 0 A ) . a n d t h e h i g h v o l t a g e b i a s o n t h e S C E C R b r o u g h t u p t o 1 0 k V . N o t e t h a t t h e i n j e c t i o n s t a g e p r e s s u r e i s m u c h l o w e r t h a n t h a t r e q u i r e d f o r o p t i m a l 6 1 0 o p e r a t i o n . w h i c h w a s p r o b a b l y i n i t s l o w d e n s i t y m o d e . A l l g a s fl o w i n t o t h e h y b r i d s o u r c e w a s t h r o u g h t h e g a s l i n e o f t h e 6 1 0 w i t h n o i n d e p e n d e n t f e e d t o t h e m a i n s t a g e , a n d t h e c o l l i s i o n a l . l o w c h a r g e s t a t e p l a s m a i g n i t e d i n t h e 6 1 0 t h e n d i f f u s e d o u t o f t h e s m a l l s o u r c e a n d f o l l o w e d t h e 3 7 5 m a g n e t i c fl u x l i n e s i n t o t h e m a i n s t a g e o f t h e S C E C R . R e s u l t s o f t h e r e l a t i v e b i a s o n t h e 6 1 0 w i t h r e s p e c t t o t h e S C E C R a r e t a b u l a t e d o n T a b l e 1 b e l o w . a n d g r a p h i c a l l y d e p i c t e d i n F i g u r e 8 . 1 1 . N o t e t h a t t h e s e c u r r e n t s ( i n p a r t i c l e m i c r o - a m p e r e s ) a r e t h e h i g h e s t v a l u e s c h o s e n f r o m s e v e r a l d i f f e r e n t t u n e s o f t h e h y b r i d s o u r c e . T h i s i s d o n e t o i n d i c a t e t h a t t h e s e h i g h c u r r e n t s m a y i n d e e d b e g e n e r a t e d f r o m t h e s o u r c e , b u t t h e s o u r c e h a s t o b e e f f e c t i v e l y o p t i m i z e d f o r e a c h c h a r g e s t a t e . T a b l e l : P _ a r _ t _ i c l e c m n t g o f o x y g e n c h a _ r g e s t a t e s i n t h e h y b r i d s o u r c e . O x y g e n + 1 k V b i a s 0 b i a s - 1 k V b i a s C h a r g e o n 6 1 0 o n 6 1 0 o n 6 1 0 S t a t e ( e p A ) ( e I I A ) ( C I A A I 1 + 2 5 1 . = 0 2 5 3 . 3 = 1 1 3 . 0 : 2 + 1 0 7 . 0 1 9 0 . 8 2 2 3 . 5 3 + 3 7 . 3 0 1 0 5 . 0 1 8 2 . 0 4 + 1 5 . 2 0 4 6 . 3 1 2 6 . 0 5 + 2 . 9 0 1 8 . 8 5 8 . 2 5 6 + 0 . 5 0 4 . 7 0 2 3 . 5 7 + 0 . 0 1 3 0 . 2 2 1 . 5 5 T h e d a t a f o r t h e a b o v e t a b l e a r e t a k e n u s i n g a F a r a d a y c u p i n t h e S C E C R b e a m l i n e u n d e r t h e f o l l o w i n g c o n d i t i o n s : 6 1 0 o n ( 1 2 5 W i n p u t a t 2 . 4 5 G H z ) . S C E C R o n ( 3 0 0 W i n p u t a t 6 . 4 G H z ) w i t h p o s i t i v e 1 k V . n e g a t i v e 1 k V a n d z e r o b i a s o n t h e 6 1 0 w i t h r e s p e c t t o t h e S C E C R . C h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n s f o r t h e t h r e e c o n d i t i o n s ( p o s i t i v e , n e u t r a l a n d n e g a t i v e b i a s o n 6 1 0 w i t h r e s p e c t t o t h e S C E C R ) a r e s h o w n i n F i g u r e s 8 . 1 2 t h r o u g h 8 . 1 4 . T h e t a b l e . a n d F i g u r e 8 . 1 1 d e n o t e t h e t o t a l e l e c t r i c a l c u r r e n t o f 5 — _ 8 . I I l I 6 ‘ . 0 e 1 d o X m 8 “ I 7 \ \ B . X T 6 “ . . - u ” 5 ) Q ( e t I a 4 t S 6 - h a g i h H t “ i s w t i ) n R i C s E i C R S C e E h C t S o t e h e v T i t . a e l g e e a g r a h r t ( s s n e o i I 3 C s l I b 2 ~ a i V K 1 + ] i l 0 0 0 5 — I D O 0 5 1 3 2 Z 0 O a t i c e b j n 0 i 1 e 6 h t s u n o i i r e a r v u s t s a e r n p e k n a e t g y s i x o a r t r a o D T l I ( v 1 1 9 ) m a r i n a - l K V b i a s 1 0 0 — N o b i a s ~ 3 7 6 5 3 2 1 2 3 1 2 0 3 1 0 5 I I I 2 I 3 L 1 I N L N 1 r V L I 0 D 0 ‘ U U I 1 1 e I P P - . — . ~ c v — — . . . . . — — 1 I Z 2 5 S S S F R I R H N N t C G M M . ' 2 - _ ' _ - I I I - s i i _ c I 2 I 0 n _ i ~ _ 1 o 2 1 ¥ 8 1 1 1 r 6 e w e o h f p T \ 1 I 5 I I . I l z . e H g G a t 4 s . _ o I I 6 l n . I _ \ 2 1 / I i . W t ) c s 0 e a j i 0 n b 8 3 i I 2 , n V k 0 0 i 1 1 1 0 I 1 I 3 L I B 9 6 1 e r o t u t s a r s s e i e J I c 9 r - 1 w o p h L U I 6 O I - C p n i t u e h g w p y ( U n x / F M o - i R C I 0 2 E z r I 4 S r H o C G T . I 5 6 e 4 ' 0 h 1 t . 2 W X o t e 5 v 8 2 . i I - 6 t I ‘ 2 1 h . a l e t R r i C w V E n C k e k S 1 a n + t o d a t s e t n a a e i D d b I I _ 5 0 4 3 1 5 0 1 3 5 1 2 0 1 0 5 9 0 6 0 ' 1 5 R n a l g s i s C u r r e n t 0 3 2 0 5 4 0 7 6 0 9 8 0 1 2 0 I I I I ~ r ~ r m < r m u 3 m c n m ( I a : f . ‘ L . . ‘ ( _ . ‘ L _ " _ ‘ f _ ‘ ( . J ( _ ‘ L J ( J r ; I I I N : - 3 7 7 1 — “ 1 _ 0 q 2 “ I — - — — - . - 5 8 9 _ t 0 _ n r e _ 6 _ r 7 _ r _ u _ - s i i 2 c I 2 I 5 I 2 I 8 1 1 1 n 0 i 1 r 6 e w e o h p T z . e H g 5 a G 1 t 1 I 6 4 s . n 1 I H o i W t c 0 e 1 2 0 j n \ 1 1 3 i . / _ ) 1 1 5 1 , n s 0 i a 1 6 i e b r o V u t s k r s 0 e U 3 I L L 2 1 1 7 I U I 1 I N I 0 _ 2 _ _ 2 _ 5 _ _ _ 2 _ 5 _ _ 1 1 2 a 5 5 8 g F 9 U V 0 L I L 2 4 7 B 9 6 a 3 5 6 9 0 1 3 H H P P C C C C C C C C 1 6 6 6 S N M _ I I e 1 I B w r _ o C _ p t a _ 1 p n _ t e s i s _ I _ _ S - - - Q _ I . - a _ - n ] - R . . . _ _ _ . _ . - . . - . 1 5 1 1 4 I u g p y h n x c i o i h z r w r ( H o G T R 5 6 C 4 E ' . 2 0 1 C S W X e 5 8 h 2 . t - 6 _ 1 o - t 1 _ . - I h , e t R v i i C w t E a n l C e S e r k a n g t o n a t t i t n a a e o D d fl 6 0 5 6 4 3 1 5 — 0 5 4 5 7 I D N I m — K m s s m m s s s N d “ C D ‘ S G L D Q ' S S S 3 7 8 2 0 - R U 1 3 - 1 9 9 3 l l 2 8 5 S U [ L V L I U U P U V H H P . _ _ _ l l I ] 0 2 1 t 0 n e 6 r 7 l r u C s 2 2 @ ~ — — — - _ P W 2 2 - s i i c n 0 0 i 2 1 r 6 e 8 e w 1 6 1 o h p T z . I e - I G g a t s 4 4 1 . 6 n o i . W t ) c s 0 e a i 2 7 j , I J I 4 l l 0 b n 3 i V , n k 0 i 1 0 6 1 e r B u t o Q S t s a r s s e e i I r - C w h p o c p i n n e U h s I ( R u t g w g - m l a n 4 H 5 l . 0 2 3 I 0 % 1 p y n x Q R i o Z C z r E r H o C G T S 5 6 e 4 h ‘ . t 0 2 1 W X o t e 5 8 v 2 1 . i 6 t a l h e . t R r i C w E V k n C e 1 S k ~ a n t d o e a t s t n a a e i " D d b 0 0 5 S 5 0 S 0 5 2 0 9 7 4 3 I . . 1 1 1 [ 3 5 B I Z ] ' 1 5 A 1 I L I I I I I J I J I H H J I J J I L I D N I “ I O N ? [ 0 N 3 ” W E I C 2 — — C 3 C 4 _ . I C S C B _ C 7 C B C 9 C R S I * C H S I ( 3 9 5 2 6 9 5 2 l 2 4 6 8 H 0 l 2 B I A 0 S L I T I G L D I 0 7 8 5 3 3 : I K m S S I V G — ‘ S S S m — N : S S S m 2 S L 1 . ) “ ‘ 8 3 T N 3 8 0 e a c h o x y g e n c h a r g e s t a t e e x t r a c t e d f r o m t h e S C E C R . W h e n t h e 6 1 0 i s b i a s e d a t + 1 k V r e l a t i v e t o t h e S C E C R . t h e n e t p o t e n t i a l s e e n b y t h e p l a s m a d i f f u s i n g o u t o f t h e 6 1 0 i s l 1 k V . e n h a n c i n g p o s i t i v e ( i o n ) i n j e c t i o n i n t o t h e m a i n s t a g e o f t h e S C E C R . S i m i l a r l y . w h e n t h e 6 1 0 i s b i a s e d - 1 k V r e l a t i v e t o t h e S C E C R . t h e n e t p o t e n t i a l s e e n b y t h e p l a s m a f r o m t h e 6 1 0 i s 9 k V . e n h a n c i n g n e g a t i v e ( e l e c t r o n ) i n j e c t i o n i n t o t h e m a i n s t a g e o f t h e S C E C R . N e u t r a l p l a s m a i n j e c t i o n i n t o t h e m a i n s t a g e o c c u r s w h e n t h e 6 1 0 i s fl o a t i n g w i t h r e s p e c t t o t h e S C E C R . I t i s s e e n i n F i g u r e 8 . l 1 t h a t e v e n a t m a i n s t a g e p r e s s u r e s t h a t a r e h i g h e r t h a n t h e o p t i m a l S C E C R p e r f o r m a n c e c o n d i t i o n s . t h e h y b r i d s o u r c e i s a b l e t o p r o d u c e u p t o 0 2 7 + i o n s . F o r b o t h p o s i t i v e a n d n e u t r a l i n j e c t i o n i n t o t h e m a i n s t a g e , t h e p a r t i c l e c u r r e n t d r o p s a s t h e m a s s t o c h a r g e r a t i o ( o r t h e c h a r g e s t a t e . a s s h o w n i n F i g u r e 8 . 1 1 ) i n c r e a s e s , w i t h a p e a k c u r r e n t o n t h e 0 2 1 * s t a t e . H o w e v e r , w i t h n e g a t i v e i n j e c t i o n , t h e e n t i r e c h a r g e s t a t e s h i f t s t o w a r d s h i g h e r i o n i z e d s p e c i e s , a n d t h e p e a k c u r r e n t i s n o w s e e n t o b e o n t h e 0 2 2 * i o n . P r o d u c t i o n o f t h e 0 2 “ ” i o n s i s d e p r e s s e d , w h i l e t h a t o f a l l o t h e r h i g h e r c h a r g e s t a t e s g o e s u p , w i t h r e s p e c t t o p o s i t i v e a n d n e u t r a l i n j e c t i o n f r o m t h e 6 1 0 . T h i s i s a l s o s e e n g r a p h i c a l l y o n t h e 0 5 0 3 o f F i g u r e s 8 . 1 2 t h r o u g h 8 . 1 4 w h e r e t h e p e a k s o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s a r e e n h a n c e d w i t h a n e g a t i v e b i a s o n t h e 6 1 0 . m m I t h a s b e e n s h o w n t h a t a h i g h p r e s s u r e p l a s m a s o u r c e ( t h e 6 1 0 ) c a n b e c o u p l e d t o a l o w p r e s s u r e E C R I S f o r m u l t i p l y ‘ c h a r g e d s p e c i e s ( t h e S C E C R ) . N o t e t h a t t h e p r e s s u r e s a t w h i c h t h e h y b r i d s o u r c e ( S C E C R w i t h t h e 6 1 0 a s a n i n j e c t o r ) w e r e t o o h i g h f o r o p t i m a l h i g h c h a r g e s t a t e p r o d u c t i o n f r o m t h e S C E C R . 3 8 ] w h i l e t h e p r e s s u r e s w e r e t o o l o w f o r t h e 6 1 0 t o b e i n i t s h i g h d e n s i t y m o d e . H e n c e t h e p e r f o r m a n c e o f b o t h t h e 6 1 0 a n d t h e S C E C R w e r e b e l o w t h e i r r e s p e c t i v e i n d i v i d u a l o p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e ( s p e c i a l l y i f t h e S C E C R i s o p e r a t e d w i t h t h e r e g u l a r fi r s t s t a g e i n i t s H i g h - B m o d e ) , D e s p i t e t h i s , t h e h y b r i d s o u r c e m a y h a v e h e l p e d i n a n s w e r i n g a n o l d q u e s t i o n : t h e E C R I S p l a s m a s r e q u i r e l o w e n e r g y e l e c t r o n s f r o m t h e fi r s t s t a g e . A s w a s m e n t i o n e d e a r l i e r , e v e n i n t h e p r e s e n c e o f s t r o n g m a g n e t i c fi e l d s o f t h e m i n i m u m B c o n fi g u r a t i o n , s o m e . p e r c e n t a g e o f t h e h i g h e n e r g r e l e c t r o n s a r e a b l e t o e s c a p e a n d a r e l o s t t o t h e w a l l s . T h e l o w e n e r g e l e c t r o n s f r o m t h e fi r s t s t a g e c o m p e n s a t e f o r t h e s e l o s t I e l e c t r o n s a n d h e l p i n m a i n t a i n i n g t h e q u a s i - n e u t r a l i t y i n t h e m a i n s t a g e , t h e r e b y i n c r e a s i n g t h e i o n c o n fi n e m e n t t i m e s . W i t h o u t t h e s e l o w e n e r g y e l e c t r o n s t h e i o n s w o u l d a l s o b e l o s t t o m a i n t a i n t h e q u a s i - n e u t r a l s t a t u s o f t h e p l a s m a . S i m i l a r c o n c l u s i o n s h a v e b e e n d r a w n i n w o r k a t o t h e r l a b o r a t o r i e s a l s o [ L y n - 9 l , M e l - 9 1 ] , b u t h e r e t o f o r e n o c o m p l e t e p o s i t i v e - n e g a t i v e - n e u t r a l i n j e c t i o n s t u d y c o u l d h a v e b e e n a t t e m p t e d . T h e fi r s t s t a g e a t t h e L a w r e n c e B e r k e l e y L a b o r a t o r y ( t h e A E C R ) h a s i n f a c t b e e n r e p l a c e d b y a L a B e e l e c t r o n g u n w i t h a n e n h a n c e d p r o d u c t i o n o f m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e s [ X i e - 9 3 ] . A n o t h e r t e c h n i q u e t o i n c r e a s e fl o w o f c o l d e l e c t r o n s i n t o t h e p l a s m a i s b y c o a t i n g t h e p l a s m a c h a m b e r w a l l s w i t h a m a t e r i a l l i k e S i 0 2 w h i c h h a s a h i g h s e c o n d a r y e l e c t r o n e m i s s i o n c o e f fi c i e n t . T h i s i s d o n e b y ’ “ S i l a n e c o n d i t i o n i n g " t h e s o u r c e - a p r o c e s s r o u t i n e l y e m p l o y e d a t t h e N S C L , w h e r e a s i l a n e ( S H - I 4 ) a n d o x y g e n p l a s m a i s g e n e r a t e d a n d s u s t a i n e d i n t h e m a i n s t a g e f o r s e v e r a l d a y s . T h e p r o c e s s d e p o s i t s a l a y e r o f $ 1 0 2 o n t h e c h a m b e r w a l l s a n d e n h a n c e s e l e c t r o n e m i s s i o n w h e n t h e p l a s m a s p e c i e s b o m b a r d t h e w a l l s . A l u m i n a c o a t i n g . o r a l u m i n u m l i n e r s o n t h e w a l l s t h a t h a v e b e e n o x i d i z e d a l s o 3 8 2 e m i t s e c o n d a r y e l e c t r o n s . T h e o p e r a t i o n o f t h e m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e E C R I S i s s e e n ‘ t o i m p r o v e b y t h e s e t e c h n i q u e s . 8 . 1 9 C o n c l u d i _ n g R e m a r k s T h e r e s u l t s o f t h i s s t u d y a r e v e r y p r o m i s i n g . F u t u r e r e s e a r c h i n v o l v e s a s t r o n g e r c o u p l i n g b e t w e e n t h e 6 1 0 a n d S C E C R t o o p e r a t e b o t h a t t h e i r r e s p e c t i v e o p t i m a l p r e s s u r e s . A p r o p e r b e a m e x t r a c t i o n ( u s i n g P i e r c e t y p e a c c e l - d e c e l e l e c t r o d e s l i k e t h o s e u s e d l a t e r i n C h a p t e r N i n e ) f r o m t h e 6 1 0 t h a t m a y b e i n j e c t e d d i r e c t l y i n t o t h e m a i n s t a g e c o u l d a l s o e n h a n c e t h e r e s u l t s o f t h i s s t u d y . A l s o . i n t h e c u r r e n t d e s i g n . t h e 6 1 0 i s a l m o s t 3 0 c m f r o m t h e b a f fl e p l a t e t h a t s e p a r a t e s t h e m a i n s t a g e f r o m t h e i n j e c t i o n s t a g e . B e t t e r r e s u l t s m a y b e a c h i e v e d i f a l o n g e r “ 6 1 0 l i k e " s o u r c e i s d e s i g n e d s u c h t h a t t h e i n j e c t e d p l a s m a i s c l o s e . t o t h e m a i n s t a g e . F i n a l l y , o n c e o p t i m a l p r e s s u r e a n d p o s i t i o n v a r i a b l e s a r e s a t i s fi e d f o r t h e 6 1 0 i n j e c t i o n i n t o t h e m a i n s t a g e , t e c h n i q u e s l i k e s i l a n e c o n d i t i o n i n g , g a s m i x i n g o r a l u m i n u m l i n e r s i n t h e m a i n s t a g e m a y b e u s e d t o i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e h i g h c h a r g e s t a t e s f r o m t h e S C E C R a n d f u r t h e r . s t u d y t h e e f f e c t s o f t h e fi r s t s t a g e . C h a p t e r 9 E v a l u a t i o n : B e a m E g r a c t i o n f r o m t h e M P D R 6 1 0 9 . 1 I n t r o d u c t i o n 9 . 2 I o n B e a m s - a B r i e f I n t r o d u c t i o n 9 . 2 . 1 S p a c e C h a r g e E f f e c t s 9 . 3 B e a m E x t r a c t i o n f r o m t h e M P D R 6 1 0 - I n i t i a l T r i a l s 9 . 4 F u r t h e r B e a m D e v e l o p m e n t - t h e M P D R 6 1 0 o n t h e B e a m L i n e o f t h e S C E C R 9 . 5 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e t w o E l e c t r o d e E x t r a c t i o n A p p a r a t u s o n t h e M P D R 6 1 0 9 . 5 . 1 E m i t t a n c e M e a s u r e m e n t s f o r t h e T w o E l e c t r o d e S y s t e m 9 . 5 . 2 B e a m C u r r e n t M e a s u r e m e n t s f o r t h e T w o E l e c t r o d e S y s t e m 9 . 5 . 3 P h o t o g r a p h i c C o n fi r m a t i o n o f t h e “ M e n i s c u s E f f e c t ” 9 . 5 . 4 D i s c u s s i o n o f t h e M e n i s c u s E f f e c t 9 . 6 F u r t h e r B e a m D e v e l o p m e n t - t h e P i e r c e t y p e “ A c c e l - D e c e l " E x t r a c t i o n S y s t e m f o r t h e M P D R 6 1 0 9 . 6 . l T h e T e s t S t a n d 9 . 6 . 2 T h e N e w E x t r a c t i o n S y s t e m 9 . 7 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e I m p r o v e d T h r e e E l e c t r o d e E x t r a c t i o n S y s t e m 9 . 8 C o n c l u d i n g R e m a r k s C fi a p t e r 9 £ w [ u a t i o n ; B fi e a m e x t r a c t i o n f r o m t fi e M 1 2 4 9 3 6 1 0 m m T h e r e a r e o v e r 5 0 c o m m e r c i a l m o d e l s o f t h e M P D R 6 1 0 t h a t h a v e b e e n s o l d b y W a v e m a t I n c . o f P l y m o u t h , M i c h i g a n t o r e s e a r c h l a b o r a t o r i e s t h r o u g h o u t N o r t h A m e r i c a . a n d a l s o i n E u r o p e . M o s t o f t h e a p p l i c a t i o n s t o d a t e f o r t h e 6 1 0 h a v e b e e n l i m i t e d t o s e m i - c o n d u c t o r p r o c e s s i n g , a n d n o c o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n y e t h a s d e m a n d e d a n i o n b e a m t o b e e x t r a c t e d fi ' o m t h e 6 1 0 . H e n c e t h e e v a l u a t i o n o f t h e b e a m c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e M P D R 6 l O h a s b e e n l a r g e l y n e g l e c t e d u p t o n o w ( e x c e p t f o r t h e c r u d e “ b e a m ” t h a t w a s e x t r a c t e d f r o m t h e 6 1 0 d u r i n g t h e “ 6 1 0 + S C E C R h y b r i d s o u r c e ” e x p e r i m e n t s d e t a i l e d i n C h a p t e r E i g h t ) . W h e t h e r t h i s p l a s m a / f r e e r a d i c a l s o u r c e m a y a l s o fi n d a p p l i c a t i o n s a s a n . i o n b e a m s o u r c e w i l l n o w b e i n v e s t i g a t e d . T h e b e a m d e v e l o p m e n t a s p e c t s o f t h e M P D R 6 1 0 w e r e e v a l u a t e d a s p a r t o f t h e o n - g o i n g c h a r a c t e r i z a t i o n a n d a p p l i c a t i o n s t u d y o f t h i s s o u r c e a t t h e N a t i o n a l S u p e r c o n d u c t i n g C y c l o t r o n L a b o r a t o r y ( N S C L ) . E x p e r i m e n t s w e r e . c o n d u c t e d t h r o u g h w h i c h a n i o n b e a m w a s s u c c e s s f u l l y e x t r a c t e d f r o m t h e 6 1 0 . 3 8 3 3 8 4 T h i s i n v o l v e d r i g o r o u s a p p l i c a t i o n o f b e a m o p t i c s . a n d o t h e r t e c h n o l o g i c a l k n o w - h o w o f t h e N S C L p e r s o n n e l - k e y a m o n g t h e m b e i n g D r . T . A n t a y a , M r . K . H a r r i s o n . M r . D . C o l e a n d t h e s u p p o r t o f D r . A . Z e l l e r . A s w i t h C h a p t e r E i g h t , i n a n e x a m p l e o f t r u e c o l l a b o r a t i v e r e s e a r c h , e x p e r i m e n t s d e t a i l e d i n t h i s c h a p t e r p r o v i d e d v a l u a b l e d a t a f o r b o t h t h e E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ( E E ) a n d N S C L i o n s o u r c e r e s e a r c h g r o u p s . S e v e r a l c o n c l u s i o n s r e g a r d i n g b e a m e x t r a c t i o n fi o m a n i o n s o u r c e h a v e b e e n d r a w n f r o m t h e s e t e s t s , i n c l u d i n g t h e s o c a l l e d “ m e n i s c u s e f f e c t , " w h i c h d e fi n e s t h e e x a c t s h a p e o f t h e p l a s m a m e n i s c u s a s t h e e x t r a c t i o n h i g h v o l t a g e c h a n g e s . W h i l e t h e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t o f b e a m e x t r a c t i o n , a n d t h e f o r m a t i o n o f t h e m e n i s c u s h a s b e e n k n o w n f o r s e v e r a l d e c a d e s , f o r t h e fi r s t t i m e t h i s e f f e c t w a s o b s e r v e d a n d p h o t o g r a p h e d i n a n a c t u a l i o n b e a m , a n d m a y n o w b e u s e d t o c o r r o b o r a t e , o r r e f u t e t h e t h e o r y . T h e c h a p t e r b e g i n s w i t h a n i n t r o d u c t i o n t o b e a m e x t r a c t i o n f r o m a g e n e r i c i o n b e a m s o u r c e . S o m e d i f f e r e n t t y p e s o f i o n b e a m s t h a t m a y b e e x t r a c t e d a r e d i s c u s s e d , a l o n g w i t h t h e r e l e v a n t n o m e n c l a t u r e . S e v e r a l s t r a t a o f b e a m e x t r a c t i o n e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d o n t h e 6 1 0 , a n d e a c h i s e x t e n s i v e l y d i s c u s s e d , i n c l u d i n g t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f a s p e c i a l t h r e e e l e c t r o d e e x t r a c t i o n s y s t e m f o r t h e M P D R 6 1 0 . R e s u l t s o f t h e s e t e s t s i n t e r m s o f t h e c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n s a n d e m i t t a n c e m e a s u r e m e n t s a r e p r e s e n t e d . . F i n a l l y , t h e c o n c l u d i n g r e m a r k s r e v i e w t h e a b o v e e x p e r i m e n t s . I t i s n o t e d i n t h e c o n c l u s i o n t h a t d e s p i t e t h e r e s e a r c h c o n d u c t e d o n i o n b e a m e x t r a c t i o n f r o m t h e 6 1 0 f o r t h i s c h a p t e r , a l o t o f w o r k s t i l l n e e d s t o b e d o n e . T h e r e f o r e , s e v e r a l f u t u r e e x p e r i m e n t s a r e p r o p o s e d t o c o m p l e t e l y c h a r a c t e r i z e t h e b e a m d e v e l o p m e n t f r o m t h e M P D R 6 1 0 . S o m e i n t e r e s t i n g a p p l i c a t i o n s a r e a l s o d i s c u s s e d . 3 8 5 . 2 1 B e - a B e l n o n B y d e fi n i t i o n , a b e a m i s a fl o w o f c h a r g e d p a r t i c l e s w i t h l a t e r a l b o u n d a r i e s [ F o r - 8 8 ] . I t m a y b e c o m p o s e d o f p r i m a r i l y p o s i t i v e p a r t i c l e s ( i o n s ) , n e g a t i v e p a r t i c l e s ( e l e c t r o n s , o r n e g a t i v e i o n s ) , o r n e u t r a l p a r t i c l e s ( l i k e a t o m i c o r r a d i c a l s p e c i e s - a s i n t h e c a s e o f t h e O x f o r d r a d i c a l b e a m s o u r c e d i s c u s s e d i n S e c t i o n 2 . 2 . 8 , C h a p t e r T W O ) . T h e m o s t i m p o r t a n t t y p e s o f b e a m s a r e t h o s e o f p o s i t i v e i o n s , i n t e r m s o f a p p l i c a t i o n s - t h e s e i n c l u d e i o n p r o p u l s i o n ( e l e c t r o t h e r m a l p r o p u l s i o n , o r m a g n e t o - h y d r o - d y n a m i c t h r u s t e r s ) , e n e r g e t i c s p u t t e r i n g a n d / o r i o n i m p l a n t a t i o n o n s u b s t r a t e s u r f a c e , a n d p o s i t i v e i o n b e a m i n j e c t i o n i n t o a c c e l e r a t o r s . N e u t r a l b e a m s a r e t y p i c a l l y u s e d f o r i n j e c t i o n i n t o m a g n e t i c f u s i o n d e v i c e s . I t i s t h e i n j e c t i o n o f p o s i t i v e i o n s i n t o t h e c y c l o t r o n t h a t i n v o l v e s t h e i o n s o u r c e r e s e a r c h g r o u p a t t h e N S C L , w h i l e t h e s p u t t e r i n g a n d i o n i m p l a n t a t i o n t e c h n i q u e s r e q u i r e i o n b e a m s i n t h e s e m i c o n d u c t o r i n d u s t r y ( a n d h e n c e t h e E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g i o n b e a m s o u r c e r e s e a r c h ) . S t u d y o f b e a m d e v e l o p m e n t t h e r e f o r e e n h a n c e s t h e k n o w l e d g e b a s e o f b o t h i o n s o u r c e r e s e a r c h g r o u p s . S e v e r a l b o o k s d e l v e i n t o t h e f u n d a m e n t a l s o f i o n b e a m t e c h n o l o g y , m o s t l y d i s c u s s i n g b e a m s i n c o n t e x t o f t h e a b o v e a p p l i c a t i o n s , o r f o c u s s i n g o n s p e c i fi c t o p i c s r e l a t e d t o b e a m d e v e l o p m e n t . F o r r e s t e r ’ s b o o k [ F o r - 8 8 ] f o r e x a m p l e , e n c o m p a s s e s t h e g e n e r a t i o n , a c c e l e r a t i o n a n d p r o p a g a t i o n o f i o n ' b e a m s ( i n c l u d i n g a c o m p r e h e n s i v e c o v e r a g e o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f b e a m t r a n s p o r t ) , w h i l e V a l y i [ V a l - 7 7 ] a n d B r o w n [ B r o - 8 9 ) b o t h h a v e g o o d c o v e r a g e o f i o n b e a m s o u r c e s a n d b e a m e x t r a c t i o n . I n p a r t i c u l a r , t h e c h a p t e r s b y B r o w n , J o n g e n a n d L y n e i s , S a k u d o , I s h i k a w a , D o n n e t s , a n d s e v e r a l o t h e r s i n R e f e r e n c e B r o - 8 9 a r e v e r y e n l i g h t e n i n g o n t h e d e v e l o p m e n t o f t h e v a r i o u s t y p e s o f i o n 3 8 6 s o u r c e s c u r r e n t l y i n u S e . S o , w h i l e t h e g e n e r a l s t u d y o f i o n b e a m s o u r c e s a n d b e a m t e c h n o l o g I i s b e s t l e f t t o t h e s e b o o k s a n d r e l a t e d p u b l i c a t i o n s , i t i s t h e p u r p o s e o f t h i s s e c t i o n t o d i s c u s s i n f o r m a t i o n r e l e v a n t o n l y t o b e a m d e v e l o p m e n t f r o m t h e M P D R 6 1 0 . A p l a s m a s o u r c e l i k e t h e M P D R 6 1 0 m a y e a s i l y b e c o n v e r t e d t o a n i o n b e a m s o u r c e b y a t t a c h i n g a n e x t r a c t i o n s y s t e m a t t h e o u t l e t o f t h e s o u r c e . B a s e d o n t h e d e s i g n o f t h i s e x t r a c t i o n s y s t e m , t h e r e a r e t w o t y p e s o f b e a m s t h a t c a n b e e x t r a c t e d f r o m a n i o n s o u r c e . T h e e l e c t r o d e s m a y h a v e s e v e r a l s m a l l a p e r t u r e s s p a c e d e v e n l y a c r o s s t h e a r e a . S u c h a m u l t i - a p e r t u r e g r i d s y s t e m w a s u s e d t o e x t r a c t b e a m s f r o m t h e M P D R 5 b y M a h o n e y [ M a h - 8 9 a ) . T h i s e x t r a c t i o n s e t u p - n o r m a l l y p r o d u c e s t i n y b e a m l e t s t h a t i n t e r a c t w i t h e a c h o t h e r a n d g e n e r a t e a r e l a t i v e l y u n i f o r m b r o a d b e a m . S u c h “ b r o a d b e a m s o u r c e s ” - l i k e t h e K a u f m a n s o u r c e [ K a u - 8 7 ] a r e h e a v i l y u s e d i n t h e s e m i c o n d u c t o r i n d u s t r y w h e r e u n i f o r m i t y o v e r l a r g e s u b s t r a t e a r e a s ( 6 t o 8 i n c h d i a m e t e r w a f e r s , f o r e x a m p l e ) i s e s s e n t i a l . H o w e v e r , s e v e r a l p r o b l e m s a r e e n c o u n t e r e d w h i l e u s i n g s u c h a n e x t r a c t i o n s y s t e m . I f t h e g e n e r a t i o n , o r d i f f u s i o n o f t h e p l a s m a o u t o f t h e s o u r c e ' i s r a d i a l l y n o n u n i f o r m ( l i k e f o r t h e M P D R 6 1 0 - s e e F i g u r e 4 . 1 2 . C h a p t e r F o u r ) t h e m u l t i - a p e r t u r e g r i d m a y h a v e t o b e d e s i g n e d f o r t h e c h a n g i n g i o n d e n s i t y a c r o s s t h e r a d i u s o f t h e g r i d . T h i s m a y b e t a c k l e d b y g r a d u a l l y i n c r e a s i n g t h e d i a m e t e r o f t h e a p e r t u r e s a s t h e r a d i a l d i s t a n c e i n c r e a s e s , a s w a s d o n e b y S o h l e t a l . ( s e e F i g u r e 5 . 2 2 , R e f e r e n c e F o r - 8 8 ) , b u t s u c h a g r i d d e s i g n i s r a t h e r c o m p l e x . M o r e o v e r , i f t w o o r m o r e g r i d s a r e u s e d t o e x t r a c t t h e s e b r o a d b e a m s ( a s i s n o r m a l l y t h e c a s e ) , t h e c o n s t r u c t i o n a n d a l i g n m e n t o f h i g h t r a n s p a r e n c y g r i d s c a n a l s o l e a d t o p r o b l e m s . A s w i l l b e s e e n l a t e r , t h e C h i l d - L a n g m u i r l a w 3 8 7 a b o u t t h e e x t r a c t e d c u r r e n t v e r s u s a p p l i e d b i a s d i c t a t e s t h a t t o i n c r e a s e t h e c u r r e n t f r o m t h e s o u r c e f o r a fi x e d e x t r a c t i o n p o t e n t i a l , t h e s e p a r a t i o n b e t w e e n t h e g r i d s m u s t b e d e c r e a s e d . W i t h h i g h t r a n s p a r e n c y g r i d s i n u s e , t h i s m a y l e a d t o l o s s o f a l i g n m e n t , s t r e s s f r a c t u r e s , a r c i n g a n d a n u l t i m a t e d e c r e a s e i n t h e l i f e t i m e o f t h e e x t r a c t i o n a p p a r a t u s . A n o p t i m a l e x t r a c t i o n s y s t e m w a s d e v i s e d b y P i e r c e [ P i e - 4 0 , P i e - 5 4 ] , a n d i s a p p r o p r i a t e l y k n o w n a s t h e P i e r c e g e o m e t r y - s p e c i fi c s a b o u t t h i s g e o m e t r y w i l l b e d i s c u s s e d i n a l a t e r s e c t i o n . A fi n a l p r o b l e m w i t h m u l t i - a p e r t u r e e x t r a c t i o n s y s t e m i s t h a t i t i s i m p o s s i b l e t o a c h i e v e a P i e r c e t y p e g e o m e t r y , a s w i l l b e c o m e e v i d e n t i n d e t a i l e d d i s c u s s i o n s l a t e r . ( I n a c t u a l i t y P i e r c e g e o m e t r y i s i m p o s s i b l e t o a c h i e v e e v e n w i t h a s i n g l e c e n t r a l i z e d a p e r t u r e , a n d s o a “ q u a s i - P i e r c e ” s y s t e m i s o f t e n u s e d . ) H o w e v e r , d e s p i t e a l l t h e p r o b l e m s w i t h m u l t i p l e a p e r t u r e e l e c t r o d e s ( s o m e o f w h i c h a r e m e n t i o n e d a b o v e ) , e x t r a c t i o n s y s t e m s w i t h s u c h g r i d s a r e v e r y m u c h i n u s e , s p e c i a l l y f o r l o w e n e r g y ( S 1 k V ) b r o a d b e a m p r o d u c t i o n f o r s e m i c o n d u c t o r p r o c e s s i n g , a n d f o r e l e c t r o t h e r m a l t h r u s t e r s w h e r e u n i f o r m i t y o v e r l a r g e d i a m e t e r s i s v i t a l . T h e o t h e r t y p e o f e x t r a c t i o n s y s t e m u s e s a s i n g l e a p e r t u r e i n t h e c e n t e r o f t h e e l e c t r o d e . S u c h a s y s t e m p r o d u c e s o n e b e a m f r o m t h e h i g h e s t d e n s i t y a r e a o f t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n ( a s b e f o r e , s e e F i g u r e 4 . 1 2 fi ' o m C h a p t e r F o u r ) . W h i l e t h e b e a m p r o d u c e d b y a s i n g l e a p e r t u r e s y s t e m i s n o t “ b r o a d b e a m , ” ' i t c a n b e e x t r a c t e d a t v e r y h i g h v o l t a g e s ( u p t o 3 0 k V ) w i t h g o o d c o l l i m a t i o n , f o r t r a v e l l i n g , l o n g d i s t a n c e s w i t h m a g n e t i c o r e l e c t r o s t a t i c r e - f o c u s s i n g a t a p p r o p r i a t e p o s i t i o n s . S u c h a n e x t r a c t i o n s y s t e m i s v e r y p r e v a l e n t f o r m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R i o n s o u r c e s fi ' o m w h i c h h i g h l y c o l l i m a t e d b e a m s a r e n e e d e d f o r i n j e c t i o n i n t o p a r t i c l e a c c e l e r a t o r s . A s w i l l b e s e e n i n t h e 3 8 8 u p c o m i n g s e c t i o n s , i t w a s t h i s t y p e o f e x t r a c t i o n s y s t e m t h a t w a s d e s i g n e d f o r t h e M P D R 6 1 0 . . 2 . 1 a c e h e E f f e c t s A v e r y c o m m o n t e r m u s e d i n i o n b e a m d e v e l o p m e n t i s “ s p a c e c h a r g e , ” a n d i t s e f f e c t o n t h e b e a m c h a r a c t e r i s t i c s . B y d e fi n i t i o n [ F o r - 8 8 ] , s p a c e c h a r g e i s t h e “ p h e n o m e n o n a s s o c i a t e d w i t h t h e fl o w o f c h a r g e d p a r t i c l e s i n s u f fi c i e n t n u m b e r s t h a t t h e i r d e n s i t y s u b s t a n t i a l l y c h a n g e s t h e p o t e n t i a l i n t h e r e g i o n t h r o u g h w h i c h t h e y fl o w . ” A t y p i c a l i o n b e a m i s r i c h i n p o s i t i v e c h a r g e s p e c i e s ( o r n e g a t i v e c h a r g e i f i t i s a n e g a t i v e i o n o r e l e c t r o n b e a m ) . A s a r e s u l t , t h e r e i s s u b s t a n t i a l c o u l o m b r e p u l s i o n b e t w e e n t h e i o n s , s p e c i a l l y i f t h e i o n d e n s i t y i s h i g h . T h i s r e p e l l i n g f o r c e s p r e a d s o u t t h e b e a m l e a d i n g t o h i g h e m i t t a n c e a n d t h e r e f o r e h i g h t r a n s p o r t l o s s e s . A s t h e e x t r a c t i o n p o t e n t i a l i s i n i t i a l l y r a i s e d a b o v e z e r o , t h e b e a m c u r r e n t i n c r e a s e s l i n e a r l y ( w h e n p l o t t e d o n a l o g - l o g s c a l e ) . H o w e v e r , b e y o n d a c e r t a i n b i a s p o t e n t i a l , t h e r e i s a s a t u r a t i o n o f t h e b e a m c u r r e n t , w i t h n o f u r t h e r i n c r e a s e ( o r a m i l d i n c r e a s e w i t h a m u c h l o w e r s l o p e ) f o r r a i s i n g t h e b i a s v o l t a g e . A t l o w p o t e n t i a l s w h e n t h e l - V c h a r a c t e r i s t i c s a r e i n t h e l i n e a r r e g i o n , t h e b e a m ‘ i s s a i d t o b e s p a c e c h a r g e l i m i t e d , w h i l e a t h i g h v o l t a g e ( d u r i n g s a t u r a t i o n ) t h e b e a m i s i o n d e n s i t y l i m i t e d . T h i s i s b e c a u s e a t l o w e x t r a c t i o n b i a s , t h e r e i s s u f fi c i e n t i o n d e n s i t y b e i n g p r o d u c e d b y t h e s o u r c e t o p r o v i d e f o r t h e b e a m a t t h a t p o t e n t i a l , b u t t h e a m o u n t o f c u r r e n t e x t r a c t e d i s l i m i t e d b y t h e e l e c t r o s t a t i c i n t e r a c t i o n s ( S p a c e c h a r g e ) b e t w e e n t h e i o n s a t t h a t p o t e n t i a l . H o w e v e r , b e y o n d t h e l i n e a r r e g i o n , t h e i o n d e n s i t y p r o d u c e d b y t h e s o u r c e i s b e i n g o p t i m a l l y 3 8 9 d e p l e t e d , a n d a n y f u r t h e r i n c r e a s e i n v o l t a g e d o e s n o t p r o d u c e a s i m i l a r i n c r e a s e i n t h e i o n c u r r e n t . I n t h i s s a t u r a t i o n r e g i o n o f t h e I N c h a r a c t e r i s t i c s , t h e b e a m i s s a i d t o b e i o n d e n s i t y l i m i t e d . A u n i q u e w a y t o a l l e v i a t e s p a c e c h a r g e e f f e c t s a n d i n c r e a s e t h e f o c u s s i n g o f i o n b e a m s i s b y u s i n g a “ n e u t r a l i z e r . ” T h i s i s d o n e , f o r e x a m p l e i n t h e K a u f m a n b r o a d b e a m i o n s o u r c e s [ K a n - 8 7 ] , w h e r e a s o u r c e o f s e c o n d a r y e l e c t r o n s i s p l a c e d a t t h e o u t l e t o f t h e e x t r a c t i o n g r i d s . T h i s t e n d s t o i n c r e a s e t h e n e g a t i v e s p e c i e s i n t h e b e a m . w h e r e b y n e g a t i n g s o m e o f t h e c o u l o m b i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e i o n s . S p a c e c h a r g e n e u t r a l i z a t i o n i s a l s o d i s c u s s e d i n o t h e r b o o k s [ H a l - 8 9 ] i f f u r t h e r r e f e r e n c e s a r e n e e d e d . N o t e t h a t t h e r e i s n o d a n g e r o f a d r o p i n t h e i o n d e n s i t y i n t h e b e a m d u e t o e l e c t r o n - i o n r e c o m b i n a t i o n , w h i c h i s a t h r e e b o d y p r o c e s s , a n d t y p i c a l l y o c c u r s o n t h e w a l l s o f t h e d i s c h a r g e c o n fi n e m e n t c h a m b e r . A l s o , v o l u m e t r i c r e c o m b i n a t i o n , e i t h e r i n t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n . o r i n t h e i o n b e a m i t s e l f c a n o c c u r o n l y a r e l a t i v e l y h i g h p r e s s u r e s ( s e v e r a l T o r r s ) w h e r e t h e n e u t r a l d e n s i t y i s h i g h e n o u g h t o p r o v i d e t h e t h i r d b o d y ( n e u t r a l a t o m o r m o l e c u l e ) f o r t h e p r o c e s s t o o c c u r . T h e r e f o r e t h e d e p l e t i o n o f i o n d e n s i t y d u e t o v o l u m e t r i c r e c o m b i n a t i o n i s t o o r a r e a p r o c e s s a t t h e o p e r a t i n g p r e s s u r e s o f m o s t E C R I S ( a n d o f t h e i o n b e a m s t h a t a r e e x t r a c t e d fi ' o m t h e m ) t o f a c t o r i n t o t h i s e f f o r t t o n e u t r a l i z e s p a c e c h a r g e t h r o u g h s u p p l e m e n t a l e l e c t r o n i n j e c t i o n . . c t i o m . l - T h e e a r l i e s t , a n d r a t h e r c r u d e “ b e a m ” f r o m t h e 6 1 0 w a s e x t r a c t e d d u r i n g t h e e x p e r i m e n t s i n C h a p t e r E i g h t w h e n t h e 6 1 0 w a s m o u n t e d i n p l a c e o f t h e 3 9 0 r e g u l a r fi r s t s t a g e o f t h e S C E C R ( s e e F i g u r e 8 . 2 s h o w i n g t h e “ h y b r i d 6 1 0 + S C E C R ” s o u r c e . C h a p t e r E i g h t ) . B i a s i n g t h e 6 1 0 r e l a t i v e t o t h e S C E C R ( w h i c h i t s e l f w a s a t p o t e n t i a l s u p t o 1 0 k V ) g e n e r a t e d a m o s t l y p o s i t i v e , o r m o s t l y n e g a t i v e b e a m fi o m t h e 6 1 0 t h a t w a s i n j e c t e d i n t o t h e m a i n s t a g e o f t h e S C E C R p r o d u c i n g i n t e r e s t i n g r e s u l t s i n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e m u l t i p l y c h a r g e s t a t e s o u r c e ( s e e F i g u r e 8 . 1 0 a n d T a b l e 8 . 1 , C h a p t e r E i g h t ) . W h i l e v i s u a l c o n fi r m a t i o n o f t h i s “ b e a m ” f o r m a t i o n f r o m t h e 6 1 0 w a s n o t p o s s i b l e d u e t o i t s l o c a t i o n o n t o p o f t h e S C E C R , t h e c h a n g i n g b e a m c u r r e n t w i t h a p p l i e d e x t r a c t i o n p o t e n t i a l , a n d t h e m a g n e t i c fi e l d t o p o l o g y o f t h e S C E C R s o l e n o i d c o i l s a t t h e p o s i t i o n w h e r e t h e . 6 l 0 w a s m o u n t e d , i n d i c a t e t h a t a b e a m ( o f m o s t l y n e g a t i v e , o r m o s t l y p o s i t i v e p a r t i c l e s d e p e n d i n g o n t h e b i a s ) w a s b e i n g e x t r a c t e d f r o m t h e 6 1 0 a n d i n j e c t e d i n t o t h e m a i n s t a g e o f t h e S C E C R . A p r o b l e m w i t h t h e 6 1 0 h a s b e e n t h e e x c e s s i v e a m o u n t o f c u r r e n t t h a t i s p r o d u c e d b y t h e s o u r c e , s p e c i a l l y w h e n i t i s o p e r a t e d i n i t s . “ h i g h d e n s i t y m o d e . ” I f t h i s c u r r e n t i s t o o h i g h , b i a s i n g t h e 6 1 0 t o a n y h i g h v o l t a g e w o u l d p r o d u c e s i g n i fi c a n t d r a i n c u r r e n t a t e v e n l o w p o t e n t i a l s ( l e s s t h a n 1 0 0 V ) . T h e b e a m e x t r a c t i o n w o u l d t h e n b e l i m i t e d b y t h e m a x i m u m c u r r e n t c a p a c i t y o f t h e D C b i a s i n g p o w e r s u p p l y . T h i s p r o b l e m w i l l r e s u r f a c e s e v e r a l t i m e s i n t h e f o r t h c o m i n g s e c t i o n s . N o t e t h a t i n t h e e x p e r i m e n t s o f C h a p t e r E i g h t w h e r e t h e 6 1 0 w a s u s e d t o i n j e c t a “ b e a m ” i n t o t h e m a i n s t a g e o f t h e S C E C R . t h e r e w a s a p l a t e w i t h 1 c m d i a m e t e r h o l e t h a t w a s p l a c e d o n t h e o u t l e t o f t h e 6 1 0 . T h i s t h i n ( 0 . 1 2 5 i n c h t h i c k n e s s ) s t a i n l e s s s t e e l o r B N p l a t e t h r o t t l e s t h e a m o u n t o f c u r r e n t a l l o w e d t o e x i t t h e p l a s m a s o u r c e . T h e p l a t e a l s o a c t e d a s a b a f fl e f o r d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e , a l l o w i n g s l i g h t l y h i g h e r p r e s s u r e i n s i d e t h e 6 1 0 ' s d i s c h a r g e c o n fi n e m e n t q u a r t z c h a m b e r a s c o m p a r e d t o t h e p r e s s u r e i n w h a t w a s t h e 3 9 1 “ v a c u u m b o x ” o f t h e S C E C R fi r s t s t a g e . W h i l e t h e c u r r e n t o u t p u t o f t h e s o u r c e i s s e v e r e l y r e s t r i c t e d , t h e s m a l l b a f fl e p l a t e a l l o w e d t h e “ h i g h p r e s s u r e ” 6 1 0 ( o p e r a t i n g i n t h e r a n g e o f 1 0 ' 5 T o r r , i n i t s l o w d e n s i t y m o d e ) t o a c t a s t h e fi r s t s t a g e f o r t h e m a i n s t a g e o f t h e S C E C R t h a t n o r m a l l y o p e r a t e s a t m u c h l o w e r p r e s s u r e s ( i n t h e r a n g e o f 1 0 ‘ 7 T o r r ) . N o t e t h a t t h i s p r e s s u r e d i f f e r e n t i a l c r e a t e d b y t h e B N / s t a i n l e s s s t e e l p l a t e i s n o t e x p e c t e d t o b e m u c h d u e t o t h e l a r g e 1 c m d i a m e t e r h o l e , b u t i s n e c e s s a r y d u r i n g t h e s e e x p e r i m e n t s , b e c a u s e t h e 6 1 0 w a s o p e r a t e d a t s o m e o f t h e l o w e s t p r e s s u r e s e v e r f o r t h e e x p e r i m e n t s o f C h a p t e r E i g h t - i n t h e 1 0 ' 5 T o r r r a n g e . H o w e v e r , t h i s “ b e a m d e v e l o p m e n t ” o f C h a p t e r E i g h t w a s r a t h e r c r u d e . e s p e c i a l l y i n l i g h t o f t h e f a c t t h a t t h i s b e a m h a d t o t r a v e l a p p r o x i m a t e l y 3 0 c m f r o m t h e s m a l l b a f fl e p l a t e o f t h e 6 1 0 t o t h e e n t r a n c e o f t h e S C E C R m a i n s t a g e w i t h o u t t h e b e n e fi t o f m u c h f o c u s s i n g o t h e r t h a n t h e r i s i n g e d g e o f t h e fi r s t m i r r o r m a x i m u m o f t h e a x i a l c o n fi n e m e n t m a g n e t i c fi e l d . I t i s e x p e c t e d t h a t m o s t o f t h e b e a m w a s l o s t d u r i n g t h i s t r a n s p o r t . T h i s w i l l b e c o m e e v i d e n t s o o n w h e n t h e i o n b e a m c u r r e n t f r o m C h a p t e r E i g h t i s c o m p a r e d t o t h e c u r r e n t p r o d u c e d i n t h e s t u d i e s o f t h i s c h a p t e r - b e a m c u r r e n t p r o d u c t i o n i s a b o u t f o u r . t o s i x t i m e s h i g h e r w i t h a p r o p e r l y f o c u s s e d b e a m . B e t t e r b e a m d e v e l o p m e n t f r o m t h e s o u r c e w a s t h e r e f o r e n e c e s s a r y , n o t o n l y t o s t u d y t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f i o n b e a m s t h a t c a n b e e x t r a c t e d f r o m t h e 6 1 0 , b u t a l s o t o p r o v i d e a b a s i s f o r f u t u r e i n j e c t i o n f r o m a “ 6 1 0 l i k e ” s o u r c e i n t o t h e m a i n s t a g e o f a m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e i o n s o u r c e , a n d f o r s e v e r a l o t h e r a p p l i c a t i o n s o f s u c h a n i o n b e a m s o u r c e t h a t w i l l b e d i s c u s s e d d u r i n g t h e c o n c l u d i n g r e m a r k s o f t h i s c h a p t e r . 3 9 2 e r D e v e l o n - t h M P R l o n h B e f W T h e n e x t s t e p i n t h e M P D R 6 1 0 b e a m d e v e l o p m e n t a n d e v a l u a t i o n w a s c o n d u c t e d a t a t i m e w h e n t h e K 1 2 0 0 c y c l o t r o n , a n d t h e S C E C R w e r e b o t h d o w n f o r m a i n t e n a n c e . T h i s l e f t t h e b e a m l i n e f r o m t h e S C E C R t o t h e c y c l o t r o n f r e e t o b e u s e d f o r t h i s e x p e r i m e n t . T h e o b j e c t b o x ( a l o n g w i t h t h e o b j e c t s l i t ) a n d t h e fi r s t d i a g n o s t i c F a r a d a y c u p ( c a l l e d S F C 1 ) i m m e d i a t e l y b e l o w t h e S C E C R e x t r a c t i o n a p p a r a t u s w e r e r e m o v e d , a n d t h e 6 1 0 w a s m o u n t e d o n a n a p p r o p r i a t e 8 " t o 4 . 5 " C o n fl a t r e d u c i n g fl a n g e . F o r t u i t o u s l y , t h e o u t l e t o f t h e 6 1 0 w a s v i s i b l e t h r o u g h t h e 8 ” v i e w i n g w i n d o w o n t h e s i d e , t h r o u g h w h i c h v i d e o a n d s t i l l p h o t o g r a p h s c o u l d b e t a k e n . T h i s s e t u p i s s h o w n i n F i g u r e 9 . 1 ( n o t t o s c a l e ) . N o t e t h a t t h e 6 1 0 i s m o u n t e d o n i t s D C i n s u l a t o r . T o e x t r a c t a b e a m , a c o p p e r b a f fl e p l a t e w i t h a 2 c m d i a m e t e r h o l e i n t h e c e n t e r s i m i l a r t o t h e o n e u s e d b e t w e e n t h e fi r s t a n d m a i n s t a g e s o f t h e S C E C R w a s p l a c e d 1 . 8 c m b e l o w t h e 6 1 0 . A s b e f o r e , t h e o u t p u t o f t h e 6 1 0 w a s t h r o t t l e d b y a s t a i n l e s s s t e e l p l a t e w i t h a l . 5 c m d i a m e t e r h o l e i n t h e c e n t e r t o a l l o w a p r e s s u r e d i f f e r e n t i a l . A s o m e w h a t c r u d e ~ t w o e l e c t r o d e e x t r a c t i o n s y s t e m w a s t h e r e b y s e t u p , i n w h i c h t h e 6 1 0 c o u l d b e b i a s e d p o s i t i v e l y r e l a t i v e t o t h e l a r g e r c o p p e r b a f fl e p l a t e ( t h a t w a s c o n n e c t e d t o t h e b e a m p i p e - a t g r o u n d p o t e n t i a l ) a n d a n i o n b e a m m a y b e e x t r a c t e d f r o m t h e s o u r c e . N o t e a l s o t h a t t h i s i s s i m i l a r t o m a i n t a i n i n g t h e s o u r c e a t g r o u n d w h i l e t h e c o p p e r b a f fl e p l a t e i s b i a s e d t o a n e g a t i v e ( i o n a c c e l e r a t i n g ) p o t e n t i a l . A s i s s h o w n i n F i g u r e 9 . 1 , t h e i o n b e a m t r a v e r s e s t h e v e r t i c a l l e n g t h o f t h e b e a m p i p e , a n d w o u l d t h e n b e b e n t t h r o u g h 9 0 ° b y t h e s o l e n o i d , i n t o t h e 3 9 3 M P D R 6 1 0 ( a t h i g h v o l t a g e ) G r o u n d e d B a f fl e 4 — — D C I n s u l a t o r P l a t e 8 I n c h ‘ — V a c u u m L — P ‘ H — ’ W i n d o w ‘ B e a m P i p e ( g r o u n d e d ) / s a p p a r a t u s 9 . t i a l b e a m e e t i o n f r o m t h e 6 1 0 o v e r l e T h e 6 1 0 i s m o u n t e d o n t h e S C E C R b e a m l i n e t o t h e K 1 2 0 0 c y c l o t r o n . N o t e t h a t t h e i o n s o u r c e i s e l e c t r i c a l l y i s o l a t e d f r o m t h e g r o u n d e d b e a m l i n e , a n d c a n t h e r e f o r e b e r a i s e d t o h i g h v o l t a g e s . 3 9 4 h o r i z o n t a l s e c t i o n o f t h e b e a m p i p e . A t a n a p p r o p r i a t e d i s t a n c e f r o m t h e s o l e n o i d ( w h e r e t h e i m a g e s l i t i s l o c a t e d ) i s a n o t h e r F a r a d a y c u p ( c a l l e d S F C 2 ) . a n d e m i t t a n c e m e a s u r e m e n t a p p a r a t u s ( w i r e s c a n n i n g m e t h o d , a s d e t a i l e d i n C h a p t e r T h r e e ) . T h i s 9 0 ° b e n d i n g i s n e c e s s a r y t o m a g n e t i c a l l y m a s s s e p a r a t e t h e d i f f e r e n t i o n s p e c i e s i n t h e b e a m , a n d t o o b t a i n t h e c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n o f t h e b e a m t h a t w o u l d i n d i c a t e t h e a m o u n t o f c u r r e n t a n d r e l a t i v e c o n c e n t r a t i o n o f e a c h i o n s p e c i e s c o n s t i t u t i n g t h e b e a m . O n t h e c i r c u m f e r e n c e o f t h e 6 1 0 , f r o m w h e r e t h e p l a s m a s t r e a m s o u t , a r e a s e r i e s o f 2 0 “ I O - 2 4 " b o l t s ( o r t h r e a d e d r o d s ) t h a t t i g h t e n t h e H e l i c o fl e x T M v a c u u m s e a l i n p l a c e a r o u n d t h e q u a r t z ( o r a l u m i n a ) p l a s m a c h a m b e r . T h e s e b o l t s a r e c l e a r l y s e e n i n t h e p h o t o g r a p h s o f t h e 6 1 0 ( s e e F i g u r e s 9 . 6 ( a ) - 9 . 6 ( 1 ) l a t e r i n t h e c h a p t e r ) . T h e r e w a s a c o n c e r n t h a t t h e s e b o l t s w o u l d b e t o o c l o s e t o t h e l a r g e , g r o u n d e d c o p p e r b a f fl e p l a t e a n d c a u s e s h o r t i n g o r a r c i n g b e t w e e n t h e e l e c t r o d e s . o r r e d i s t r i b u t e t h e e q u i - p o t e n t i a l s u r f a c e s s u c h t h a t b e a m e x t r a c t i o n i s n o t o p t i m a l , s p e c i a l l y a t h i g h p o t e n t i a l s a n d w i t h h i g h b e a m c u r r e n t s . H o w e v e r , a s e r i e s o f e l e c t r o s t a t i c s i m u l a t i o n s u s i n g t h e “ P A N D I R A ” c o d e s h o w e d t h a t w i t h r e s p e c t t o t h e e q u i - p o t e n t i a l s u r f a c e s s e t u p b e t w e e n t h e 6 1 0 a n d t h e c o p p e r b a f fl e p l a t e , t h e r e i s n o d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o c a s e s w h e r e i n o n e s i m u l a t i o n w a s d o n e w i t h t h e 6 1 0 b o l t s i n t a c t , a n d t h e o t h e r s i m u l a t i o n w a s . c o n d u c t e d w i t h b o l t s fi l e d a w a y . T h e r e s u l t s o f t h e s e s i m u l a t i o n s a r e s h o w n i n F i g u r e 9 . 2 w h e r e t h e a s s e m b l y h a s b e e n e x a g g e r a t e d i n s i z e , b u t m a i n t a i n s t h e r e l a t i v e d i m e n s i o n s o f e a c h p a r t . I t i s s e e n t h a t t h e r e i s . l i t t l e , o r n o d i f f e r e n c e i n t h e e q u i p o t e n t i a l s u r f a c e s i n t h e b e a m e x t r a c t i o n r e g i o n b e t w e e n t h e t w o c a s e s , a n d t h e r e i s n o n e c e s s i t y t o fi l e a w a y , o r r e m o v e , t h e b o l t s . T h e s t e p i n t h e p l a s m a e l e c t r o d e w a s s i m u l a t e d s o a s t o p r e v e n t a r c i n g b e t w e e n t h e 6 1 0 b o l t s 3 9 5 D i s c h a r g e R e g i o n 1 0 - 2 4 B o l t s A c c e l e r a t i o n E l e c t r o d e P l a s m a E l e c t r o d e W N W T h e s e s i m u l a t i o n s w e r e d o n e t o c o n fi r m t h a t t h e b o l t s s t i c k i n g o u t o f t h e b o t t o m o f t h e 6 1 0 w o u l d n o t i n t e r f e r e w i t h t h e e l e c t r i c fi e l d s b e i n g s e t u p b e t w e e n t h e 6 1 0 a n d t h e g r o u n d e d c o p p e r b a f fl e p l a t e . T h e t o p s i m u l a t i o n h a s t h e b o l t s . w h i l e t h e b o t t o m s i m u l a t i o n t h e y h a v e b e e n fi l e d a w a y . N o t e t h a t t h e r e i s n o d i f - f e r e n c e i n t h e e l e c t r i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n s i n c e t h e e l e c t r o d e g a p i s t h e s a m e . 3 9 6 a n d t h e g r o u n d e d b a f fl e p l a t e . H o w e v e r . f u r t h e r s i m u l a t i o n ( n o t s h o w n h e r e ) i n d i c a t e d t h a t t h e r e c o u l d b e n o a r c i n g e v e n w i t h o u t t h e s t e p , a n d i n t h e fi n a l d e s i g n , n o s u c h s t e p w a s i n c o r p o r a t e d . A s a p r e c a u t i o n h o w e v e r , a s m a l l a n n u l a r r i n g o f T e fl o n w a s a t t a c h e d t o t h e c o p p e r b a f fl e p l a t e j u s t b e l o w t h e 1 0 - 2 4 b o l t s o f t h e 6 1 0 . N o t e t h a t t h e e q u i p o t e n t i a l c o n t o u r s b e t w e e n t h e t w o e l e c t r o d e s w o u l d h a v e a f o c u s s i n g e f f e c t o n t h e b e a m t h a t i s e m e r g i n g f r o m t h e t h r o t t l e d o u t l e t o f t h e 6 1 0 . g . § m m u o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e T w o E l e c t r o d e E x t r a c t i o n A p p a - ' r a t u s o n t h e M P D R l T h e 8 i n c h q u a r t z v a c u u m w i n d o w s h o w n i n F i g u r e 9 . 1 c o u l d b e u s e d e f f e c t i v e l y a s a v i e w i n g p o r t t o v i s u a l l y “ s e e ” t h e b e a m . S i n c e t h e o p e r a t i n g p r e s s u r e o f t h e M P D R 6 1 0 i s r e l a t i v e l y h i g h e r t h a n t h a t o f t h e S C E C R . i t i s p o s s i b l e t o v i s u a l i z e t h e s t r e a m i n g p l a s m a f r o m t h e 6 1 0 a n d t h e i o n b e a m a s i t d e v e l o p s w h e n t h e b i a s p o t e n t i a l i s r a i s e d . A s e r i e s o f s t i l l p h o t o g r a p h s a n d v i d e o fi l m w e r e t a k e n f o r t h e d i f f e r e n t b i a s p o t e n t i a l s o n t h e 6 1 0 r e l a t i v e t o t h e g r o u n d e d b a f fl e p l a t e t o c a p t u r e t h i s b e a m d e v e l o p m e n t . T h e o p e r a t i n g p r e s s u r e o f t h e 6 1 0 i n t h i s c o n fi g u r a t i o n w a s m a i n t a i n e d a b o u t 3 X 1 0 ' 5 T o r r ( a r g o n ) , w i t h a b o u t 1 0 0 W i n c i d e n t p o w e r . A s i n C h a p t e r E i g h t , t h e 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y , t h e p o w e r m e t e r s e t c . w e r e m a i n t a i n e d a t g r o u n d p o t e n t i a l b y u s i n g t h e D C i s o l a t i o n j o i n t o n t h e c r o s s g u i d e b i - d i r e c t i o n a l c o u p l e r ( s e e F i g u r e 8 . 4 , C h a p t e r E i g h t ) . A l s o a s b e f o r e , a c o a x i a l c a b l e w a s u s e d t o t r a n s p o r t t h e m i c r o w a v e e n e r g y t o t h e 6 1 0 . W i t h a n o t h e r s e t o f p o w e r m e t e r s a n d d i r e c t i o n a l c o u p l e r s p l a c e d a t t h e s o u r c e e n d o f 3 9 7 t h e c o a x i a l c a b l e , t h e n e t p o w e r b e i n g i n j e c t e d i n t o t h e p l a s m a s o u r c e c o u l d b e m e a s u r e d ( a t n o D C b i a s o n t h e 6 1 0 ) . B y c o m p a r i n g t h e p o w e r l e v e l s a t b o t h e n d s o f t h e c a b l e , t h i s m e a s u r e m e n t w o u l d i n d i c a t e t h e p o w e r l o s s i n t h e c a b l e . A t l o w p o w e r l e v e l s ( l e s s t h a n 1 0 0 W ) , t h e r e w a s a l m o s t n o p o w e r l o s s i n t h e c a b l e . H o w e v e r , a s t h e i n c i d e n t p o w e r i n c r e a s e d t o l 5 0 W , a n d t h e n t o 2 0 0 W , t h e p o w e r b e i n g i n j e c t e d i n t o t h e 6 1 0 w a s 1 4 5 W a n d 1 9 0 W r e s p e c t i v e l y . S o a t h i g h e r p o w e r l e v e l s , t h e r e i s s o m e l o s s i n t h e m i c r o w a v e t r a n s p o r t s y s t e m , b u t n o t e n o u g h t o c a u s e a l a r m . T h i s l o s s i s t a k e n i n t o a c c o u n t w h e n t h e n e t i n p u t p o w e r i s r e p o r t e d f o r t h e e x p e r i m e n t s . T h e fi r s t b e a m e x t r a c t i o n f r o m t h e M P D R 6 1 0 w a s n o t s u c c e s s f u l . A H Y P O T R O N I C S T M h i g h v o l t a g e t e s t e r w a s u s e d t o b i a s t h e 6 1 0 . I t s p o w e r o u t p u t i s l i m i t e d , a n d t h e 6 1 0 p r o d u c e d t o o m u c h c u r r e n t e v e n i n i t s l o w d e n s i t y m o d e f o r a n y r e a s o n a b l e b i a s p o t e n t i a l a p p l i e d o n t h e s o u r c e . ( T h e r a t e d p o w e r o f a b i a s i n g p o w e r s u p p l y i s a c o m b i n a t i o n o f t h e n e t d r a i n c u r r e n t a n d t h e b i a s p o t e n t i a l , a n d i s a c o n s t a n t s p e c i fi c a t i o n o f a D C p o w e r s u p p l y . I f t h e r e i s t o o m u c h c u r r e n t , t h e b i a s p o t e n t i a l i s l i m i t e d b y t h i s p o w e r r a t i n g o f t h e s u p p l y . ) A s o l u t i o n w a s f o u n d t o t h i s p r o b l e m b y u s i n g a “ j u m p e r ” f r o m t h e h i g h v o l t a g e - l i n e o f t h e S C E C R ( w h i c h w a s d o w n f o r m a i n t e n a n c e ) t o t h e 6 1 0 . T h e S C E C R p o w e r s u p p l y i s r a t e d f o r 3 0 k V a n d 5 m A m a r d m u m c u r r e n t . D u r i n g t h e o n g o i n g t e s t s , p o w e r s u p p l i e s o f t h e C P E C R a n d t h e R T E C R . w h i c h a r e a l s o r a t e d a t s i m i l a r l e v e l s w e r e b r o u g h t i n t o u s e t o b i a s t h e 6 1 0 ( w h i c h e v e r m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S w a s n o t i n u s e f o r b e a m i n j e c t i o n i n t o t h e c y c l o t r o n a t t h e t i m e ) , a n d p r o v i d e d s u f fi c i e n t p o w e r l e v e l s ( p o t e n t i a l a n d c u r r e n t ) f o r t h e 6 1 0 e x p e r i m e n t s . O n c e t h e h i g h v o l t a g e s u p p l y p r o b l e m w a s s o l v e d , a b e a m c o u l d e a s i l y b e 3 9 8 e x t r a c t e d f r o m t h e 6 1 0 . A t 5 k V b i a s , t h e t o t a l b e a m c u r r e n t w a s 2 m A . a n d t h e b e a m h a d p e r f e c t d e fi n i t i o n a s i t e x i t e d o u t o f t h e s o u r c e . A c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n o f t h e b e a m w a s t a k e n , a n d i s s h o w n i n F i g u r e 9 . 3 . I t s h o w s a b o u t 4 0 M o f A r 1 + p r o d u c t i o n , a n d a n o r d e r o f m a g n i t u d e l e s s A r 2 + , a s i m i l a r r a t i o a s w a s s e e n w i t h t h e 6 1 0 m o u n t e d o n t o p o f t h e S C E C R ( C h a p t e r E i g h t ) w h e r e t h e 2 + i o n c u r r e n t c o n s t i t u t e d 5 % , w h i l e t h e 1 + c u r r e n t w a s a b o u t 9 5 % o f t h e a r g o n i o n c u r r e n t d e n s i t y . N o t e t h a t t h e t o t a l c u r r e n t p r o d u c t i o n i s h i g h e r i n t h i s c a s e , s i n c e t h e 6 1 0 i s d i r e c t l y f e e d i n g t h e b e a m p i p e w i t h a b e t t e r e x t r a c t i o n a n d f o c u s s i n g s y s t e m , w h e r e a s i n C h a p t e r E i g h t , t h e i o n s o u r c e w a s l o c a t e d m u c h f a r t h e r f r o m t h e e x t r a c t i o n e l e c t r o d e s - a b o u t 3 0 c m f r o m t h e m a i n s t a g e o f t h e S C E C R , a n d t h e r e f o r e h a d a m u c h l a r g e r d i s t a n c e t o t r a v e r s e b e f o r e b e i n g d e t e c t e d b y t h e F a r a d a y c u p . F o r t h e e x p e r i m e n t s a b o v e , t h e o p e r a t i n g p r e s s u r e o f t h e 6 1 0 i s i n t h e l o w 1 0 ' 5 T o r r r a n g e , a n d d e s p i t e i t s s t a i n l e s s s t e e l b a f fl e p l a t e w i t h a 1 . 5 c m d i a m e t e r h o l e t h a t s h o u l d c r e a t e a p r e s s u r e d i f f e r e n t i a l b e t w e e n t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n a n d t h e v a c u u m c h a m b e r o u t s i d e t h e 6 1 0 , t h e p l a s m a s o u r c e i s s t i l l o p e r a t i n g i n i t s “ l o w d e n s i t y m o d e . ” T h i s w a s e v i d e n c e d b y t h e e x c e s s h e a t g e n e r a t e d i n t h e 6 1 0 , a n d c o n d u c t e d o u t t h r o u g h t h e c o m p r e s s e d a i r c o o l i n g . A s b e f o r e , t h e s o u r c e c o u l d n o t b e u s e d i n i t s h i g h d e n s i t y m o d e ( a t h i g h e r p r e s s u r e - a b o u t 1 0 ' 4 T o r r a n d h i g h e r ) b e c a u s e t h e c u r r e n t p r o d u c t i o n o f t h e 6 1 0 i n t h i s m o d e i s n o r m a l l y t o o h i g h , a n d a g a i n l i m i t e d t h e a p p l i c a t i o n o f t h e e x t r a c t i o n v o l t a g e d u e t o t h e l i m i t e d p o w e r r a t i n g o f t h e s u p p l y . E v e n t h e S C E C R o r o t h e r E C R I S h i g h v o l t a g e p o w e r s u p p l i e s c o u l d n o t p r o v i d e e n o u g h p o w e r t o r u n t h e 6 1 0 i n i t s h i g h d e n s i t y m o d e . - e s h e r T p . e n d o o g r r t a c e r l r e o T d n 5 o ' 0 c 1 e s 0 d X 1 0 e 6 . d 3 n R u . o D 0 r 1 P 6 g M e e h h e t t . A Q o o I t t ( f o r 0 e e 4 v ) i w t ! o a t Q p l u e o r b 3 z . a H 0 9 G 1 e e 6 b 5 r o 4 e t a . h l t 2 d F e n W r o u 0 0 1 s s a a i e b t m a - s V i n k e t k 5 n a e t d r _ s n i a r u c a e + t r 1 a u r D s A 3 9 9 . t c M a s e n t s : - ' l ‘ w E l c t r o d t e S e v e r a l s e t s o f e m i t t a n c e m e a s u r e m e n t s w e r e t a k e n w i t h t h e 6 1 0 i n t h i s c o n fi g u r a t i o n , i n a c c o r d a n c e w i t h t h e w i r e s c a n n i n g t e c h n i q u e s e x p l a i n e d i n C h a p t e r T h r e e . A t 5 k V b i a s f o r a 1 0 0 W i n p u t d i s c h a r g e o f 3 X 1 0 ' 5 T o r r a r g o n , t h e n e t d r a i n c u r r e n t w a s a b o u t 2 m A . T h e A r 1 + p e a k e d w i t h a b o u t 3 8 u A w i t h a n e m i t t a n c e a n y w h e r e b e t w e e n 3 5 0 1 I : m m - m R a d t o o v e r 5 5 0 1 : m m - m R a d d e p e n d i n g o n t h e f o c u s s i n g o f t h e b e a m . T h e A r 2 + p e a k e d a t a b o u t 4 . 5 M w i t h a n e m i t t a n c e o f a b o u t 1 0 0 1 : m m - m R a d . T h i s d a t a w a s c o m p i l e d w i t h a 0 . 7 fi t t i n g f r a c t i o n u s i n g 1 0 0 % o f t h e b e a m c u r r e n t . F o r b o t h c h a r g e s t a t e s , t h e e m i t t a n c e i s s e e n t o b e v e r y h i g h . T h i s m a y b e b e c a u s e o f t h e e x c e s s A r 1 + c u r r e n t b e i n g p r o d u c e d b y t h e 6 1 0 , e v e n i n i t s l o w d e n s i t y m o d e , a s w a s c o n fi r m e d w i t h t h e n e x t s e t o f e x p e r i m e n t s t h a t w e r e c o n d u c t e d a t a h i g h e r b i a s p o t e n t i a l . A l s o , s e v e r a l d a t a s e t s i n d i c a t e d o v e r l a p p i n g p e a k s , o r o t h e r t y p e s o f o p t i c a l a b e r r a t i o n s o n t h e b e a m . T h e d i s c h a r g e p r e s s u r e f o r t h e n e x t s e t o f e x p e r i m e n t s w a s t h e n r a i s e d t o a b o u t 7 X 1 0 ‘ 5 T o r r . T h e b i a s p o t e n t i a l w a s a l s o r a i s e d t o a b o u t 7 . 5 k V . p r o d u c i n g 4 . 6 2 m A o f d r a i n c u r r e n t . N o t e t h a t t h i s c o m e s c l o s e t o e x c e e d i n g t h e S C E C R H V c u r r e n t r a t i n g , ( t h e p o w e r s u p p l y i s r a t e d a t 5 m A m a x i m u m ) a n d . i n d e e d , t h e b i a s p o t e n t i a l o n t h e 6 1 0 r e l a t i v e t o t h e g r o u n d e d c o p p e r b a f fl e p l a t e c o u l d n o t b e r a i s e d b e y o n d t h i s l e v e l . 1 S e v e r a l e m i t t a n c e m e a s u r e m e n t s w e r e t a k e n f o r t h i s s e t t i n g o f t h e 6 1 0 i o n b e a m s o u r c e a l s o . O n c e a g a i n t h e e m i t t a n c e , c a l c u l a t e d w i t h a 0 . 7 fi t t i n g fi a c t i o n i s s e e n t o b e h i g h , r a n g i n g f r o m a b o u t 5 5 0 1 I : m m - m R a d , t o a l m o s t 6 8 0 1 : m m - m R a d f o r t h e A r “ . T h e c u r r e n t f o r t h i s p e a k fl u c t u a t e d b e t w e e n 5 5 m A t o 4 0 1 7 1 m A . d e p e n d i n g o n t h e f o c u s s i n g m a g n e t . A l l e m i t t a n c e p l o t s f o r t h e A r 1 + c h a r g e s t a t e , o n e o f w h i c h i s s h o w n i n F i g u r e 9 . 4 ( d a t a t a k e n f o r a 1 0 0 W , 7 X 1 0 ' 5 T o r r a r g o n d i s c h a r g e w i t h a n e x t r a c t i o n p o t e n t i a l o f 7 . 5 k V ) , s t r e t c h e d f r o m t h e t h i r d q u a d r a n t t o t h e fi r s t q u a d r a n t , m e a n i n g t h a t t h e b e a m w a s r o u g h l y d e f o c u s s i n g . a s d i s c u s s e d b y K e l l e r [ K e l — 8 9 ] . N o t e t h a t t h e r e a r e 1 2 p e a k s i n t h e e m i t t a n c e p l o t s h o w n i n F i g u r e 9 . 4 - a n i n d i c a t i o n o f t h e l a r g e a m o u n t o f c u r r e n t b e i n g e x t r a c t e d f r o m t h e 6 1 0 . T h e s e e m i t t a n c e n u m b e r s a r e v e r y h i g h - g o o d e m i t t a n c e s a r e n o r m a l l y b e l o w o r a b o u t 1 0 0 1 1 : m m - m R a d . T h i s m e a n s t h a t t h e A r 1 + b e a m i s n o t w e l l c o l l i r n a t e d . T h e r e m a y b e s e v e r a l r e a s o n s f o r t h e h i g h e m i t t a n c e . F i r s t , t h e p o t e n t i a l a t w h i c h t h e b e a m i s b e i n g e x t r a c t e d ( 7 . 5 k V ) m a y n o t b e h i g h e n o u g h f o r t h e a m o u n t o f c u r r e n t b e i n g p r o d u c e d . S e c o n d , t h e b e a m o p t i c s i n t e r m s o f t h e p l a c e m e n t o f t h e 9 0 ° b e n d i n g ( a n a l y s i s ) m a g n e t a n d t h e i m a g i n g s y s t e m b e y o n d t h i s m a g n e t a r e s p e c i a l i z e d f o r e x t r a c t i o n f r o m t h e S C E C R , w h e r e i n i t i a l f o c u s s i n g o f t h e b e a m f r o m t h e m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S i s o n t h e o b j e c t s l i t , b e y o n d w h i c h t h e b e a m d e - f o c u s e s a n d b e n d s t h r o u g h t h e a n a l y s i s m a g n e t i n t o t h e i m a g e s l i t . T h e b e a m o u t l e t o f t h e M P D R 6 1 0 i s n o t p r e c i s e l y a t t h e o b j e c t s l i t o f t h e S C E C R , a n d s o t h e o p t i c s m a y n o t b e r i g h t f o r b e a m e x t r a c t i o n f r o m t h e 6 1 0 . T h e r e m i g h t b e s o m e s p a c e c h a r g e d e - f o c u s s i n g o f t h e b e a m a l s o . A n d ' fi n a l l y , t h e a p e r t u r e s i n t h e e x t r a c t i o n s y s t e m h a s a 1 . 5 c m d i a m e t e r w h i c h i s l a r g e f o r t y p i c a l b e a m e x t r a c t i o n , a n d m a y i n d e e d b e c o n t r i b u t i n g t o t h e l a r g e e m i t t a n c e o f t h e b e a m . D i s c u s s i o n s w i t h O a m m i n o [ C a m - 9 4 ] i n d i c a t e t h a t b y r e d u c i n g t h e a p e r t u r e t o s e v e r a l m m , t h e e m i t t a n c e m a y b e r e d u c e d t o l e s s t h a n 1 0 1 r m m - m R a d . S i n c e t h e c u r r e n t i n t h e 2 + b e a m w a s m u c h l o w e r ( a m a x i m u m o f a b o u t h n . t c r u a a e o e b t w a o f p o n e k a t t n s u e a t r p n r t n e u i e r c r r e W u n c i w 0 a 1 r + a 0 6 | t 1 d a r e A D y l a l h t e o . e ' v t t n 1 o i a t i m a a t l a h i e x m t r o r o r i w e p f h p n . t A i a ) L m s n h I m i t i h 0 ( a i t 7 t w b m x o o r t r u t o o r o f t T b i m 5 d a d e e t 0 ' s s 1 a a l w u u i c s X s l a a a i 7 c b w f e o V 4 c d o n r e k I u 5 9 a h t . t s t 7 e s i m e E m t P e r p r a , Y e e t R m m T n h n e t e g m n 0 7 7 E a c S s r r d r a n u h a c c L s 2 E 0 2 e r , i + . t d 1 A i e r m S w : t a r l n A , n o 2 E e e r a g 6 N h h r . e = 4 O T T b a E F D I 0 E P Y T t n e r r u C + 1 r H % 1 6 0 4 6 9 V ] 3 7 5 0 2 8 1 0 1 8 7 I D 8 9 4 ( l l 0 8 % 8 0 5 0 . 4 % ( m r ) m - 2 0 - 4 ( D ~ 6 0 ~ 8 0 4 0 2 4 0 3 5 . 3 8 m A ) , t h e e m i t t a n c e o f t h e A r 2 + b e a m w a s a l s o b e t t e r - a b o u t 1 0 0 1 : m m - m R a d . A l s o , t h e e m i t t a n c e c o n t o u r s f o r t h e 2 + e x t e n d f r o m t h e s e c o n d t o t h e f o u r t h q u a d r a n t , i n d i c a t i n g a s o m e w h a t c o n v e r g i n g b e a m . T h e n e x t m o d i fi c a t i o n t o b e m a d e w a s t h e f o l l o w i n g : t h e s t a i n l e s s s t e e l b a f fl e p l a t e o n t h e e g r e s s o f t h e 6 1 0 w i t h a 1 . 5 c m d i a m e t e r h o l e w a s r e p l a c e d b y a s i m i l a r t h i c k n e s s ( 0 . 1 2 5 i n c h ) s t a i n l e s s s t e e l p l a t e w i t h a 1 . 0 c m d i a m e t e r h o l e . T h i s w a s d o n e s o a s t o f u r t h e r r e s t r i c t t h e p l a s m a fl o w o u t o f t h e 6 1 0 , t h e r e b y t h r o t t l i n g t h e t o t a l c u r r e n t o u t p u t e v e n m o r e , w h i c h w o u l d a l l o w t h e b i a s p o t e n t i a l t o b e r a i s e d f u r t h e r b e f o r e t h e t o t a l c u r r e n t p r o d u c t i o n b y t h e 6 1 0 a n d ' t h e a p p l i e d b i a s s a t u r a t e s t o t h e p o w e r r a t i n g o f t h e D C s u p p l y . A l s o , w i t h a 1 . 5 c m d i a m e t e r h o l e . t h e e m i t t a n c e p l o t s h a d i n d i c a t e d a h i g h p e a k f o r t h e A r 1 + t h a t w a s b e i n g m a g n e t i c a l l y b e n t w i t h g r e a t a b e r r a t i o n s . B y r e d u c i n g t h e t o t a l c u r r e n t p r o d u c e d i n t h e 1 + b e a m , t h e s e a b e r r a t i o n s w o u l d b e r e m o v e d , t h e r e b y i n c r e a s i n g t h e t r a n s p o r t a b i l i t y o f t h e b e a m . 2 t M a s f e E l 8 s t e m W i t h t h e n e w 1 . 0 c m d i a m e t e r s t a i n l e s s s t e e l b a f fl e p l a t e i n s t a l l e d o n t h e 6 1 0 . t h e d r a i n c u r r e n t d i d i n d e e d d r o p , t o a b o u t h a l f i t s v a l u e c o m p a r e d t o t h e l a r g e r 1 . 5 c m d i a m e t e r h o l e p l a t e . A t 7 . 5 k V D C b i a s o n t h e 6 1 0 , t h e t o t a l c u r r e n t w a s a b o u t 2 m A f o r a 1 0 0 W i n p u t , 7 X 1 0 ' 5 T o r r a r g o n d i s c h a r g e . T h e e x t r a c t i o n b i a s c o u l d n o w b e r a i s e d u p t o 1 0 k V w i t h o u t t h e d r a i n c u r r e n t i n c r e a s i n g b e y o n d t h e m a x i m u m 5 m A o f f t h e b i a s p o w e r s u p p l y . T h e v a r i a t i o n o f t h e t o t a l d r a i n c u r r e n t w i t h t h e a p p l i e d e x t r a c t i o n b i a s w i t h a 1 . 0 c m a p e r t u r e i s s h o w n i n T a b l e 1 : 4 0 4 H i g h D r a i n V o l t a g e C u r r e n t ( k V ) ( m A ) 0 . 5 $ 0 . 9 7 5 1 . 0 1 . l 2 . 0 1 . 1 9 3 3 . 0 1 . 2 9 6 4 . 0 1 . 3 8 5 . 0 1 . 5 8 3 6 . 0 1 . 8 4 3 7 . 0 2 . 0 6 2 8 . 0 2 . 2 1 9 . 0 2 . 3 3 1 0 . 0 2 . 4 T a b l e 1 : V a r i a t i o n o f d r a i n c u r r e n t v e r s u s a p p l i e d b i a s o n t h e M P D R 6 1 0 T h i s d a t a i s p l o t t e d i n F i g u r e 9 . 5 , w h i c h s u g g e s t s t h a t t h e r e s e e m s t o b e a m o n o t o n o u s i n c r e a s e i n b e a m c u r r e n t a s t h e e x t r a c t i o n v o l t a g e o n t h e 6 1 0 . i n c r e a s e s . w i t h n o e v i d e n c e o f t h e m o r e c h a r a c t e r i s t i c l i n e a r i n c r e a s e f o l l o w e d b y s a t u r a t i o n ( a s m i g h t b e s e e n o n t h e l o g - l o g s c a l e ) . A s m e n t i o n e d e a r l i e r . t h e b e a m c u r r e n t i n t h e l i n e a r r e g i o n i s l i m i t e d b y s p a c e c h a r g e e f f e c t s , w h i l e t h e c u r r e n t i n t h e s a t u r a t i o n r e g i o n i s l i m i t e d b y t h e i o n d e n s i t y b e i n g p r o d u c e d b y t h e s o u r c e . F i g u r e 9 . 5 s e e m s t o i n d i c a t e t h a t a t l e a s t u p t o 1 0 k V . t h e r e i s n o s a t u r a t i o n r e g i o n f o r t h e i o n b e a m p r o d u c e d b y t h e M P D R 6 1 0 . T h e b e a m c u r r e n t i s n o t l i m i t e d b y t h e i o n d e n s i t y , a n d t h e r e f o r e t h e s o u r c e i s p r o d u c i n g a n i o n d e n s i t y h i g h e r t h a n t h e b e a m ’ s r e q u i r e m e n t s . H e n c e , a f u r t h e r i n c r e a s e l l i i i l i i l l l i i l i i i l ( l i ) A m l ( t n e r l l l l i l l l r l u C n i a r D i l l i i l i i l i i i i i i i i l l l l l i i i l i l 4 0 5 2 . 8 0 2 . 4 0 I " o o 1 . 6 0 i s 0 0 . 8 0 0 . 4 0 l l l l l l l T T I l l l l l l l l l ] 1 1 1 1 1 1 1 l l l l l l l l l l l l ] l l l l l l l l l j l l l l r l l l l 0 . 0 0 2 . 0 0 4 . 0 0 6 . 0 0 8 . 0 0 1 0 . 0 0 1 2 . 0 0 8 1 0 5 V o l t a g e ( k V ) - 3 g i n ! ‘ . ' l . n : . D a t a a r e t a k e n a t 1 0 W 2 . 4 5 0 1 - 1 2 p o w e r t o t h e 6 1 0 . 7 . 0 X 1 0 ' 5 T o r r a r g o n p r e s - s u r e . w i t h t h e i o n s o u r c e m o u n t e d o n t h e o b j e c t b o x o f t h e S C E C R b e a m p i p e . N o t e t h e a l m o s t l i n e a r i n c r e a s e i n c u r r e n t w i t h t h e a p p l i e d e x t r a c t i o n b i a s . 4 0 6 i n t h e b i a s v o l t a g e m a y c o u l d t o a h i g h e r b e a m c u r r e n t . H o w e v e r , t h i s h y p o t h e s i s w a s n o t t e s t e d , a n d t h e m a x i m u m b i a s a p p l i e d t o t h e 6 1 0 w a s m a i n t a i n e d a t 1 0 k V . T h e r e a s o n f o r t h i s i s t h a t t h e f o c u s s i n g e f f e c t o f 1 0 k V b i a s o n t h e 6 1 0 w a s a l r e a d y v e r y p r o n o u n c e d , a s w i l l b e s e e n i n t h e p h o t o g r a p h s o f t h e f o l l o w i n g s e c t i o n , a n d f u r t h e r i n c r e a s e i n t h e b i a s p o t e n t i a l w o u l d o v e r - f o c u s t h e b e a m e v e n m o r e . 9 . 5 . 3 P h o t o g r a p h i c C o n fi r m a t i o n o f t h e “ M e n i s c u s E f f e c t ” A s m e n t i o n e d e a r l i e r , d u e t o t h e r e l a t i v e l y h i g h p r e s s u r e o p e r a t i o n o f t h e 6 1 0 ( 1 0 ' 5 t o 1 0 ’ 4 T o r r ) . t h e p l a s m a a n d i o n b e a m e x t r a c t e d f r o m t h e s o u r c e a r e v i s i b l e b o t h t o t h e n a k e d e y e a n d o n p h o t o g r a p h i c e m u l s i o n . A n i n t e r e s t i n g s e r i e s o f s t i l l p h o t o g r a p h s a n d v i d e o fi l m w e r e s h o t t h r o u g h t h e 8 i n c h v a c u u m w i n d o w ( s e e F i g u r e 9 . 1 ) o n K o d a k T M 4 0 0 D X fi l m w i t h a 2 8 m m P e n t a x ? M M X c a m e r a . T h e e x p o s u r e s r a n g e d f r o m 3 t o 5 s e c o n d s w i t h f 2 . 8 a p e r t u r e s e t t i n g . T h e p h o t o s w e r e t a k e n b y A n t a y a [ A n t - 9 4 c ] a n d S r i v a s t a v a , a n d w e r e p r e s e n t e d a s a l a t e e n t r y p o s t e r s e s s i o n a t I C O P S - 9 4 [ S r i - 9 4 d ] i n S a n t a F e , N e w M e x i c o , U S A . T h e s e p h o t o s s h o w t h e e f f e c t o f i n c r e a s i n g b i a s v o l t a g e o n t h e i o n s o u r c e ( r e l a t i v e t o a g r o u n d e d e l e c t r o d e ) a n d t h e d e v e l o p m e n t o f t h e i o n b e a m f r o m t h e 6 1 0 . T h e p h o t o s a r e s h o w n i n t h e f o l l o w i n g s e r i e s - F i g u r e 9 . 6 ( a ) t h r o u g h F i g u r e 9 . 6 0 ) o n ' t h e n e x t s i x p a g e s . T h e s e p h o t o s a r e t a k e n w i t h a 0 . 0 k V , 0 . 2 5 k V , 0 . 5 k V , 0 . 7 5 k V , 1 . 0 k V , 2 . 0 k V , 3 . 0 k V , 4 . 0 k V , 5 . 0 k V . 6 . 0 k V , 8 . 0 k V a n d 1 0 . 0 k V b i a s o n t h e 6 1 0 r e l a t i v e t o t h e g r o u n d e d c o p p e r b a f fl e p l a t e ( s e e F i g u r e 9 . 1 ) . A s m e n t i o n e d e a r l i e r , t h i s c o p p e r p l a t e a c t s a s t h e s e c o n d e l e c t r o d e a n d i s h e r e a f t e r r e f e r r e d a s e l e c t r o d e t w o o r a s t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e . t o a v o i d c o n f u s i o n 4 0 7 F i g u r e 9 . 6 ( a ) T o p a t 0 . 0 k V a n d ( 9 ) B o t t o m a t 0 . 2 5 k V b i a s F i g u r e 9 . 6 ( c ) T o p a t 0 . 5 k V a n d ( d ) B o t t o m a t 0 . 7 5 k V b i a s 4 “ r e 9 . 6 ( e ) T o p a t 1 . 0 k V a n d ( 1 ) B o t t o m a t 2 . 0 k V b i a s F i g u r e 9 . 6 ( g ) T o p a t 3 . 0 k V a n d ( h ) B o t t o m a t 4 . 0 k V b i a s F i g u r e 9 . 6 ( 1 ) T o p a t 5 . 0 k V a n d ( 1 ) B o t t o m a t 6 . 0 k V b i a s F i g u r e 9 . 6 ( k ) T o p a t 8 . 0 k V a n d ( 1 ) B o t t o m a t 1 0 . 0 k V b i a s 4 1 3 b e t w e e n i t a n d t h e t h i n s t a i n l e s s s t e e l b a f fl e o n t h e 6 1 0 ( w h i c h i s r e f e r r e d a s e l e c t r o d e o n e , o r t h e p l a s m a e l e c t r o d e ) . A l t h o u g h t h e p i c t u r e s a r e m o s t l y d a r k , t h e o u t l e t o f t h e 6 1 0 i s c l e a r l y b a t h e d i n t h e p u r p l e - w h i t e h a z e o f t h e s t r e a m i n g p l a s m a , o r t h e d e e p b l u e d e fi n i t i o n o f t h e i o n b e a m . T h e “ I O - 2 4 ” b o l t r o d s t h a t w e r e e l u d e d i n S e c t i o n 9 . 4 a r e a l s o v i s i b l e , a s i s s e c o n d e l e c t r o d e o f t h e e x t r a c t i o n s y s t e m . A d i s c u s s i o n o f t h e s e p h o t o g r a p h s , a n d a l s o t h e “ m e n i s c u s e f f e c t ” f o l l o w s . A t z e r o p o t e n t i a l o n t h e 6 1 0 ( F i g u r e 9 . 6 ( a ) ) , t h e n e u t r a l p l a s m a d i f f u s e s fi e e l y o u t o f t h e 1 . 0 c m d i a m e t e r h o l e i n t h e s t a i n l e s s s t e e l p l a t e t h a t i s fi x e d o n t h e o u t l e t o f t h e 6 1 0 . T h i s n e u t r a l p l a s m a , s e e n a s a b r i g h t w h i t e l i g h t i n t h e p h o t o g r a p h s , h i t s t h e c o p p e r b a f fl e p l a t e t h a t c u t s t h e a m o u n t o f p l a s m a e x i t i n g t o t h e o t h e r s i d e ( b e l o w e l e c t r o d e t w o ) . W h e n t h e v o l t a g e o n t h e 6 1 0 i s r a i s e d t o 0 . 2 5 k V ( F i g u r e 9 . 6 ( b ) ) , t h e n e u t r a l p l a s m a c l e a r l y f o r m s a c o n v e x , t e a r d r o p s h a p e d m e n i s c u s t h a t h a s p u l l e d a w a y f r o m t h e s e c o n d e l e c t r o d e . A t 0 . 5 k V ( F i g u r e 9 . 6 ( c ) ) a n d 0 . 7 5 k V ( F i g u r e 9 . 6 ( d ) ) , t h e n e u t r a l p l a s m a f u r t h e r r e c e d e s a w a y f r o m t h e s e c o n d e l e c t r o d e , a n d a f a i n t d e e p b l u e g l o w o f t h e i o n b e a m b e c o m e s v i s i b l e b e l o w t h e s e c o n d e l e c t r o d e . I t w a s v i s u a l l y c o n fi r m e d t h a t a t 1 . 0 k V b i a s o n t h e 6 1 0 ( F i g u r e 9 . 6 ( e ) ) r e l a t i v e t o t h e s e c o n d e l e c t r o d e , t h e m e n i s c u s h a s c o m p l e t e l y w i t h d r a w n i n t o t h e i o n s o u r c e . T h i s i s i m p o r t a n t , a n d w i l l b e d i s c u s s e d l a t e r . T h e b l u e g l o w o f t h e i o n b e a m b e l o w t h e s e c o n d e l e c t r o d e i s c l e a r l y v i s i b l e a t 1 . 0 k V . H o w e v e r . t h e b e a m a t t h i s s t a g e i s s t i l l d i v e r g i n g f r o m t h e fi r s t e l e c t r o d e , a n d b e i n g “ c h o p p e d " a s i t e x i t s o u t o f t h e s e c o n d e l e c t r o d e . A t 2 . 0 k V ( F i g u r e 9 . 6 ( 0 ) a n d b e y o n d , t h e b r i g h t w h i t e / p u r p l e h a z e o f t h e n e u t r a l p l a s m a i s c o m p l e t e l y g o n e , r e p l a c e d b y t h e l e s s e r , b u t m o r e d e fi n e d b l u e g l o w o f t h e i o n b e a m . A l s o a t 2 . 0 k V a n d 4 1 4 b e y o n d , d e s p i t e b e i n g t w o d i m e n s i o n a l t h e p h o t o g r a p h s c l e a r l y s h o w t h e f o r m a t i o n a n d d e fi n i t i o n o f t h e i o n b e a m o n b o t h s i d e s o f t h e s e c o n d e l e c t r o d e . A s t h e p o t e n t i a l i s r a i s e d t o 3 k V ( F i g u r e 9 . 6 ( g ) ) . a n d t h e n t o 4 k V ( F i g u r e 9 . 6 ( b ) ) , t h e f o c u s s i n g e f f e c t o f h i g h v o l t a g e i s n o w v i s i b l e , a n d t h e d i a m e t e r o f t h e b e a m b e t w e e n t h e p l a s m a a n d t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e s d e c r e a s e s , w h i c h i n d i c a t e s a f o c u s s i n g b e a m . N o t e t h a t b e l o w t h e s e c o n d e l e c t r o d e t h e b e a m i s s t i l l s p r e a d i n g o u t ( d c - f o c u s s i n g ) . A s b i a s p o t e n t i a l o n t h e 6 1 0 i s f u r t h e r r a i s e d , a n o t h e r p r o m i n e n t v o l t a g e i s r e a c h e d . A t 4 . 0 k V , t h e b e a m e m e r g i n g f r o m t h e 1 c m d i a m e t e r h o l e i n t h e fi r s t e l e c t r o d e i s p e r f e c t l y p a r a l l e l , a n d i s c o m p l e t e l y e n c l o s e d b y t h e 1 c m d i a m e t e r h o l e o f t h e s e c o n d e l e c t r o d e . T h e r e i s n o d i v e r g e n c e o f t h e b e a m f r o m t h e 6 1 0 u p t o t h e s e c o n d e l e c t r o d e . O n b o t h s i d e s o f t h e s e c o n d e l e c t r o d e , t h e b e a m i s n o w v e r y s h a r p l y d e fi n e d . T h e v o l t a g e i s t h e n i n c r e a s e d t o 5 k V ( F i g u r e 9 . 6 0 ) ) , a n d t h e b e a m f r o m t h e 6 1 0 n o w b e g i n s t o f o c u s s h a r p l y i n t o t h e s e c o n d e l e c t r o d e . T h i s “ o v e r f o c u s s i n g ” i s c l e a r l y v i s i b l e a t 8 k V ( F i g u r e 9 . 6 ( k ) ) , a n d a t 1 0 k V b i a s o n t h e 6 1 0 ( F i g u r e 9 6 0 ) ) r e l a t i v e t o t h e g r o u n d e d s e c o n d e l e c t r o d e . N o t e t h a t b e n e a t h t h i s e l e c t r o d e , t h e b e a m s t i l l d e — f o c u s e s s i n c e n o o t h e r e l e c t r i c o r m a g n e t i c f o c u s s i n g i s a v a i l a b l e d o w n s t r e a m fi ' o m t h e t w o e l e c t r o d e e x t r a c t i o n s y s t e m . A l s o , t h e b e a m d i a m e t e r a t a n y fi x e d p o s i t i o n b e l o w t h e s e c o n d e l e c t r o d e d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g e x t r a c t i o n p o t e n t i a l , i n d i c a t i n g a s t r o n g e r o v e r - f o c u s s i n g i n t o t h e s e c o n d e l e c t r o d e a s t h e e x t r a c t i o n p o t e n t i a l i s i n c r e a s e d . T h i s i n i t i a l o v e r - f o c u s s i n g i s i n p a r t r e s p o n s i b l e f o r i n c r e a s i n g t h e d i r e c t e d v e l o c i t y o f t h e i o n s , t h a t t r a v e l f u r t h e r d o w n s t r e a m b e f o r e s p a c e c h a r g e e f f e c t s b e g i n t o d e - f o c u s t h e b e a m . 4 1 5 . 4 f M E f f e c T h e c o n c e p t o f t h e p l a s m a m e n i s c u s h a s b e e n d i s c u s s e d i n a l m o s t e v e r y b o o k , c h a p t e r , o r m o n o g r a p h o n i o n b e a m d e v e l o p m e n t , i n c o n n e c t i o n w i t h t h e d e t a i l s o f t h e e x t r a c t i o n a p p a r a t u s . S o m e g o o d e x a m p l e s o f t h e s e d i s c u s s i o n s a r e t h e c h a p t e r o n p o s i t i v e i o n e x t r a c t i o n a n d a c c e l e r a t i o n i n F o r r e s t e r ' s b o o k ( F o r - 8 8 ] , a n d S e p t i e r ’ s m o n o g r a p h [ S e p - 8 0 ) . I n p a r t i c u l a r . s e e F i g u r e 5 . 1 i n F o r r e s t e r ' s b o o k ( p a g e 1 0 0 ) , o r F i g u r e 5 f r o m t h e c h a p t e r b y C . L e j e u n e i n S e p t i e r ’ s b o o k [ L e j - 8 0 ] . K e l l e r a l s o p r o v i d e s a g o o d d e s c r i p t i o n o f t h e m e n i s c u s . ( s e e F i g u r e 3 . 1 i n h i s c h a p t e r f r o m t h e b o o k e d i t e d b y B r o w n ) . w h i c h h e d e fi n e s a s t h e “ i o n e m i t t i n g s u r f a c e “ [ K e l - 8 9 ) . A n d fi n a l l y , t h e r e a r e a l o t o f c o m p u t e r c o d e s t h a t n u m e r i c a l l y s o l v e t h e e q u a t i o n s g o v e r n i n g t h e t w o d i m e n s i o n a l o r t h r e e d i m e n s i o n a l b e a m e x t r a c t i o n , a s i s e v i d e n t fi ' o m r e f e r e n c e s K e l - 8 9 , a n d S p a - 8 9 ( b o t h fi ' o m t h e s a m e b o o k ) . T h e s e s i m u l a t i o n c o d e s n o t o n l y p r e d i c t t h e b e a m f o r m a t i o n f o r s p e c i fi c b i a s p o t e n t i a l s o n t h e e l e c t r o d e s , t h e y m a y a l s o b e u s e d t o o p t i m a l l y c o n fi g u r e t h e e x t r a c t i o n e l e c t r o d e s y s t e m i t s e l f . R a y t r a c i n g c o d e s l i k e P A R M I L A . o r B E A M 3 D f o r e x a m p l e , h a v e b e e n h e a v i l y u s e d b y i o n b e a m d e v e l o p e r s t o o p t i m i z e t h e e x t r a c t i o n s y s t e m s a n d s u b s e q u e n t b e a m t r a n s p o r t . I n a l l s u c h d i s c u s s i o n s , t h e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t i s w e l l d e t a i l e d . H o w e v e r , t h e r e i s n o f o r m a l e x p e r i m e n t a l c o n fi r m a t i o n o f t h e m e n i s c u s e f f e c t - t h e r e c e s s i o n o f t h e n e u t r a l p l a s m a b o u n d a r y a w a y f r o m t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e a s t h e n e g a t i v e e x t r a c t i o n b i a s o n t h e e l e c t r o d e ( o r a c o r r e s p o n d i n g p o s i t i v e b i a s o n t h e i o n b e a m s o u r c e f o r a g r o u n d e d s e c o n d e l e c t r o d e ) i s r a i s e d . T h i s i s e v i d e n c e d b y t h e s k e t c h e s t h a t a c c o m p a n y t h e d i s c u s s i o n s i n t h e a b o v e 4 1 6 m e n t i o n e d b o o k s - t h e r e h a s b e e n n o v i s u a l o r p h o t o g r a p h i c c o n fi r m a t i o n o f t h e m e n i s c u s e f f e c t t o d a t e . F o r t h e fi r s t t i m e , t h e f o r m a t i o n o f t h e m e n i s c u s , a n d i t s v a r i a t i o n w i t h c h a n g i n g e x t r a c t i o n p o t e n t i a l h a v e b e e n v i s u a l l y o b s e r v e d a n d p h o t o g r a p h e d , a s i s e v i d e n t f r o m t h e s e r i e s o f p h o t o g r a p h s i n F i g u r e 9 . 6 . T h e p h o t o g r a p h s c l e a r l y c o r r o b o r a t e s e v e r a l p o i n t s o f t h e t h e o r y r e g a r d i n g i o n e x t r a c t i o n a n d a l s o b r i n g t o l i g h t c e r t a i n d i s c r e p a n c i e s i n t h e c u r r e n t t h e o r y . T h e s e i s s u e s a r e n o w s u m m a r i z e d h e r e . A t z e r o p o t e n t i a l , t h e n e u t r a l p l a s m a s t r e a m s o u t a n d t h e p l a s m a p o t e n t i a l , o r t h e “ s e l f b i a s ” o f t h e s o u r c e ( w h i c h m a y b e s e v e r a l t e n s o f v o l t s a t t h e v e r y l o w p r e s s u r e s w h e r e t h e 6 1 0 i s o p e r a t i n g ) d e fi n e s t h e f o r m a t i o n o f t h e “ b e a m ” a n d t h e m e n i s c u s . A s p o s i t i v e e x t r a c t i o n p o t e n t i a l i s a p p l i e d t o t h e i o n s o u r c e ( o r c o n v e r s e l y , a n e g a t i v e p o t e n t i a l o n t h e a c c e l e r a t i o n e l e c t r o d e ) , t h e b e a m b e g i n s t o f o c u s , w h i l e t h e n e u t r a l p l a s m a c o n fi n e d b y t h e m e n i s c u s b e g i n s t o d r a w a w a y f r o m t h e i n c r e a s i n g l y “ n e g a t i v e " s e c o n d e l e c t r o d e . A t a n a p p r o p r i a t e p o t e n t i a l , t h e m e n i s c u s h a s c o m p l e t e l y r e t r a c t e d i n s i d e t h e p l a s m a e l e c t r o d e , a t w h i c h p o i n t o r s o o n t h e r e a f t e r t h e b e a m i s p e r f e c t l y p a r a l l e l . C o m p a r e F i g u r e 5 . 1 ( a ) f r o m F o r r e s t e r ’ s b o o k [ F o r - 8 8 ] , o r F i g u r e 3 . N b ) f r o m . R e f e r e n c e K e 1 - 8 9 w i t h F i g u r e 9 . 5 ( h ) o f t h i s c h a p t e r . 1 f t h e e x t r a c t i o n p o t e n t i a l i s r a i s e d f u r t h e r , t h e p l a s m a s u r f a c e r e c e d e s f u r t h e r i n t o t h e s o u r c e , f o r m i n g a c o n c a v e s h a p e t h a t o v e r f o c u s e s t h e b e a m . a s i s s e e n i n F i g u r e 5 . H e ) f r o m R e f e r e n c e F o r - 8 8 . o r i n F i g u r e 3 . H e ) i n R e f e r e n c e K e l - 8 9 , a n d a l s o i n F i g u r e 9 . 6 0 ) i n t h i s c h a p t e r . A c c o r d i n g t o F o r r e s t e r ( R e f e r e n c e F o r - 8 8 , p a g e 9 9 ) . t h e s h a p e o f t h e p l a s m a m e n i s c u s ( a t a n y a p p l i e d b i a s ) “ i s d e t e r m i n e d b y t h e r e q u i r e m e n t t h a t t h e s o l u t i o n o f t h e u n i p o l a r s p a c e c h a r g e p r o b l e m t o t h e r i g h t o f t h e p l a s m a 4 1 7 b o u n d a r y m a t c h t h e n e a r z e r o fi e l d a t t h a t s u r f a c e c o n s i d e r i n g t h e c u r r e n t d e n s i t y o f s l o w i o n s d e l i v e r e d b y t h e p l a s m a . ” I n o t h e r w o r d s , t h e e l e c t r o s t a t i c b o u n d a r y c o n d i t i o n s h a v e t o b e s a t i s fi e d o n b o t h s i d e s o f t h e p l a s m a s u r f a c e ( t h e m e n i s c u s ) . N o t e t h a t t h e e l e c t r i c fi e l d s w i t h i n t h e n e u t r a l p l a s m a m u s t b e z e r o , o r n e a r z e r o - s o n e a r t h e s u r f a c e o f t h e p l a s m a ( t h e m e n i s c u s ) , t h e e l e c t r i c fi e l d s e t u p b y t h e u n i p o l a r s p a c e c h a r g e o f t h e i o n b e a m , a n d t h e fi e l d d u e t o t h e a p p l i e d e x t r a c t i o n b i a s h a v e t o a d d u p w i t h t h e i n d i v i d u a l fi e l d s d u e t o t h e e s c a p i n g i o n s i n a m a n n e r s o a s t o e q u a l t h e z e r o ( o r n e a r z e r o ) fi e l d s w i t h i n t h e n e u t r a l p l a s m a . A n o t h e r , s i m p l e r e x p l a n a t i o n o f t h e r e c e d i n g m e n i s c u s ( w i t h a p p l i e d b i a s ) i s n o w p r e s e n t e d , a l t h o u g h t h e r e i s o n g o i n g d i s c u s s i o n a b o u t i t s v a l i d i t y . I t h a s b e e n s h o w n t h a t t h e m e n i s c u s s e p a r a t e s t h e q u a s i - n e u t r a l ( fi e l d f r e e ) p l a s m a f r o m t h e p o s i t i v e i o n b e a m , a n d t h e m e n i s c u s r e c e d e s a w a y f r o m t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e a s t h e p o s i t i v e b i a s o n t h e i o n s o u r c e i n c r e a s e s ( o r c o n v e r s e l y , a s t h e r e l a t i v e l y n e g a t i v e p o t e n t i a l o n t h e s e c o n d e l e c t r o d e i n c r e a s e s ) . T h i s “ n e g a t i v e p o t e n t i a l ” o n t h e s e c o n d e l e c t r o d e a c c e l e r a t e s i o n s , w h i l e l i m i t i n g e l e c t r o n fl o w t o t h e e l e c t r o n p o p u l a t i o n t h a t h a s s u f fi c i e n t e n e r g y t o c r o s s t h e p o t e n t i a l b a r r i e r s e t u p b y t h e b i a s o n t h e e l e c t r o d e . S i n c e t h e m e n i s c u s i s r e c e d i n g a w a y f r o m t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e , t h e p l a s m a b o u n d a r y ( t h e m e n i s c u s ) m u s t b e t h e p e n e t r a t i o n l i m i t o f t h e h i g h e n e r g y e l e c t r o n s a s t h e y e n c o u n t e r t h e e q u i - p o t e n t i a l s u r f a c e s s e t u p b y t h e a p p l i e d b i a s . I n o t h e r w o r d s , t h e p l a s m a b o u n d a r y i s d e fi n e d b y t h e h i g h e n e r g ' e l e c t r o n s . w h i c h t h e r e f o r e c o n fi n e t h e q u a s i - n e u t r a l p l a s m a f r o m t h e e l e c t r i c fi e l d s s e t u p b e t w e e n t h e e l e c t r o d e s a n d a l s o t h e s p a c e c h a r g e fi e l d s o f t h e i o n b e a m . I t c a n t h e n b e p r e d i c t e d t h a t a s t h e e x t r a c t i o n p o t e n t i a l i n c r e a s e s , t h e e q u i - p o t e n t i a l s u r f a c e s 4 1 8 m u s t f o r c e t h e m e n i s c u s t o r e c e d e a w a y f r o m t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e a s t h e h i g h e n e r g y e l e c t r o n s f a c e a h i g h e r p o t e n t i a l “ h i l l ” t o c l i m b - e x a c t l y w h a t i s o b s e r v e d i n F i g u r e 9 . 6 , a n d d e s c r i b e d b y s k e t c h e s i n t h e b o o k s m e n t i o n e d i n t h e b e g i n n i n g o f t h i s s e c t i o n . T h e t h e o r y p r o p o s e d a b o v e ( t h a t t h e h i g h e n e r g y e l e c t r o n s f o r m t h e b o u n d a r y o f t h e q u a s i - n e u t r a l p l a s m a ) l e a d s t o a v e r y i n t e r e s t i n g c o n t r a d i c t i o n . A t 1 . 0 k V , t h e m e n i s c u s h a s c o m p l e t e l y r e t r a c t e d i n s i d e t h e s o u r c e a n d i s n e i t h e r c o n c a v e , n o r c o n v e x . T h i s c a n o c c u r o n l y i f t h e m e n i s c u s i s fl a t . I n s u c h a s i t u a t i o n , t h e e q u i p o t e n t i a l s u r f a c e s b e t w e e n t h e i o n s o u r c e ( o r e l e c t r o d e o n e ) a n d t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e ( n u m b e r t w o ) a r e e v e n l y s p a c e d . T h i s m e a n s t h a t a t l . 0 k V , n o h i g h e n e r g y e l e c t r o n s p r o d u c e d w i t h i n t h e i o n s o u r c e c a n e x i t t h e s o u r c e d u e t o t h e h i g h i o n e x t r a c t i o n p o t e n t i a l ( t h a t a l s o a c t s a s a r e p e l l i n g p o t e n t i a l f o r t h e e l e c t r o n s ) , a n d t h e r e f o r e t h e h i g h e s t e n e r g t e l e c t r o n s p r o d u c e d b y t h e s o u r c e m u s t b e a t l e a s t 1 . 0 k e V . A c c o r d i n g t o d i r e c t m e a s u r e m e n t s o f t h e e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n f o r t h e 6 1 0 i n C h a p t e r s F o u r a n d F i v e , i t s e e m s u n l i k e l y t h a t t h e s o u r c e i s c a p a b l e o f p r o d u c i n g e l e c t r o n s o f s u c h h i g h e n e r g y - r e s u l t s o f s i n g l e L a n g m u i r p r o b e d a t a i n d i c a t e t h a t t h e t y p i c a l e l e c t r o n e n e r g i e s w i t h i n t h e 6 1 0 a r e a t m o s t t e n s o f e V . I t m u s t b e n o t e d h o w e v e r , t h a t t h e L a n g m u i r p r o b e d a t a r e p o r t e d i n C h a p t e r s F o u r a n d F i v e w e r e t a k e n a t r e l a t i v e l y h i g h e r p r e s s u r e s ( 1 0 ' 4 T o r r , a s I c o m p a r e d t o t h e o p e r a t i n g p r e s s u r e s o f 1 0 ‘ 5 T o r r i n t h i s c h a p t e r ) , a n d s e v e r a l c e n t i m e t e r s d o w n s t r e a m o f t h e p l a s m a g e n e r a t i o n r e g i o n . I t h a s b e e n s t a t e d e a r l i e r t h a t d e c r e a s i n g p r e s s u r e r a i s e s t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e , a n d t h e c o n fi n i n g ( o r - t h r o t t l i n g ) e f f e c t o f t h e s t a i n l e s s s t e e l b a f fl e p l a t e ( e l e c t r o d e o n e ) , m i g h t i t s e l f p r o v i d e s e c o n d a r y e l e c t r o n s t o t h e d i s c h a r g e . B o t h c o n d i t i o n s m a y 4 1 9 a l l o w h i g h e r e l e c t r o n e n e r g i e s t o b e p r o d u c e d w i t h i n t h e i o n s o u r c e . D e s p i t e t h e s e c o n d i t i o n s , t h e p r o b a b i l i t y o f 1 k e V e l e c t r o n s p o p u l a t i n g t h e h i g h e n e r g y t a i l o f t h e n e a r - M a x w e l l i a n e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 s e e m s r e m o t e , a t b e s t . . h r ' D v e l - r e “ c e l - " E x t r a c t i o n m t e m f o r t h e M P D R 6 1 0 T h e n e x t s t e p i n t h e b e a m c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e 6 1 0 i n v o l v e d s e v e r a l m o d i fi c a t i o n s , n o t o n l y i n t h e e x t r a c t i o n a p p a r a t u s . b u t a l s o i n t h e l o c a t i o n o f t h e 6 1 0 a t t h e N S C L f o r f u r t h e r t e s t i n g . T o r e c a p i t u l a t e , t h e e x p e r i m e n t s d e t a i l e d i n S e c t i o n s 9 . 4 a n d 9 . 5 w e r e c a r r i e d o u t w i t h t h e 6 1 0 m o u n t e d i n p l a c e o f t h e o b j e c t b o x ( i n t h e b e a m p i p e ) o f t h e S C E C R w h i l e t h e m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S , a n d t h e K 1 2 0 0 c y c l o t r o n w e r e d o w n f o r m a i n t e n a n c e . T h e b e a m s w e r e e x t r a c t e d w i t h a r a t h e r c r u d e t w o e l e c t r o d e s y s t e m c o n s i s t i n g o f a t h i n t h r o t t l i n g b a f fl e / e l e c t r o d e o n t h e o u t l e t o f t h e 6 1 0 a n d a l a r g e r c o p p e r b a f fl e p l a t e m o u n t e d a b o u t 1 . 8 c m b e l o w t h e i o n s o u r c e . B o t h “ e l e c t r o d e s " h a d a 1 c m d i a m e t e r h o l e i n t h e c e n t e r f o r b e a m e g r e s s . T h e 6 1 0 w a s r a i s e d t o p o s i t i v e ' p o t e n t i a l s ( a s h i g h a s 1 0 k V ) w h i l e t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e ( t h e c o p p e r b a f fl e ) w a s m a i n t a i n e d a t g r o u n d p o t e n t i a l . T h i s s e t u p p r o d u c e d g o o d r e s u l t s , s p e c i a l l y p r o v i d i n g p i c t o r i a l r e p r e s e n t a t i o n s , a n d f u n d a m e n t a l i n s i g h t s i n t o t h e m e n i s c u s e f f e c t d i s c u s s e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n . B u t w i t h b o t h ' t h e K 1 2 0 0 c y c l o t r o n a n d t h e S C E C R s c h e d u l e d t o c o m e b a c k o n l i n e , a n o t h e r w a y t o c o n t i n u e s t u d y i n g t h e b e a m c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e 6 1 0 h a d t o b e f o u n d . 4 2 0 W T h e fi r s t s t e p i n v o l v e d s e t t i n g u p a n a u t o n o m o u s v a c u u m s y s t e m o n w h i c h t h e 6 1 0 c o u l d b e m o u n t e d . K n o w n a s t h e “ t e s t s t a n d , ” p a r t s o f t h i s s i m p l e v a c u u m s y s t e m w e r e s a l v a g e d fi ' o m a d e f u n c t e x p e r i m e n t . I t i s s h o w n i n F i g u r e 9 . 7 ( n o t t o s c a l e ) a n d c o n s i s t s e s s e n t i a l l y o f t w o l a r g e 8 i n c h C o n fl a t T M “ T e e ” s h a p e d s t r u c t u r e s , e a c h w i t h f o u r k n i f e e d g e fl a n g e s . T h e s e w e r e c o n n e c t e d t o g e t h e r t h r o u g h a s m a l l s e c t i o n o f b e a m p i p e . T h e 6 1 0 w a s m o u n t e d o n t h e t o p “ T e e ” ( w i t h i t s a l u m i n a D C i s o l a t i o n j o i n t ) w h i c h h a d a n 8 i n c h v a c u u m w i n d o w . o n o n e s i d e , a n d a d a r k e n e d 8 i n c h b l a n k o f f o n t h e o p p o s i t e e n d . S i n c e t h e o u t l e t o f t h e 6 1 0 w a s c r i t i c a l l y l o c a t e d a t t h e s a m e l e v e l a s t h e w i n d o w . v i s u a l o b s e r v a t i o n a n d s t i l l ( o r v i d e o ) p h o t o g r a p h i c d o c u m e n t a t i o n o f t h e b e a m w o u l d b e p o s s i b l e , a s w a s d o n e f o r e x p e r i m e n t s d e s c r i b e d i n S e c t i o n 9 . 5 ( 6 1 0 m o u n t e d o n t h e o b j e c t b o x ) . T h e c o n n e c t i n g c e n t e r b e a m p i p e h a d a t h e r m o c o u p l e t u b e a n d a n i o n i z a t i o n g a u g e t u b e . T h e b o t t o m “ T e e ” h a d a s e c t o r e d F a r d a y c u p w i t h a r o t a r y f e e d t h r o u g h t h a t c o u l d a l s o b e u s e d a s a b e a m s t o p . T h e o t h e r h o r i z o n t a l 8 i n c h fl a n g e o n t h e b o t t o m “ T e e ” w a s c o n n e c t e d t o a t u r b o m o l e c u l a r p u m p , w h i c h w a s b a c k e d b y a r o u g h i n g p u m p . O n t h e b o t t o m b l a n k o f f o f t h i s s e c o n d “ T e e ” w a s p l a c e d a n e m i t t a n c e c a m e r a w i t h K a p t o n fi l m - a c r u d e w a y o f m e a s u r i n g t h e e m i t t a n c e o f t h e b e a m u s i n g t h e “ p e p p e r p o t m e t h o d ” a s d e t a i l e d i n C h a p t e r T h r e e . A l l o f t h i s h a r d w a r e w a s m o u n t e d o n a v e r y s t u r d y s t e e l f r a m e d t a b l e ( n o t s h o w n i n F i g u r e 9 . 7 ) . S i n c e t h e t e s t s t a n d w a s r e m o t e l y l o c a t e d , t h e s e c t o r e d F a r a d a y c u p w a s n e v e r u s e d t o m e a s u r e t h e c u r r e n t i n e a c h j a w o f t h e c u p d u e t o l a c k o f c o m p u t e r c a b l e s t h a t w o u l d b e l o n g e n o u g h t o r u n f r o m t h e F a r a d a y c u p t o t h e 4 2 1 1 ; ‘ — — T h e M P D R 6 1 0 < — D C I n s u l a t o r t J / T o p C o n fl a t “ T e e " E x t r a c t i o n 2 / A p p a r a t u s [ — : 1 V a c u u m w i n d o w _ _ . : | C e n t r a l B e a m P i p e T h e r m o c o u p l e T u b e _ m : I o n i z a t i o n G a u g e T u b e I B o t t o m C o n fl a t [ _ . S e c t o r e d F a r a d a y “ T e e C u p \ ‘ / W — S D P u m p s “ P e p p e r P o t ” E m i t t a n c e b l C a m e r a F l 9 . 7 T h e t e s t t a n d f o r a u t o n o m o u s b e a m c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e 6 1 0 N o t e t h a t t h e s t u r d y t a b l e c o n n e c t e d t o t h e c e n t r a l b e a m p i p e o n w h i c h t h e m i c r o w a v e a p p a r a t u s e t c . w e r e s e t u p i s n o t s h o w n . 4 2 2 N S C L c o m p u t e r t h a t n o r m a l l y c o n t r o l s s o m e p a r t s o f t h e i o n s o u r c e o p e r a t i o n s . ( T h i s c o m p u t e r i s l o c a t e d i n b a s e m e n t l e v e l , n e a r t h e b e a m l i n e s fi ' o m t h e E C R I S t o t h e t w o c y c l o t r o n s . c l o s e t o t h e o t h e r s e c t o r e d F a r a d a y c u p s t h a t a r e u s e d t o a l i g n t h e e x t r a c t e d b e a m i n t h e b e a m l i n e . ) K a p t o n b u r n s b e l o w t h e s e c t o r e d F a r a d a y c u p ( i n t h e t e s t s t a n d ) i n d i c a t e a u n i f o r m , a n d d i v e r g i n g b e a m b y t h e t i m e i t r e a c h e s t h e K a p t o n fi l m . A s m e n t i o n e d e a r l i e r , t h i s F a r a d a y c u p c o u l d b e r o t a t e d i n , a n d o u t o f p l a c e j u s t a b o v e t h e K a p t o n c a m e r a ( s e e F i g u r e 9 . 7 ) , t h e r e b y a c t i n g a s a b e a m s t o p f o r t h e fi l m b u r n s d u r i n g e m i t t a n c e m e a s u r e m e n t s . T h e n e c e s s a r y m i c r o w a v e a p p a r a t u s - i n c l u d i n g t h e 2 . 4 5 G H z p o w e r s u p p l y . a n d a l l o t h e r p e r i p h e r a l e l e c t r o n i c s w e r e l o c a t e d o n t h e m o u n t i n g t a b l e . A s b e f o r e , t h e p o w e r s u p p l y , i n c i d e n t a n d r e fl e c t e d p o w e r m e t e r s , e t c . w e r e a l l a t g r o u n d p o t e n t i a l s i n c e t h e p r e v i o u s l y u s e d D C i s o l a t i o n j o i n t w a s o n c e a g a i n u t i l i z e d o n t h e c r o s s g u i d e b i - d i r e c t i o n a l c o u p l e r . O n l y t h e 6 1 0 , a n d t h e c o a x i a l c a b l e u s e d t o t r a n s m i t m i c r o w a v e s w e r e a t h i g h v o l t a g e a t t h e t i m e o f e l e c t r o d e b i a s i n g . A l o n g c o a x i a l c a b l e o f a d e q u a t e r a t i n g w a s u s e d t o t r a n s p o r t t h e h i g h v o l t a g e s i g n a l f r o m e i t h e r o f t h e t h r e e E C R I S a t t h e c y c l o t r o n - t h e S C E C R , R T E C R o r t h e C P E C R - w h i c h e v e r w a s n o t i n u s e a t t h e t i m e . T h e g r o u n d e d o u t e r c o n d u c t o r o f t h i s D C h i g h v o l t a g e c a b l e w a s d i s c o n n e c t e d a t o n e e n d t o p r e v e n t g r o u n d l o o p s . A s t a n d a l o n e a r g o n b o t t l e p r o v i d e d t h e g a s f e e d t o t h e 6 1 0 t h r o u g h a m a n u a l l y c o n t r o l l e d s a p p h i r e l e a k v a l v e . D u e t o t h i s m a n u a l a d j u s t m e n t o n t h e g a s f e e d s y s t e m , i t c o u l d n o t b e d e t e r m i n e d w h a t t h e fl o w r a t e s w e r e f o r t h e e x p e r i m e n t s , a n d o n l y t h e i o n i z a t i o n g a u g e p r e s s u r e r e a d i n g s i n t h e c e n t e r b e a m p i p e a r e r e p o r t e d . 4 2 3 . . 2 w c t i o e T h e c r u d e t w o g r i d e x t r a c t i o n s y s t e m u s e d i n t h e e x p e r i m e n t s o f S e c t i o n s 9 . 4 a n d 9 . 5 w a s c o m p l e t e l y o v e r - h a u l e d f o r t h e f o r t h c o m i n g t e s t s . A n e w “ s p h e r i c a l q u a s i - P i e r c e t h r e e e l e c t r o d e a c c e l - d e c e l " e x t r a c t i o n a p p a r a t u s w a s d e s i g n e d a n d i n s t a l l e d o n t h e 6 1 0 . T h e a d v a n t a g e s o f t h i s s y s t e m , a n d i t s d e s i g n a r e n o w d e s c r i b e d i n m o r e d e t a i l . W h e n a b e a m i s e x t r a c t e d f r o m t h e i o n s o u r c e , t y p i c a l l y t h e r e i s s o m e a m o u n t o f d o w n s t r e a m i o n i z a t i o n d u e t o c o l l i s i o n s b e t w e e n e n e r g e t i c i o n s a n d t h e n e u t r a l g a s t h a t a l s o fl o w s o u t o f t h e p l a s m a s o u r c e . O n e o f t h e d i s a d v a n t a g e s o f t h e t w o e l e c t r o d e s y s t e m i s t h a t e l e c t r o n s f r o m t h i s b e a m p l a s m a ( o r s e c o n d a r y e l e c t r o n s e m i t t e d w h e n t h e b e a m s t r i k e s t h e s e c o n d e l e c t r o d e ) a r e a c c e l e r a t e d t o w a r d s t h e p l a s m a s o u r c e , w h i c h i s a t a p o s i t i v e p o t e n t i a l r e l a t i v e t o t h e s e c o n d e l e c t r o d e . T h e s e d o w n s t r e a m e l e c t r o n s c a n a t t a i n s i g n i fi c a n t p o t e n t i a l e n e r g y , d e p e n d i n g o n t h e b i a s v o l t a g e o f t h e e x t r a c t i o n s y s t e m , a n d c a n c a u s e d a m a g e t o t h e i o n s o u r c e . I n a t h r e e e l e c t r o d e s y s t e m , t h e fi r s t e l e c t r o d e i s c o n n e c t e d t o t h e s o u r c e ( o r b i a s e d a t t h e s a m e p o t e n t i a l ) . T h e s e c o n d e l e c t r o d e i s g e n e r a l l y b i a s e d n e g a t i v e , w h i l e t h e t h i r d e l e c t r o d e i s g r o u n d e d . T h i s c r e a t e s a p o t e n t i a l w e l l b e t w e e n t h e s e c o n d a n d t h i r d e l e c t r o d e s . t h a t t r a p s t h e e n e r g e t i c d o w n s t r e a m b e a m e l e c t r o n s f r o m b a c k i n g u p i n t o t h e s o u r c e a n d d a m a g i n g i t . T h i s p o t e n t i a l w e l l a l s o p r o v i d e s a r e p o s i t o r y f o r e l e c t r o n s t h a t n e u t r a l i z e t h e s p a c e c h a r g e e f f e c t s i n t h e b e a m a n d p r e v e n t “ b e a m s t a l l i n g " - a p h e n o m e n o n t h a t o c c u r s w h e n t h e s p a c e c h a r g e p o t e n t i a l r i s e s b e y o n d a l e v e l s u c h t h a t t h e b e a m c a n n o t b e t r a n s p o r t e d a n y f u r t h e r . W i t h o u t s p a c e c h a r g e 4 2 4 n e u t r a l i z a t i o n f r o m t h e s e e l e c t r o n s t h e p o t e n t i a l o f t h e b e a m ( d u e t o s p a c e c h a r g e ) e f f e c t s c a n r a p i d l y i n c r e a s e u p t o t h e p o t e n t i a l o f t h e fi r s t ( p l a s m a ) e l e c t r o d e . A t t h i s p o i n t t h e b e a m a n d t h e p l a s m a a r e a t t h e s a m e p o t e n t i a l , n e g a t i n g a n y e x t r a c t i o n b i a s . A n y f u r t h e r i n c r e a s e i n t h e b e a m p o t e n t i a l a c t u a l l y l e a d s t o r e fl e c t i o n o f i o n s t o w a r d s t h e i o n s o u r c e [ F o r - 8 8 ] a n d t h e b e a m i s t h e n s a i d t o h a v e s t a l l e d . T h e r e i s a n o t h e r , m o r e i m p o r t a n t r e a s o n f o r u s i n g t h r e e e l e c t r o d e s f o r e x t r a c t i o n . F o r t h e t e s t s u s i n g t w o e l e c t r o d e s i n S e c t i o n s 9 . 4 a n d 9 . 5 , t h e i o n s o u r c e ( o r m o r e s p e c i fi c a l l y , t h e p l a s m a e l e c t r o d e ) w a s r a i s e d u p t o p o s i t i v e 1 0 k V b i a s w i t h t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e g r o u n d e d . T h i s p r o d u c e d a w e l l c o l l i r n a t e d b e a m o f h i g h e n e r g y ( a p p r o x i m a t e l y 1 0 k e V ) i o n s . H o w e v e r , i n s o m e i n s t a n c e s t h e i o n b e a m o f s u c h h i g h e n e r g ' m a y b e d e t r i m e n t a l t o t h e p r o c e s s - b u t a t a l o w e r p o t e n t i a l t h e f o c u s s i n g e f f e c t o f t h e a c c e l e r a t i n g p o t e n t i a l i s l o s t . N o w i f t h r e e e l e c t r o d e s a r e u s e d , t h e i o n s o u r c e ( a n d t h e p l a s m a e l e c t r o d e ) c a n b e b i a s e d a t , s a y 5 k V , t h e s e c o n d ( a c c e l e r a t i n g ) e l e c t r o d e c a n b e b i a s e d a t n e g a t i v e 5 k V , w h i l e t h e t h i r d ( d e c e l e r a t i n g ) e l e c t r o d e i s g r o u n d e d . T h e i o n s a r e fi r s t a c c e l e r a t e d t o 1 0 k V o f e n e r g y w h i l e t r a v e r s i n g f r o m t h e p l a s m a e l e c t r o d e t o t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e a n d t h e b e a m i s w e l l f o c u s e d . H o w e v e r , t r a v e l l i n g b e t w e e n t h e s e c o n d a n d t h i r d e l e c t r o d e , t h e i o n s a r e d e c e l e r a t e d b y 5 k e V . . H e n c e t h e n a m e o f t h i s e l e c t r o d e g e o m e t r y - “ a c c e l - d e c e l . " T h i s l e a v e s t h e i o n s w i t h a n e t 5 k e V o f d i r e c t e d v e l o c i t y , b u t t h e f o c u s i n g g e n e r a t e d b y t h e e x t r a c t i o n s y s t e m r e m a i n s i n t a c t . P h o t o g r a p h i c e v i d e n c e o f t h i s p h e n o m e n o n w i l l b e s e e n l a t e r w h e n t h e r e s u l t s o f t h i s p h a s e o f e x p e r i m e n t a t i o n a r e d i s c u s s e d i n t h e f o r t h c o m i n g s e c t i o n s . I t w a s P i e r c e w h o fi r s t t a c k l e d t h e p r o b l e m o f d e s i g n i n g t h e a p p r o p r i a t e 4 2 5 e l e c t r o d e g e o m e t r y f o r o p t i m a l e x t r a c t i o n [ P i e - 4 0 , P i e - 5 4 ] . T h e d e t a i l s m a y b e f o u n d i n m a n y r e f e r e n c e s , F o r r e s t e r ' s b o o k i n p a r t i c u l a r [ F o r - 8 8 ] . I t i s i m p o r t a n t t o m e n t i o n h e r e t h a t P i e r c e u s e d a m o d e l o f t w o p a r a l l e l p l a t e s c o n fi n i n g a p l a s m a t o r e d u c e t h e s p a c e c h a r g e p r o b l e m s u c h t h a t t h e e q u i p o t e n t i a l s u r f a c e s b e t w e e n t h e t w o e l e c t r o d e s g e n e r a t e a s m o o t h f o c u s s i n g e f f e c t o n t h e i o n s t r a v e l l i n g f r o m o n e p l a t e t o a n o t h e r . S e v e r a l a s s u m p t i o n s ( l i k e t h e i o n s s t a r t i n g f r o m t h e p l a s m a s u r f a c e a t r e s t , a n d t h a t t h e e l e c t r o d e s m u s t b e i n fi n i t e l y t h i n ) w e r e u s e d t o d e r i v e t h e r e s u l t s . K e l l e r m e n t i o n s m a n y o f t h e m i n h i s d i s c u s s i o n o f P i e r c e g e o m e t r y [ K e l - 8 9 ] . B e c a u s e o f t h e s e a s s u m p t i o n s , a n d o t h e r p r a c t i c a l . c o n c e r n s , t h e p r e c i s e P i e r c e c o n fi g u r a t i o n w i t h i t s s t a t e d b e n e fi t s i s d i f fi c u l t i f n o t i m p o s s i b l e t o a c h i e v e . H o w e v e r , m o d i fi e d e l e c t r o d e c o n fi g u r a t i o n s b a s e d o n h i s t h e o r y , k n o w n a s t h e “ q u a s i - P i e r c e ” g e o m e t r y h a v e b e e n f o u n d u s e f u l f o r g e n e r a t i n g p a r a l l e l fl o w . o f i o n s f o r m a n y t y p e s o f b e a m s , i n c l u d i n g l o n g s l i t s h a p e d b e a m s , a n d f o r c y l i n d r i c a l l y c o n v e r g i n g b e a m s . Q u a s i - P i e r c e e l e c t r o d e s h a v e t h e r e f o r e b e e n e x t e n s i v e l y u s e d b y i o n s o u r c e d e s i g n e r s f o r d e v e l o p i n g i n t e n s i t y m a t c h e d e x t r a c t i o n a p p a r a t u s . A c c o r d i n g t o t h e P i e r c e g e o m e t r y , t h e fi r s t ( p l a s m a ) e l e c t r o d e m u s t m a k e a n a n g l e o f 6 7 . 5 ° w i t h t h e a x i s o f p r o p a g a t i o n o f t h e i o n fl o w , w h i l e t h e s e c o n d e l e c t r o d e i s s p h e r i c a l i n s h a p e . T h i s c o n fi g u r a t i o n , a l o n g w i t h t h e e q u i p o t e n t i a l s u r f a c e s t h a t a r e s e t u p b y i t a r e s h o w n i n F i g u r e s 5 . 6 a n d 5 . 7 i n C h a p t e r F i v e o f F o r r e s t e r ’ s b o o k [ F o r — 8 8 ] . T h e d e s i g n o f t h e n e w e x t r a c t i o n s y s t e m f o r t h e 6 1 0 w a s b a s e d o n t h e q u a s i - P i e r c e g e o m e t r y w i t h t h e a p p r o p r i a t e a n g l e o f t h e _ p l a s m a e l e c t r o d e b u t w i t h n o n - s p h e r i c a l s e c o n d a n d t h i r d e l e c t r o d e s . ( A c t u a l l y t w o t y p e s o f p l a s m a e l e c t r o d e s w e r e u s e d . A fl a t p l a s m a e l e c t r o d e w a s u s e d t o c o m p a r e ' b e a m f o r m a t i o n w i t h t h a t i n S e c t i o n s 9 . 4 a n d 9 . 5 . F o r m o s t 4 2 6 e x p e r i m e n t s h o w e v e r , t h e o t h e r p l a s m a e l e c t r o d e w i t h t h e a p p r o p r i a t e a n g l e w a s u s e d . ) T h e e l e c t r o d e a s s e m b l y i s s h o w n a s a c o m p o s i t e i n F i g u r e 9 . 8 ( a ) , w h i c h s h o w s a c r o s s s e c t i o n a l s k e t c h ( n o t t o s c a l e ) . A l l e l e c t r o d e s a r e m a d e o f s t a i n l e s s s t e e l , a n d t h e d e t a i l s a r e d i s c u s s e d b e l o w u s i n g F i g u r e s 9 . 8 ( b ) t h r o u g h F i g u r e 9 . 8 ( g ) . N o t e t h a t t h e s e d e t a i l fi g u r e s a r e n o t t o s c a l e . C r o s s s e c t i o n s o f t h e t w o d e s i g n s o f t h e fi r s t e l e c t r o d e ( k n o w n a s t h e p l a s m a e l e c t r o d e ) a r e s h o w n i n F i g u r e 9 . 8 ( b ) a n d 9 . 8 ( e ) . w h i l e t h e t o p v i e w i s s e e n i n F i g u r e 9 . 8 ( d ) . W i t h t h e t a p e r e d e d g e s , b o t h e l e c t r o d e s a r e d e s i g n e d t o fi t s n u g l y i n t o t h e o u t l e t o f t h e 6 1 0 ( a s s e e n i n F i g u r e 9 . 8 ( a ) ) , a n d t h e r e f o r e a l s o t h r o t t l e t h e e x c e s s c u r r e n t o u t p u t o f t h e s o u r c e . N o t e t h a t t h e r e i s g o o d e l e c t r i c a l c o n t a c t b e t w e e n t h e p l a s m a e l e c t r o d e a n d t h e i o n s o u r c e . B o t h p l a s m a e l e c t r o d e s h a v e a 1 . 0 c m d i a m e t e r h o l e i n t h e c e n t e r . T h e fi r s t d e s i g n ( F i g u r e 9 . 8 ( b ) ) i s a fl a t e l e c t r o d e s i m i l a r t o t h e 0 . 1 2 5 i n c h t h i c k n e s s s t a i n l e s s s t e e l b a f fl e p l a t e . T h i s w a s u s e d p r i m a r i l y t o c o m p a r e t h e r e s u l t s o f t h i s t h r e e g r i d s y s t e m w i t h t h e r e s u l t s o f t h e t w o fl a t e l e c t r o d e s o f S e c t i o n s 9 . 4 a n d 9 . 5 . T h e s e c o n d t y p e o f ' t h e p l a s m a e l e c t r o d e t h a t w a s u s e d i n t h e s e e x p e r i m e n t s ( F i g u r e 9 . 8 ( c ) ) h a s t h e t y p i c a l 6 7 . 5 ° P i e r c e a n g l e . C r o s s s e c t i o n o f t h e s e c o n d e l e c t r o d e ( a l s o k n o w n a s t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e ) i s d e t a i l e d i n F i g u r e 9 . 8 ( e ) . I t h a s a 1 . 2 7 c m d i a m e t e r h o l e i n t h e c e n t e r . A n e l e c t r i c a l c a b l e c o n n e c t e d t o a v a c u u m f e e d t h r o u g h i s u s e d f o r i n d e p e n d e n t l y b i a s i n g t h i s e l e c t r o d e . F o r a g i v e n r a d i u s o f t h e h o l e o n t h e fi r s t ( p l a s m a ) e l e c t r o d e - i n t h i s c a s e 0 . 5 c m , t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e p l a s m a a n d a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e s i s c r i t i c a l , a n d i s d e t e r m i n e d b y t h e C h i l d - L a n g m u i r l a w t h a t e q u a t e s t h e m a x i m u m c u r r e n t d e n s i t y t h a t c a n b e p r o d u c e d b y t h e i o n f o r a s p e c i fi c b i a s v o l t a g e . I t i s g i v e n b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n [ K e l - 8 9 ] : 4 2 7 \ F — F i f f “ T E , 9 L 9 . 8 a C o m s i t e o f t h e t h r e e r i d a c c e l - d e c e l e x t r a c t i o n s t e m . 1 . T h e M P D R 6 1 0 5 . A c c e l e r a t i o n e l e c t r o d e ( n e g a t i v e ) 2 . M a g n e t s o f t h e 6 1 0 6 . D e c e l e r a t i n g e l e c t r o d e ( g r o u n d e d ) 3 . D i s c h a r g e r e g i o n 7 . M a y c o r i n s u l a t o r 4 . P l a s m a e l e c t r o d e ( u p t o 1 0 k V ) 8 . G r o u n d e d p l a t e 4 2 8 ’ [ 1 V I I / l ¢ = 6 7 5 ° t o h o r i z o n t a l 9 . 8 a n d c s i d e v i e w o f t h e t w o t e s o f l a s m a e l e c t r o d e s . 3 . 3 3 c m F l a g 9 . 8 ( d ) T o p v i e w o f t h e p l a s m a e l e c t r o d e . 4 2 9 1 . 2 7 c m 6 - 3 2 S o c k e t C a p s c r e w s 3 R 0 . 3 0 c m e q u a l l c y i r / s c c a t 5 3 2 9 c m \ V / / / / I l / / / B . C . / I ‘ ‘ \ T a p d h o l e p f o r - 3 2 2 . 8 5 c m s c r e w ( t o h o l d _ b i a s c a b l e ) 4 + 6 . 3 5 c m fl g u L e 9 . 8 ( e ) g i d e v i e w o f t h e a c c e l e r a t i o n e l e c t r o d e , N o t e t h e 6 - 3 2 t a p p e d h o l e o n t h e s i d e f o r t h e b i a s c a b l e . S i n c e t h i s e l e c t r o d e i s a t t a c h e d t o t h e M a y c o r r i n g , i t c a n b e i n d e p e n d e n t l y b i a s e d r e l a t i v e t o a l l o t h e r e l e c t r o d e s . 4 3 0 1 . 2 7 c m V 3 . 5 c m 1 . 9 0 c m 9 . 8 D e c e l e r a t i n e l e c t r o d e n o r m a l l u n t i e d . F l T h i s e l e c t r o d e s i t s s n u g l y o n t o p o f t h e l a r g e s t a i n l e s s s t e e l b a f fl e p l a t e . 6 . 3 5 c m 4 . 4 4 c m I ¢ - < — — — — > r a / I ' 0 . 3 1 7 5 c m I f D r i l l a n d t a p 3 e q u a l l y / s p a c e d h o l e s f o r 6 - 3 2 D r i l l a n d t a p 3 e q u a l l y s c r e w s o n 5 . 3 9 c m B . C . s p a c e d h o l e s f o r 6 - 3 2 s c r e w s o n 5 . 3 9 c m B . C . F l 9 . 8 T h e M a c o r r i n t h a t i s o l a t e s t h e a c c e l e r a t i o n e l e c t r o d e f r o m t h e d e c e l e r a t i o n e l e c t r o d e . 4 3 1 3 / 2 J = 1 . 7 2 3 E L - ( 9 . 1 ) H e r e J ( i n m A / c m z ) i s t h e c u r r e n t d e n s i t y b e i n g p r o d u c e d b y t h e i o n s o u r c e . I f t h e t o t a l c u r r e n t i s I ( i n m A ) a n d r ( i n c m ) i s t h e r a d i u s o f t h e h o l e i n t h e p l a s m a e l e c t r o d e , = _ ’ . 9 . 2 J ” 2 ( ) A l s o , Z i s t h e c h a r g e s t a t e o f t h e i o n b e a m . S i n c e a r g o n w a s u s e d a s t h e d i s c h a r g e g a s a n d p r e v i o u s e x p e r i m e n t s h a v e s h o w n t h a t a b o u t 9 5 % o f t h e i o n s c r e a t e d b y t h e 6 1 0 a r e A r “ , Z i s t a k e n t o b e + 1 f o r t h i s c a l c u l a t i o n . A i s t h e r e l a t i v e a t o m i c m a s s o f t h e i o n s . a n d i s e q u a l t o 4 0 f o r a r g o n . V ( i n k V ) i s t h e a p p l i e d a c c e l e r a t i o n v o l t a g e , a n d fi n a l l y , ( 1 ( i n c m ) i s t h e g a p b e t w e e n t h e p l a s m a e l e c t r o d e a n d t h e a c c e l e r a t i o n e l e c t r o d e . N o w , f o r a s p e c i fi c a m o u n t o f c u r r e n t ( a s s u m e d 5 0 m A ) a t a s p e c i fi c b i a s v o l t a g e ( a s s u m e d 3 0 k V ) , t h e d i s t a n c e d c a n b e s o l v e d f r o m E q n . 9 . 1 a b o v e . T h e r e f o r e , ( 9 . 3 ) F r o m t h i s c a l c u l a t i o n , d i s e q u a l t o 0 . 8 3 7 c m . T h e t h i r d ( d e c e l e r a t i n g ) e l e c t r o d e i s s h o w n i n F i g u r e 9 . 8 ( 1 ) a n d r e s t s o n a l a r g e b a f fl e p l a t e . T h i s s t a i n l e s s s t e e l b a f fl e p l a t e i s n o t u s e d t o c r e a t e a p r e s s u r e d i f f e r e n t i a l ( a s t h e c o p p e r b a f fl e p l a t e w a s u s e d w h e n t h e 6 1 0 w a s m o u n t e d o n t h e S C E C R ) , i t i s c o n n e c t e d t o t h e b e a m p i p e v i a s e t s c r e w s o n t o t h r e e s t r u t s , a n d a c t s a s a c o n v e n i e n t g r o u n d , 4 3 2 a n d r e c e p t a c l e f o r h o l d i n g t h e d e c e l e r a t i n g e l e c t r o d e , w h i c h i s t h e r e f o r e a l w a y s g r o u n d e d . N o t e t h a t t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e i s i s o l a t e d f r o m t h e b a f fl e p l a t e b y a m a y c o r i n s u l a t o r r i n g , s h o w n i n F i g u r e 9 . 8 ( g ) . ( M a y c o r i s a m a c h i n a b l e i n s u l a t o r . W h i l e i t i s r e l a t i v e l y fi r m , b o l t i n g t h e e l e c t r o d e s t o t h e M a y c o r r i n g m u s t b e d o n e w i t h c a r e - t o o m u c h t o r q u e o n t h e c a p s c r e w s w o u l d w e a r o u t t h e t h r e a d s o n t h e i n s u l a t o r . ) T h i s a l l o w s i n d e p e n d e n t b i a s i n g o f t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e w i t h r e s p e c t t o t h e p l a s m a e l e c t r o d e a n d t h e g r o u n d e d d e c e l e r a t i n g e l e c t r o d e . T h e M P D R 6 1 0 , w i t h i t s p l a s m a e l e c t r o d e i s m o u n t e d o n i t s D C i s o l a t i o n j o i n t ( a s i n F i g u r e 9 . 1 ) , a n d t h i s i s t h e n m o u n t e d o n t h e 8 i n c h c o n fl a t fl a n g e . T h e t h r e e s t r u t s a r e t h e n s e c u r e d t o t h e b o t t o m o f t h e 8 i n c h k n i f e e d g e fl a n g e . T h e d e c e l e r a t i n g e l e c t r o d e i s t h e n fi t t e d s n u g l y i n t o t h e b a f fl e p l a t e . t h e m a y c o r r i n g i s s e c u r e d t o t h e p l a t e , a n d t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e i s s c r e w e d o n t o t h e m a y c o r r i n g . T h e n t h e d i s t a n c e d b e t w e e n t h e a c c e l e r a t i n g a n d p l a s m a e l e c t r o d e s i s a d j u s t e d b y p r e c i s e l y p o s i t i o n i n g t h e w h o l e e x t r a c t i o n a s s e m b l y o n t h e m o u n t i n g s t r u t s . . 3 7 ’ 1 ' ; 1 L ' _ ' _ 3 _ _ e ’ l fl j ' ' f ' " 1 " ' ' _ L 1 ' ' E x t r a c t i o n § 1 g t e m A s i n t h e c a s e o f t e s t s d o n e f o r t h e t w o e l e c t r o d e e x t r a c t i o n s y s t e m , t h e i n i t i a l e x p e r i m e n t s o n t h e t e s t s t a n d f a i l e d b e c a u s e o f t h e p r o h i b i t i v e l y h i g h a r g o n d i s c h a r g e p r e s s u r e . O n c e a g a i n t h e 6 1 0 c o u l d n o t b e o p e r a t e d a t 0 . 5 m T o r r - i n i t s “ h i g h d e n s i t y m o d e ” d u e t o t h e e x c e s s i v e d r a i n c u r r e n t b e i n g p r o d u c e d b y t h e s o u r c e . M o r e o v e r , a m i n o r b i a s a p p l i c a t i o n o f l e s s t h a n a f e w 4 3 3 h u n d r e d V o l t s p r o d u c e d a “ P e n n i n g t y p e ” d i s c h a r g e b e t w e e n t h e s o u r c e a n d t h e e x t r a c t i o n a p p a r a t u s . T h i s i s b e c a u s e a t a r e l a t i v e l y h i g h n e u t r a l a r g o n p r e s s u r e b e t w e e n t h e fi r s t t w o e l e c t r o d e s . t h e e l e c t r i c fi e l d s s e t u p b e t w e e n t h e p l a s m a a n d a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e s w e r e h i g h e n o u g h t o b r e a k d o w n t h e g a s , a n d g e n e r a t e a D C g l o w d i s c h a r g e . T h i s s h o r t e d o u t t h e t w o e l e c t r o d e s , t h e r e b y c r e a t i n g s u c h h i g h i o n c u r r e n t s ( u p t o 4 m A a t a m e r e 1 0 0 V a p p l i e d b i a s ) a s t o m a k e a n y b e a m e x t r a c t i o n i m p o s s i b l e . F o r t h e c o n t i n u a t i o n o f t h e s e e x p e r i m e n t s , t h e o p e r a t i n g p r e s s u r e t h e r e f o r e h a d t o b e r e d u c e d a n d o n c e a g a i n , t h e 6 1 0 w a s o p t i m i z e d f o r i t s “ l o w d e n s i t y " m o d e . W i t h t h e 6 1 0 i n i t s l o w d e n s i t y m o d e , b e a m e x t r a c t i o n w a s i n i t i a l l y c o n d u c t e d w i t h t h e a c c e l e r a t i n g a n d d e c e l e r a t i n g e l e c t r o d e s b o t h g r o u n d e d , w h i l e t h e 6 1 0 a n d t h e p l a s m a e l e c t r o d e w e r e b i a s e d t o t h e a c c e l e r a t i n g p o t e n t i a l . S e v e r a l s e t s o f p i c t u r e s w e r e t a k e n f o r t h i s c o n fi g u r a t i o n , a s b e f o r e - h o w e v e r , n o e m i t t a n c e o r c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n d a t a w e r e t a k e n d u e t o t h e l a c k o f a p p r o p r i a t e e q u i p m e n t o n t h e t e s t s t a n d . W i t h t h e o p t i m i z e d P i e r c e g e o m e t r y , t h e f o c u s s i n g p r o p e r t i e s o f t h e e x t r a c t i o n s y s t e m w e r e e n h a n c e d , a s w i l l b e s e e n i n t h e f o l l o w i n g d i s c u s s i o n . W h i l e t h e b e a m c u r r e n t p r o d u c t i o n i s s i m i l a r i n m a g n i t u d e t o t h e t w o e l e c t r o d e g e o m e t r y , t h e o p t i m a l l y p o s i t i o n e d t h r e e e l e c t r o d e s y s t e m m a n a g e s t o e x t r a c t a m o r e c o l l i r n a t e d b e a m t h a n t h e t w o e l e c t r o d e s y s t e m . . A s w a s m e n t i o n e d e a r l i e r , t h e m a j o r a d v a n t a g e o f u s i n g t h e t h r e e e l e c t r o d e s y s t e m w a s t h a t t h e f o c u s s i n g e f f e c t o f t h e s y s t e m i s e n h a n c e d f o r a n i o n b e a m t h a t m u s t m a i n t a i n a l o w d i r e c t e d v e l o c i t y . T h i s i s c l e a r l y s e e n f r o m t h e p h o t o g r a p h s o f F i g u r e 9 . 9 ( a ) a n d ( b ) t h a t p r o d u c e i o n b e a m s w i t h s i m i l a r c o l l i m a t i o n . H o w e v e r . t h e e l e c t r o d e b i a s c o n fi g u r a t i o n s f o r t h e t w o b e a m s a r e 4 3 4 F i g u r e 9 . 9 ( a ) P l a s m a e l e c t r o d e a t 6 k V , a c c e l - d e c e l e l e c t r o d e s g r o u n d e d [ — - F i g r _ r r e 9 . 9 ( b ) P l a s m a e l e c t r o d e a t 3 k V , a c c e l e l e c t r o d e a t - 3 k V , d e c e l e l e c t r o d e g r o u n d e d N o t e t h a t b o t h m e t h o d s h a v e s a m e f o c u s s i n g . b u t t h e b e a m i n F i g u r e 9 . 9 ( b ) h a s h a l f t h e e n e r g l o f t h e b e a m o f F i g u r e 9 . 9 ( a ) . 4 3 5 v e r y d i f f e r e n t . T h e fi r s t p h o t o g r a p h ( F i g u r e 9 . 9 ( a ) ) i s t a k e n w i t h t h e 6 1 0 - a n d t h e p l a s m a e l e c t r o d e - a t 6 k V , w h i l e t h e a c c e l e r a t i n g a n d d e c e l e r a t i n g e l e c t r o d e s a r e b o t h g r o u n d e d . T h e n e t e n e r g y o f t h e i o n b e a m s i s t h e r e f o r e a b o u t 6 k V ( a s s u m i n g z e r o , o r n e a r z e r o i n i t i a l i o n e n e r g y ) . T h e s e c o n d p h o t o g r a p h ( F i g u r e 9 . 9 ( b ) ) i s t a k e n w i t h t h e p l a s m a e l e c t r o d e a t 3 k V , t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e a t n e g a t i v e 3 k V , a n d t h e d e c e l e r a t i n g e l e c t r o d e a t g r o u n d p o t e n t i a l . T h e i o n s a r e i n i t i a l l y r a i s e d u p t o 6 k V a n d a r e w e l l f o c u s s e d , b u t t h e n l o s e 3 k V a s t h e y a r e d e c e l e r a t e d b y t h e t h i r d e l e c t r o d e . N o t e t h a t w h i l e t h e n e t e n e r g y g a i n i s a b o u t 3 k V i n t h i s c a s e ( a s c o m p a r e d t o 6 k V ) , t h e f o c u s s i n g e f f e c t o f t h i s c o n fi g u r a t i o n i s t h e s a m e a s f r o m t h e 6 k V b e a m o f F i g u r e 9 . 9 ( a ) . A l s o , w i t h a n e g a t i v e b i a s o n t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e t h e p o t e n t i a l w e l l f o r c o n t a i n i n g n e u t r a l i z i n g e l e c t r o n s m a y h a v e b e e n f o r m e d t h a t w o u l d c a p t u r e s o m e e l e c t r o n s c r e a t e d b y t h e b e a m , t h e r e b y l e s s e n i n g t h e s p a c e c h a r g e e f f e c t i n t h e M a m t o s o m e e x t e n t . H e n c e , t h e t h r e e e l e c t r o d e s y s t e m p r o v i d e s a d e g r e e o f fl e x i b i l i t y i n t h e c o l l i m a t i o n a n d t h e n e t d i r e c t e d v e l o c i t y o f i o n s . T h i s i s n o t p o s s i b l e i n t h e t w o e l e c t r o d e e x t r a c t i o n s y s t e m . T h e r e m i g h t b e a p p l i c a t i o n s o f i o n b e a m s w h e r e a b e a m w i t h l o w d i r e c t e d v e l o c i t y i o n s n e e d s p r e c i s e i n i t i a l f o c u s s i n g , a n d t h i s t h r e e e l e c t r o d e a s s e m b l y m a y b e o f c o n s i d e r a b l e u s e . H o w e v e r , a s a p o i n t o f i n t e r e s t , t h e E C R I S a t t h e N S C L ( t h e S C E C R , f o r e x a m p l e ) ' u s e t h i s t h r e e e l e c t r o d e a s s e m b l y , w i t h t h e a c c e l e r a t i n g a n d d e c e l e r a t i n g e l e c t r o d e s b o t h g r o u n d e d . T h i s m a y b e d u e t o t h e f a c t t h a t t h e p u r p o s e o f t h e S C E C R t y p e s o u r c e s i s t o g e n e r a t e i o n b e a m s w i t h m a x i m u m e n e r g y a n d f o c u s s i n g , a n d h e n c e t h e fl e x i b i l i t y a f f o r d e d b y t h e t h r e e e l e c t r o d e s y s t e m m a y n o t b e a b s o l u t e l y n e c e s s a r y . T h e f o c u s s i n g e f f e c t s o f t h e t h r e e e l e c t r o d e s y s t e m a r e c l e a r l y v i s i b l e w h e n 4 3 6 t h e 1 0 . 0 k V b i a s e d p h o t o g r a p h o f t h e i n i t i a l s e t ( F i g u r e 9 . 6 0 ) t a k e n f o r t h e t w o e l e c t r o d e e x t r a c t i o n e x p e r i m e n t s ) i s c o m p a r e d t o t h e t w o p h o t o s i n F i g u r e 9 . 1 0 ( a ) a n d ( b ) . T h e p h o t o i n F i g u r e 9 . 1 0 ( a ) s h o w s t h e t h r e e e l e c t r o d e s y s t e m w i t h t h e 6 1 0 b i a s e d a t 1 0 . 0 k V ( a n d t h e a c c e l - d e c e l e l e c t r o d e s g r o u n d e d ) , w h i l e F i g u r e 9 . 1 0 ( b ) s h o w s t h e b e a m a t t h e s a m e p o t e n t i a l f o r a t w o e l e c t r o d e s y s t e m w i t h t h e s e p a r a t i o n b e t w e e n t h e e l e c t r o d e s d o w n t o a b o u t 0 . 8 4 c m . N o t e t h a t t h e e l e c t r o d e s e p a r a t i o n i n F i g u r e 9 . 6 0 ) s e t i s a b o u t 2 c m , w h i l e t h i s g a p i s a b o u t 0 . 8 4 c m f o r t h e p h o t o g r a p h s i n F i g u r e 9 . 1 0 . C l e a r l y t h e f o c u s s i n g o f t h e b e a m i n F i g u r e 9 . 6 0 ) i s l e s s d e fi n e d t h a n f o r t h e b e a m s s h o w n i n F i g u r e 9 . 1 0 . A l s o , n o t e t h a t f o r t h e s a m e e l e c t r o d e s e p a r a t i o n , t h e t h r e e e l e c t r o d e s y s t e m g i v e s b e t t e r b e a m d e fi n i t i o n t h a n t h e t w o e l e c t r o d e e x t r a c t i o n i n F i g u r e 9 . 1 0 , w h i c h i s a n o t h e r b e n e fi t o f u s i n g t h e a c c e l - d e c e l e l e c t r o d e s y s t e m , e v e n i f t h e s e c o n d a n d t h i r d e l e c t r o d e s a r e b o t h b i a s e d t o g r o u n d . W T h i s c h a p t e r h a s b e e n d e v o t e d t o e x t r a c t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f i o n b e a m s f r o m t h e M P D R 6 1 0 . A s m a y b e d i s c e r n e d , t h i s p l a s m a s o u r c e c a n b e e a s i l y a d a p t e d s u c h t h a t h i g h i n t e n s i t y b e a m s m a y b e e x t r a c t e d f r o m i t . I n d e e d . t h e 6 1 0 ' p r o d u c e s s o m u c h c u r r e n t t h a t i t s o u t p u t h a s t o b e t h r o t t l e d i n o r d e r t o m a i n t a i n t h e b i a s i n g c a p a b i l i t i e s f r o m c o n v e n t i o n a l D C h i g h v o l t a g e p o w e r s u p p l i e s ( 3 0 k V , 5 m A l i m i t e d , f o r e x a m p l e ) . D u e t o t h i s e x c e s s i v e C u r r e n t ‘ p r o d u c t i o n , t h e b e a m e x t r a c t i o n n e v e r r e a l l y r e a c h e s s a t u r a t i o n , a n d g r o w s m o n o t o n o u s l y w i t h a p p l i e d b i a s , s i n c e t h e r e i s a l w a y s s u f fi c i e n t i o n d e n s i t y w i t h i n t h e p l a s m a s o u r c e t o s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t s o f t h e e x t r a c t i o n p o t e n t i a l 4 3 7 _ . _ 1 F i g u r e 9 . 1 0 1 8 . ) 3 e l e c t r o d e s y s t e m a t 1 0 . 0 k V , 0 . 8 4 c m s e p a r a t i o n . F i g u r e 9 . 1 0 1 9 ) 2 e l e c t r o d e s y s t e m , 1 0 . 0 k V , 0 . 8 4 c m s e p a r a t i o n . 3 e l e c t r o d e s y s t e m o f F i g u r e 9 . 1 0 ( a ) g i v e s b e t t e r b e a m d e fi n i t i o n t h a n t h e 2 e l e c - t r o d e s y s t e m ( F i g u r e 9 . 6 ( 1 ) a n d F i g u r e 9 . 1 0 ( b ) ) , e v e n f o r t h e s a m e e l e c t r o d e g a p . 4 3 8 ( t h a t i s , t h e i o n b e a m i s s p a c e c h a r g e l i m i t e d i n a l l c a s e s ) . A l s o , d u e t o t h e h i g h c u r r e n t s b e i n g e x t r a c t e d t h e e m i t t a n c e o f t h e a r g o n b e a m t e n d s t o b e r e l a t i v e l y h i g h - a b o u t 1 0 0 1 t m m - m R a d t o 6 0 0 m m m - m R a d d e p e n d i n g o n t h e a r g o n c h a r g e s t a t e ( + 2 , o r + 1 r e s p e c t i v e l y ) . N e u t r a l i z i n g t h e b e a m b y i n j e c t i n g e l e c t r o n s i m m e d i a t e l y o u t s i d e t h e e x t r a c t i o n a p p a r a t u s m a y r e d u c e t h e s p a c e c h a r g e e f f e c t s i n t h e b e a m , t h e r e b y f o c u s s i n g t h e b e a m f u r t h e r , a n d r e d u c i n g t h e o v e r a l l e m i t t a n c e . T h i s m a y h a v e b e e n a c c o m p l i s h e d t o s o m e e x t e n t b y u s i n g t h e t h r e e e l e c t r o d e e x t r a c t i o n s y s t e m w h e r e t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e i s b i a s e d n e g a t i v e . T h i s w o u l d g e n e r a t e t h e p o t e n t i a l w e l l t o c o n t a i n t h e n e u t r a l i z i n g e l e c t r o n s a n d p r e v e n t t h e m f r o m b a c k s t r e a m i n g i n t o t h e p l a s m a s o u r c e , a s w a s m e n t i o n e d e a r l i e r i n t h e t h e o r y o f S e c t i o n 9 . 6 . 2 . I n i t i a l e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d w i t h a c r u d e t w o e l e c t r o d e e x t r a c t i o n s y s t e m . T h i s l e d t o v a l u a b l e i n f o r m a t i o n o n t h e “ m e n i s c u s e f f e c t ” - t h e r e c e s s i o n o f t h e n e u t r a l p l a s m a b o u n d a r y w i t h i n t h e i o n b e a m s o u r c e ( a n d a w a y f r o m t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e ) a s t h e e x t r a c t i o n p o t e n t i a l i s r a i s e d . I t i s p r o p o s e d t h a t t h i s r e c e s s i o n i s d u e t o a p o t e n t i a l “ h i l l “ e n c o u n t e r e d b y t h e e l e c t r o n s f r o m t h e q u a s i - n e u t r a l p l a s m a b e c a u s e o f t h e e l e c t r i c fi e l d s s e t u p b e t w e e n t h e p l a s m a . e l e c t r o d e a n d t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e . T h e h i g h e n e r g y e l e c t r o n s f r o m t h e p l a s m a m u s t “ c l i m b “ o v e r t h e p o t e n t i a l h i l l t o r e a c h t h e s e c o n d e l e c t r o d e , a n d a s t h e h i l l b e c o m e s s t e e p e r ( w i t h i n c r e a s e d a c c e l e r a t i o n b i a s ) . t h e n e u t r a l p l a s m a s u r f a c e i s r e p e l l e d f a r t h e r b y t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e . I n o t h e r w o r d s , t h e h i g h e n e r g e l e c t r o n s i n t h e q u a s i - n e u t r a l p l a s m a d i c t a t e t h e l o c a t i o n o f t h e m e n i s c u s w i t h r e s p e c t t o t h e e x t r a c t i o n e l e c t r o d e s . T h e n e x t s t e p i n t h e e x t r a c t i o n e x p e r i m e n t s w a s t o d e s i g n a n d d e v e l o p a n o p t i m i z e d t h r e e e l e c t r o d e e x t r a c t i o n a p p a r a t u s f o r t h e 6 1 0 w i t h a p p r o p r i a t e 4 3 9 P i e r c e g e o m e t r y a n d e l e c t r o d e g a p s . W h e n t h e n e w e x t r a c t i o n s y s t e m w a s t e s t e d o n t h e 6 1 0 , i t w a s s e e n t o p r o v i d e b e t t e r f o c u s s i n g o f t h e b e a m ( p e r h a p s d u e t o t h e n e u t r a l i z i n g e l e c t r o n s i n t h e p o t e n t i a l w e l l o f t h e s e c o n d a n d t h i r d e l e c t r o d e s ) , w h i l e a l s o a l l o w i n g fl e x i b i l i t y o n t h e i o n b e a m ’ s d i r e c t e d v e l o c i t y f o r t h e r e q u i r e d b e a m c o l l i m a t i o n . B e a m a n a l y s i s f r o m t h e 6 1 0 h a s o n l y b e g u n w i t h t h i s c h a p t e r . A l o t o f w o r k s t i l l n e e d s t o b e a c c o m p l i s h e d t o f u r t h e r u n d e r s t a n d t h e s e b e a m c h a r a c t e r i s t i c s . E m i t t a n c e , a n d c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n s o f t h e b e a m t h a t i s e x t r a c t e d f r o m t h e t h r e e e l e c t r o d e s y s t e m n e e d t o b e m e a s u r e d a n d s t u d i e d . D e s p i t e a fl i r t a t i o n w i t h t h e K a p t o n fi l m c a m e r a ( t h e p e p p e r p o t m e t h o d o f m e a s u r i n g e m i t t a n c e ) , t h i s i s b e s t c o n d u c t e d w i t h t h e 6 1 0 p l a c e d o n t h e o b j e c t b o x o f t h e S C E C R b e a m l i n e ( a s f o r t h e e x p e r i m e n t s i n S e c t i o n s 9 . 4 a n d 9 . 5 ) a n d b y u s i n g t h e w i r e s c a n n i n g m e t h o d . A l s o , s o m e w a y t o c o u p l e t h e v e r y h i g h c u r r e n t s f r o m t h e 6 1 0 o p e r a t i n g i n i t s o p t i m i z e d h i g h d e n s i t y m o d e ( s o a s t o g e n e r a t e a b e a m o f e v e n h i g h e r i n t e n s i t y ) n e e d s t o b e f o u n d . N o e x i s t i n g p o w e r s u p p l y c a n h a n d l e t h e s e v e r a l t e n s o f m A t h a t a r e p r o d u c e d b y t h e u n - t h r o t t l e d 6 1 0 i n i t s h i g h d e n s i t y m o d e . F i n a l l y , b e a m d e v e l o p m e n t ( e x t r a c t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o n ) f o r o t h e r g a s e s n e e d s t o b e c o n d u c t e d a l s o . T h e r e i s s i g n i fi c a n t i n t e r e s t i n o x y g e n b e a m s f o r i o n i m p l a n t a t i o n . F i n a l l y , b e a m s f r o m g a s e s l i k e h e l i u m , n i t r o g e n , h y d r o g e n n e e d t o b e s t u d i e d . A n o t h e r i n t e r e s t i n g a s p e c t o f t h e b e a m c h a r a c t e r i z a t i o n i s t o p r o p e r l y e x p l a i n t h e m e n i s c u s e f f e c t . A p h y s i c a l m o d e l f o r t h e m e n i s c u s r e c e s s i o n w i t h i n c r e a s i n g b i a s h a s b e e n p r o p o s e d . T h i s n e e d s t o b e c o r r o b o r a t e d b y u s i n g a v a i l a b l e r a y t r a c i n g p r o g r a m s ( l i k e B E A M 3 D ) o r o t h e r n u m e r i c a l c o m p u t e r c o d e s t o a c c u r a t e l y p r e d i c t t h e r e c e s s i o n r a t e t a k i n g i n t o a c c o u n t a l l t h e 4 4 0 n e c e s s a r y p l a s m a a n d b e a m e x t r a c t i o n p a r a m e t e r s . A n o t h e r a p p r o a c h t o t h e p r o b l e m m a y b e t o u s e t h e p h o t o g r a p h s o f F i g u r e 9 . 6 ( a t o l ) , d i g i t a l l y e n h a n c e t h e s c a n n e d i m a g e s s o t h a t t h e e x a c t s h a p e o f t h e m e n i s c u s a n d i t s p o s i t i o n r e l a t i v e t o t h e e l e c t r o d e s a t e v e r y p o t e n t i a l i s m e a s u r a b l e . A l o n g w i t h i n p u t f r o m P A N D I R A o n t h e e q u i - p o t e n t i a l s u r f a c e s s e t u p b e t w e e n t h e e l e c t r o d e s a n d t h e p l a s m a m e n i s c u s ( t h a t m a y b e a s s u m e d t o b e a c o n d u c t i n g s u r f a c e f o r t h i s t e s t ) , a n a n a l y t i c a l m o d e l m a y b e c o n s t r u c t e d . T h e r e m a y b e s o m e e v i d e n c e o f t h e m e n i s c u s r e t r a c t i o n i n t o t h e 6 1 0 b e i n g d e p e n d e n t o n t h e g a p b e t w e e n t h e p l a s m a e l e c t r o d e a n d t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e . A s t h i s g a p i s i n c r e a s e d , i t w a s n o t i c e d t h a t t h e m e n i s c u s r e t r a c t s i n t o t h e s o u r c e a t a l o w e r p o t e n t i a l . T h i s s e e m s t o b e c o u n t e r i n t u i t i v e i f t h e r e l e v a n t e q u i p o t e n t i a l s u r f a c e s t h a t a r e s e t u p b e t w e e n t h e t w o e l e c t r o d e s a r e t a k e n i n t o a c c o u n t , a n d t h i s e f f e c t o f e l e c t r o d e s e p a r a t i o n o n t h e m e n i s c u s m u s t b e t e s t e d f u r t h e r . S o m e i n i t i a l a p p l i c a t i o n s o f t h e 6 1 0 a s a n i o n b e a m s o u r c e h a v e a l r e a d y s u r f a c e d . A p r o p o s e d s t u d y i n v o l v e s u s i n g t h e 6 1 0 b e a m ( m o s t l y A r 1 + i o n s ) i n c o n j u n c t i o n w i t h a n i r i s p l a c e d d o w n s t r e a m ( t h a t c a n c o n t r o l t h e b e a m e m i t t a n c e ) f o r s t u d y i n g a n d r e c t i f y i n g b e a m o p t i c s f o r e x p e r i m e n t a l s e t u p s w h e r e e x t e n d e d d i s t a n c e s m u s t b e t r a v e r s e d b y h i g h e n e r g y b e a m s . S u c h b e a m p i p e s c a r r y i n g p a c k e t s o f h i g h e n e r g y m u l t i p l y c h a r g e d i o n s e x i s t i n a l l p a r t i c l e . a c c e l e r a t o r f a c i l i t i e s . W i t h t h e 6 1 0 a n d i r i s p a c k a g e d i n t o a s m a l l d i a g n o s t i c c o n fi g u r a t i o n t h a t c a n b e r e t r o - fi t t e d t o a n y p a r t o f t h e e x i s t i n g b e a m p i p e w i t h e a s e , t h e t r a n s p o r t c a p a b i l i t i e s o f t h e b e a m p i p e m a y b e d e t e r m i n e d w i t h o u t t h e n e c e s s i t y o f a b e a m f r o m t h e p a r t i c l e a c c e l e r a t o r . . T h e r e i s a l s o s o m e i n t e r e s t i n d e v e l o p i n g a B I O - l i k e s o u r c e ( o r t h e 6 1 0 4 4 1 b e a m s o u r c e i t s e l f ) t o g e n e r a t e m o d e r a t e q u a n t i t i e s ( 1 0 t o 2 0 u A ) o f a l p h a p a r t i c l e s ( H e 2 " ' ) a t t h e c y c l o t r o n l a b o r a t o r y i n t h e T e x a s A & M u n i v e r s i t y ( T A M U ) [ M a y - 9 5 ] w h i l e t h e m a i n m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S a t t h e f a c i l i t y i s u n d e r g o i n g u p g r a d e s . B a s e d u p o n t h e a r g o n i o n b e a m s t h a t w e r e e x t r a c t e d f r o m t h e 6 1 0 i n t h i s c h a p t e r , i t s p e r f o r m a n c e w i t h h e l i u m g a s ( a t t h e E B l a b o r a t o r i e s ) v i s - a - v i s a r g o n , a n d t h e i o n i z a t i o n p o t e n t i a l f o r H e 2 + ( a b o u t 5 5 e V ) , t h i s m o d e s t r e q u i r e m e n t o f t h e T A M U f a c i l i t y s h o u l d b e w i t h i n r e a c h o f t h e 6 1 0 b e a m s o u r c e . T h i s c a n e a s i l y b e c o n fi r m e d b y m o u n t i n g t h e 6 1 0 o n t h e S C E C R b e a m l i n e ( a s f o r S e c t i o n s 9 . 4 a n d 9 . 5 ) a n d r u n n i n g a h e l i u m p l a s m a . U s e f u l d i a g n o s t i c d a t a l i k e c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n a n d e m i t t a n c e m e a s u r e m e n t s f o r a h e l i u m b e a m m a y a l s o b e a c q u i r e d a t t h a t t i m e . A s i m i l a r r e q u e s t f o r f e a s i b i l i t y s t u d y o f u s i n g t h e 6 1 0 f o r i n j e c t i o n a s a t a r g e t i o n s o u r c e h a s a l s o e m e r g e d f r o m t h e c y c l o t r o n l a b o r a t o r y a t t h e l s t i t o t o N a z i o n a l e d i F i s i c a N u c l e a r e , o n t h e c a m p u s o f t h e N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f t h e S o u t h , C a t a n i a , S i c i l y [ C a m - 9 4 ] . T h e s t u d y o f t h e 6 1 0 i o n b e a m s o u r c e i s , t h e r e f o r e b y n o m e a n s c o m p l e t e . I n l i g h t o f i n t e r e s t f o r a c o m p a c t i o n b e a m s o u r c e , t h i s i m p o r t a n t f a c t o r i n t h e c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 n e e d s t o b e a d d r e s s e d i n t h e n e a r f u t u r e . C h a p t e r 1 0 M u a t i o p : T h e 2 . 4 5 o r g e x c i t a t i o p o f t h e S C E C R 1 0 . 1 I n t r o d u c t i o n 1 0 . 2 T h e o r e t i c a l B a c k g r o u n d o f E C R I S D e s i g n 1 0 . 2 . 1 T h e F r e q u e n c y S q u a r e d S c a l i n g L a w 1 0 . 2 . 2 T h e S C E C R , a n d i t s “ H i g h - B ” M o d e o f O p e r a t i o n 1 0 . 3 T h e 2 . 4 5 ( 3 1 1 2 O p e r a t i o n o f t h e S C E C R 1 0 . 3 . 1 E x p e r i m e n t a l H a r d w a r e D e s c r i p t i o n 1 0 . 4 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R a t 2 . 4 5 G H z 1 0 . 4 . 1 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - O X Y G E N 1 0 . 4 . 2 O p e r a t i o n a l P e r f o r m a n c e - A R G O N 1 0 . 5 D i s c u s s i o n o f R e s u l t s 1 0 . 5 . 1 P r o b l e m s w i t h C o n v e n t i o n a l E C R I S f o r M u l t i p l y C h a r g e d I o n s . 1 0 . 4 . 2 B e n e fi t s o f t h i s “ N e w S o u r c e ” 1 0 . 6 C o n c l u d i n g R e m a r k s C / i a p t e r 1 0 @ a l u a t i o n : l fi e 2 . 4 5 g fl z e x c i t a t i o n q g f t fl e S C E C R 1 0 . 1 I n t r o d u c t i o n T h e f o c u s o f t h i s d i s s e r t a t i o n n o w s h i f t s , t o s o m e i n t e r e s t i n g e x p e r i m e n t s t h a t w e r e c o n d u c t e d o v e r a p e r i o d o f a f e w d a y s o n t h e S u p e r c o n d u c t i n g E C R i o n s o u r c e ( S C E C R ) a t t h e N a t i o n a l S u p e r c o n d u c t i n g C y c l o t r o n L a b o r a t o r y ( N S C L ) . C o n c e p t i o n o f t h i s p a r t i c u l a r s e t o f e x p e r i m e n t s a r o s e o u t o f a d e e p s e n s e o f d o u b t o v e r c u r r e n t r e i g n i n g t h e o r e t i c a l r e a s o n i n g t h a t h a s s h a p e d t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f E C R i o n s o u r c e s ( E C R I S ) i n t h e l a s t s e v e r a l d e c a d e s [ A n t - 9 4 c ) , a n d f r o m a n i m p o r t a n t d e v e l o p m e n t - t h e H i g h - B m o d e o f o p e r a t i o n o f t h e S C E C R ( e x p l a i n e d i n C h a p t e r E i g h t , a n d l a t e r i n S e c t i o n 1 0 . 2 . 2 o f t h i s c h a p t e r a l s o ) . S u c c e s s o f t h e e x p e r i m e n t s d e t a i l e d i n t h i s c h a p t e r h a s l e d t o a s i g n i fi c a n t b r e a k t h r o u g h i n t h e fi e l d o f i o n s o u r c e d e s i g n , a n d a l s o t o a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e i n n e r w o r k i n g s o f E C R I S , e s p e c i a l l y t h o s e u s e d f o r t h e g e n e r a t i o n o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s l i k e t h e S C E C R . T h e s e e x p e r i m e n t s h a v e a l s o g e n e r a t e d d a t a f o r a p r e s e n t a t i o n a t t h e 6 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s t o b e h e l d i n W h i s t l e r , C a n a d a f r o m S e p t e m b e r 1 0 t o 1 7 , a n d t h e 4 4 2 4 4 3 s u b s e q u e n t p u b l i c a t i o n [ S H - 9 5 b ] i n t h e p r o c e e d i n g s [ S H - 9 5 ] . F i n a l l y , t h e r e s u l t s h a v e l e d t o t h e fi l i n g o f a U S p a t e n t [ A n t - 9 5 ] , a n d w i t h i n t e r e s t f r o m i n d u s t r y , s p e c i fi c a l l y f r o m i o n i m p l a n t a t i o n m a c h i n e d e s i g n e r s , a n d a l s o f r o m c y c l o t r o n l a b o r a t o r i e s , t h e r e e x i s t p o s s i b i l i t i e s f o r l i c e n c e d p r o d u c t i o n f r o m t h i s p a t e n t i s s u e . M o r e i m p o r t a n t l y , i t i s a t e s t a m e n t t o t h e g e n u i n e c u r i o s i t y o f t h e r e s e a r c h e r s i n v o l v e d , a n d a n o t h e r s t e l l a r e x a m p l e o f t h e c o l l a b o r a t i v e r e s e a r c h b e t w e e n t h e E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ( E E ) a n d t h e N S C L i o n / p l a s m a s o u r c e r e s e a r c h g r o u p s . T h i s p e n u l t i m a t e c h a p t e r b e g i n s w i t h a b r i e f i n t r o d u c t i o n o f s o m e o f t h e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t s u p o n ( w h i c h t h e d e s i g n e f f o r t o f E C R I S a r o u n d t h e w o r l d h a s d e p e n d e d f o r t h e p a s t d e c a d e o r s o . T h a t t h i s t h e o r y i s b a s e d o n s e v e r a l a s s u m p t i o n s w h i c h a r e n o t n e c e s s a r i l y v a l i d f o r m o s t ( l o w c h a r g e s t a t e , o r h i g h c h a r g e s t a t e p r o d u c i n g ) i o n s o u r c e s i n u s e t o d a y , a n d m a y t h e r e f o r e b e i n h e r e n t l y u n s a t i s f a c t o r y i n i t s c o n c l u s i o n s , w i l l e m e r g e f r o m t h i s d i s c u s s i o n . S o l i d e v i d e n c e s u b s t a n t i a t i n g t h i s c l a i m w i l l b e p r e s e n t e d i n t h e f o r m o f d e v e l o p m e n t a l w o r k c o n d u c t e d o n t h e “ H i g h - B “ ‘ m o d e o f t h e S C E C R ( u n r e l a t e d , t o t h i s c h a p t e r , b u t w i t h a p r o f o u n d i m p a c t o n e x p e r i m e n t s c o n d u c t e d h e r e ) . W h i l e m o s t o f t h e i n f o r m a t i o n p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r i s n e w , s o m e o v e r l a p , s p e c i a l l y r e g a r d i n g t h e d e s c r i p t i o n - a n d m o d i fi c a t i o n - o f t h e h a r d w a r e f o r t h e S C E C R w i t h t h e d i s c u s s i o n s o f C h a p t e r E i g h t ( w h i c h a l s o d e a l t w i t h m o d i f y i n g t h e S C E C R f o r i n j e c t i o n o f p l a s m a s p e c i e s f r o m t h e 6 1 0 t o t h e m a i n s t a g e ) i s i n e v i t a b l e . ‘ F o r t h e s a k e o f c o m p l e t i o n , c e r t a i n d e s c r i p t i v e d e t a i l s r e g a r d i n g t h e S C E C R w i l l a l s o b e r e c a p i t u l a t e d h e r e . D e t a i l s o f e x p e r i m e n t s c o n d u c t e d i n t h i s c h a p t e r w i l l t h e n b e d i s c u s s e d . s t a r t i n g w i t h t h e d e s c r i p t i o n o f s o m e n e w S C E C R h a r d w a r e t h a t w a s u s e d 4 4 4 d u r i n g t h e s e t e s t s . T h e r e s u l t s o f a r g o n a n d o x y g e n b e a m e x t r a c t i o n f r o m t h e S C E C R o p e r a t i n g a t 2 . 4 5 G H z a r e t h e n p r e s e n t e d , a l o n g w i t h c o m p a r i s o n w i t h d a t a f r o m s e v e r a l o t h e r h i g h e r f r e q u e n c y m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S i n u s e t o d a y . A s m e n t i o n e d e a r l i e r , t h e s e t e s t s l a s t e d l e s s t h a n o n e w e e k d u e t o t h e o t h e r c o m m i t m e n t s o f t h e S C E C R ( p r i m a r i l y f o r b e a m i n j e c t i o n i n t o t h e c y c l o t r o n ) , s o t h e r e s u l t s d i s c u s s e d h e r e a r e p r e l i m i n a r y , b u t e x t r e m e l y p r o m i s i n g . F i n a l l y , t h e c o n c l u d i n g r e m a r k s r e c a p i t u l a t e t h e s e r e s u l t s , a n d d i s c u s s t h e n e c e s s i t y o f f u r t h e r e x p e r i m e n t s t o d e v e l o p t h e i d e a s b r o a c h e d i n t h i s c h a p t e r . 1 . 2 T h o r e t i B a c 0 D e s T h e r e a r e a b o u t 4 5 E C R I S i n o p e r a t i o n f o r t h e p r o d u c t i o n o f m u l t i p l y c h a r g e d p o s i t i v e i o n b e a m s i n t h e w o r l d [ L y n - 9 2 , A n t - 9 4 b ] , w i t h a b o u t 1 0 - l 5 m o r e u n d e r c o n s t r u c t i o n . A t p r e s e n t a n E C R I S i s t h e l e a d i n g d e v i c e f o r t h e p r o d u c t i o n o f h i g h c h a r g e s t a t e p o s i t i v e i o n b e a m s w o r l d w i d e . W i t h i t s e l e c t r o d e l e s s ( a n d t h e r e f o r e l o n g l i f e t i m e ) n a t u r e , e f fi c i e n t p o w e r c o u p l i n g i n t o t h e p l a s m a t h r o u g h s e l e c t i v e E C R h e a t i n g o f e l e c t r o n s , a n d g o o d c o n fi n e m e n t o f c h a r g e d s p e c i e s , t h e E C R i o n s o u r c e s o f t o d a y p r o v i d e s e v e r a l a d v a n t a g e s o v e r o t h e r t y p e s o f s o u r c e s t h a t h a d b e e n u s e d e a r l i e r ( l i k e t h e P e n n i n g i o n g a u g e ) f o r t h e p r o d u c t i o n o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s . M o s t o f t h e E C R I S a r e u s e d f o r i n j e c t i o n i n t o a c c e l e r a t o r s , w h i l e s o m e a r e u s e d , o r b e i n g b u i l t f o r a t o m i c p h y s i c s e x p e r i m e n t s , a n d t h e r e i s a n e w b u t i m p o r t a n t e f f o r t t o a p p l y t h e m t o t h e fi e l d o f m a t e r i a l p r o c e s s i n g . C h a p t e r E i g h t d i s c u s s e d E C R I S f o r m u l t i p l y c h a r g e d i o n p r o d u c t i o n i n d e t a i l ( s e e f o r e x a m p l e S e c t i o n s 8 . 2 , 8 . 3 a n d 8 . 4 o f C h a p t e r E i g h t ) . e ( 1 0 . 1 ) 4 4 5 W h a t f o l l o w s i n t h e n e x t f e w s u b - s e c t i o n s i s a d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e “ f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w ” w h i c h h a s p l a y e d a p r o m i n e n t r o l e i n t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f E C R I S . N e x t , t h e S C E C R a n d i t s “ H i g h - B ” m o d e a r e b r i e fl y d e s c r i b e d ( m o r e d e t a i l s m a y b e f o u n d i n C h a p t e r E i g h t a n d i n t h e r e l e v a n t r e f e r e n c e s ) . t h a t u l t i m a t e l y l e a d s i n t o t h e e x p e r i m e n t s o f t h i s s u b - s t u d y . T h e p r i n c i p l e s o f E C R h e a t i n g ( E C R H ) h a v e b e e n d e t a i l e d s e v e r a l t i m e s d u r i n g t h e c o u r s e o f t h i s d i s s e r t a t i o n . O n e o f t h e i m p o r t a n t i s s u e s i n v o l v i n g p l a s m a s c i e n c e s i s t h e p r o p a g a t i o n o f e l e c t r o m a g n e t i c ( E M ) w a v e s t h r o u g h t h e p l a s m a ( o r o n t o p o f i t - a s s u r f a c e w a v e s ) . O n c e t h e p l a s m a i s i g n i t e d a n d i s i n a s t e a d y s t a t e , i t m a y b e m o d e l l e d a s a h i g h p a s s fi l t e r f o r t h e t r a n s m i s s i o n ( o r l a c k t h e r e o f ) o f E M w a v e s . I n o t h e r w o r d s , w a v e s w i t h a f r e q u e n c y h i g h e r t h a n a s p e c i fi c “ c r i t i c a l ” f r e q u e n c y - k n o w n a s t h e p l a s m a f r e q u e n c y ( m p ) w i l l b e t r a n s m i t t e d t h r o u g h t h e p l a s m a , w h i l e t h e w a v e s w i t h f r e q u e n c y l o w e r t h a n ( o p w i l l b e a t t e n u a t e d i n t h e p l a s m a . F o r a n i n fi n i t e , h o m o g e n e o u s , n o n - m a g n e t i c . c o l d ( c o l l i s i o n - l e s s ) p l a s m a - n o t e t h e s e a s s u m p t i o n s - t h e p l a s m a f r e q u e n c y m a y b e d e r i v e d t h r o u g h t h e d i s p e r s i o n r e l a t i o n o f w a v e p r o p a g a t i o n . T h i s . d e r i v a t i o n i s d e t a i l e d i n s e v e r a l g o o d t e x t s [ B i t - 8 6 ] , a n d a l s o i n j o u r n a l p u b l i c a t i o n s - i n p a r t i c u l a r s e e R e f e r e n c e A n t - 9 3 a r e g a r d i n g t h i s “ c l a s s i c a l ” a p p r o a c h . A s a f u n c t i o n o f i o n d e n s i t y ( n e ) i n t h e p l a s m a , ( u p m a y b e w r i t t e n a s : 4 4 6 H e r e , 8 a n d m a r e t h e e l e c t r o n i c c h a r g e a n d m a s s r e s p e c t i v e l y , a n d s o i s t h e v a c u u m d i e l e c t r i c c o n s t a n t . F o r e a s e o f c a l c u l a t i o n s , t h i s e q u a t i o n m a y b e r e d u c e d t o : _ 3 1 0 . 2 f p — 8 . 9 1 x 1 0 [ n 6 ( ) w h e r e f p i s i n H z ( a n d e q u a l t o ( o p / 2 n ) a n d t i e i s i n c m ' 3 . T h i s e q u a t i o n d e fi n e s t h e s o c a l l e d “ c r i t i c a l d e n s i t y . ” I f t h e f r e q u e n c y o f e x c i t a t i o n i s e q u a l t o f p i . e . t h e p l a s m a f r e q u e n c y , E q n . 1 0 . 2 i n d i c a t e s t h a t t h e i o n i z a t i o n i n t h e i o n s o u r c e i s l i m i t e d t o a m a x i m u m v a l u e b y t h i s f r e q u e n c y . T h a t t h i s “ m a x i m u m d e n s i t y ” i s r o u t i n e l y e x c e e d e d . e s p e c i a l l y b y t h e i o n s o u r c e s u s e d i n t h e E E l a b s l e a d s t o t w o p o s s i b l e c o n c l u s i o n s . I t m a y b e t h a t p h e n o m e n a o t h e r t h a n E C R H a r e s u s t a i n i n g t h e p l a s m a i n s o u r c e s s i m i l a r t o t h e M P D R s i n t h e B E l a b s ( a l e g i t i m a t e p o s s i b i l i t y , c o n s i d e r i n g t h e p o w e r t r a n s f e r t e c h n i q u e s d i s c u s s e d i n C h a p t e r O n e - s e e S e c t i o n 1 . 2 . a n d s u b s e c t i o n s 1 . 2 . 1 a n d 1 . 2 . 2 o f C h a p t e r O n e ) . T h e o t h e r p o s s i b i l i t y i s t h a t t h e E q n s . 1 0 . 1 a n d 1 0 . 2 a r e i n c o m p l e t e , o r t o o s i m p l i s t i c i n t h e i r c o n c l u s i o n s . T h e a s s u m p t i o n s , o r s i m p l i fi c a t i o n s t h a t a r e u s e d t o r e a c h t h e s e c o n c l u s i o n s ( s o m e o f w h i c h a r e m e n t i o n e d e a r l i e r i n t h i s s e c t i o n ) a r e n e c e s s a r y t o o b t a i n c l o s e d f o r m a n a l y t i c a l s o l u t i o n s t o t h e r a t h e r c o m p l e x p r o b l e m o f w a v e p r o p a g a t i o n i n a p l a s m a . U s i n g t h e s e a s s u m p t i o n s ; t h e p r o b l e m i s i n d e e d s i m p l i fi e d , h o w e v e r t h e v a l i d i t y o f t h e c o n c l u s i o n s m a y h a v e t o b e r e c o n s i d e r e d . D e s p i t e t h e f a c t t h a t m o s t o f t h e s i m p l i fi c a t i o n s u s e d i n t h e c r i t i c a l f r e q u e n c y / d e n s i t y d e r i v a t i o n a b o v e a r e n o t v a l i d f o r m o s t E C R I S t o d a y , t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t e f f o r t s o f m o s t m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e i o n s o u r c e s f o r 4 4 7 t h e l a s t d e c a d e o r s o h a v e b e e n b a s e d o n t h i s s i m p l e s c a l i n g l a w - d o u b l e t h e f r e q u e n c y o f e x c i t a t i o n , a n d t h e o r e t i c a l l y t h e i o n d e n s i t y s h o u l d q u a d r u p l e . T h i s i s t h e “ f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w , ” a n d w i l l b e t h e c e n t e r o f s e v e r a l d i s c u s s i o n s d u r i n g t h e c o u r s e o f t h i s c h a p t e r . T h e d e p e n d e n c e o f s o u r c e d e s i g n o n t h i s l a w w a s a m p l i fi e d a f t e r t h e r e s u l t s o f t h e G r e n o b l e 1 6 . 6 G H z E C R I S w e r e p r e s e n t e d a t t h e B e r k e l e y E C R W o r k s h o p i n 1 9 8 4 [ G e l - 8 4 ] ( “ b e t t e r r e s u l t s a t a h i g h e r fi - e q u e n c y ” m u s t m e a n t h a t t h e l a w i s c o r r e c t ) . S e v e r a l o t h e r s o u r c e d e s i g n e r s a n d a u t h o r s , i n c l u d i n g J o n g e n a n d L y n e i s [ J o n - 8 9 ) a l s o c o m e t o t h e s a m e c o n c l u s i o n - t h a t i n c r e a s i n g f r e q u e n c y i s a s i m p l e w a y t o i n c r e a s e i o n d e n s i t y . A v a l i d q u e s t i o n t h a t m a y b e a s k e d i s t h i s : a m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e i o n s o u r c e p r o d u c e s h i g h c h a r g e s t a t e s . a n d n o t n e c e s s a r i l y h i g h d e n s i t y , s o w h a t i s t h e i m p o r t a n c e o f r a i s i n g t h e f r e q u e n c y i n t h e p r o d u c t i o n o f h i g h c h a r g e s t a t e s ? A n t a y a a n d G a m m i n o e x p l a i n i n R e f e r e n c e A n t - 9 4 b t h e i m p o r t a n c e o f o b t a i n i n g h i g h e r i o n d e n s i t i e s i n a m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e i o n s o u r c e . T h e p r o d u c t i o n o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s o c c u r s t h r o u g h s u c c e s s i v e e l e c t r o n i m p a c t i o n i z a t i o n w h e n s p e c i e s c o n fi n e m e n t t i m e i s h i g h e n o u g h , a n d a s i s s h o w n i n R e f e r e n c e A n t - 9 4 b , a n i n c r e a s e i n i o n d e n s i t y ( i f d i s c h a r g e p r e s s u r e i s m a i n t a i n e d i n t h e 1 0 ‘ 6 t o 1 0 ' 7 T o r r r a n g e ) , l e a d s t o a n i n c r e a s e d p r o b a b i l i t y o f h i g h c h a r g e s t a t e . p r o d u c t i o n . H e n c e t h e n e c e s s i t y f o r i o n s o u r c e d e s i g n e r s t o r a i s e i o n d e n s i t i e s w i t h i n t h e i o n s o u r c e . B a s e d o n t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w , m a n y h i g h f r e q u e n c y s o u r c e s h a v e b e e n b u i l t f o r t h e p r o d u c t i o n o f h i g h c h a r g e s t a t e i o n s a n d t h e y d o i n d e e d h a v e h i g h p e r f o r m a n c e , s u c h a s e x h i b i t e d b y : t h e 1 4 G h z E C R I S a t J u l i c h [ B e n - 8 9 ] , t h e A E C R a t L a w r e n c e B e r k e l e y L a b o r a t o r y ( L B L ) [ L y n - 9 1 , X i e - 4 4 8 9 3 ] , t h e E C R 4 a t G a n i l [ S o r - 9 1 ] , t h e 1 8 G H z M i n i m a fi o s o f G r e n o b l e [ B a r - 9 2 ] , t h e 6 . 4 E C R I S a t T e x a s A a n d M U n i v e r s i t y [ M a y - 9 3 ] a n d t h e t h r e e E C R I S a t t h e N S C L [ A n t - 9 3 b ] o p e r a t i n g a t 6 . 4 G H z . S o m e o f t h e s e s o u r c e s h a v e a l s o b e e n o p e r a t e d a t l o w e r f r e q u e n c i e s ( S 6 G H z ) . a l b e i t w i t h s i g n i fi c a n t l y r e d u c e d p e r f o r m a n c e . T h e r e a r e a l s o i n t e n s e s i n g l y c h a r g e d h i g h d e n s i t y s o u r c e s l i k e t h e C h a l k R i v e r E C R I S [ T a y - 9 2 ] , a n d t h e M P D R 6 1 0 - t h e l a t t e r h a s b e e n t h e f o c u s o f t h e p a s t s e v e r a l c h a p t e r s i n t h i s d i s s e r t a t i o n . 1 0 . 2 . 2 T h e S C E C R . a n d i t s “ H _ i g h - B ” M o d e o f Q g r a t i o p T h e S u p e r c o n d u c t i n g E C R i o n s o u r c e w a s fi r s t i n t r o d u c e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n i n C h a p t e r E i g h t , a n d i t s c r o s s - s e c t i o n i s s h o w n i n F i g u r e 8 . 2 . C h a p t e r E i g h t . I t i s a f u l l y s u p e r c o n d u c t i n g h e x a p o l e s t a b i l i z e d t a n d e m m i r r o r i o n s o u r c e w i t h a m u l t i m o d e m i c r o w a v e c a v i t y . M u l t i p l y c h a r g e d i o n s a r e g e n e r a t e d i n s i d e t h e s o u r c e b y a g g r e s s i v e l y c o n t t h e c h a r g e d s p e c i e s , w h i c h l e a d s t o s u c c e s s i v e e l e c t r o n i m p a c t i o n i z a t i o n . T h i s c o n fi n e m e n t o f c h a r g e d s p e c i e s i s d o n e b y u s i n g s e v e r a l s e t s o f s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t s . A x i a l c o n fi n e m e n t i s p r o v i d e d b y fi v e c o i l s s t a c k e d t h r e e ( a t t h e i n j e c t i o n s t a g e ) a n d t w o ( a t t h e e x t r a c t i o n s t a g e ) t h a t a l l o w s fi n e a d j u s t m e n t s t o t h e m a g n e t i c m i r r o r g e o m e t r y . T h e h e x a p o l e ( a l s o s u p e r c o n d u c t i n g ) p r o v i d e s r a d i a l c o n fi n e m e n t a n d t o g e t h e r w i t h t h e s o l e n o i d c o i l s , c r e a t e s t h e “ m i n i m u m - B ” c o n fi g u r a t i o n w i t h i n t h e p l a s m a v e s s e l o f t h e S C E C R . W i t h o t h e r o u t s t a n d i n g p r o p e r t i e s ( s u c h a s a v e r y s t r o n g m a g n e t i c fi e l d c a p a b i l i t y , a s i m p l i fi e d a x i a l p l a s m a c o n fi g u r a t i o n , a n o f f a x i s r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e m i c r o w a v e l a u n c h m e c h a n i s m , a n d w i t h a r e d u c e d c o a x i a l i o n i n j e c t i o n s t a g e ) t h e S C E C R p r e s e n t l y r e p r e s e n t s t h e s t a t e o f 4 4 9 t h e a r t f o r m u l t i p l y c h a r g e d i o n p r o d u c t i o n i n a n E C R I S [ A n t - 9 4 b ] . A n o t h e r f e a t u r e o f t h e S C E C R i s t h a t i t i s a v a r i a b l e f r e q u e n c y s o u r c e - i t w a s d e s i g n e d s o t h a t t h e s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t s m a y b e r a m p e d u p f o r o p e r a t i o n f r o m 5 G H z t o 3 5 G I - I z - t h e t y p i c a l r a n g e o f m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S . H o w e v e r , d u e t o a n a s s e m b l y fl a w w i t h t h e c u r r e n t l e a d s t o t h e h e x a p o l e , t h i s r a n g e i s s e v e r e l y l i m i t e d , a n d t h e h i g h e s t m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h f o r E C R a n d e l e c t r o n c o n fi n e m e n t i s r e s t r i c t e d t o o p e r a t i o n a t o r b e l o w 1 0 G H z . A p r o p o s a l c u r r e n t l y b e i n g s t u d i e d a t t h e N S C L i s t h e d e s i g n a n d a s s e m b l y o f a n e w h e x a p o l e f o r t h e S C E C R s o a s t o a v a i l t h e u s e o f t h e e n t i r e r a n g e o f f r e q u e n c i e s f o r w h i c h t h e s o u r c e w a s o r i g i n a l l y d e s i g n e d t o o p e r a t e . T h e n o r m a l m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n f o r a x i a l c o n fi n e m e n t ( u s i n g t h e s o l e n o i d s ) o f c h a r g e d s p e c i e s i n a n i o n s o u r c e l i k e t h e S C E C R i s g e n e r a t e d b y m i r r o r r a t i o s ( B M / E m ) o f t y p i c a l l y 2 t o 3 , a n d r a d i a l c o n fi n e m e n t ( b y t h e h e x a p o l e ) w i t h a w a l l - t o - c e n t e r r a t i o o f a b o u t 1 t o 2 . I t w a s p r o p o s e d b y C i a v o l a a n d G a m m i n o a t t h e B e n s h e i r n I C I S i n 1 9 9 1 [ C i a - 9 2 ] , a n d l a t e r c o n fi r m e d b y A n t a y a a n d G a m m i r r o [ A n t - 9 3 a , A n t - 9 4 b ) a t t h e B e i j i n g I C I S i n 1 9 9 3 , t h a t b y i n c r e a s i n g t h e s e m i r r o r r a t i o s t o a b o u t 7 a t t h e i n j e c t i o n s t a g e ( c o m p a r e d t o t h e n o r m a l 3 ) , a n d 4 ' a t t h e e x t r a c t i o n s t a g e ( c o m p a r e d t o t h e n o r m a l 2 ) , w i t h a c o m p a r a b l e i n c r e a s e i n t h e h e x a p o l e r a t i o ( a b o u t 3 , u p f r o m t h e n o r m a l 1 . 7 ) , t h e S C E C R c o u l d b e o p t i m i z e d a t 6 . 4 G H z o p e r a t i o n t o m a t c h , o r e x c e e d t h e h i g h c h a r g e s t a t e p r o d u c t i o n o f a l l e x i s t i n g E C R I S , i n c l u d i n g t h e s e v e r a l t h a t o p e r a t e a t h i g h e r f r e q u e n c i e s ( 1 4 . 4 G H z a n d h i g h e r ) . T h i s m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n . w i t h e n h a n c e d r a d i a l a n d a x i a l m i r r o r r a t i o s i s k n o w n a s t h e “ H i g h - B ” m o d e o f o p e r a t i o n . T h i s h i g h m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n m a y b e r e p r e s e n t e d b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s : B B e r x / t B / m B i m i n n . > . 2 2 4 5 . ( 1 0 . 3 ) 4 5 0 B i n j / B m i n Z 7 w h e r e 8 m ] i s t h e m a x i m u m m a g n e t i c fi e l d a t t h e i n j e c t i o n s t a g e , B M i s t h e m a x i m u m m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h a t t h e e x t r a c t i o n s e c t i o n o f t h e S C E C R , 8 m m i s t h e m i n i m u m m a g n e t i c fi e l d a n y w h e r e , a n d B r i s t h e m a x i m u m r a d i a l m a g n e t i c fi e l d g e n e r a t e d b y t h e h e x a p o l e a t t h e w a l l o f t h e s o u r c e . W i t h c o n fl i c t i n g r e p o r t s o n t h e f r e q u e n c y d e p e n d e n c e o f E C R I S s p e c i a l l y i n l i g h t o f t h e g o o d H i g h - B m o d e o p e r a t i o n o f t h e S C E C R a t 6 . 4 G H z , t h e q u e s t i o n a r i s e s w h e t h e r t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n h a s a n y i m p a c t o n t h e p e r f o r m a n c e o f E C R I S . A s a n i n t e r e s t i n g a s i d e , c o n s i d e r t h e o p e r a t i o n o f t h e M P D R 6 1 0 a t t h e t w o f r e q u e n c i e s o f e x c i t a t i o n - 2 . 4 5 G H z a n d 9 1 5 M H z , w h i c h w a s d e t a i l e d i n C h a p t e r F i v e . I t w a s o b s e r v e d i n t h a t c h a p t e r , t h a t t h e i o n d e n s i t y a t b o t h f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n w a s r e l a t i v e l y u n c h a n g e d ( s a m e o r d e r o f m a g n i t u d e , w i t h s i m i l a r p o w e r a n d p r e s s u r e d e p e n d e n c e ) . H o w e v e r , t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s , a n d t h e c o r r e s p o n d i n g i o n e n e r g i e s a t 9 l 5 M H z w e r e d o u b l e t h o s e a t 2 . 4 5 G H z . N o t e t h a t w h i l e p o w e r c o u p l i n g i n t h e 6 1 0 m a y n o t b e s t r i c t l y E C R ( a s d i s c u s s e d i n C h a p t e r O n e ) , a n d s o t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w s t h a t a p p l y o n l y t o E C R h e a t i n g m a y n o t a p p l y , t h e r e s u l t s o f C h a p t e r F i v e ( s p e c i a l l y t h e i o n ‘ d e n s i t y d a t a a t t h e t w o f r e q u e n c i e s o f o p e r a t i o n ) d o c a l l i n t o q u e s t i o n t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f t h e d e p e n d e n c e o f e l e c t r o n d e n s i t y o n t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n a s p e r E q n s . 1 0 . 1 a n d 1 0 . 2 . R e v e r t i n g b a c k t o m u l t i p l y c h a r g e s t a t e i o n s o u r c e s , t h e h i g h p e r f o r m a n c e r e s u l t s o f t h e S C E C R i n i t ’ s H i g h - B m o d e l e a d t o a n o t h e r s t r i n g o f q u e s t i o n s . a s 4 5 1 w e r e a s k e d b y A n t a y a a n d G a r n m i n o [ A n t - 9 4 b ) . C o u l d t h e p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R H i g h - B m o d e b e e x p l a i n e d o n t h e b a s i s o f c u r r e n t t h e o r e t i c a l f r a m e w o r k ? C o u l d t h e S C E C R H i g h - B m o d e b e e x t e n d e d t o h i g h e r f r e q u e n c i e s , l e a d i n g p e r h a p s t o e v e n b e t t e r s o u r c e o p e r a t i o n ? W h a t , i f a n y i s t h e e f f e c t o f t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w ? A n d fi n a l l y , d i d t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n p l a y a n y r o l e i n t h e i n c r e a s i n g i o n d e n s i t y w i t h h i g h e r f r e q u e n c i e s , a s o b s e r v e d b y i o n s o u r c e r e s e a r c h e r s i n s e v e r a l c o u n t r i e s ? A n t a y a a n d G a m m i n o d o i n d e e d e x p l a i n t h e e n h a n c e d p r o d u c t i o n o f h i g h c h a r g e s t a t e s f r o m t h e S C E C R i n i t s H i g h - B m o d e w i t h a c o n c l u s i o n t h a t c o n fi n e m e n t o f c h a r g e d s p e c i e s ( t h a t i s a c h i e v e d t h r o u g h t h e h i g h e r m i r r o r r a t i o s ) i s t h e i m p o r t a n t f a c t o r i n g e n e r a t i n g h i g h l y c h a r g e d i o n s i f o t h e r c o n d i t i o n s l i k e d i s c h a r g e p r e s s u r e , g a s m i x i n g , e t c . a r e t u n e d t o o p t i m a l v a l u e s . I n p a r t i c u l a r , t h e y r e d u c e t h i s e n h a n c e d h i g h c h a r g e s t a t e p r o d u c t i o n i n t h e h i g h fi e l d c o n fi n e m e n t t o a s i m p l e “ l o g ( E m m y d e p e n d e n c e o f t h e a v e r a g e c h a r g e s t a t e b e i n g p r o d u c e d b y t h e i o n s o u r c e . A n o b v i o u s e m p i r i c a l m e t h o d t o t e s t t h e i r h y p o t h e s e s i s t o r a i s e t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n o f t h e S C E C R . o p t i m i z e t h e m a g n e t i c fi e l d g e o m e t r y a n d o t h e r e x t e r n a l p a r a m e t e r s ( p r e s s u r e , p o w e r , e t c . ) , a n d o b s e r v e t h e o p e r a t i o n o f t h e S C E C R i n t h e H i g h - B m o d e o f t h a t fi e q u e n c y o f o p e r a t i o n . T h e r e i s a 1 4 . 4 G H z m i c r o w a v e g e n e r a t o r a t t h e N S C L . H o w e v e r . a s m e n t i o n e d e a r l i e r , t h e s u p e r c o n d u c t i n g h e x a p o l e o f t h e S C E C R i s . u n a b l e a t t h i s s t a g e t o r a m p u p t o g e n e r a t e m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h f o r 1 4 . 4 G H z o p e r a t i o n o f t h e S C E C R , e v e n w i t h t h e n o r m a l ( n o t H i g h - B ) m a g n e t i c c o n fi g u r a t i o n . T e s t i n g t h e t h e o r y , w i t h t h e S C E C R o p e r a t i o n a t 1 4 . 4 G H z w a s t h e r e f o r e n o t p o s s i b l e , a n d s i n c e f e w i f a n y E C R I S a n y w h e r e i n t h e w o r l d h a v e t h e g e o m e t r y o r t h e fl e x i b i l i t y i n m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n o f t h e S C E C R . i t 4 5 2 s e e m e d t h a t u n l e s s t h e h e x a p o l e o f t h e S C E C R w a s r e d e s i g n e d w i t h p r o p e r p o w e r l e a d s , e m p i r i c a l p r o o f ( o r l a c k t h e r e o f ) o f t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w w a s t o r e m a i n e l u s i v e . 1 0 . 3 T h e 2 . 4 5 G H z Q p e r a t i o n o f t h e S C E C R R a t h e r i n t e r e s t i n g l y , t h e r a t i o o f 1 4 . 4 G H z t o 6 . 4 G H z i s 2 2 5 , a n d t h e r a t i o o f 6 . 4 G H z t o 2 . 4 5 G H z i s a c l o s e _ 2 . _ 6 1 . S o i f t h e a p p r o p r i a t e h a r d w a r e c o u l d b e d e s i g n e d . t h e 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e g e n e r a t o r u s e d f o r e x p e r i m e n t s o n t h e M P D R 6 1 0 ( b o t h a t t h e N S C L a n d a t t h e E B l a b s ) c o u l d a l s o b e u s e d t o l a u n c h m i c r o w a v e s i n t o t h e S C E C R . I n s t e a d o f g o i n g 3 i n f r e q u e n c y a n d t r y i n g t o a t t a i n h i g h e r p e r f o r m a n c e . t h e m a g n e t i c fi e l d s o f t h e S C E C R c o u l d b e s c a l e d 9 9 M , a n d t h e i o n s o u r c e c o u l d b e o p e r a t e d a t a L O W E R f r e q u e n c y . I f t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w w a s t o b e v a l i d . t h e 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n o f t h e S C E C R s h o u l d n o t p r o d u c e h i g h c h a r g e s t a t e i o n s . A s m e n t i o n e d e a r l i e r , s e v e r a l h i g h c h a r g e s t a t e E C R I S ( u s i n g t h e “ n o r m a l ” m a g n e t i c m i r r o r r a t i o s ) h a d b e e n o p e r a t e d a t l o w e r f r e q u e n c i e s ( a t G a n i l , O a k R i d g e N a t i o n a l L a b o r a t o r y a n d a t B e r k e l e y , f o r e x a m p l e ) g e n e r a l l y w i t h p o o r r e s u l t s , w h i c h w a s s q u a r e l y a t t r i b u t e d t o “ l o w e r f r e q u e n c y e q u a l s l o w e r p e r f o r m a n c e ” a r g u m e n t . S e e , f o r e x a m p l e , M e y e r ‘ s c o m m e n t s o n t h e 2 . 4 5 G H z p e r f o r m a n c e o f t h e O a k R i d g e N a t i o n a l L a b o r a t o r y E C R i o n s o u r c e [ M e y - 8 5 ] , w h e r e h e b l a m e s t h e p o o r p e r f o r m a n c e o f t h e E C R I S a t . 2 . 4 5 G H z . o n t h e i n a b i l i t y o f t h e m i c r o w a v e s t o p e n e t r a t e t h e p l a s m a a t t h a t f r e q u e n c y . R e s u l t s o f a n o t h e r e f f o r t , t h i s t i m e fi ' o m G i e s s e n . G e r m a n y t o p r o d u c e m u l t i p l y c h a r g e d s p e c i e s a t 2 . 4 5 G H z h a v e a l s o b e e n p r e s e n t e d [ L i e - 9 2 ) a t c o n f e r e n c e s , w i t h s i m i l a r l y p o o r 4 5 3 r e s u l t s . I f , h o w e v e r , t h e e x p e r i m e n t s d e t a i l e d i n t h i s c h a p t e r o n t h e 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n o f t h e S C E C R i n i t s H i g h — B m o d e w e r e t o b e s u c c e s s f u l , c o m p a r i s o n o f t h e r e s u l t s o f o p e r a t i n g t h e S C E C R a t 2 . 4 5 G H z ( i n t h e H i g h - B m o d e f o r 2 . 4 5 G H z ) . v i s - a — v i s t h e H i g h - B o p e r a t i o n o f t h e S C E C R a t 6 . 4 G H z ( a n d a l s o a s c o m p a r e d t o t h e p e r f o r m a n c e o f o t h e r h i g h f r e q u e n c y h i g h c h a r g e s t a t e E C R I S ) c o u l d p r o v i d e c l u e s t o n o t o n l y t h e h y p o t h e s e s p r e s e n t e d b y A n t a y a a n d G a m m i n o i n R e f e r e n c e A n t - 9 4 b , b u t a l s o t o t h e v a l i d i t y , o r l a c k t h e r e o f o f t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w . 1 . . 1 e n D e r i t i . n T o t h i s e f f e c t , t h e S C E C R w a s m o d i fi e d s o t h a t i t i s p o s s i b l e t o l a u n c h m i c r o w a v e s a t 2 . 4 5 G H z i n s t e a d o f t h e u s u a l 6 . 4 G H z . S e v e r a l “ o r d e r s ” o f e x p e r i m e n t a l d e s i g n s o f t h e n e w fi r s t s t a g e w e r e c o n s i d e r e d d u r i n g t h e i n i t i a l f e a s i b i l i t y s t u d y , e a c h o r d e r o f d e s i g n t o b e s t u d i e d a s t i m e a n d n e c e s s i t y p e r m i t t e d . F o r t h e “ z e r o t h o r d e r ” ( a n d m o s t b a s i c ) d e s i g n , e v e r y c o m p o n e n t o n t h i s n e w fi r s t s t a g e t h a t c o u l d b e k e p t t h e s a m e a s t h e o r i g i n a l fi r s t s t a g e , . w a s r e t a i n e d . W i t h m i n i m u m m o d i fi c a t i o n s , t h e o p e r a t i o n o f t h e s o u r c e c o u l d b e a p t l y c O m p a r e d w i t h t h a t o f t h e o r i g i n a l s o u r c e , a n d t h e d i f f e r e n C e s t h e n a t t r i b u t e d n o t t o t h e m o d i fi c a t i o n s t o t h e fi r s t s t a g e , b u t t o t h e d e c r e a s e d o p e r a t i o n a l f r e q u e n c y o f t h e S C E C R . O t h e r “ o r d e r s “ o f d e s i g n i n c l u d e d a c o a x i a l e n d f e e d s i m i l a r t o t h a t o f t h e M P D R 6 1 0 , i m p e d a n c e m a t c h i n g v a r i a b l e l e n g t h a n t e n n a e , a n d i f p o s s i b l e , a s i d e f e e d a n t e n n a a s o n t h e M P D R 5 . T h i s l a s t o p t i o n m a y b e b e t t e r s t u d i e d o n t h e r o o m t e m p e r a t u r e s o u r c e ( R T E C R ) a t t h e 4 5 4 N S C L , w h i c h h a s r e a d i l y a v a i l a b l e r a d i a l p o r t s s i n c e i t d o e s n o t n e e d a c u m b e r s o m e c r y o g e n i c s y s t e m ( t h a t t h e S C E C R r e q u i r e s f o r c o o l i n g t h e m a g n e t s t o s u p e r c o n d u c t i n g t e m p e r a t u r e s ) . ‘ T h e f u n d a m e n t a l p r e m i s e w a s t o i n j e c t m i c r o w a v e e n e r g y a t 2 . 4 5 G H z i n t o t h e S C E C R i n a n y w a y p o s s i b l e , a n d t o g e n e r a t e a p l a s m a a t t h a t f r e q u e n c y w i t h i n t h e s o u r c e , t h e n e x t s t e p b e i n g e x t r a c t i o n o f t h e v a r i o u s i o n s , a n d a n a l y z i n g t h e o u t c o m e . A f o r t u i t o u s “ z e r o t h o r d e r ” d e s i g n t h a t w o u l d p r o v i d e t h e e x c e l l e n t p r e l i m i n a r y r e s u l t s d i s c u s s e d b e l o w , a n d l a c k o f d e v e l o p m e n t t i m e o n t h e S C E C R ( a l l e x p e r i m e n t s d i s c u s s e d h e r e w e r e p e r f o r m e d i n a s p a n o f f o u r d a y s ) , p r e v e n t e d t e s t i n g o f f u r t h e r d e s i g n s t o i n j e c t 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e i n t o t h e S C E C R . T h e s e d e s i g n s t h e r e f o r e s t i l l r e m a i n t o b e s t u d i e d a t a l a t e r d a t e . T h e d e s c r i p t i o n o f t h i s “ z e r o t h o r d e r " m o d i fi c a t i o n t o t h e S C E C R , a n d m o r e s p e c i fi c a l l y t o t h e fi r s t s t a g e o f t h e S C E C R i s n o w d i s c u s s e d . T h e 8 i n c h C o n fl a t fl a n g e o n t o p o f t h e S C E C R i s v e r y c r o w d e d . T h e r e a r e f e e d t h r o u g h s f o r t h e t w o d i s c h a r g e g a s e s ( w h e n s u p e r g a s m i x i n g t e c h n i q u e s a r e u s e d ) , w a t e r c o o l i n g f o r t h e fi r s t s t a g e , t h e e l e c t r i c a l f e e d t h r o u g h f o r t h e b i a s d i s c ( w h i c h i s a c t u a l l y a m o d i fi c a t i o n f r o m a f e e d t h r o u g h f o r t h e 1 4 . 4 G H z ' w a v e g u i d e ) , a n d f O r t h e m i c r o w a v e w a v e g u i d e f o r t h e 6 . 4 G H z o p e r a t i o n . T h e s i m p l e s t , a n d p o s s i b l y t h e b e s t c o m p a r a t i v e m e t h o d o f 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e i n j e c t i o n w o u l d b e t o r e p l a c e t h e 6 . 4 G H z w a v e g u i d e w i t h a 2 . 4 5 G H z w a v e g u i d e , k e e p i n g a l l o t h e r h a r d w a r e t h e s a m e a s b e f o r e . ( M o r e s p e c i fi c a l l y , t h i s w o u l d i n v o l v e b u i l d i n g a n e w fi r s t s t a g e w i t h t h e 2 . 4 5 G h z w a v e g u i d e . ) H o w e v e r w i t h a l l t h e o t h e r g a s , w a t e r a n d e l e c t r i c a l f e e d t h r o u g h s o n t h e t o p fl a n g e , i t i s i m p o s s i b l e t o fi t a r e g u l a r 2 . 4 5 G H z w a v e g u i d e , w h o s e c r o s s - s e c t i o n o u t e r d i m e n s i o n s a r e 7 . 6 c m b y 3 . 8 c m . S o b a s e d u p o n p a s t e x p e r i e n c e ( C h a p t e r 4 5 5 E i g h t ) t h e n e w fi r s t s t a g e w a s d e s i g n e d w i t h a h a l f h e i g h t 2 . 4 5 G H z w a v e g u i d e f e e d t h r o u g h . T h i s n e w fi r s t s t a g e , r e t a i n i n g a l l a s p e c t s o f t h e o r i g i n a l fi r s t s t a g e i n c l u d i n g t h e o f f - a x i s r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e f e e d . i s s h o w n i n F i g u r e 1 0 . 1 , a n d i t s d e s i g n i s d i s c u s s e d b e l o w . A s m e n t i o n e d i n C h a p t e r E i g h t , t h e l o w e s t o r d e r t r a n s v e r s e e l e c t r i c m o d e t h a t t r a n s p o r t s p o w e r t h r o u g h t h e r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e ( w h o s e d i m e n s i o n s c u t o f f a l l o t h e r t r a n s v e r s e e l e c t r i c m o d e s ) i s t h e T E I O m o d e , a n d t h i s m o d e i s n o t a f f e c t e d i f t h e h e i g h t o f t h e w a v e g u i d e i s r e d u c e d . ( N o t e , h o w e v e r , t h a t i f t h i s h e i g h t i s m a d e t o o s m a l l , t h e p o w e r d e n s i t y t h r o u g h t h e w a v e g u i d e c o u l d i n c r e a s e t o t h e p o i n t a t w h i c h t h e m e t a l m i g h t b e g i n t o w a r p , l e a d i n g t o p o w e r l o s s a n d r e l a t e d h a r d w a r e f a i l u r e . A d d i t i o n a l l y , t h e r e m a y b e g a s b r e a k d o w n w i t h i n t h e w a v e g u i d e i t s e l f d u e t o t h e h i g h e l e c t r i c fi e l d s . ) S o t h e n e w fi r s t s t a g e w a s c o n s t r u c t e d w i t h t h e h a l f h e i g h t 2 . 4 5 G H z w a v e g u i d e ( W R 2 8 4 , w i t h o u t e r d i m e n s i o n s 7 . 6 c m b y 2 . 1 c m ) i n j e c t i n g m i c r o w a v e s i n t o t h e m a i n s t a g e o f t h e S C E C R . N o t e t h a t t h e W R 2 8 4 i s n o t e x a c t l y “ h a l f h e i g h t ” o f t h e s t a n d a r d 2 . 4 5 G H z w a v e g u i d e , b u t i t w a s r e a d i l y a v a i l a b l e c o m m e r c i a l l y , w i t h a h e i g h t l e s s t h a n t h e r e g u l a r w a v e g u i d e , a n d i t fi t o n t h e t o p fl a n g e w i t h a l l o t h e r h a r d w a r e ( i n c l u d i n g t h e b i a s d i s c ) , w h i c h w a s k e p t s i m i l a r t o t h e o r i g i n a l fi r s t s t a g e . B a s e d u p o n t h e w o r k o f C h a p t e r E i g h t , a f u l l h e i g h t t o h a l f h e i g h t t r a n s i t i o n w a s d e s i g n e d a n d b u i l t . T h e t h e o r y o f q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r s i s g i v e n i n C h a p t e r E i g h t ( s e e i n p a r t i c u l a r S e c t i o n 8 . 5 , a n d F i g u r e 8 . 4 , C h a p t e r E i g h t ) , a n d w i l l n o t b e r e p e a t e d h e r e . T h e q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r u s e d i n t h i s c h a p t e r i s s h o w n i n F i g u r e 1 0 . 2 . A 0 . 1 2 5 i n c h ( 0 . 3 2 c m ) t h i c k T e fl o n p l a t e s a n d w i c h e d b e t w e e n t h e q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r a n d t h e 8 i n c h C o n fl a t fl a n g e p r o v i d e d t h e m i c r o w a v e t r a n s p a r e n t v a c u u m w i n d o w ( s e e F i g u r e 1 0 . l ) . I n d i u m 4 5 6 F U L L H E / G H T 2 . 4 5 G H Z W A V E G U / D E Q U A R T E R W A V E 7 5 ” T E F L O N V A C U U M T R A N S F O R M E R W / N D O W W / T H / N D / U M S E A L G A S F E E D S 7 ’ 0 T U R B O P U M P C H A M B E R V g H E / G H T 2 . 4 5 G H Z W A V E G U / D E ( W R 2 8 4 ) F / R S T S T A G E d fi r s t a t e o f t h e S C E C R f o r 2 . 4 5 G K : 0 r a t i o n 1 0 . 1 i n N o t e t h a t c o m p a r e d t o t h e o r i g i n a l fi r s t s t a g e , o n l y t h e w a v e g u i d e d i m e n s i o n s h a v e c h a n g e d . A l s o , t h e q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r i s b o l t e d o n t o p o f t h e 8 i n c h fl a n g e , t h e r e b y c r e a t i n g t h e v a c u u m b r e a k u s i n g t h e 0 . 1 2 5 i n c h t h i c k T e fl o n p l a t e . 4 5 7 I I I I I I I H I — _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ I D I I I I I I I I 2 . 7 0 0 I I I I I I | I I I I I I I I I 5 0 0 — » 3 2 / 5 . 3 9 4 R E F — / / / . 0 0 3 A j , / V a / / é é 2 . 3 0 6 R . 0 5 2 / / 2 . 0 0 0 m a . ‘ é ? I / ’ 6 / / / 3 7 5 | 0 | . 0 0 3 | — — > I , 5 0 0 I < — ' — L 4 3 8 — 5 - I m 1 0 . 2 F r o n t v i e w ( t o p ) a n d s i d e v i e w ( E t t o m ) o f t h e 2 . 4 5 C g q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r T h i s q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r i s b a s e d o n t h e o r y d i s c u s s e d i n S e c t i o n 8 . 5 o f C h a p t e r E i g h t , a n d d i f f e r s f r o m t h e t r a n s f o r m e r u s e d i n t h a t c h a p t e r ( f o r 6 . 4 G H z o p e r a t i o n ) o n l y i n d i m e n s i o n s ( g i v e n a b o v e i n i n c h e s ) . 4 5 8 s e a l s w e r e u s e d o n b o t h s i d e s o f t h e T e fl o n p l a t e , a n d t h i s v a c u u m b r e a k h e l d s u c c e s s f u l l y d o w n t o 1 0 ' 7 T o r r b a s e p r e s s u r e w i t h o u t t h e i n d i u m c r e e p i n g i n t o t h e w a v e g u i d e . F o r r e g u l a r 6 . 4 G H z o p e r a t i o n , a s p e c i a l l y d e s i g n e d c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e ( a n d e x p e n s i v e ) m i c a o r q u a r t z v a c u u m b r e a k i s u s e d . N o t e t h a t u n l i k e t h e q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r u s e d i n C h a p t e r E i g h t ( f o r t h e 6 . 4 G H z o p e r a t i o n t h a t i s a t t a c h e d t o t h e 6 . 4 G H z w a v e g u i d e a w a y f r o m t h e 8 i n c h c o n fl a t ) , t h e t r a n s f o r m e r u s e d h e r e a c t u a l l y b o l t s o n t o t h e t o p 8 i n c h fl a n g e ( a s s h o w n i n F i g u r e 1 0 . 1 ) , u s i n g i t a n d t h e h a l f h e i g h t w a v e g u i d e b e l o w i t a s p a r t o f t h e s t e p t r a n s i t i o n . A s a m a t t e r o f p e r i p h e r a l i n t e r e s t m e n t i o n e d i n i t i a l l y i n C h a p t e r E i g h t , i t s t i l l r e m a i n s t o b e s e e n w h e t h e r a s t e p t r a n s i t i o n , w h i l e e a s i e r t o d e s i g n a n d m a c h i n e , h a s b e t t e r - o r w o r s e - t r a n s m i s s i o n o f p o w e r c o m p a r e d t o t a p e r e d w a v e g u i d e t r a n s i t i o n s . A b o v e t h i s q u a r t e r w a v e s i n g l e s t e p t r a n s f o r m e r i s a b o u t 1 8 c m o f t h e s t a n d a r d f u l l h e i g h t 2 . 4 5 G H z w a v e g u i d e . A c o a x i a l c a b l e - t o - w a v e g u i d e a d a p t e r i s s e c u r e d o n t o p o f t h i s , w i t h a t y p e N c o n n e c t o r . M i c r o w a v e p o w e r a t 2 . 4 5 G H z i s t r a n s p o r t e d t o t h i s a d a p t e r ( t h r o u g h t h e w a v e g u i d e , a n d u l t i m a t e l y t o t h e d i s c h a r g e ) u s i n g t h e s a m e c o a x i a l c a b l e a s u s e d f o r t h e M P D R 6 1 0 . A l l t h e m i c r o w a v e a p p a r a t u s i s s e t u p e x a c t l y a s f o r t h e 6 1 0 h i g h v o l t a g e b e a m e x t r a c t i o n e x p e r i m e n t s - o n l y t h e c o a x i a l c a b l e a n d p a r t o f t h e w a v e g u i d e b i - . d i r e c t i o n a l c o u p l e r a r e r a i s e d t o t h e S C E C R h i g h v o l t a g e . U s e o f t h e D C i s o l a t i o n j o i n t o n t h e c r o s s - g u i d e c o u p l e r ( s e e F i g u r e 8 . 5 , C h a p t e r E i g h t ) a l l o w s t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y , t h e p o w e r m e t e r s a n d t h e c i r c u l a t o r t o b e a t g r o u n d p o t e n t i a l . A s b e f o r e , t h i s i s o l a t i o n j o i n t i s t h e m a i n r e a s o n f o r u s i n g t h e c u m b e r s o m e c r o s s - g u i d e b i - d i r e c t i o n a l c o u p l e r ( i n s t e a d o f t h e m o r e c o m p a c t c o a x i a l c o u p l e r s u s e d f o r t h e 6 1 0 w h e n n o h i g h v o l t a g e n e e d s t o b e a p p l i e d ) . 4 5 9 N o t e t h a t t h e D C i s o l a t i o n i s c r e a t e d b y a T e fl o n p l a t e s a n d w i c h e d b e t w e e n t w o c o a x i a l c a b l e - t o — w a v e g u i d e a d a p t e r s o n t h e S C E C R e n d o f t h e b i - d i r e c t i o n a l c o u p l e r a n d c l a m p e d d o w n u s i n g G - 1 0 . A s w a s m e n t i o n e d i n C h a p t e r E i g h t t h e r e i s s o m e m i c r o w a v e l e a k a g e o u t o f t h i s j o i n t , a n d s o c a r e m u s t b e t a k e n w h e n w o r l d n g n e a r t h e e q u i p m e n t o n c e t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y i s o p e r a t i o n a l . H o w e v e r , t h i s m i c r o w a v e l e a k a g e i s a n e a r z o n e fi e l d , a n d a t t e n u a t e s t o n e g l i g i b l e l e v e l s w i t h i n a f e w c e n t i m e t e r s f r o m t h e i s o l a t i o n j o i n t , p o s i n g n o h e a l t h r i s k s . A l l o p e r a t i o n a l p a r a m e t e r s o f t h e S C E C R ( l i k e g a s f e e d , d i s c h a r g e p r e s s u r e , m a g n e t i c fi e l d i n t e n s i t i e s , e t c . ) a r e c o n t r o l l e d r e m o t e l y t h r o u g h F e r m i s t a t i o n s , a n d o t h e r c o n t r o l s o f t w a r e . F o r t h e 6 . 4 G H z o p e r a t i o n , t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y i s a l s o r e m o t e l y c o n t r o l l e d . H o w e v e r f o r 2 . 4 5 G H z o p e r a t i o n , t h e p o w e r s u p p l y h a d t o b e m a n u a l l y c o n t r o l l e d . I t i s t h e r e f o r e f o r t u i t o u s t h a t t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y i s a t g r o u n d p o t e n t i a l , a l l o w i n g f o r s a f e s w i t c h i n g o f t h e m i c r o w a v e p o w e r l e v e l s e v e n w h e n t h e S C E C R i s a t h i g h v o l t a g e . 1 9 . 4 M m g o n a l P e r f o r m a n c e o f t h e E E R a t 2 . 4 g Q H z O p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R a t 2 . 4 5 G H z i s n o w p r e s e n t e d ; S i n c e t h e s e e x p e r i m e n t s l a s t e d o n l y a f e w d a y s ( a m a t t e r o f h o u r s i f c o n d i t i o n i n g a n d o u t g a s s i n g t i m e s a r e s u b t r a c t e d ) , t h e r e s u l t s a r e p r e s e n t e d o n a c h r o n o l o g i c a l , d a y b y d a y b a s i s . I T h e H i g h - B m a g n e t c o n fi g u r a t i o n ( g i v e n c o l l e c t i v e l y i n E q n . 1 0 . 3 ) o f t h e S C E C R a t 6 . 4 G H z w a s d i r e c t l y s c a l e d d o w n f o r t h e 2 . 4 5 G H z o p e r a t i o n o f t h e s o u r c e . T h a t i s , t h e fi v e c o i l s a n d t h e h e x a p o l e c u r r e n t s w e r e m u l t i p l i e d b y 0 . 4 . 4 6 0 w h i c h i s t h e r a t i o o f 6 . 4 t o 2 . 4 5 , s u c h t h a t t h e f o l l o w i n g m a g n e t c u r r e n t c o n fi g u r a t i o n w a s r e a c h e d : T a b l e l : H i g h - B M a g n e t c u r r e n t s c a l i n g f o r t h e 2 . 4 5 G H z o p e r a t i o n o f t h e S C E C R M a g n e t 6 . 4 G H z 2 . 4 5 G H z S F S T l I 3 7 . 4 1 5 S F S T Z I 1 3 . 6 6 5 . 5 S F S T 3 I l . l 0 . 4 4 S E X T I I O 0 S E X T 2 I 2 1 . 4 8 . 6 S H E X I 7 5 3 O I n t h e t a b l e a b o v e , t h e fi r s t c o l u m n r e p r e s e n t s t h e t h r e e fi r s t s t a g e c o i l s ( S F S T l I , S F S T 2 1 a n d S F S T 3 1 ) , t h e t w o e x t r a c t i o n m a g n e t s ( S E X T ‘ I I a n d S E X T 2 1 ) , a n d t h e h e x a p o l e ( S H E X I ) . T h e t w o o t h e r c o l u m n s a r e t h e c u r r e n t s ( i n A r n p e r e s ) c a r r i e d b y t h e s e c o i l s ( s u c h t h a t t h e S C E C R i s i t s H i g h - B I m o d e ) f o r t h e o p e r a t i n g f r e q u e n c y o f 6 . 4 G H z , a n d a l s o t h e s c a l e d d o w n c u r r e n t s f o r 2 . 4 5 G H z . . T h e “ n o r m a l “ 2 . 4 5 G H z m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n ( s c a l e d f r o m t h e “ n o r m a l “ 6 . 4 G H z m a g n e t i c fi e l d s ) i s c o m p a r e d t o t h e H i g h - B m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n i n F i g u r e 1 0 . 3 . N o t e t h e h i g h e r m i r r o r r a t i o s f o r t h e H i g h - B m o d e t h a t m a i n t a i n t h e a x i a l c o n fi n e m e n t o f c h a r g e d s p e c i e s . I n t h i s c h a p t e r , s e v e r a l t i m e s f r o m n o w d a t a o n t h e c u r r e n t s c a r r i e d b y t h e s e m a g n e t s w i l l b e p r e s e n t e d . T h e o r d e r i n w h i c h t h e s e c u r r e n t s a r e p r e s e n t e d w i l l b e t h e s a m e t h r o u g h o u t . t h a t i s : S F S T l . I W Z L Z r l m [ : 1 i a - 0 7 % 7 [ a M e m s @ a - 2 0 1 - 6 ‘ ) F " — F M , ‘ M “ ' “ * ‘ T I 4 6 1 “ I " m - m z : . 5 : W [ L a m - 2 2 m I [ e v e - a n s j [ e u z - u m j e a . m a t - 1 3 7 [ L i m i t - 2 0 j 6 . 0 5 . 4 ' - 4 0 ' - 4 2 — ’ 3 . 5 - 3 . 0 - 2 4 ' - 1 3 - ' 1 . 2 ' - ' 3 " E 2 1 “ ! ‘ 1 1 g I ' j u r o r ; . 0 1 o . 1 “ . . M E L L . ' 4 J , - j r I : o _ 1 - “ - ; L - J I 0 ! W N o t e t h e h i g h m i r r o r r a t i o s a t b o t h e n d s o f t h e S C E C R t h a t m a i n t a i n a x i a l c o n - fi n e m e n t o f c h a r g e d p a r t i c l e s . A l s o , t h e m i r r o r r a t i o a t t h e i n j e c t i o n e n d ( f r o m t h e fi r s t s t a g e ) i s h i g h e r t h a n t h a t a t t h e e x t r a c t i o n e n d . 4 6 2 S F S T 2 , S F S T 3 , S E X T I , S E X T 2 , S H E X . H i g h v o l t a g e t e s t s w e r e c o n d u c t e d o n t h e S C E C R b y i n c r e a s i n g i t s e x t r a c t i o n b i a s t o 1 0 k V a n d b e y o n d . A l l t h e h i g h v o l t a g e j o i n t s ( l i k e t h e T e fl o n b r e a k i n t h e fi r s t s t a g e ) o p e r a t e d s a t i s f a c t o r i l y , a n d a l l t h e p a r t s t h a t w o u l d r e a c h h i g h v o l t a g e w e r e c a g e d o f f f r o m i n a d v e r t e n t c o n t a c t . O n c e t h e v a c u u m s e a l s b e t w e e n t h e n e w fi r s t s t a g e a n d t h e m a i n s t a g e ( e s p e c i a l l y t h e T e fl o n m i c r o w a v e w i n d o w w i t h i n d i u m s e a l b e t w e e n t h e q u a r t e r w a v e t r a n s f o r m e r a n d t h e 8 i n c h t o p fl a n g e ) w e r e s a t i s f a c t o r i l y e s t a b l i s h e d w i t h b a s e p r e s s u r e s o f a b o u t 1 0 ’ 7 T o r r , t h e m i c r o w a v e p o w e r s o u r c e a n d s u p p o r t c i r c u i t r y w e r e a s s e m b l e d . A s i s s t a n d a r d w i t h t h e S C E C R o p e r a t i o n , l o w p o w e r ( a b o u t 3 0 W i n p u t , w i t h l e s s t h a n 1 W r e fl e c t e d ) w a s i n j e c t e d i n t o t h e S C E C R w i t h o u t a n y g a s f e e d , a n d a p l a s m a w a s f o r m e d i n t h e s o u r c e o f r e s i d u a l g a s e s . T h i s i s e x p e c t e d t o h e l p o u t g a s s i n g o f c o n d e n s e d m o i s t u r e a n d o t h e r h y d r o c a r b o n s . S o m e n e a r z o n e m i c r o w a v e l e a k a g e w a s o b s e r v e d f r o m t h e D C i s o l a t i o n j o i n t o n t h e b i - d i r e c t i o n a l c o u p l e r , a n d a l s o f r o m t h e c o a x i a l c a b l e t o w a v e g u i d e a d a p t e r a b o v e t h e r e g u l a r 2 . 4 5 G H z w a v e g u i d e . T h e f o r m e r l e a k i s i n e v i t a b l e , w h i l e t h e l a t t e r w a s fi x e d b y t i g h t e n i n g t h e a d a p t e r j o i n t . I n t h i s c o n fi g u r a t i o n ( 3 0 W i n p u t , a n d l e s s t h a n 1 W r e fl e c t e d ) t h e S C E C R w a s a l l o w e d t o o u t g a s f o r s o m e t i m e . 4 l P e - X Y E N A f t e r o v e r n i g h t c o n d i t i o n i n g , o x y g e n w a s l e a k e d i n t o t h e S C E C R t h r o u g h t h e s a p p h i r e g a s v a l v e . A t 6 0 W i n p u t , a n d w i t h 1 5 W r e fl e c t e d , t h e fi r s t o x y g e n p l a s m a a t 2 . 4 5 G H z w a s i g n i t e d a n d e a s i l y s u s t a i n e d i n t h e S C E C R . A t t h i s 4 6 3 p o i n t , t h e p r e s s u r e i n t h e fi r s t s t a g e w a s a b o u t 3 X 1 0 ' 7 T o r r , w h i l e t h e e x t r a c t i o n r e g i o n p r e s s u r e w a s a b o u t 3 . 6 X 1 0 ' 7 T o r r . P r e l i m i n a r y r e s u l t s o f t h i s “ n e w ” s o u r c e w e r e a l r e a d y s e e n t o “ b e b e t t e r t h a n t h e c o m p a c t E C R i o n s o u r c e ( C P E C R a t t h e N S C L ) ” [ A n t - 9 4 c ] . T h e fi r s t o x y g e n c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n ( C S D ) o f t h e S C E C R o p e r a t i n g a t 2 . 4 5 G H z i s s e e n i n F i g u r e 1 0 . 4 , w h e r e t h e f o l l o w i n g s h o u l d b e n o t e d : A h i g h H + p e a k a t Q / M = 1 , a n d h i g h p e a k s o f H 2 0 , C O a n d o t h e r c a r b o n c h a r g e s t a t e s w h i c h i n d i c a t e t h a t t h e h y d r o c a r b o n s h a v e y e t t o o u t g a s c o m p l e t e l y . M o r e i m p o r t a n t l y , n o t e t h e p r e s e n c e o f s e v e r a l c h a r g e s t a t e s o f o x y g e n - 0 2 " , 0 * , 0 2 + , 0 3 + O 4 + a n d a m i n u s c u l e a m o u n t o f 0 5 * . T h e S C E C R a t 2 . 4 5 G H z i s i n d e e d a m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e p r o d u c e r . A s t h e m a g n e t i c fi e l d s w e r e t u n e d f r o m t h e i r i n i t i a l s t a r t i n g p o s i t i o n s ( g i v e n i n T a b l e l ) a n d t h e h y d r o c a r b o n s b u r n e d o f f , t h e h i g h c h a r g e s t a t e s o f o x y g e n b e c a m e m o r e p r o m i n e n t . A t t h e e n d o f t h e d a y ’ s e x p e r i m e n t s , t h e O 5 + c u r r e n t h a d r i s e n t o a b o u t 2 0 e u A . T h e S C E C R w a s l e f t t o c o n d i t i o n o v e r n i g h t a t t h e l o w p o w e r a n d g a s fl o w l e v e l s . T h e f o l l o w i n g d a y , h y d r o c a r b o n p e a k s w e r e l o w e r a n d a s a r e s u l t o f f u r t h e r o u t g a s s i n g , t h e o p e r a t i n g p r e s s u r e w a s l o w e r a l s o . T h i s m a y b e c o m p e n s a t e d f o r b y a d d i t i o n o f o x y g e n . o r b e t t e r , w i t h s o m e h e l i u m t h a t w o u l d a c t a s t h e b a l l a s t f o r “ s u p e r g a s m i x i n g . ” A s e x p l a i n e d i n S e c t i o n 8 . 2 o f C h a p t e r E i g h t , t h i s i s a t e c h n i q u e t h a t e n h a n c e s t h e p r o d u c t i o n o f h i g h c h a r g e s t a t e s b y c o m p e n s a t i n g t h e l o s s o f e n e r g e t i c b r e a k - a w a y e l e c t r o n s f r o m t h e m i n i m u m - B m a g n e t i c fi e l d c o n fi g u r a t i o n w i t h t h e l i g h t e r i o n s o f t h e b a l l a s t g a s ( h e l i u m ) , t h e r e b y a l l o w i n g l o n g e r c o n fi n e m e n t ( a n d h e n c e f u r t h e r i o n i z a t i o n ) o f t h e h e a v i e r w o r k i n g g a s - i n t h i s c a s e o x y g e n . O n c e h e l i u m w a s a d d e d t o t h e p l a s m a , t h e m a g n e t s w e r e a g a i n t u n e d t o r 7 9 s o 5 2 9 s o 2 5 9 e 4 i 9 e q l n u 1 7 s s 3 l 5 9 6 . 0 I v 3 . . 7 2 6 6 e o . a o 7 s . e . y - 0 — . s . 4 3 h 3 0 n 5 - 0 - - 0 I - o 6 s . r . . = - - l v 2 a ' o o O o l - i e a s 0 I i i - 1 I - - - - - - - - - l s I r u s L e V a r s s z 3 c 7 O 9 a U U u o o U o r r r c c C c c c c C c C G H H I “ p P s t i 0 3 I 1 o o I t - s e e r t r a o c c i d d n n i a t h g 0 , 1 0 3 6 3 n i e r g y x e h 0 t 3 2 _ c o h n f 3 m 0 a 3 s 0 i 2 / o . o n s e a e t k 5 2 . 2 r a t a e a d t e s t s e s ! . h a 2 n a e g T w x r p p u . D a r h S e c t C - p 0 2 . I ‘ 1 5 4 . . y s a l h i p c h t 0 p I 0 d 7 l e e o ) l r s b p e 1 i 2 t s 2 s l i h h c 1 a n u t m i 0 u n h 1 x e i w e c c u 2 t o a o I s { “ - a z i T r d e v f 9 3 e p o e m d ) a : n a 9 0 e ( n i i ( n s m s s e s r - r a l o u t d l n o e R c r r - C u o s W t c E e C s l — i o . - t . e 0 0 . - 4 1 1 1 ' ° 0 0 _ . . , 6 3 . e s o r s o S d o n c e o e h h p T s t I H U V = 1 . 9 9 5 4 6 5 o p t i m i z e t h e p r o d u c t i o n o f 0 5 * , a n d i t w a s o b s e r v e d t h a t t h e c u r r e n t f o r t h i s c h a r g e s t a t e d i d i n d e e d i n c r e a s e . T h e e f f e c t s o f t u n i n g t h e S C E C R ( w i t h m a g n e t c u r r e n t s , a n d g a s fl o w t h a t c o n t r o l s t h e p r e s s u r e s ) a r e s i g n i fi c a n t . a n d a r e s h o w n i n T a b l e 2 o f o x y g e n c h a r g e s t a t e c u r r e n t p r o d u c t i o n ( i n p a r t i c l e m i c r o - a m p e r e s - e u A ) f r o m t h e 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n o f t h e S C E C R . D i f f e r e n t t u n i n g s c o r r e s p o n d t o m i n u t e c h a n g e s i n t h e s o l e n o i d a n d h e x a p o l e c u r r e n t s , d i s c h a r g e p r e s s u r e ( c o n t r o l l e d t h r o u g h fl o w r a t e s o f t h e t w o g a s e s ) , a n d e x t r a c t i o n b i a s . N o r m a l l y , t h e S C E C R i s “ t u n e d ” t o a s p e c i fi c c h a r g e s t a t e , i n t h i s c a s e t o 0 5 * , a n d t h e r e s u l t i s s e e n i n T a b l e 2 w h e r e t h e 5 + c u r r e n t i n c r e a s e s f r o m c o l u m n ( a ) - t h e fi r s t t u n e , t o c o l u m n ( d ) , t h e fi n a l t u n e . T a b l e 2 : T i m i n g e f f e c t s o n o x y g e n p r o d u c t i o n f r o m t h e 2 . 4 5 G H z S C E C R 3 5 2 : : 7 + = 2 _ - L 3 . 5 4 . l 4 . 2 5 . 1 6 + 3 6 4 6 5 8 5 6 5 2 5 + 4 3 6 2 7 6 8 2 6 1 4 + - - 2 6 0 2 9 0 ‘ 8 7 3 + 3 7 5 5 5 6 5 7 2 + 2 8 3 4 3 2 3 0 1 + 2 9 3 3 3 O 2 2 H e r e , t h e s e c o n d t o s i x t h c o l u m n s r e p r e s e n t t h e c u r r e n t s ( i n e u A ) o f i n d i v i d u a l c h a r g e s t a t e s o f o x y g e n a t v a r i o u s t u n e s . N o t e t h a t t h e c u r r e n t f o r t h e 4 + c h a r g e 4 6 6 s t a t e i s a m b i g u o u s , b e i n g a c o m b i n a t i o n o f 0 4 + , I - I e 2 + a n d C 3 “ e a c h o f w h i c h h a s a Q / M r a t i o o f 4 . ( T h e r e a l O 4 + c u r r e n t m a y o n l y b e f o u n d g r a p h i c a l l y , b y e x t r a p o l a t i n g t h e 3 + a n d 5 + c u r r e n t l e v e l s t o t h e e x p e c t e d 4 + c u r r e n t . ) T h e c u r r e n t s o f c o l u m n ( a ) a r e t h e fi r s t r e s u l t s o f t h e 2 . 4 5 G H z S C E C R o x y g e n p l a s m a , a s p l o t t e d i n t h e C S D o f F i g u r e 1 0 . 4 . F r o m c o l u m n s ( a ) t o ( d i n T a b l e 2 ) , t h e p r o g r e s s i o n o f f u r t h e r t u n i n g a n d g a s m i x i n g i s s e e n , w h e r e b y t h e r e i s a g r a d u a l d e c r e a s e i n t h e l o w c h a r g e s t a t e p r o d u c t i o n , w h i l e t h e h i g h c h a r g e s t a t e s i n c r e a s e . D a t a a r e t a k e n w i t h a b o u t 7 5 W i n p u t , 2 5 W r e fl e c t e d , a n d w i t h p r e s s u r e l e v e l s o f 1 . 2 X 1 0 ' 7 T o r r i n t h e fi r s t s t a g e , a n d 2 . 4 X 1 0 ' 7 T o r r i n t h e e x t r a c t i o n s t a g e . A s a c o m p a r i s o n , t h e l a s t c o l u m n i n t h e p r e v i o u s t a b l e i s t h e o x y g e n p r o d u c t i o n f r o m t h e 6 . 4 G H z R o o m T e m p e r a t u r e E C R i o n s o u r c e ( R T E C R ) a t t h e N S C L a f t e r o v e r o n e y e a r o f o p t i m i z a t i o n a n d t u n i n g . N o t e t h a t w i t h i n t w o d a y s , t h e S C E C R a t 2 . 4 5 G H z o p e r a t i o n m a t c h e s o r e x c e e d s t h e h i g h c h a r g e s t a t e p r o d u c t i o n f r o m t h e R T E C R . A m u l t i p l y c h a r g e s t a t e p r o d u c i n g i o n s o u r c e m a y b e t u n e d f o r e n h a n c i n g t h e p r o d u c t i o n o f a n y o n e c h a r g e s t a t e . T h e a b o v e d a t a o n t h e S C E C R a r e t a k e n w i t h t h e s o u r c e t u n e d t o t h e 5 + s t a t e , a n d t h e g r a d u a l i n c r e a s e i n i t s c u r r e n t p r o d u c t i o n , f r o m 6 2 , t o 7 6 t o 8 2 e u A i s e v i d e n t . T h e fi n a l o x y g e n / h e l i u m c h a r g e I s t a t e d i s t r i b u t i o n i s s h o w n i n F i g u r e 1 0 . 5 , a n d t h e c o m p a r a t i v e i n c r e a s e o f h i g h c h a r g e s t a t e c u r r e n t s ( r e l a t i v e t o t h e C S D o f F i g u r e 1 0 . 3 ) i s o b v i o u s . T h e d a t a o n t h e r i g h t s i d e o f t h e C S D i n d i c a t e s t h e m a g n e t i c c o i l . c u r r e n t s e t t i n g s , t h a t a t fi n a l t u n e a r e s e t ( i n A m p e r e s ) t o 1 7 . 6 , 5 . 4 , 0 , 0 , 9 , 4 0 . 7 ( t h e S F S T I , S F S T 2 , S F S T 3 , S E X T I , S E X T 2 a n d S H E X m a g n e t s r e s p e c t i v e l y ) . C o m p a r e t h e s e c u r r e n t s t o t h e i n i t i a l s e t t i n g s o f t h e c o i l s ( 1 5 . 2 3 , 5 . 4 , 0 . 3 6 , 0 . , 8 . 5 , 3 1 . 0 2 1 9 9 1 3 ' 9 3 9 2 s 9 . ) 0 9 5 “ s 9 4 7 9 . 7 i 2 m . . . . e 4 4 ' W a o 5 3 2 . 7 6 z 0 z o 0 r « . 2 d . 2 = . - - — . . o 0 5 r z d o 1 4 ' = . . - 4 Z 4 N v Z r o n r o s s n 0 - - 3 ' - r N u - - - 3 : — x r - - - r Z - I x d 1 e e m O o u o r 3 u - : u z e u s 7 1 2 U u 5 e l t a ' a t I t p p I c c c c c “ ( 3 G H A 0 i . 0 2 0 r t h a s w p m . o d c e e g r c a h n n a c e h h n y l W p e 1 i . e r b t l ‘ e 1 t 0 ‘ 1 0 3 1 0 0 I 1 ‘ 0 1 I 1 . 1 2 1 0 1 I 5 : ‘ 0 o u t m n a p a h e c e m s s o i h e r f t r a n d i s e e t 2 t c a e e t l s p x b a e e g T r s f a a o h ) c , d d ( h e g n F e r r f g o o r c a D h a c S t a w C . d o e S h l I s t R 1 s I ‘ 1 0 c I 0 | u r 1 1 . s i m e h ' 5 ‘ 0 o I s “ ) ‘ I h e p l h e o t d I c 1 N l 2 . e o 4 r t . 0 a s 1 d n e o r s e t a u p t g s s i H e I 1 — _ — _ — . n i 0 ' 0 0 C . h o o . . - 0 i e ” 5 « 0 1 0 0 . 1 0 - T t t E G o a l - 3 . 1 9 6 I l fl e H U I - 1 2 0 4 6 7 4 6 8 A m p e r e s ) t h a t w e r e d i r e c t l y s c a l e d d o w n f r o m t h e 6 . 4 G H z H i g h - B fi e l d s . T h i s c h a n g e i n c o i l c u r r e n t i n d i c a t e s a c t i v e t u n i n g a n d a d y n a m i c r e s p o n s e f o r e n h a n c i n g t h e p r o d u c t i o n o f t h e 5 + c h a r g e s t a t e . N o t e t h a t t h e c o i l c u r r e n t s w i l l b e d i f f e r e n t i f t h e S C E C R i s t u n e d t o o p t i m i z e a n y o t h e r c h a r g e s t a t e . 1 . 4 . r a t i o n a l P e r f o c e - A R N O n c e t h e p r e l i m i n a r y o x y g e n r e s u l t s w e r e o b t a i n e d , t h e h e l i u m v a l v e w a s c l o s e d , a n d t h e g a s t h e n c h a n g e d t o a r g o n , w i t h o x y g e n n o w a c t i n g a s t h e b a l l a s t . A s m a y b e s e e n f r o m F i g u r e 1 0 . 6 , t h e i n i t i a l c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n i m m e d i a t e l y s h o w e d m u l t i p l y i o n i z e d a r g o n i o n s , c o r r e s p o n d i n g t o c o l u m n ( a ) o f T a b l e 3 ( o n p a g e 4 7 0 ) . T h e s e d a t a w e r e t a k e n w i t h 1 0 0 W 2 . 4 5 G H z i n p u t p o w e r . a b o u t 2 0 W r e fl e c t e d . T h e fi r s t s t a g e p r e s s u r e w a s 1 . 4 3 X 1 0 ' 7 T o r r , w h i l e i t w a s 3 . 7 7 X 1 0 ' 7 T o r r i n t h e e x t r a c t i o n r e g i o n o f t h e S C E C R . N o t e t h a t t h e m i c r o w a v e c i r c u l a t o r b e i n g u s e d l i m i t s t h e s u m o f t h e r e fl e c t e d a n d i n c i d e n t p o w e r t o a b o u t 1 5 0 W , a n d t h e r e f o r e h i g h e r p o w e r t e s t s c o u l d n o t b e d o n e u s i n g t h i s s e t u p . O n c e a g a i n , i t i s c o n fi r m e d t h a t t h e S C E C R c a n p r o d u c e m u l t i p l y c h a r g e d i o n s a t 2 . 4 5 G H z o p e r a t i o n a l f r e q u e n c y . A t 1 0 k V e x t r a c t i o n b i a s , t h e t o t a l d r a i n c u r r e n t w a s a b o u t 0 . 4 0 m A . T h e m a g n e t c u r r e n t s w e r e a s f o l l o w s : 1 7 . 2 6 , 5 . 4 0 , 0 , O , 9 . 2 3 , 3 4 . 4 5 A r n p e r e s . W i t h i n a f e w h o u r s o f o p e r a t i o n a n d t u n i n g . t h e A r 9 " ’ i o n b e a m w a s p r o d u c i n g a c u r r e n t o f a b o u t 4 4 e u A . T h e S C E C R w a s t h e n l e f t t o c o n d i t i o n i n a r g o n o v e r n i g h t . B y t h e n e x t m o r n i n g , f u r t h e r o u t g a s s i n g h a d r e s u l t e d i n l o w e r i n g t h e p r e s s u r e f u r t h e r , w i t h t h e fi r s t s t a g e a t 1 . 1 8 X 1 0 ' 7 T o r r , a n d t h e e x t r a c t i o n r e g i o n p r e s s u r e b e i n g 2 . 9 X 1 0 ' 7 T o r r . S e v e r a l o t h e r C S D s w e r e t a k e n a s t h e 7 6 9 1 7 ¢ 9 9 9 3 4 8 9 ! 8 1 1 0 0 . 6 . . . 9 1 . 6 2 2 . 2 0 3 6 7 O - . ‘ 2 0 1 0 - - - I I 7 . - ' 1 2 V 1 Z I 3 1 S L N I L I - - U O O O U 1 2 l - - l T I a U U 1 0 4 3 1 1 5 P P I l I C C G 1 H H | | | | | | | | | | | | . | l | ‘ | 1 I I ‘ 1 I I 2 1 I L L L I I W W 0 . 0 1 0 . 0 1 - 1 0 . 0 ‘ 0 1 3 2 1 “ 2 0 0 — - r ' 1 0 2 0 2 ! 2 ‘ 2 ‘ 2 . 3 0 3 2 l H U V = 1 0 . 0 3 H U I - 0 . 4 4 3 G a l l - 2 . 6 9 3 I A : A u x - 4 1 0 ' 0 8 1 1 9 4 0 . 4 a c r o - u r - r s u 1 1 : 3 4 “ / 0 2 u r e a 2 . 0 5 E r : c a m e r a : T h e S C E C R a l s o p r o d u c e m u l t i p l y c h a r g e s t a t e s o f a r g o n , a n d c o r r e s p o n d s t o c o l u m n ( a ) o f T a b l e 3 i n t h i s c h a p t e r . T h e d a t a o n t h e r i g h t i n d i c a t e s t h e c o i l c u r - r e n t s ( i n a m p e r e s ) a t w h i c h t h i s C S D w a s t a k e n . N o t e t h a t o x y g e n i s t h e b a l l a s t . 4 6 9 4 7 0 S C E C R w a s t u n e d t o A r t ” , w h i c h u l t i m a t e l y p r o d u c e d o v e r 4 0 e u A c u r r e n t , w h i l e t h e A r 1 1 * p r o d u c e d a b o u t 3 . 2 e u A o f c u r r e n t . F i g u r e 1 0 . 7 s h o w s t h e fi n a l a r g o n / o x y g e n C S D c o r r e s p o n d i n g t o c o l u m n ( d ) o f T a b l e 3 w h i c h s h o w s t h e p r o g r e s s i o n i n a r g o n c h a r g e s t a t e p r o d u c t i o n a s t h e S C E C R i s t u n e d o v e r a p e r i o d o f l e s s a b o u t 2 4 h o u r s . T a b l e 3 : T i m i n g e f f e c t s o n a r g o n p r o d u c t i o n f r o m t h e 2 . 4 5 G H z S C E C R c h a é g g o s l t e ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 1 2 + - - - - 1 1 + - 1 4 4 . 2 1 0 + 3 1 8 1 5 2 2 9 + 1 2 2 0 . 5 2 0 2 3 8 + 2 7 4 2 3 4 3 6 7 + 3 6 . 5 3 6 2 3 2 2 6 + 2 5 3 O 1 6 1 5 5 + 3 7 6 5 4 4 - 4 + 3 0 2 1 1 0 . 5 1 0 3 + 3 3 2 0 l l 9 2 + 4 2 2 4 1 4 1 1 . 5 T h e fi r s t c o l u m n i s t h e s p e c i fi c c h a r g e s t a t e o f a r g o n , w h i l e t h e o t h e r f o u r c o l u m n s a r e t h e c u r r e n t s ( i n e u A ) a s t h e S C E C R i s t u n e d t o t h e p r o d u c t i o n o f A r s “ . O n c e a g a i n t h e l o w c h a r g e s t a t e s ( 2 + a n d 3 + ) a r e d e p r e s s e d a s t h e t u n i n g a 7 9 2 3 1 6 S 9 z 3 0 2 3 e 9 6 9 e 9 5 9 8 8 o 9 O . 4 . . . 7 9 4 e s 9 0 . . z 7 6 6 0 s 7 . . 0 z 0 r 6 6 o o . 3 O e . 4 . o . 1 A 1 3 o 3 5 - - . - 7 . 0 . o - - 1 - 6 - 1 r 0 - I = - I v I n L v U u U I 3 o Z ‘ s 1 s e o o o 1 - l - - N U - I - - - - - - - - 5 I a x I O O O 4 o u U s 7 s a . U 1 z 3 s d e e I c c c c 6 H G H A e m ] 4 L _ I . L L . L L l t i a r h t a s w p m . o d c e e g r c a h n n c a e h h n y l W p e . e t i r b l e t p a h c o u t m n a e e m s s o i r h e t r f a n d C c c u H n P I I 0 c 0 6 1 c 7 e ( r 0 0 I 1 2 I 0 6 I : . _ i s e I _ J L t e t 3 t c e a e l p t s b x a e e T g e s u r f C a . _ I _ 0 9 1 1 o a h ) c . d d ( h e g s n i s J u r n m h e o I d - l e p h e o I u c n d t I I I I T , o 6 . t . e r a 0 0 : s 1 9 d s 0 e ‘ a ! p u t n e o r t I ’ s s g I F Y r e l i e - l f g r ' I - l l o r o c a D h a c ' S t t . _ - _ n I _ _ d a w i C d E o _ . - _ e o o a 0 0 , 0 0 o 0 . s ‘ t 2 b h l U F _ . . ° " 4 . . _ e - i , r ( ° 0 5 8 0 0 ‘ 0 2 5 0 0 3 2 3 2 1 1 - 1 h o o 3 T t t 1 ‘ 0 F l 1 7 T h fl n 4 7 1 4 7 2 f o r h i g h c h a r g e s t a t e s g e t s b e t t e r . N o t e t h a t t h e 1 0 + c h a r g e s t a t e o f a r g o n ( Q / M o f 4 ) i s a c o m b i n a t i o n o f A r m " a n d O 4 + s i n c e o x y g e n i s a c t i n g a s t h e b a l l a s t g a s i n t h i s e x p e r i m e n t . T h e A r 1 0 + o n l y c u r r e n t f o r t h e d a t a c o r r e s p o n d i n g t o t h e f o u r t h C S D ( d a t a c o l u m n ( d ) ) i s a b o u t 1 0 e p A , w h e r e t h i s n u m b e r i s e x t r a p o l a t e d g r a p h i c a l l y fi ' o m t h e 9 + a n d 1 1 + c u r r e n t v a l u e s . I n F i g u r e 1 0 . 7 o n c e a g a i n , t h e fi n a l m a g n e t i c c o i l c u r r e n t s s h o w n o n t h e r i g h t h a n d s i d e a r e s e e n t o b e d i f f e r e n t f r o m t h e i n i t i a l c o i l s e t t i n g s o f F i g u r e 1 0 . 6 . J u s t l i k e f o r t h e o x y g e n d a t a , t h i s i n d i c a t e s a d y n a m i c t u n i n g t o t h e o p t i m i z e t h e p r o d u c t i o n o f a s p e c i fi c a r g o n c h a r g e s t a t e . A t t h i s j u n c t u r e . l o s s o f t h e f o c u s s i n g s o l e n o i d o n t h e S C E C R e x t r a c t i o n s y s t e m e f f e c t i v e l y s h u t d o w n t h e s e e x p e r i m e n t s . s i n c e fi x i n g t h e m a g n e t p o w e r s u p p l y w o u l d h a v e t a k e n l o n g e r t h a n t h e a l l o t t e d t i m e o n t h e S C E C R f o r t h e s e e x p e r i m e n t s . S o w h i l e t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f n e w h a r d w a r e f o r t h e fi r s t s t a g e t o o k s e v e r a l w e e k s t o a c c o m p l i s h , t h e a c t u a l e x p e r i m e n t s l a s t e d o n l y t h r e e t o f o u r d a y s . H o w e v e r , s i g n i fi c a n t d a t a w e r e t a k e n i n t h e s e l a s t f e w d a y s t h a t l e a d t o s o m e i n t e r e s t i n g c o n c l u s i o n s , w i t h p o s i t i v e f u t u r e i m p l i c a t i o n s , w h i c h a r e d i s c u s s e d i n t h e n e x t t w o s e c t i o n s . F i g u r e s 1 0 . 8 a n d 1 0 . 9 c o m p a r e t h e c u r r e n t p r o d u c t i o n ( i n p a r t i c l e m i c r o - A m p e r e s ) 6 f t h e S C E C R a t 2 . 4 5 G H z w i t h t h a t o f f o u r o t h e r E C R I S t h a t o p e r a t e a t h i g h e r f r e q u e n c i e s . T h e s e a r e t h e 1 0 G H z M i n i r n a fi o s [ B o u - 8 6 ] , t h e B e r k e l e y E C R i o n s o u r c e a t 6 . 4 G H z [ L y n - 8 7 ] , t h e O a k r i d g e N a t i o n a l L a b o r a t o r y ( O R N L ) E C R I S o p e r a t i n g a t 1 0 . 6 G H z [ M e y - 8 6 ) , a n d t h e 6 . 4 G H z N S C L r o o m 0 5 1 0 E C H A R G S T A T E 1 5 2 0 4 7 3 1 0 0 3 2 " 1 0 3 3 - 4 3 2 H . 1 z _ L I J 0 : C E 1 t 3 : U I 0 . 1 : . . \ : * H H M I n i m o r o s ( 1 0 G H z \ I 0 9 8 9 6 L B L E C R I S ( 6 . 4 G H z Z O O - 6 0 + ) O R N L E C R I S ( 1 0 . 6 G H Z ) I : 1 4 4 - 4 4 4 N S C L R T E C R 6 . 4 G H z ) 9 9 6 6 0 N S C L S C E C R 2 . 4 5 C H I ) 0 , 0 1 I I I T I I I I I I I I I I I I I I I I T I I I I I I I I T I I I I I I T I I 1 . 4 i 3 5 w ) I : . 1 1 4 1 ' 1 “ . . U ‘ I - 3 3 ' ” . 3 i r ' 3 1 T h e 2 . 4 5 G H z S C E C R c u r r e n t p r o d u c t i o n o f a r g o n c h a r g e s t a t e s i s c o m p a r e d t o t h a t o f f o u r o t h e r m u l t i p l y c h a r g e d i o n s p r o d u c i n g E C R I S . N o t e t h a t t h e 2 . 4 5 G H z o p e r a t i o n o f S C E C R p r o d u c e s c u r r e n t s o f t h e s a m e o r d e r o f m a g n i t u d e . d e s p i t e t h e l a c k o f t i m e f o r o p t i m i z a t i o n o f t h e s e e x p e r i m e n t s . 1 1 1 1 1 1 1 4 l l l i i l i L L 1 1 1 1 1 1 1 ) A u e ( T N E R R 1 U C 1 1 1 1 4 1 1 1 l i l i L 4 7 4 1 0 0 0 1 0 0 1 0 l 4 . . . . . . M i n i m o f i o s ( 1 0 G H z \ _ o a s e s L B L E C R I S ( 6 . 4 G H z \ 0 6 4 4 4 O R N L E C R I S ( 1 0 . 6 G H z ) \ 0 1 4 4 4 4 + N S C L R T E C R ( ( 6 . 4 G H z ) 0 ' G e e s e N S C L S C E C R 2 . 4 5 G H z ) T I I T I I l [ T l r l l l l l I l l l l l l l l r j l I I I F F I I T I I I I I I I I I F I I I 0 2 4 6 8 1 0 C H A R G E S T A T E T h e 2 . 4 5 G H z S C E C R c u r r e n t p r o d u c t i o n o f o r r y g e n c h a r g e s t a t e s i s c o m p a r e d t o t h a t o f f o u r o t h e r m u l t i p l y c h a r g e d i o n s p r o d u c i n g E C R I S . N o t e t h a t t h e 2 . 4 5 G H z o p e r a t i o n o f S C E C R p r o d u c e s c u r r e n t s o f t h e s a m e o r d e r o f m a g n i t u d e . d e s p i t e t h e l a c k o f t i m e f o r o p t i m i z a t i o n o f t h e s e e x p e r i m e n t s . 4 7 5 t e m p e r a t u r e s o u r c e R T E C R [ A n t - 8 7 ] . F i g u r e 1 0 . 8 c o m p a r e s t h e a r g o n c u r r e n t s , w h i l e F i g u r e 1 0 . 9 s h o w s t h e o x y g e n c u r r e n t s . T h e o b j e c t o f t h e s e t w o fi g u r e s i s n o t f o r t h e 2 . 4 5 G H z S C E C R p e r f o r m a n c e t o c o m p e t e w i t h t h a t o f t h e o t h e r s o u r c e s , s i n c e t h e r e s u l t s o f t h e S C E C R o p e r a t i n g a t 2 . 4 5 G H z a r e p r e l i m i n a r y a n d b a s e d o n o n l y f o u r d a y s o f o p t i m i z a t i o n , w h i l e t h e o t h e r s o u r c e s h a v e s e v e r a l y e a r s o f t u n i n g a n d o p t i m i z a t i o n a m o n g t h e m . M o r e i m p o r t a n t l y , t h e 2 . 4 5 G H z p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R i s s i g n i fi c a n t l y l o w e r t h a n t h e H i g h - B 6 . 4 G H z o p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R . H o w e v e r , F i g u r e s 1 0 . 8 a n d 1 0 . 9 d e m o n s t r a t e t h a t 2 . 4 5 G H z i s a v e r y v i a b l e f r e q u e n c y f o r g e n e r a t i n g m u l t i p l y c h a r g e d i o n s - b o t h fi g u r e s c l e a r l y s h o w t h a t a t t h i s l o w e r f r e q u e n c y , t h e S C E C R h a s t h e s a m e o r d e r o f m a g n i t u d e h i g h c h a r g e s t a t e p r o d u c t i o n a s o t h e r h i g h e r f r e q u e n c y s o u r c e s . F i g u r e 1 0 . 1 0 c o m p a r e s t h e 2 . 4 5 G H z p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R w i t h t h a t o f t h e O R N L i o n s o u r c e f o r a n a r g o n p l a s m a , w h i c h w a s a l s o s t u d i e d f o r t h e p r o d u c t i o n o f h i g h c h a r g e s t a t e s a t 2 . 4 5 G H z [ M e y - 8 5 ] . B o t h r e s u l t s ( 2 . 4 5 G H z a n d 1 0 . 6 G H z ) f o r t h e O R N L E C R I S w e r e s i m u l t a n e o u s l y p u b l i s h e d i n o n e p a p e r , a n d t h e i m p l i c a t i o n w a s t h e r e b y m a d e t h a t 2 . 4 5 G H z r e s u l t s w e r e p o o r , t h e r e f o r e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w h a d b e e n v a l i d a t e d . T h e l o w e r f r e q u e n c y o p e r a t i o n o f t h e O R N L s o u r c e i s d r a m a t i c a l l y l o w e r t h a n i t s 1 0 . 6 G H z - w h i c h w a s t h e n c o n s i d e r e d “ p r o o f “ o f t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w . H o w e v e r ; F i g u r e 1 0 . 1 0 s h o w s t h a t t h e 2 . 4 5 G H z H i g h - B m o d e S C E C R r e s u l t s a r e b e t t e r t h a n t h e 1 0 . 6 G H z O R N L E C R I S r e s u l t s . M o r e i m p o r t a n t l y , t h e s h a p e o f t h e c u r v e s f o r b o t h t h e 1 0 . 6 G H z O R N L s o u r c e , a n d t h e 2 . 4 5 G H z H i g h - B S C E C R a r e s i m i l a r - i n d i c a t i n g s i m i l a r a t o m i c p h y s i c s i n t e r a c t i o n s o c c u r r i n g i n b o t h t h e s o u r c e s , a n d l e a d i n g t o s i m i l a r o r d e r o f m a g n i t u d e p r o d u c t i o n o f h i g h c h a r g e ) A u e ( t n e r r u C 4 7 6 1 0 0 E l 1 0 g 1 ' 2 i 0 . 1 g 3 0 . 0 1 g d \ 0 . 0 0 1 g 0 3 1 3 1 3 5 1 3 9 O R N L E C R I S 2 . 4 5 G H z s 0 0 - 0 0 4 O R N L E C R I S 1 0 . 6 G H z t 0 6 9 9 0 N S C L E C R I S 2 . 4 5 G H z 0 , 0 0 0 1 I I I I T T T I I I I I l l l l l l l l l l l l l T T I I I I T l I I I I T 4 8 1 2 1 6 C h a r g e S t a t e 3 1 . 4 1 1 . 1 r - u - . : . - r - - . - n f h O R N L . . . a _ _ w a - : 3 - . . 1 : w i t h t h e § Q E C R g ; 2 , 4 § G H z T h e S C E C R 2 . 4 5 G H z o p e r a t i o n c l e a r l y o u t p e r f o r m s t h e 2 . 4 5 G H z O R N L s o u r c e o p e r a t i o n . N o t e i n p a r t i c u l a r t h e e x a c t s h a p e o f t h e 1 0 . 6 G H z O R N L s o u r c e d a t a a n d t h e s h a p e o f t h e 2 . 4 5 G H z S C E C R d a t a . 4 7 7 s t a t e s . N o t e t h a t f u r t h e r o p t i m i z a t i o n o f t h e O R N L E C R I S l e d t o s o m e w h a t h i g h e r c u r r e n t s , a s e v i d e n t f r o m t h e O R N L d a t a i n F i g u r e 1 0 . 8 ( t a k e n f o r t h i s fi g u r e f r o m R e f e r e n c e M e y - 8 6 ) . T h e r e a r e s o m e v e r y r e a l p a y - o f f s t o t h e e x p e r i m e n t s d e t a i l e d i n t h i s c h a p t e r . T h e s e a r e d i s c u s s e d i n t h e n e x t t w o s u b - s e c t i o n s , w h e r e s o m e “ p r o b l e m s ” w i t h c o n v e n t i o n a l E C R I S a r e d i s c u s s e d , r e l a t i v e t o t h e n e w E C R I S d e v i s e d i n t h i s c h a p t e r - t h e m o d i fi e d S C E C R o p e r a t i n g i n i t s H i g h - B m o d e w i t h 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n f r e q u e n c y . I n t e r e s t i n t h i s n e w E C R I S i s r i s i n g . b o t h f r o m a c a d e m i c a n d i n d u s t r i a l l a b o r a t o r i e s . 1 9 . ; 1 P r o b l e m s w i t h C o n v e n t i o n a l 1 9 0 n g f o r M u l t i p l y C h a r g e d I o n s A s m e n t i o n e d i n t h e i n t r o d u c t i o n t o t h i s c h a p t e r . t h e “ o l d m e t h o d ” o f E C R I S d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t r e l i e s o n t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w t o o b t a i n i n t e n s e m u l t i p l y c h a r g e d i o n b e a m s . T h e r e f o r e , a t y p i c a l E C R I S r e q u i r e s o v e r $ 2 0 0 0 0 0 c a p i t a l c o s t s , o f w h i c h a b o u t a t h i r d i s f o r m i c r o w a v e g e n e r a t i o n a p p a r a t u s , a t h i r d f o r m a g n e t d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n , a n d t h e r e m a i n i n g f o r t h e m e c h a n i c a l s t r u c t u r e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n [ A n t - 9 4 c , A n t - 9 5 ] . S p e c i fi c a l l y , t h e 6 . 4 G H z k l y s t r o n s t h a t p o w e r t h e h i g h f r e q u e n c y m i c r o w a v e . s u p p l i e s a r e a b o u t $ 6 0 0 0 0 , a n d t h e 1 8 G l - l z k l y s t r o n p o w e r s u p p l i e s m a y c o s t u p t o $ 1 0 0 0 0 0 0 . T h e s e h i g h f r e q u e n c y i o n s o u r c e s c a n a l s o b e v e r y b u l k y d u e t o t h e s p a c e r e q u i r e m e n t s f o r h i g h m a g n e t i c fi e l d s a n d k l y s t r o n a m p l i fi e r s . B e y o n d 2 0 G H z . t h e p o w e r a v a i l a b l e f r o m t h e k l y s t r o n s s i g n i fi c a n t l y d e c r e a s e s a n d e v e n m o r e e x p e n s i v e g y r o t r o n s m u s t b e u s e d f o r m i c r o w a v e p o w e r . N o t e a l s o t h a t t h e m a g n e t i c fi e l d r e q u i r e d f o r E C R h e a t i n g i s d i r e c t l y 4 7 8 p r o p o r t i o n a l t o t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n , s o a s t h i s f r e q u e n c y i s r a i s e d f o r h i g h e r d e n s i t y ( b a s e d o n t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g ) , t h e m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h f o r E C R H m u s t a l s o b e r a i s e d . F o r e x a m p l e . t h e f i e l d s t r e n g t h r e q u i r e d a t 2 . 4 5 G H z i s 8 7 5 G a u s s , b u t j u m p s u p t o a b o u t 2 3 0 0 G a u s s f o r 6 . 4 G H z . H e n c e h i g h e r p o w e r c o i l s a r e n e c e s s a r y t o o b t a i n t h e d e s i r e d m a g n e t i c fi e l d s , o r s u p e r c o n d u c t i n g t e c h n o l o g y i s u t i l i z e d , l e a d i n g t o c o s t s a n d m a i n t e n a n c e o f c r y o g e n i c s y s t e m s . T h e r e a r e s o m e l o w f r e q u e n c y , l o w c o s t i o n s o u r c e s t h a t p r o d u c e “ i n t e n s e 1 + i o n b e a m s ” ( l i k e t h e C h a l k R i v e r i o n s o u r c e ) . T h e s e p l a s m a s o u r c e s p r o d u c e a b o u t 0 . 1 m A t o 1 . 0 m A o f t o t a l e x t r a c t e d c u r r e n t , w i t h 2 + i o n c u r r e n t b e i n g m u c h l e s s t h a n t h e 1 + c u r r e n t . T h e 3 + i o n c u r r e n t i s v i r t u a l l y z e r o . M a n y o f t h e s e 1 + s o u r c e s a r e a r e d i s c h a r g e s . b a s e d o n e l e c t r o d e s p r o t r u d i n g i n t o t h e p l a s m a . H e n c e t h e y a r e s e n s i t i v e t o s p u t t e r i n g o r c h e m i c a l e r o s i o n t h a t l e a d s t o r e d u c e d l i f e t i m e . a n d l i m i t s g e n e r a t i o n o f s o m e i o n s p e c i e s . l g . § . 2 B e n e fi t s o f t h i s “ N e w § _ q u r c e ” T h e n e w t y p e i o n s o u r c e d e v e l o p e d i n t h i s c h a p t e r i s a s i m p l e 2 . 4 5 C H 2 E C R i o n s o u r c e t h a t p r o d u c e s s i g n i fi c a n t c u r r e n t s o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s w i t h o u t S e v e r a l c o s t s a s s o c i a t e d w i t h t h e h i g h e r f r e q u e n c y E C R I S . I t ‘ i s a l o w c o s t s o u r c e . u s i n g a n a b u n d a n t l y a v a i l a b l e 2 . 4 5 G H z m a g n e t r o n b a s e d m i c r o w a v e s u p p l y ( t h a t m a y b e o b t a i n e d f o r a s l o w a s $ 1 0 0 0 0 c o m p a r e d t o t h e d o l l a r fi g u r e s q u o t e d i n S e c t i o n 1 0 . 5 . 1 ) . C o m p a r e d t o e x i s t i n g s o u r c e s i n t h e l o w f r e q u e n c y r e g i m e s , t h e c u r r e n t s o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s g e n e r a t e d i n t h e S C E C R d i s c u s s e d . i n t h i s c h a p t e r a r e o r d e r s o f m a g n i t u d e h i g h e r i n i n t e n s i t y . 4 7 9 T h e r e a r e n o e l e c t r o d e s i n t h e p l a s m a , t h e r e b y n o a r c i n g o r s p u t t e r i n g w e a r s t h e s o u r c e a w a y . O t h e r t h a n l o w e r i n t e n s i t i e s o f c u r r e n t p r o d u c t i o n ( w h i c h m a y b e i n c r e a s e d b y f u r t h e r t e s t i n g a n d o p t i m i z a t i o n ) , t h e r e i s n o d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R a t 2 . 4 5 G H z , f r o m i t s p e r f o r m a n c e a t 6 . 4 G H z . H e n c e t h e r e s h o u l d n o l i m i t a t i o n o n s p e c i e s g e n e r a t i o n - a l l i o n . s p e c i e s m a y b e p r o d u c e d , i n c l u d i n g m e t a l l i c i o n s t h r o u g h p l a s m a a s s i s t e d s p u t t e r f e e d . A n o t h e r o b v i o u s a d v a n t a g e o f o p e r a t i n g t h e S C E C R a t a l o w e r f r e q u e n c y i s t h e l o w e r m a g n e t i c fi e l d r e q u i r e m e n t s f o r b o t h E C R H a n d c o n fi n e m e n t t h a t n o t o n l y r e d u c e t h e p o w e r c o s t s f o r t h e m a g n e t i c c o i l s ( r o o m t e m p e r a t u r e , o r s u p e r c o n d u c t i n g ) , b u t m a y i n d e e d b e g e n e r a t e d b y p e r m a n e n t m a g n e t s , t h e r e b y e l i m i n a t i n g c o m p l e t e l y t h e c o s t o f m a g n e t m a i n t e n a n c e . F r o m a l o g i s t i c a l p o i n t o f v i e w , t h e c o m p a c t p o w e r s u p p l y f o r t h e 2 . 4 5 G H z m a g n e t r o n i s m u c h e a s i e r t o m o v e , o r p l a c e o n a h i g h v o l t a g e p l a t f o r m a l o n g w i t h t h e s o u r c e ( a s i s d o n e f o r t h e A r g o n n e N a t i o n a l L a b o r a t o r y E C R I S ) t h a n t h e g i a n t t r a n s m i t t e r s t h a t g e n e r a t e t h e 1 0 G H z o r h i g h e r fi e l d s . A l s o , t h e r e a r e p o t e n t i a l c o s t s a v i n g s f r o m l o w e r u t i l i t i e s , s p a c e r e q u i r e m e n t s , a i r h a n d l i n g c a p a c i t y , c o o l i n g , e t c . f o r t h e l o w f r e q u e n c y m a g n e t r o n b a s e d p o w e r s u p p l i e s . S e v e r a l m a r k e t s c a n p o t e n t i a l l y b e n e fi t f r o m a n E C R I S b a s e d o n t h e 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n o f t h e S C E C R i n i t s H i g h - B m o d e . S i n c e t h i s n e w E C R I S w o u l d b e s m a l l i n s i z e ( c o m p a r e d t o t h e k l y s t r o n p o w e r e d s o u r c e s ) , w i t h l o w e r p o w e r c o n s u m p t i o n ( t e n s t o a h u n d r e d w a t t s c o m p a r e d t o t h e k i l o w a t t r a n g e o f p o w e r u s e d i n c u r r e n t E C R s o u r c e s ) , a n d w i t h m i n i m a l c o n t r o l a p p a r a t u s d u e t o i t s ' s i m p l e t u r n k e y d e s i g n . t h e s o u r c e m a y b e s i t e d a t s e v e r a l l o c a t i o n s w h e r e c o n v e n t i o n a l m u l t i p l y c h a r g e d i o n s o u r c e s a r e p r o h i b i t e d b e c a u s e o f t h e i r s i z e s . E x a m p l e s o f s u c h s i t e s a r e t h e t e r m i n a l o f a p r e - a c c e l e r a t o r , o r a t a n d e m 4 8 0 a c c e l e r a t o r , a t r e s e a r c h a n d a c a d e m i c l a b o r a t o r i e s , o r f o r m e d i c a l a c c e l e r a t o r s ( l i k e t h e H a r p e r H o s p i t a l m e d i c a l c y c l o t r o n d e s i g n e d a n d m a i n t a i n e d b y t h e N S C L ) . D u e t o t h e a b o v e m e n t i o n e d a d v a n t a g e s ( s m a l l s i z e , l o n g l i f e t i m e , h i g h c u r r e n t p r o d u c t i o n , e t c . ) , t h i s p o t e n t i a l l y n e w E C R I S m a y fi n d a p p l i c a t i o n i n i n d u s t r i a l i o n i m p l a n t e r s a l s o . T y p i c a l l y t h e s e i m p l a n t e r s h a v e a n i o n s o u r c e t h a t p r o d u c e s l o w c h a r g e s t a t e s ( s a y 1 + ) . T h e 1 + i o n s a r e t h e n a c c e l e r a t e d b y b i a s i n g t h e e x t r a c t i o n e l e c t r o d e s . H o w e v e r . t h e e n e r g y i m p a r t e d t o a n i o n i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o i t s c h a r g e s t a t e . S o a 5 + i o n w o u l d a b s o r b fi v e t i m e s t h e e n e r g y o f a 1 + i o n w h e n t r a v e l l i n g t h r o u g h t h e s a m e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e . I f t h e 5 + c u r r e n t p r o d u c e d b y t h i s n e w 2 . 4 5 G H z i o n s o u r c e i s t h e s a m e a s t h e i n t e n s i t y o f t h e 1 + c o n v e n t i o n a l s o u r c e c u r r e n t l y b e i n g u s e d , t h i s l e a d s t o t w o p o s s i b l e s i t u a t i o n s . I f I n c w ( 5 + ) ~ I o l d ( l + ) , w h e r e I n m ( x + ) i s t h e i n t e n s i t y o f x + i o n s ( x i s e q u a l t o 1 , o r 5 i n t h e a b o v e “ g e d a n k e n - e x p e r i m e n t ” ) , t h e n , E n e w = 5 X E o l d f o r t h e s a m e a c c e l e r a t i n g p o t e n t i a l . w h e r e E n e w i s t h e e n e r g y i m p a r t e d t o t h e 5 + i o n s e x t r a c t e d f r o m t h e n e w 2 . 4 5 G H z i o n s o u r c e , a n d E d d i s t h e e n e r g o f t h e 1 + i o n s e x t r a c t e d f r o m c o n v e n t i o n a l i o n s o u r c e s i n i m p l a n t e r s f o r t h e s a m e b i a s p o t e n t i a l . A s a c o r o l l a r y . V n e w = o l d / 5 ' t h a t i s , t h e v o l t a g e r e q u i r e d t o a c c e l e r a t e t h e 5 + i o n s f r o m t h e n e w 2 . 4 5 G H z i o n s o u r c e t o t h e s a m e e n e r g y a s t h e l + i o n s f r o m c o n v e n t i o n a l i o n s o u r c e s i n 4 8 1 i m p l a n t e r s i s fi v e t i m e s l e s s . I t i s c l e a r f r o m t h e a b o v e t h o u g h t e x p e r i m e n t t h a t i o n i m p l a n t e r s m a y b e m a d e s i m p l e r a n d m o r e e f fi c i e n t w i t h t h e u s e o f a n e w 2 . 4 5 G H z i o n s o u r c e s i m i l a r t o t h e o n e d e s i g n e d a n d t e s t e d i n t h i s c h a p t e r . . C o c l u m a r A p r o o f o f p r i n c i p l e s t e s t h a s b e e n s u c c e s s f u l l y c o n d u c t e d o n t h e d e v e l o p m e n t o f a n e w e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e i o n s o u r c e f o r m u l t i p l y c h a r g e d i o n s , w i t h n o k n o w n t e c h n o l o g i c a l s h o w s t o p p e r s . T h i s n e w s o u r c e o p e r a t e s a t a l o w e r f r e q u e n c y o f 2 . 4 5 G H z u n l i k e o t h e r h i g h c h a r g e s t a t e i o n s o u r c e s i n t h e w o r l d t h a t g e n e r a l l y o p e r a t e i n t h e f r e q u e n c y r a n g e s t a r t i n g a b o u t 6 G H z , a n d u p t o 3 5 G H z . A t t h i s “ m i c r o w a v e o v e n ” f r e q u e n c y o f 2 . 4 5 G H z , m a g n e t r o n s a r e c h e a p a n d a b u n d a n t l y a v a i l a b l e , u n l i k e t h e k l y s t r o n a n d g y r o t r o n b a s e d m i c r o w a v e s u p p l i e s t h a t m a y b e s e v e r a l o r d e r s o f m a g n i t u d e s h i g h e r i n p r i c e . A l s o d u e t o t h i s l o w e r f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n , t h e r e q u i r e m e n t s o n m a g n e t i c fi e l d s t r e n g t h f o r c y c l o t r o n i c h e a t i n g o f e l e c t r o n s i s r e d u c e d , l e a d i n g t o l e s s e r c o s t s f o r m a g n e t s d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t . T h e d e s i g n o f s u c h a s o u r c e w a s f o l l o w e d u p w i t h s e v e r a l t e s t r u n s a t t h e N S C L , a n d w h i l e c o m p l e t e o p t i m i z a t i o n s t u d i e s h a v e n o t b e e n c o n d u c t e d , t h e o p e r a t i n g p a r a m e t e r s . ( g a s fl o w , p r e s s u r e , i n p u t p o w e r , e t c . ) f o r t h e g e n e r a t i o n o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s h a v e b e e n i d e n t i fi e d a n d f u r t h e r o p t i m i z a t i o n i s c o n s i d e r e d s t r a i g h t f o r w a r d . R e s u l t s i n d i c a t e t h a t a n i o n s o u r c e o p e r a t i n g a t 2 . 4 5 G H z i s ' a b l e t o g e n e r a t e m u l t i p l y c h a r g e d i o n s a s l o n g a s t h e a p p r o p r i a t e m a g n e t i c c o n fi g u r a t i o n - t h r o u g h t h e H i g h — B m o d e i n t h i s c a s e i s a b l e t o k e e p 4 8 2 t h e c o n fi n e m e n t t i m e o f c h a r g e s s p e c i e s h i g h e n o u g h f o r s u c c e s s i v e e l e c t r o n i m p a c t i o n i z a t i o n t o o c c u r . W h i l e o t h e r t r i a l s o n t h e o p e r a t i o n o f m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S a t 2 . 4 5 G H z h a v e b e e n r e p o r t e d [ M e y - 8 5 , L i e - 9 2 ] , t h i s i s t h e fi r s t t i m e t h a t t h e e x p e r i m e n t s h a v e g e n e r a t e d s u c h h i g h i n t e n s i t y o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s . I t h a s t h e r e f o r e b e e n c o n c l u s i v e l y s h o w n t h a t c o n t r a r y t o “ c o n v e n t i o n a l w i s d o m , ” h i g h c h a r g e s t a t e s c a n i n d e e d b e p r o d u c e d a t a l o w e r f r e q u e n c y o f e x c i t a t i o n . . T h i s “ c o n v e n t i o n a l w i s d o m ” a b o u t f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g t o i n c r e a s e i o n d e n s i t y ( a n d h e n c e i n c r e a s e h i g h c h a r g e s t a t e . p r o d u c t i o n ) f r o m a n E C R i o n s o u r c e h a s a l s o b e e n w e a k e n e d . W h i l e t h e d e v e l o p m e n t o f t h e H i g h - B m o d e ( E q n . 1 0 . 3 ) f o r t h e 6 . 4 G H z o p e r a t i o n o f t h e S C E C R w a s c r u c i a l t o q u e s t i o n i n g t h e v a l i d i t y o f t h i s “ l a w , ” r e s u l t s f r o m t h i s s u b - s t u d y ( 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n o f t h e S C E C R ) c l e a r l y i n d i c a t e a n e e d t o r e - e v a l u a t e t h e d e p e n d e n c e o n t h e o r e t i c a l c o n c l u s i o n s t h a t a r e f o u n d e d o n e x c e s s i v e l y s i m p l i f y i n g t h e p r o b l e m t o o b t a i n c l o s e d f o r m s o l u t i o n s - a s i n t h e c a s e o f t h e f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w . R e s e a r c h d e t a i l e d i n t h i s c h a p t e r h a s l e d t o t h e fi l i n g o f a U S a n d i n t e r n a t i o n a l p a t e n t f o r s u c h a n i o n s o u r c e [ A n t - 9 5 ] . U n d e r t h i s p a t e n t , t h e f o l l o w i n g c o v e r a g e i s i n c l u d e d : ( 1 . ) A m i c r o w a v e i n j e c t i o n s y s t e m , i n c l u s i v e o f a n y t e c h n i q u e o f ' m i c r o w a v e e n e r g y t r a n s p o r t a n d t r a n s m i s s i o n i n t o t h e v a c u u m v e s s e l ( l i k e r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e s , c o a x i a l c a b l e s , a d j u s t a b l e a n t e n n a e , e t c . ) f o r a l l f r e q u e n c i e s l e s s t h a n o r e q u a l t o 5 G H z , a n d i n p a r t i c u l a r f o r t h e p r o t o t y p e a t 2 . 4 5 G H z . ( 2 . ) F o r t h e p r o t o t y p e , a n o f f - a x i s r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e i n j e c t i o n w a s u s e d t o t r a n s m i t m i c r o w a v e e n e r g y a t 2 . 4 5 G H z i n t o t h e v a c u u m p l a s m a v e s s e l . 4 8 3 T h i s w a v e g u i d e s y s t e m a p p e a r s t o b e f r e q u e n c y s c a l a b l e a n d i s u n i q u e t o t h i s p r o t o t y p e . I t h a s a v a c u u m w i n d o w ( m a d e o f s p e c i a l l y c o n s t r u c t e d m i c a fi l m , o r o f t e fl o n , b o t h o f w h i c h a r e t r a n s p a r e n t t o m i c r o w a v e s ) s u c h t h a t p a r t o f t h e . r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e i s u n d e r v a c u u m . T o a c c o m m o d a t e t h e w a v e g u i d e a t a l o w e r f r e q u e n c y ( t h e d i m e n s i o n s o f t h e w a v e g u i d e i n c r e a s e w i t h d e c r e a s i n g f r e q u e n c y ) , a h a l f h e i g h t t r a n s f o r m e r . o r a t a p e r e d t r a n s i t i o n m a y b e u s e d t o r e d u c e t h e h e i g h t o f t h e w a v e g u i d e s o t h a t i t fi t s o n t o t h e v a c u u m v e s s e l . ( 3 . ) A n e x t r a c t i o n s y s t e m ( g e n e r a l l y w i t h m u l t i p l e e l e c t r o d e s b i a s e d t o s p e c i fi c v o l t a g e s ) a r r a n g e d s o a s t o b a l a n c e t h e s p a c e c h a r g e r a d i a l e l e c t r i c fi e l d . A T h i s p r o d u c e s a m a t c h e d i o n b e a m e x t r a c t i o n s y s t e m . T h i s p a t e n t , j o i n t l y fi l e d b y A n t a y a a n ' d ' S r i v a s t a v a w i t h M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i s c u r r e n t l y u n d e r r e v i e w b y t h e O f fi c e o f I n t e l l e c t u a l P r o p e r t y o f M S U , w i t h a c t i v e p a r t i c i p a t i o n o f B a b c o c k a n d W i l c o x , a n i n d u s t r i a l p a r t n e r i n t h e p a t e n t i n g a n d p o s s i b l e l i c e n s i n g o f t h i s n e w s o u r c e . A s m e n t i o n e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n , s e v e r a l b r a n c h e s o f r e s e a r c h m a y p o t e n t i a l l y b e n e fi t f r o m t h i s i n v e n t i o n , a n d t h e r e i s i n t e r e s t f r o m s e v e r a l s u c h q u a r t e r s t o c o n t i n u e r e s e a r c h t h a t h a s b e e n m e r e l y s t a r t e d i n t h i s c h a p t e r . R e s u l t s p r e s e n t e d h e r e a r e p r e l i m i n a r y . F u r t h e r e v a l u a t i o n n e e d s t o b e c o n d u c t e d o n s e v e r a l f r o n t s . M o r e t e s t s o n o x y g e n a n d a r g o n a r e n e e d e d w i t h t i m e t o t u n e t h e s o u r c e - s p e c i a l l y w i t h e m p h a s i s o n i n c r e a s i n g t h e h i g h c h a r g e s t a t e p r o d u c t i o n . W h i l e t h e 2 . 4 5 G H z H i g h - B m o d e o p e r a t i o n o f t h e S C E C R i s a b l e t o p r o d u c e h i g h c h a r g e s t a t e s , t h e i n t e n s i t i e s a r e m u c h l o w e r t h a n t h e , H i g h - B m o d e o p e r a t i o n o f t h e S C E C R a t 6 . 4 G H z . T h i s d i s c r e p a n c y n e e d s t o b e e x p l a i n e d , b y s o m e t h i n g o t h e r t h a n f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g . A n i n c r e a s e i n c o n fi n e m e n t t i m e t o a t t a i n t h e s e h i g h c h a r g e s t a t e s m a y b e r e a c h e d e i t h e r b y 4 8 4 i n c r e a s i n g m a g n e t i c c 0 n fi n e m e n t b y r a i s i n g t h e m i r r o r r a t i o s f u r t h e r , a n d / o r b y r e d u c i n g t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e f u r t h e r . M o r e a g g r e s s i v e g a s m i x i n g c o u l d a l s o b e t r i e d t o e n h a n c e h i g h c h a r g e s t a t e p r o d u c t i o n . F u r t h e r , e m i t t a n c e m e a s u r e m e n t s n e e d t o b e c o n d u c t e d o n t h e e x t r a c t e d b e a m s f r o m t h e S C E C R a t 2 . 4 5 G H z . T h i s w o u l d g i v e a n i d e a a b o u t t h e t r a n s p o r t a b i l i t y , a n d s p a c e c h a r g e e f f e c t s o f s u c h a b e a m , w h i c h a r e c r u c i a l f o r t h e u l t i m a t e a c c e p t a n c e o f s u c h a n i o n s o u r c e i n t o t h e e n t r e n c h e d e n v i r o n m e n t s o f c u r r e n t E C R I S r e s e a r c h . A n i n t e r e s t i n g r e c e n t d e v e l o p m e n t a t t h e L a w r e n c e B e r k e l e y N a t i o n a l L a b o r a t o r y h a s b e e n t h e u s e o f d u a l f r e q u e n c i e s ( 1 0 G H z a n d 1 4 . 4 G H z ) f o r t h e o p e r a t i o n o f t h e A E C R t h e r e [ X i e - 9 5 ] . A s i m i l a r d u a l f r e q u e n c y t e s t f o r t h e S C E C R ( 2 . 4 5 G H z a n d 6 . 4 G H z ) m a y b e t r i e d a t t h e N S C L a l s o . F i n a l l y , o t h e r g a s e s t h a t a r e c o m m o n l y u s e d i n E C R I S , l i k e k r y p t o n , x e n o n , “ e t c . a l s o n e e d t o b e t e s t e d i n t h i s n e w s o u r c e a t 2 . 4 5 G H z . J u d g i n g f r o m t h e e a s e o f o p e r a t i o n w i t h o x y g e n a n d a r g o n , i t i s e x p e c t e d t h a t h i g h c h a r g e s t a t e p r o d u c t i o n f r o m s u c h g a s e s w i l l n o t p o s e a n y p r o b l e m s . P r o d u c t i o n o f m e t a l l i c i o n s ( t h r o u g h s p u t t e r i n g , o r s o l i d f e e d ) t h a t a r e a l s o i n d e m a n d a t t h e a c c e l e r a t o r f a c i l i t i e s a n d n e e d t o b e t e s t e d . C h a p t e r 1 l E p i l o g u e t o a D i s s e r t a t i o n 1 1 . 1 I n t r o d u c t i o n 1 1 . 2 S y n o p s i s o f t h e R e s u l t s 1 1 . 3 P r o p o s a l s f o r F u t u r e R e s e a r c h C / i a p t e r 1 1 g ‘ g i f g g u e t o a d i s s e r t a t i o n 1 l . 1 I n t r o d u c t i o n I n t h e p a s t s e v e n c h a p t e r s , r e s e a r c h s p a n n i n g fi v e y e a r s o f e x p e r i m e n t s o n e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e i o n s o u r c e s ( E C R I S ) h a s b e e n d i s c u s s e d . T h i s r e s e a r c h w a s c o n d u c t e d a t t w o s e p a r a t e l o c a t i o n s - t h e E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ( E E ) P l a s m a S c i e n c e s l a b o r a t o r y , a n d t h e N a t i o n a l S u p e r c o n d u c t i n g C y c l o t r o n L a b o r a t o r y ( N S C L ) , b o t h a t M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y ( M S U ) . F o u r d i f f e r e n t i o n s o u r c e s w e r e s t u d i e d - t h e M P D R 6 1 0 , t h e 6 1 0 - a . a n d t h e M P D R 5 - a t t h e E E l a b o r a t o r y ( o p e r a t i n g a t 2 . 4 5 G H z a n d 9 1 5 M H z ) , a n d t h e 6 . 4 G H z S u p e r c o n d u c t i n g E C R i o n s o u r c e c a l l e d S C E C R a t t h e N S C L . A n o t h e r t w o v a r i a t i o n s o f t h e s o u r c e s m e n t i o n e d a b o v e - t h e h y b r i d 6 1 0 + S C E C R ( o p e r a t i n g a t . 2 . 4 5 G H z a n d 6 . 4 G H z r e s p e c t i v e l y ) , a n d t h e S C E C R o p e r a t i n g a t 2 . 4 5 G H z w e r e s t u d i e d . A l s o a t t h e N S C L , r e s e a r c h o n t h e M P D R 6 1 0 ( a l s o r e f e r r e d t h r o u g h t h i s d i s s e r t a t i o n a s t h e 6 1 0 ) w a s c o n d u c t e d a s a s t a n d a l o n e i o n b e a m s o u r c e . T h e o b j e c t i v e o f t h i s c h a p t e r i s t o b r i n g a n a p p r o p r i a t e c l o s u r e t o t h i s d i s s e r t a t i o n . T h e s a l i e n t f e a t u r e s o f t h e s u b - s t u d i e s t h a t c o n s t i t u t e t h e c h a p t e r s 4 8 5 4 8 6 a r e b r i e fl y r e v i e w e d i n S e c t i o n 1 1 . 2 , a l o n g w i t h t h e c o n c l u s i o n s t h a t w e r e r e a c h e d i n t h a t s u b - s t u d y . F u t u r e e x p e r i m e n t s t h a t m i g h t e n h a n c e t h e r e s u l t s o f e a c h c h a p t e r w e r e p r o p o s e d a t t h e e n d o f e a c h c h a p t e r , a n d a r e r e v i e w e d i n S e c t i o n 1 1 . 3 . I t i s e x p e c t e d t h a t a l o n g w i t h t h e i n t r o d u c t i o n i n C h a p t e r O n e , t h i s r e t r o s p e c t i v e l o o k a t t h e r e s u l t s a n d p r o p o s e d f u t u r e e x p e r i m e n t s w i l l p r o v i d e a g i s t o f t h i s d i s s e r t a t i o n . l 1 . 2 g m o p g i s o f t h e R e s u l t s T h i s d i s s e r t a t i o n i s m a i n l y e x p e r i m e n t a l , a l t h o u g h s o m e t h e o r e t i c a l a n a l y s e s a r e p r e s e n t e d t o e n h a n c e t h e u n d e r s t a n d i n g o f t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . T h i s t h e o r e t i c a l f o r m u l a t i o n b e g i n s i n C h a p t e r O n e ( S e c t i o n 1 . 2 ) w i t h a d i s c u s s i o n o f t h e p h e n o m e n o n o f p o w e r t r a n s f e r ( f r o m t h e i m p r e s s e d e l e c t r i c fi e l d s t o t h e p l a s m a ) t h r o u g h e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e ( E C R ) . T h i s E C R t e c h n o l o g y i s t h e u n d e r l y i n g c o m m o n a l i t y b e t w e e n t h e v a r i o u s i o n / p l a s m a s o u r c e s s t u d i e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n . W h i l e a l l t h e f o u r m a i n s o u r c e s ( a n d t h e i r v a r i a t i o n s ) s t u d i e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n d e p e n d t o s o m e e x t e n t o n E C R f o r c o u p l i n g m i c r o w a v e p o w e r t o t h e p l a s m a , i t b e c a m e a p p a r e n t f r o m d i s c u s s i o n s o f S e c t i o n 1 . 2 . 2 t h a t “ p u r e ” E C R m a y o c c u r o n l y u n d e r s t r i c t l y l i m i t e d d i s c h a r g e . p r e s s u r e a n d i n p u t p o w e r c o n d i t i o n s . M o s t o f t h e s o u r c e s t h a t w e r e s t u d i e d i n t h i s r e s e a r c h ( s p e c i a l l y t h e B E s o u r c e s ) o p e r a t e b e y o n d t h e s e l i m i t s - a t h i g h e r p r e s s u r e s , f o r e x a m p l e . A l s o , t h e o u t p u t p e r f o r m a n c e o f t h e s e s o u r c e s d o n o t n e c e s s a r i l y f o l l o w t h e p r e d i c t i o n s o f E C R t h e o r y . H e n c e o t h e r p o w e r t r a n s f e r t e c h n i q u e s ( l i k e s e c o n d a r y h a r m o n i c r e s o n a n c e , s t o c h a s t i c h e a t i n g , e t c . ) m i g h t b e p a r t i a l l y s u s t a i n i n g t h e p l a s m a , a n d s e v e r a l s u c h t e c h n i q u e s a r e b r i e fl y 4 8 7 d i s c u s s e d i n S e c t i o n 1 . 2 . 2 . A b l a c k b o x m o d e l o f a m i c r o w a v e E C R i o n s o u r c e w a s t h e n p r e s e n t e d i n S e c t i o n 1 . 3 d e t a i l i n g a l l t h e i n p u t p a r a m e t e r s ( l i k e g a s p r e s s u r e , i n p u t p o w e r , e t c . ) a n d t h e e x p e c t e d o u t p u t ( i o n s , e l e c t r o n s , n e u t r a l g a s , r a d i c a l a t o m i c s p e c i e s , m e t a - s t a b l e s p e c i e s , e t c . ) . T h i s w a s d i s c u s s i o n i m p o r t a n t s o a s t o l a y a f o u n d a t i o n f o r C h a p t e r T w o , t h a t r e v i e w s 1 0 “ c o m p a c t ” p l a s m a / f r e e r a d i c a l s o u r c e s . F o r t h i s l i t e r a t u r e s u r v e y , a c o m p a c t s o u r c e w a s d e fi n e d b y i t s o u t e r d i a m e t e r b e i n g a b o u t 1 0 c m o r l e s s . W h i l e n o t e x h a u s t i v e , t h i s s u r v e y b r o u g h t i n t o f o c u s s o m e o f t h e u n i q u e d e s i g n s o f p l a s m a / i o n / i o n b e a m s o u r c e s t h a t a r e ' i n o p e r a t i o n t o d a y . M o s t o f t h e s o u r c e s d i s c u s s e d i n C h a p t e r T w o a r e e x c i t e d w i t h m i c r o w a v e p o w e r ( a b o u t 1 G H z u p t o 1 0 0 G H z ) . w h i l e s o m e m a y o p e r a t e a t l o w e r r a d i o f r e q u e n c i e s ( s p e c i fi c a l l y a t 1 3 . 5 6 M H z ) . A l l s o u r c e s d e s c r i b e d i n t h i s c h a p t e r a r e u s e d a s a s o u r c e o f n e u t r a l p l a s m a , r e a c t i v e r a d i c a l s p e c i e s , i o n s , o r i o n b e a m s - a n d a l l a r e u s e d i n t h e p r o c e s s i n g o f s u b s t r a t e s f o r t h e s e m i c o n d u c t o r i n d u s t r y . A s i g n i fi c a n t o m i s s i o n f r o m t h e d i s c u s s i o n o f t h e s e “ c o m p a c t “ s o u r c e s a r e t h o s e t h a t a r e u s e d t o p r o d u c e m u l t i p l y c h a r g e d h e a v y i o n s f o r i n j e c t i o n i n t o p a r t i c l e a c c e l e r a t o r s . A p r o m i n e n t d i s c u s s i o n o f fi g u r e s o f m e r i t t h a t a r e u s e d t o c h a r a c t e r i z e p l a s m a s o u r c e s i s p r e s e n t e d i n S e c t i o n 2 . 4 . D i f f e r e n t r e s e a r c h e r s e v a l u a t e t h e i r s o u r c e s d i f f e r e n t l y , u s i n g t e c h n i q u e s t h a t m a y o f t e n b e w r o n g , o r a t t h e v e r y l e a s t i n c o m p l e t e o r i n a c c u r a t e l y r e p o r t e d . I t i s i m p e r a t i v e t h a t a s t a n d a r d i z e d m e t h o d o f s o u r c e e v a l u a t i o n b e f o r m u l a t e d s o a s t o m a k e c o m p a r a t i v e s t u d i e s . l i k e t h e o n e i n C h a p t e r T w o m o r e a p p r o p r i a t e i n t e r m s o f t h e m e a s u r e d d a t a . W i t h a v a r i e t y o f c o m p a c t p l a s m a s o u r c e s t h a t a r e a v a i l a b l e f o r c o m m e r c i a l o r r e s e a r c h a p p l i c a t i o n s , i t i s i m p o r t a n t f o r t h e r e s e a r c h e r s t o m a k e a c h o i c e o f t h e 4 8 8 s o u r c e b a s e d o n a c o m p a r a t i v e s c i e n t i fi c e v a l u a t i o n . S e v e r a l s u c h m e t h o d s o f e v a l u a t i o n w e r e u t i l i z e d t o c h a r a c t e r i z e t h e s o u r c e s s t u d i e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n - L a n g m u i r p r o b e s , m u l t i - g r i d e n e r g r a n a l y z e r s a n d m i c r o - c o a x i a l p r o b e s , f o r e x a m p l e . S i n c e s e v e r a l d i f f e r e n t s o u r c e s w e r e s t u d i e d u s i n g s i m i l a r t e c h n i q u e s , i t w a s d e e m e d a p p r o p r i a t e t o l o c a l i z e t h e d i s c u s s i o n o f a l l t h e c h a r a c t e r i z a t i o n p r i n c i p l e s , a n d t h i s i s d o n e i n C h a p t e r T h r e e . A l o n g w i t h t h e e x a c t m e t h o d o l o g i e s f o r e a c h t e c h n i q u e , a t h e o r e t i c a l b a c k g r o u n d a n d l i m i t a t i o n s o f t h e e a c h m e t h o d a r e a l s o d i s c u s s e d . I t w a s o b s e r v e d d u r i n g t h e d a t a a c q u i s i t i o n f o r i o n / e l e c t r o n e n e r g y . d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s t h a t t h e m e t h o d w a s l e n g t h y , l a b o r i n t e n s i v e , a n d p r o n e t o h u m a n e r r o r . A r a d i c a l n e w m e t h o d o f d a t a a c q u i s i t i o n f o r t h e e l e c t r o n a n d i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n s b a s e d o n n u m e r i c a l a n a l y s i s o f t h e d a t a i s p r o p o s e d i n S e c t i o n 3 . 4 t h a t d o e s a w a y w i t h c u m b e r s o m e p e r i p h e r a l c i r c u i t r y ( l i k e a l o c k - i n - a m p l i fi e r ) a n d c o m p l e t e l y a u t o m a t e s t h e l e n g t h y p r o c e s s o f t a k i n g a n e l e c t r o n / i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n . W h i l e s t i l l p r o n e t o s o m e e r r o r s , t h i s m e t h o d e l i m i n a t e s t h e h u m a n f a c t o r i n t h e s e e r r o r s t h a t n o r m a l l y c r e e p s i n t o t h e o r i g i n a l m e t h o d o f e n e r g y a n a l y s i s . T h i s n e w m e t h o d w a s n e v e r u s e d t o o b t a i n t h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n . H o w e v e r , a f e a s i b i l i t y s t u d y i n d i c a t e d t h a t t h e r e a r e n o t e c h n o l o g i c a l s h o w s t o p p e r s i n i n c o r p o r a t i n g t h i s m e t h o d i n t o t h e b a t t e r y . o f c h a r a c t e r i z a t i o n p r i n c i p l e s c u r r e n t l y i n u s e t o e v a l u a t e t h e E B s o u r c e s . T h e r e a s o n f o r ) l i m i t i n g t h e l i t e r a t u r e r e v i e w t o c o m p a c t p l a s m a / i o n / i o n b e a m s o u r c e s w a s t h a t t h e p l a s m a / i o n s o u r c e t h a t h a s b e e n t h e p r i m a r y f o c u s o f s t u d i e s i n t h e p a s t s e v e n c h a p t e r s i s t h e M P D R 6 1 0 ( m i c r o w a v e p l a s m a d i s c r e a c t o r ) . T h i s i s a c o m p a c t , E C R p l a s m a / i o n b e a m s o u r c e t h a t w a s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d a t t h e B E P l a s m a S c i e n c e l a b o r a t o r i e s . T h e 6 1 0 h a s a c o a x i a l 4 8 9 s t r u c t u r e w i t h a t u n a b l e r e s o n a n t c a v i t y t h a t s u p p o r t s a p r o p a g a t i n g t r a n s v e r s e e l e c t r o m a g n e t i c ( T E M ) m o d e i n t h e c o a x i a l s e c t i o n . T h i s a l l o w s t h e s o u r c e t o b e s m a l l e r i n d i a m e t e r t h a n t h e m i n i m u m t h a t i s r e q u i r e d f o r t r a n s m i t t i n g t h e l o w e s t o r d e r t r a n s v e r s e e l e c t r i c o r m a g n e t i c m o d e ( t h e T E } 1 ) m o d e . T h e s o u r c e a l s o h a s a v a r i a b l e l e n g t h e v a n e s c e n t c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n w h o s e l e n g t h i s v a r i e d t o d y n a m i c a l l y m a t c h t h e i m p e d a n c e o f t h e c o a x i a l s t r u c t u r e w i t h t h a t o f t h e p l a s m a l o a d . T h e M P D R 6 1 0 i s c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e t h r o u g h W a v e m a t , I n c . o f P l y m o u t h , M i c h i g a n . T h e s o u r c e i s d e s c r i b e d i n d e t a i l i n C h a p t e r F o u r , a l o n g w i t h t h e “ Y o r k t o w n T “ - t h e v a c u u m s t a t i o n o n w h i c h a m a j o r i t y o f t h e c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e E E s o u r c e s w a s c o n d u c t e d . T h e o p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 i n a r g o n g a s i n d i c a t e s t h a t t h e s o u r c e i s c a p a b l e o f p r o d u c i n g h i g h i o n d e n s i t i e s ( 1 0 1 1 c m ' 3 ) a t s u b - m T o r r p r e s s u r e s a n d w i t h l o w i n p u t p o w e r ( l e s s t h a n 2 0 0 W ) . S e v e r a l u n i q u e f e a t u r e s o f t h e s o u r c e a r e d i s c u s s e d i n C h a p t e r F o u r - l i k e t h e t w o m o d e s o f o p e r a t i o n : d e p e n d i n g o n e x t e r n a l p a r a m e t e r s , s p e c i fi c a l l y i n p u t p o w e r a n d a r g o n d i s c h a r g e p r e s s u r e , t h e 6 1 0 m a y o p e r a t e a t a l o w d e n s i t y ( 1 0 9 t o l o w 1 0 1 0 c m ' 3 ) m o d e i f t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e i s l o w , o r a t a h i g h d e n s i t y ( h i g h 1 0 1 0 t o 1 0 1 1 c m ’ 3 ) m o d e w h e n t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e i s r a i s e d . E v i d e n c e o f h y s t e r e s i s i s o b s e r v e d a s t h e s o u r c e j u m p s a b r u p t l y b e t w e e n m o d e s w h e n t h e d i s c h a r g e p r e s s u r e i s v a r i e d . I n d e e d a t c e r t a i n p r e s s u r e s , t h e s o u r c e m a y o p e r a t e a t a n y o f t h e t w o m o d e s d e p e n d i n g o n t h e i n i t i a l p r e s s u r e a n d i n p u t p o w e r c o n d i t i o n s . T h e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e , m e a s u r e d a f e w c m d o w n s t r e a m m a y b e a s h i g h a s 7 0 , 0 0 0 K i n t h e l o w d e n s i t y m o d e ; t h i s t e m p e r a t u r e r e d u c e s t o a b o u t 4 0 , 0 0 0 K f o r t h e h i g h d e n s i t y m o d e i n a c c o r d a n c e w i t h t h e i n v e r s e v a r i a n c e o f e l e c t r o n t e m p e r a t u r e w i t h d i s c h a r g e p r e s s u r e . D o w n s t r e a m a n d r a d i a l d e n s i t y 4 9 0 d i s t r i b u t i o n i n d i c a t e t y p i c a l a m b i p o l a r d i f f u s i o n o f c h a r g e d s p e c i e s o u t o f t h e s o u r c e . M o s t o f t h e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t o f E C R . a n d o t h e r l o w p r e s s u r e p l a s m a a n a l y s i s n o r m a l l y a s s u m e s t h a t t h e e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n ( E E D F ) i s M a x w e l l i a n . I t i s s e e n f r o m d i r e c t s i n g l e L a n g m u i r p r o b e m e a s u r e m e n t o f t h e a r g o n E E D F s i n C h a p t e r F o u r t h a t t h e E E D F s r e s e m b l e t h e D r u y v e s t e y n f u n c t i o n m o r e c l o s e l y t h a n t h e M a x w e l l i a n . T h a t t h e E E D F s a r e n o n - M a x w e l l i a n i s a l s o e v i d e n t f r o m t h e d o u b l e L a n g m u i r p r o b e I - V c h a r a c t e r i s t i c s w h e r e t h e p r o b e c u r r e n t c o n t i n u e s t o i n c r e a s e b e y o n d a I “ s a t u r a t i o n p o i n t ” a l b e i t w i t h a s m a l l e r s l o p e ( i n a p e r f e c t l y M a x w e l l i a n s y s t e m , t h e c u r r e n t s h o u l d n o t i n c r e a s e b e y o n d s a t u r a t i o n f o r a n y f u r t h e r i n c r e a s e i n p o t e n t i a l ) . T h e i o n e n e r g i e s h a v e a n a r r o w a n d p e a k e d e n e r g y d i s t r i b u t i o n a l s o w i t h a v e r a g e e n e r g i e s r a n g i n g f r o m 2 0 e V t o a b o u t 5 0 e V d e p e n d i n g o n t h e p r e s s u r e a n d i n p u t p o w e r c o n d i t i o n s , a n d m a y e a s i l y b e c o n t r o l l e d u s i n g p r e s s u r e , p o w e r o r s u b s t r a t e b i a s . T h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s o f e l e c t r o n t e m p e r a t u r e , i o n d e n s i t y , e t c . b a s e d o n d i f f u s i o n t h e o r y w e r e c o n d u c t e d f o r a t y p i c a l a r g o n d i s c h a r g e i n t h e 6 1 0 . T h e s e c a l c u l a t e d r e s u l t s m a t c h e d w e l l w i t h t h e e x p e r i m e n t a l d a t a w h e n t h e s e d a t a ( t a k e n s e v e r a l c m d o w n s t r e a m ) w e r e e x t r a p o l a t e d i n t o t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n . S u c h c a l c u l a t i o n s m a y i n d e e d b e u s e d a s a g u i d e f o r d e s i g n i n g s u c h E C R s o u r c e s . W h e n t h e o p e r a t i n g g a s i s c h a n g e d t o n i t r o g e n , h e l i u m o r o x y g e n , t h e s e d i s c h a r g e s p r o d u c e r e s u l t s t h a t v a r y s i g n i fi c a n t l y f r o m a r g o n . F o r e x a m p l e , n o o t h e r g a s u n d e r g o e s t h e d i s c o n t i n u o u s m o d e j u m p t h a t i s s e e n i n a r g o n . A l s o . a r g o n e x h i b i t s a d e c r e a s e i n e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a n d p l a s m a p o t e n t i a l w i t h 4 9 1 i n c r e a s i n g d i s c h a r g e ( p r e s s u r e , i n a c c o r d a n c e w i t h t h e d i f f u s i o n o f c h a r g e d p a r t i c l e s o u t o f t h e s o u r c e . H o w e v e r , f o r a n i t r o g e n d i s c h a r g e , t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a n d p l a s m a p o t e n t i a l r i s e w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e . I t i s t h e r e f o r e c l e a r t h a t e x t r a p o l a t i o n o f t h e o p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c e o f a r g o n i n t h e 6 1 0 t o a n y o t h e r g a s , s p e c i a l l y t o a d i a t o m i c g a s m a y b e i n a c c u r a t e . W h i l e t h e g a s fl o w / p r e s s u r e , g a s t y p e , i n p u t p o w e r w e r e a l l v a r i e d i n C h a p t e r F o u r a n d t h e o u t p u t o f t h e 6 1 0 t h e n s t u d i e d , t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n f o r a l l e x p e r i m e n t s w a s m a i n t a i n e d a t a c o n s t a n t 2 . 4 5 G H z . A s m e n t i o n e d e a r l i e r . t h e T E M ( o r c o a x i a l ) n a t u r e o f t h e s o u r c e a l l o w s i t s d i a m e t e r t o b e b e l o w c u t o f f f o r 2 . 4 5 G H z f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n . T h i s c o a x i a l s t r u c t u r e a l s o a l l o w s t h e s o u r c e t o b e o p e r a t e d a t a n y m i c r o w a v e f r e q u e n c y , a s l o n g a s t h e l e n g t h o f t h e c e n t e r c o n d u c t o r m a y b e a d j u s t e d t o a p p r o x i m a t e l y 1 / 4 3 \ . o r 3 / 4 } . ( w h e r e A i s t h e w a v e l e n g t h o f t h e e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d a t t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n ) . I n C h a p t e r F i v e , t h i s f r e q u e n c y w a s r e d u c e d t o 9 1 5 M H z , a n d t h e r e s u l t s o f o p e r a t i n g t h e 6 1 0 a t t h i s f r e q u e n c y w e r e t h e n c o m p a r e d w i t h t h e r e s u l t s a t 2 . 4 5 G H z . I t w a s o b s e r v e d t h a t a r g o n i o n d e n s i t y f o r b o t h f r e q u e n c i e s w a s t h e s a m e o r d e r o f m a g n i t u d e ( a b o u t 1 0 1 0 t o 1 0 1 l c m ' 3 ) , a n d t h e d i s c o n t i n u o u s m o d e j u m p f o r a n a r g o n d i s c h a r g e i s a l s o e x h i b i t e d a t 9 1 5 M H z . H o w e v e r , e l e c t r o n a n d i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n c o m p a r i s o n s i n d i c a t e s e v e r a l d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e o p e r a t i o n a t t h e t w o f r e q u e n c i e s . T h e a v e r a g e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a t 9 1 5 M H z i s r e l a t i v e l y h i g h e r ( a b o u t 1 0 t o 1 2 e V ) a s c o m p a r e d t o a r g o n f o r t h e s a m e p r e s s u r e a n d i n p u t p o w e r c o n d i t i o n s . S i m i l a r l y , t h e a v e r a g e i o n e n e r g i e s a t 9 1 5 M H z , w h i l e s t i l l n a r r o w a n d p e a k e d , a r e a l s o a b o u t t w i c e t h o s e a t 2 . 4 5 G H z . T h e v a r i a t i o n o f I E D F s w i t h d i s c h a r g e p r e s s u r e a n d i n p u t p o w e r i s t h e s a m e a t b o t h f r e q u e n c i e s ( t h a t i s , a r g o n I E D F s s h i f t 4 9 2 t o w a r d s h i g h e r e n e r g i e s a s i n p u t p o w e r i s i n c r e a s e d f o r t h e s a m e p r e s s u r e , o r a s d i s c h a r g e p r e s s u r e d e c r e a s e s a t t h e s a m e p o w e r l e v e l ) . T h i s s u g g e s t s a d i f f e r e n c e i n b e h a v i o r b e t w e e n t h i s c o m p a c t s o u r c e a n d o t h e r , l a r g e r M P D R s o u r c e s - l E D F s d o n o t v a r y a s s t r o n g l y w i t h i n p u t p o w e r f o r t h e l a r g e r M P D R s , a s t h e y d o f o r t h e 6 1 0 . T h e o p e r a t i o n o f a n E C R I S m a y e s s e n t i a l l y b e d i v i d e d i n t o t h r e e s e c t i o n s - t h e i n p u t v a r i a b l e s ( l i k e p o w e r . g a s t y p e a n d d i s c h a r g e p r e s s u r e , e t c . ) , t h e o u t p u t p a r a m e t e r s ( l i k e i o n d e n s i t y , e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s , e t c . ) , w h i l e i n b e t w e e n t h e s e t w o k n o w n v a r i a b l e s , a r e s o m e i n t e r n a l p a r a m e t e r s o f t h e i o n s o u r c e t h a t f o r m t h e l i n k b e t w e e n t h e m . O n e s u c h p a r a m e t e r i s t h e s t r u c t u r e o f e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s t h a t a r e s e t u p w i t h i n t h e s o u r c e . I t i s k n o w n t h a t m i c r o w a v e p o w e r i s t r a n s m i t t e d a t 2 . 4 5 G H z ( o r 9 1 5 M H z ) t h r o u g h t h e c a b l e s a n d i n t o t h e s o u r c e , w h i c h t h e n i g n i t e s t h e p l a s m a w h o s e o u t p u t c a n b e m e a s u r e d . H o w e v e r , i t w a s o n l y s p e c u l a t e d t h a t a T E M s t a n d i n g w a v e i s s e t u p i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e 6 1 0 . T h i s s p e c u l a t i o n m a y b e p u t t o r e s t b y d i r e c t m e a s u r e m e n t o f t h e c a l i b r a t e d e l e c t r i c fi e l d s ( a n d t h e E - fi e l d p a t t e r n s ) u s i n g m i c r o - c o a x i a l p r o b e s i n s e r t e d i n t o s m a l l h o l e s d r i l l e d i n t h e w a l l o f t h e s o u r c e a s d e s c r i b e d i n C h a p t e r T h r e e . H o w e v e r , s i n c e t h e 6 1 0 i s d e s i g n e d t o b e i n s e r t e d u p t o h a l f a m e t e r i n s i d e a v a c u u m c h a m b e r , t h i s e l e c t r i c fi e l d m e a s u r e m e n t o n t h e M P D R 6 1 0 w o u l d b e i m p o s s i b l e . A n e w s o u r c e w a s d e s i g n e d a n d b u i l t t o c a r r y o u t t h i s s t u d y , a n d t h i s i s d e t a i l e d i n . C h a p t e r S i x . K n o w n a s t h e 6 1 O - a , t h e a d a p t e d 6 1 0 g e n e r a t e s a p l a s m a n e a r t h e t o p o f t h e v a c u u m c h a m b e r , l e a v i n g t h e b o d y o f t h e s o u r c e o u t o f v a c u u m f o r t h e m i c r o - c o a x i a l p r o b e m e a s u r e m e n t s . A s m u c h o f t h e 6 1 0 d e s i g n a s p o s s i b l e w a s i n c o r p o r a t e d i n t o t h e 6 1 0 - a . s o a s t o m a k e p o s s i b l e t h e 4 9 3 i n f e r e n c e o f r e s u l t s f r o m t h e 6 1 0 - a t o t h e 6 1 0 . I n d e e d , t h e c e n t e r c o n d u c t o r a n d s l i d i n g s h o r t a s s e m b l y o f t h e 6 1 0 w a s u s e d i n t e r c h a n g e a b l y w i t h t h e t w o s o u r c e s . F i e l d p a t t e r n m e a s u r e m e n t s o n t h e 6 l O - a c o n fi r m t h e p r e s e n c e o f T E M s t a n d i n g w a v e s i n t h e c o a x i a l s e c t i o n o f t h e 6 1 0 . T h e e l e c t r i c fi e l d s h a v e s t r e n g t h s o f u p t o 4 0 k V / m a t t h e m a x i m u m o f t h e s t a n d i n g w a v e . S e v e r a l i n t e r e s t i n g f e a t u r e s o f t h e 6 1 0 a l s o e m e r g e d . T h e d i s c h a r g e w a s e x p e c t e d t o b e s u s t a i n e d t h r o u g h e v a n e s c e n t w a v e s i n ( a n d b e y o n d ) t h e i m p e d a n c e m a t c h i n g c i r c u l a r w a v e g u i d e ( t h a t h a s a d i a m e t e r l e s s t h a n c u t o f f f o r 2 . 4 5 G H z T E l 1 w a v e g u i d e t r a n s m i s s i o n m o d e ) . H o w e v e r , t h e p r e s e n c e o f p e r m a n e n t m a g n e t s t h a t a r e m a d e o f i m p e r f e c t l y c o n d u c t i n g m a t e r i a l s ( s a m a r i u m - c o b a l t ) m a y c o n t r i b u t e i n t h e s u s t e n a n c e o f t h i s d i s c h a r g e b y g e n e r a t i n g s m a l l e r s t a n d i n g w a v e s i n t h e d i s c h a r g e r e g i o n o f t h e s o u r c e . P r e c i s e fi e l d s t r e n g t h m e a s u r e m e n t s f o r a n a r g o n d i s c h a r g e a t t h e t w o m o d e s o f o p e r a t i o n ( h i g h d e n s i t y a n d l o w d e n s i t y m o d e s ) w e r e c o n d u c t e d . E x p e r i m e n t a l d a t a s h o w s t h a t t h e e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h d e c r e a s e s w i t h d e c r e a s i n g d i s c h a r g e p r e s s u r e , i n d i c a t i n g t h a t l o a d e d q u a l i t y f a c t o r ( p r o p o r t i o n a l t o t h e fi e l d s t r e n g t h ) i s a l s o d e c r e a s i n g a s p r e s s u r e f a l l s . T h i s i n t u r n m e a n s t h a t t h e p o w e r c o u p l i n g e f fi c i e n c y i n t o t h e d i s c h a r g e i s a c t u a l l y . i m p r o v i n g w i t h d e c r e a s i n g p r e s s u r e . T h e c a l i b r a t i o n o f t h e p o w e r m e a s u r e m e n t s u s i n g m i c r o - c o a x i a l p r o b e s t o t h e e x a c t e l e c t r i c fi e l d s t r e n g t h r e l i e d u p o n a c o n s t a n t K , w h o s e v a l u e w a s o b t a i n e d f r o m l i t e r a t u r e . I t h a s r e c e n t l y b e e n s h o w n o n a n o t h e r E C R s o u r c e t h a t b y u s i n g t h e g i v e n K , , t h e c a l i b r a t e d fi e l d s m a y b e l o w e r t h a n t h e a c t u a l fi e l d s t r e n g t h o n t h e i n n e r w a l l o f t h e s o u r c e . T h i s i s c u r r e n t l y b e i n g v e r i fi e d f u r t h e r 4 9 4 o n a l a r g e r M P D R t y p e s o u r c e . P l a s m a l o a d e d a n d e m p t y c a v i t y m e a s u r e m e n t s o f t h e q u a l i t y f a c t o r w e r e p e r f o r m e d , a n d w e r e u s e d t o c a l c u l a t e t h e o v e r a l l e f fi c i e n c y o f t h e p l a s m a s o u r c e . A l s o , c a l i b r a t e d e l e c t r i c fi e l d m e a s u r e m e n t s w e r e u s e d t o c a l c u l a t e t h e a m o u n t o f p o w e r l o s s t o t h e w a l l s o f t h e c o a x i a l s e c t i o n , a n d b y a p p r o x i m a t i n g t h e p o w e r l o s s t o t h e m a g n e t i c l o o p a n d i n t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n o f t h e s o u r c e , t h e n e t p o w e r l o s t d u r i n g t r a n s p o r t w a s c a l c u l a t e d . U s i n g t h i s p o w e r l o s s i n f o r m a t i o n ( a n d w i t h t h e k n o w n a m o u n t o f i n p u t p o w e r ) a n o t h e r e f fi c i e n c y c a l c u l a t i o n m a y b e d o n e . T h e s e c a l c u l a t i o n s i m p l y t h a t a b o u t 7 % o f t h e i n p u t p o w e r i s l o s t t o t h e m a g n e t i c c o u p l i n g l o o p , a n d a n a d d i t i o n a l 6 % o f t h e p o w e r i s l o s t t o t h e c o n d u c t i n g w a l l s o f t h e s o u r c e ( i n c l u d e d i n t h e s e w a l l s i s t h e c o a x i a l s e c t i o n a n d t h e e v a n e s c e n t c i r c u l a r w a v e g u i d e s e c t i o n s ) . H e n c e , a b o u t 8 7 % o f t h e i n p u t p o w e r i s t r a n s f e r r e d t o t h e d i s c h a r g e . F r o m t h i s d a t a , a s i m p l i fi e d c i r c u i t m o d e l o f t h e 6 1 0 e m e r g e d , a n d i s d i s c u s s e d i n C h a p t e r S i x , w h e r e l u m p e d c i r c u i t e l e m e n t s r e p r e s e n t t h e v a r i o u s s e c t i o n s o f t h e s o u r c e ( l i k e t h e c o a x i a l s e c t i o n , t h e c i r c u l a r w a v e g u i d e . e t c . ) . O n c e t h e p r e l i m i n a r y e v a l u a t i o n s t u d i e s w e r e d o n e o n t h e 6 1 0 , f o c u s s h i f t e d b r i e fl y t o a n o t h e r c o m p a c t E C R s o u r c e f r o m t h e E E l a b o r a t o r i e s - t h e M P D R 5 . T h i s r e s o n a n t c a v i t y s t r u c t u r e w a s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d a t M S U t o r e s o n a t e o n l y a t t h e T E 1 1 1 m o d e s t a n d i n g w a v e s . E l e c t r i c fi e l d p a t t e r n e x p e r i m e n t s o n t h e M P D R 5 u s i n g t h e m i c r o - c o a x i a l p r o b e s c o n fi r m e d t h i s T E l 1 1 e l e c t r o m a g n e t i c m o d e t h a t i s s e t u p i n t h e m i c r o w a v e c a v i t y s t r u c t u r e . S o m e s t u d i e s h a d a l r e a d y b e e n c o n d u c t e d o n e v a l u a t i n g i t s p e r f o r m a n c e , i n c l u d i n g p a r t s o f a n M S . t h e s i s a n d a P h . D . d i s s e r t a t i o n . S e v e r a l e x p e r i m e n t s h a d y e t t o b e p e r f o r m e d . h o w e v e r . a n d s o t h i s s u b - s t u d y w a s u n d e r t a k e n . P r i o r 4 9 5 s t u d i e s h a d i n d i c a t e d t h a t t h e M P D R 5 w a s a l s o c a p a b l e o f p r o d u c i n g h i g h d e n s i t y o f i o n s ( 1 0 1 1 c m ' 3 ) a t l o w p r e s s u r e s ( m T o r r r a n g e ) f o r m o d e r a t e i n p u t p o w e r ( l e s s t h a n 2 0 0 W ) . T h e s o u r c e h a s r e l a t i v e l y u n i f o r m r a d i a l i o n d e n s i t y d i s t r i b u t i o n , i n p a r t d u e t o t h e d o w n s t r e a m m u l t i - p o l a r m a g n e t i c c o n fi n e m e n t c h a m b e r t h a t w a s u s e d t o i n c r e a s e u n i f o r m i t y o v e r l a r g e a r e a s . . A l s o , p r e v i o u s i o n e n e r g y a n a l y s i s h a d i n d i c a t e d t h a t w h i l e t h e I E D F s w e r e n a r r o w w h e n t h e i o n e n e r g y a n a l y z e r ( I E A ) w a s c l o s e t o t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n , . t h e r e w a s e v i d e n c e o f a l o w e n e r g y p e a k a s t h e I E A m o v e d d o w n s t r e a m . T h i s s e c o n d a r y p e a k b e c a m e m o r e p r o m i n e n t a s t h e a n a l y z e r A m o v e d f u r t h e r a w a y f r o m t h e d i s c h a r g e g e n e r a t i o n r e g i o n . T h i s s e t o f d a t a h a d a l s o b e e n t a k e n w i t h t h e d o w n s t r e a m m a g n e t i c c o n fi n e m e n t c h a m b e r . a n d i t w a s s p e c u l a t e d t h a t t h e l o w e n e r g y s e c o n d a r y p e a k w a s d u e t o c h a r g e e x c h a n g e w h e r e b y a n e n e r g e t i c i o n m a y e x c h a n g e i t s c h a r g e w i t h a l o w e n e r g y n e u t r a l , c r e a t i n g h i g h e n e r g y n e u t r a l s a n d a p o p u l a t i o n o f l o w e n e r g y i o n s . R e c e n t e x p e r i m e n t s o n t h e M P D R 5 c o n d u c t e d f o r C h a p t e r S e v e n d i d n o t u s e t h e d o w n s t r e a m m a g n e t i c c o n fi n e m e n t c h a m b e r . U n d e r t h e s e c o n d i t i o n s . t h e r e w a s n o e v i d e n c e o f a l o w e n e r g y p e a k a s h a d b e e n o b s e r v e d e a r l i e r , l e a d i n g t o a p o s s i b i l i t y t h a t t h e l o w e n e r g y p e a k m i g h t h a v e b e e n a n a n o m a l y , o r a n e f f e c t o f t h e d o w n s t r e a m c o n fi n e m e n t c h a m b e r . H o w e v e r , s o m e e v i d e n c e o f t h e f o r m a t i o n o f A r 2 + i o n s f r o m t h i s s o u r c e h a s b e e n f o u n d . A s t h e a r g o n d i s c h a r g e p r e s s u r e d e c r e a s e d , t h e r e w a s a s h i f t o f t h e I E D F s t o w a r d s h i g h e r e n e r g i e s , a s e x p e c t e d b e c a u s e t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e a n d p l a s m a p o t e n t i a l a l s o i n c r e a s e d a t l o w e r d i s c h a r g e p r e s s u r e . H o w e v e r , a s t h e p r e s s u r e w a s l o w e r e d , a s e c o n d a r y p e a k a t a p p r o x i m a t e l y t w i c e t h e e n e r g y w a s o b s e r v e d . I t i s s p e c u l a t e d t h a t s i n c e t h e c o l l i s i o n f r e q u e n c y d e c r e a s e s a t l o w e r p r e s s u r e s a n d t h e m e a n i O n l i f e t i m e 4 9 6 i n c r e a s e s , t h e r e m i g h t b e s u f fi c i e n t i o n c o n fi n e m e n t t i m e s t o g e n e r a t e t h e 2 + s p e c i e s . I t i s k n o w n t h r o u g h e x p e r i m e n t s o n t h e 6 1 0 ( i n C h a p t e r S e v e n ) t h a t M P D R s a r e c a p a b l e o f p r o d u c i n g 2 + i o n s . I t s e e m s t h a t t h i s i s t r u e f o r t h e M P D R 5 a l s o , s p e c i a l l y a t l o w p r e s s u r e s . A s m e n t i o n e d i n t h e i n t r o d u c t i o n o f t h i s c h a p t e r , t h e r e a r e E C R i o n s o u r c e s a t t h e N S C L a n d s e v e r a l e x p e r i m e n t s o f m u t u a l b e n e fi t w e r e i d e n t i fi e d b y t h e t w o i o n s o u r c e r e s e a r c h g r o u p s ( E E a n d N S C L ) . F o c u s n o w s h i f t s t o t h e s e c o l l a b o r a t i v e e x p e r i m e n t s . C h a p t e r E i g h t d e s c r i b e s o n e s u c h t e s t . T h e i o n s o u r c e s a t t h e N S C L a r e m u l t i p l y c h a r g e d s o u r c e s p r o d u c i n g h i g h l y c h a r g e d i o n s f o r i n j e c t i o n i n t o e i t h e r o f t h e t w o p a r t i c l e a c c e l e r a t o r s . S u c h E C R I S a r e v e r y d i f f e r e n t f r o m t h e M P D R s a t t h e E B l a b o r a t o r y . A b r i e f i n t r o d u c t i o n t o m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S i s p r e s e n t e d i n S e c t i o n 8 . 2 , f o l l o w e d b y a b l a c k b o x m o d e l o f s u c h a s o u r c e . T h e S u p e r c o n d u c t i n g E C R I o n S o u r c e ( S C E C R ) a t t h e N S C L i s t h e n d e s c r i b e d i n d e t a i l . I t i s a t w o s t a g e s o u r c e . w i t h a c o l l i s i o n a l fi r s t s t a g e , a n d a l o w o p e r a t i n g p r e s s u r e ( a b o u t 1 0 ' 7 T o r r ) m a i n s t a g e . T h e s o u r c e i s e x c i t e d a t 6 . 4 G H z . M u l t i p l y c h a r g e d i o n s a r e g e n e r a t e d i n t h e m a i n s t a g e p a r t l y b e c a u s e o f e f f e c t i v e m a g n e t i c c o n fi n e m e n t o f t h e c h a r g e d ' s p e c i e s t h r o u g h t h e u s e o f a r d a l a n d r a d i a l c o n fi n e m e n t m a g n e t s , a l l o f w h i c h a r e f u l l y s u p e r c o n d u c t i n g . W h i l e t h e i m p o r t a n c e o f t h e fi r s t s t a g e w a s k n o w n ( r e m o v i n g i t d e p r e s s e d t h e p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R ) , t h e e x a c t c h a r g e d s p e c i e s t h a t t h e fi r s t s t a g e p r o v i d e d t o t h e m a i n s t a g e w a s n o t w e l l u n d e r s t o o d . T h e e x p e r i m e n t s o f C h a p t e r E i g h t i n c o r p o r a t e d t h e 6 1 0 a s a r e p l a c e m e n t fi r s t s t a g e , m o u n t e d o n t h e S C E C R , b u t D O i s o l a t e d f r o m i t . B y b i a s i n g t h e 6 1 0 r e l a t i v e t o t h e S C E C R , a n d o b s e r v i n g t h e p r o d u c t i o n o f m u l t i p l y c h a r g e d i o n s , t h e p r e c i s e c h a r g e d s p e c i e s i n j e c t e d f r o m t h e 6 1 0 i n t o t h e m a i n s t a g e w a s 4 9 7 c o n t r o l l e d , a n d i t s r e l a t i o n s h i p t o t h e b e t t e r p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R i s n o w b e t t e r u n d e r s t o o d . D a t a i n d i c a t e s t h a t t h e o p t i m a l h i g h c h a r g e s t a t e p r o d u c t i o n f r o m t h e S C E C R i s o b t a i n e d w i t h n e g a t i v e b i a s o n t h e 6 1 0 r e l a t i v e t o t h e S C E C R . T h i s i n j e c t s e l e c t r o n s f r o m t h e c o l l i s i o n a l a r g o n p l a s m a o f t h e 6 1 0 i n t o t h e m a i n s t a g e o f t h e S C E C R - t h e m a i n s t a g e t h e r e f o r e d e s i r e s l o w e n e r g y e l e c t r o n s f r o m t h e fi r s t s t a g e . T h i s i n j e c t i o n o f c o l d e l e c t r o n s i n t o t h e m a i n s t a g e o f t h e s o u r c e d e c r e a s e s t h e p l a s m a p o t e n t i a l , t h e r e b y e n h a n c i n g i o n l i f e t i m e s , a n d s u c c e s s i v e e l e c t r o n i m p a c t i o n i z a t i o n t h a t u l t i m a t e l y l e a d s t o p r o d u c t i o n o f m u l t i p l y c h a r g e d s t a t e s . D u r i n g t h e s e e x p e r i m e n t s , t h e fi r s t s t a g e p r e s s u r e w a s t o o l o w f o r o p t i m a l p e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 ( 1 0 ' 5 T o r r r a n g e ) , w h i l e t h e m a i n s t a g e p r e s s u r e w a s t o o h i g h f o r o p t i m a l p e r f o r m a n c e o f t h e S C E C R ( 1 0 ' 6 T o r r r a n g e ) . D e s p i t e t h e s e i n e q u i t i e s , h o w e v e r . t h e r e s u l t s o f t h i s s t u d y w e r e c l e a r . O t h e r r e s e a r c h e r s h a d s h o w n e a r l i e r t h a t t h e m u l t i p l e c h a r g e s t a t e p r o d u c t i o n f r o m E C R I S i s e n h a n c e d b y e l e c t r o n i n j e c t i o n ( i n p a r t i c u l a r t h e A E C R a t L a w r e n c e B e r k e l e y L a b o r a t o r y , w h e r e t h e fi r s t s t a g e h a s b e e n r e p l a c e d b y a n e l e c t r o n g u n ) . H o w e v e r , t o d a t e n o c o n c l u s i v e s t u d y h a d b e e n c o n d u c t e d t h a t w o u l d a l l o w f o r i n j e c t i o n o f p o s i t i v e , n e g a t i v e , o r n e u t r a l p a r t i c l e i n j e c t i o n f r o m t h e fi r s t s t a g e i n t o t h e m a i n s t a g e ( w i t h p o s i t i v e , n e g a t i v e o r fl o a t i n g b i a s o n t h e fi r s t s t a g e - t h e 6 1 0 i n t h i s c a s e - r e s p e c t i v e l y ) u s i n g t h e s a m e e x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s . W i t h t h e 6 1 0 m o u n t e d o n t o p o f t h e S C E C R , a c r u d e “ b e a m “ o f i o n s , o r e l e c t r o n s ( d e p e n d i n g o n t h e r e l a t i v e b i a s o f t h e 6 1 0 ) c o u l d b e e x t r a c t e d . W i t h t h e S C E C R o f f , t h e “ b e a m ” f r o m t h e 6 1 0 w a s a n a l y z e d - t h e . 6 1 0 p r o d u c e s a b o u t 9 5 % A r “ , 5 ° I fi A r 2 + a n d t r a c e a m o u n t s o f A r “ . F u r t h e r b e a m e x t r a c t i o n a n d 4 9 8 c h a r a c t e r i z a t i o n f r o m t h e 6 1 0 w a s a l s o c o n d u c t e d , a n d t h i s i s d e t a i l e d i n C h a p t e r N i n e . I n i t i a l t r i a l s w e r e c o n d u c t e d a t a t i m e w h e n t h e S C E C R a n d t h e K 1 2 0 0 c y c l o t r o n w e r e d o w n f o r m a i n t e n a n c e . w h i c h f r e e d u p t h e b e a m l i n e f r o m t h e S C E C R t o t h e c y c l o t r o n f o r t h e 6 1 0 b e a m e x p e r i m e n t s . T h e 6 1 0 ( w i t h a t h r o t t l i n g 1 . 5 c m d i a m e t e r b a f fl e p l a t e ) w a s m o u n t e d o n t h e o b j e c t b o x j u s t b e l o w t h e S C E C R e x t r a c t i o n a p p a r a t u s ( t h a t h a d b e e n r e m o v e d p r i o r t o t h e s e e x p e r i m e n t s ) , a n d a b e a m o f a r g o n p l a s m a w a s e x t r a c t e d ( w i t h u p t o 1 0 k V b i a s ) , b e n t 9 0 ° b y a n a n a l y s i s m a g n e t ( t h a t a l s o a c t s a s a m a s s s e p a r a t o r ) , a n d t h e c u r r e n t c o l l e c t e d u s i n g a F a r a d a y c u p a t t h e i m a g e b o x o f t h e S C E C R . S i n c e t h e 6 1 0 i n t h i s s u b - s t u d y i s m u c h c l o s e r t o t h e c o l l e c t i o n a p p a r a t u s . t h e b e a m c u r r e n t s w e r e m u c h h i g h e r t h a n t h o s e o b s e r v e d i n C h a p t e r E i g h t . T h e 9 5 : 5 r a t i o o f 1 + t o 2 + a r g o n i o n s w a s c o n fi r m e d i n t h i s s t r o n g e r b e a m . E m i t t a n c e m e a s u r e m e n t s u s i n g t h e w i r e s c a n n e r m e t h o d i n d i c a t e d a v e r y h i g h e m i t t a n c e ( s e v e r a l h u n d r e d 1 | : m m - m R a d ) , p r o b a b l y d u e t o t h e l a r g e ( 1 . 5 c m d i a m e t e r ) e x t r a c t i o n h o l e i n t h e 6 1 0 b a f fl e p l a t e t h a t a c t e d a s a p l a s m a e l e c t r o d e , a n d a l s o b e c a u s e t h e b e a m o p t i c s w e r e p r e c i s e l y t u n e d t o b e a m e x t r a c t i o n f r o m t h e S C E C R , a n d n o t f r o m t h e 6 1 0 . A A s e r i e s o f s t i l l a n d v i d e o i m a g e s o f t h e b e a m e x t r a c t i o n f r o m t h e 6 1 0 w e r e t a k e n , a n d t h e p h o t o g r a p h s a r e p r e s e n t e d i n C h a p t e r N i n e . T h e s t i l l . p h o t o g r a p h s d r a m a t i c a l l y s h o w ( f o r t h e fi r s t t i m e , i t i s b e l i e v e d ) t h e s o c a l l e d “ m e n i s c u s e f f e c t ” - t h e r e c e s s i o n o f t h e n e u t r a l p l a s m a a w a y f r o m t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e a n d i n t o t h e p l a s m a s o u r c e a s t h e b i a s p o t e n t i a l i s r a i s e d . T h i s m e n i s c u s e f f e c t i s d i s c u s s e d i n C h a p t e r N i n e , w h e r e b y i t w a s p r o p o s e d t h a t t h e m e n i s c u s i s t h e n e u t r a l p l a s m a b o u n d a r y f o r m e d b y h i g h e n e r g y e l e c t r o n s . T h i s , h o w e v e r l e a d s t o a n i n t e r e s t i n g a n o m a l y - a c c o r d i n g t o t h i s e x p l a n a t i o n . 4 9 9 t h e b e a m p h o t o g r a p h s i n d i c a t e t h a t t h e 6 1 0 p r o d u c e s e l e c t r o n s o f u p t o 1 k e V . D i r e c t m e a s u r e m e n t s o f t h e e l e c t r o n e n e r g y d o n e i n C h a p t e r s F o u r a n d F i v e i n d i c a t e t h a t t h e a v e r a g e e n e r g ' o f e l e c t r o n s i n t h e 6 1 0 i s n o t m u c h h i g h e r t h a n 1 0 e V . E v e n t h o u g h t h e b e a m e x t r a c t i o n w a s c o n d u c t e d a t l o w e r p r e s s u r e s ( w h e r e t h e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s a r e h i g h e r ) . t h e p r o d u c t i o n o f 1 k e V e l e c t r o n s i n t h e h i g h e n e r g y t a i l o f t h e d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n b y t h e 6 1 0 i s i m p r o b a b l e . B e a m d e v e l o p m e n t _ f r o m t h e 6 1 0 c o n t i n u e d a f t e r t h e S C E C R a n d t h e K 1 2 0 0 c a m e b a c k o n l i n e . A s t a n d a l o n e v a c u u m s t a t i o n - t h e “ t e s t s t a n d ” w a s b u i l t f o r t h e c o n t i n u i n g e x p e r i m e n t s . A l s o . t h e e x t r a c t i o n a p p a r a t u s w a s c o m p l e t e l y o v e r h a u l e d . U p t o n o w , b e a m e x t r a c t i o n w a s r a t h e r c r u d e . w i t h a p l a s m a e l e c t r o d e ( t h a t a l s o t h r o t t l e d t h e o u t p u t o f t h e 6 1 0 ) a n d a g r o u n d e d b a f fl e p l a t e t h a t a c t e d a s t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e . T h e 6 1 0 w a s D C i s o l a t e d . a n d h e n c e p o s i t i v e b i a s o n t h e s o u r c e r e l a t i v e t o t h e b a f fl e p l a t e a l l o w e d i o n e x t r a c t i o n a n d a c c e l e r a t i o n . F o r e x p e r i m e n t s o n t h e t e s t s t a n d , a n e w i n t e n s i t y m a t c h e d “ q u a s i - P i e r c e " t h r e e e l e c t r o d e a c c e l - d e c e l c o n fi g u r a t i o n w a s d e s i g n e d a n d u s e d , i n w h i c h t h e r e w e r e t h r e e e l e c t r o d e ( t h e p l a s m a , a c c e l e r a t i o n a n d d e c e l e r a t i o n e l e c t r o d e s ) . B e a m d e fi n i t i o n o u t o f t h e t h r e e e l e c t r o d e s y s t e m w a s c o n fi r m e d t o b e b e t t e r t h a n t h e t w o e l e c t r o d e s y s t e m . A l s o , p h o t o g r a p h i c e v i d e n c e s h o w s t h a t t h e i m p r o v e d t h r e e e l e c t r o d e s y s t e m a l l o w s f o r b e t t e r c o n t r o l o v e r t h e f o c u s s i n g o f t h e b e a m , w h i l e m a i n t a i n i n g a c e r t a i n fl e x i b i l i t y i n t h e d i r e c t e d v e l o c i t y ( a c c e l e r a t i o n p o t e n t i a l ) o f t h e b e a m . I n C h a p t e r T e n , t h e f o c u s o f r e s e a r c h s h i f t e d a w a y f r o m t h e 6 1 0 f o r t h e fi n a l t i m e , a n d d i r e c t l y t o t h e S C E C R . T h e d e s i g n o f m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S t h r o u g h t h e p a s t t w o d e c a d e s h a s b e e n d o m i n a t e d i n p a r t b y t h e s o c a l l e d “ f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g l a w . “ T h i s l a w i m p l i e s t h a t t h e i o n d e n s i t y g e n e r a t e d 5 0 0 i n a n E C R i o n s o u r c e i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e s q u a r e o f t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n . H e n c e , r a i s i n g t h e f r e q u e n c y f r o m 6 . 4 G H z , t o 1 0 G H z , t o 1 4 G H z a n d b e y o n d h a d b e e n t h e u n w r i t t e n r u l e o f s o u r c e d e s i g n e r s t o e n h a n c e i o n d e n s i t y ( a n d t h e r e b y i n c r e a s e t h e p r o d u c t i o n o f h i g h c h a r g e s t a t e s ) . H o w e v e r i n t h e “ H i g h - B ” m o d e o f o p e r a t i o n o f t h e S C E C R a t 6 . 4 G H z , t h e h i g h c h a r g e s t a t e r e s u l t s w e r e s e e n t o b e c o m p a r a b l e t o t h o s e f r o m a l l o t h e r h i g h e r f r e q u e n c y ( 1 0 - 1 8 G H z ) E C R I S i n t h e w o r l d . T h i s n e w m o d e u s e s a m o r e a g g r e s s i v e c o n fi n e m e n t s t r u c t u r e ( w i t h h i g h e r m i r r o r r a t i o s ) , a n d o n c e t h e S C E C R i s o p t i m a l l y t u n e d , t h e p r o d u c t i o n o f h i g h c h a r g e s t a t e s i s s e e n t o b e e n h a n c e d . T h e b e s t m e t h o d o f t e s t i n g t h e “ f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g “ w o u l d h a v e b e e n t o r a i s e t h e m i r r o r r a t i o s f o r o p e r a t i o n a t , s a y 1 4 G H z ( m a g n e t i c c o n fi n e m e n t r e q u i r e m e n t s , l i k e t h e E C R r e q u i r e m e n t s , s c a l e w i t h t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n ) . T h e S C E C R c o u l d t h e n b e e x c i t e d a t 1 4 . 4 G H z , a n d t h e v i a b i l i t y o f b o t h t h e H i g h - B m o d e a n d t h e s c a l i n g l a w a b o v e c o u l d b e t e s t e d . H o w e v e r , e v e n t h o u g h t h e S C E C R i s a v a r i a b l e f r e q u e n c y s o u r c e w i t h a n o p e r a t i n g f r e q u e n c y r a n g e f r o m 6 G H z t o 3 5 G H z , p r o b l e m s w i t h t h e c u r r e n t l e a d s o f t h e h e x a p o l e s e v e r e l y r e s t r i c t t h i s r a n g e , a n d o p e r a t i o n a t 1 4 . 4 G H z e v e n w i t h n o r m a l ( n o t H i g h - B ) m i r r o r s i s n o t p o s s i b l e . . S i n c e t h e r a t i o o f 6 . 4 t o 1 4 . 4 i s c l o s e t o t h e r a t i o o f 2 . 4 5 t o 6 . 4 , i t w a s p r o p o s e d t h a t t h e f r e q u e n c y o f o p e r a t i o n b e b r o u g h t D O W N , a n d t h e S C E C R b e o p e r a t e d w i t h t h e 2 . 4 5 G H z g e n e r a t o r t h a t w a s u s e d f o r t h e 6 1 0 e x p e r i m e n t s a t t h e N S C L . T h e h a r d w a r e f o r i n j e c t i n g 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e s w a s r e l a t i v e l y t r i v i a l t o d e s i g n a n d b u i l d . T h e r e s u l t s o f t h e s e e x p e r i m e n t s w e r e , h o w e v e r , f a r f r o m t r i v i a l . O n c e t h e H i g h - B m o d e w a s s c a l e d d o w n f o r o p e r a t i o n a t 2 . 4 5 G H z , i t w a s o b s e r v e d t h a t d u r i n g t h e f o u r d a y s o f t e s t i n g . t h e S C E C R a t 2 . 4 5 G H z m a t c h e d 5 0 1 t h e p r o d u c t i o n o f a r g o n a n d o x y g e n i o n c u r r e n t s f r o m s e v e r a l h i g h e r f r e q u e n c y m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S - t h e S C E C R a t 2 . 4 5 G H z i s i n d e e d c a p a b l e o f p r o d u c i n g h i g h c h a r g e s t a t e i o n s . I t h a s t h e r e f o r e b e e n c o n fi r m e d t h a t 2 . 4 5 G H z i s a v i a b l e f r e q u e n c y f o r t h e p r o d u c t i o n o f h i g h c h a r g e s t a t e s . a f a c t t h a t h a d b e e n o v e r l o o k e d t o d a t e d u e t o t h e “ f r e q u e n c y s q u a r e d s c a l i n g “ l a w . S i n c e m a g n e t r o n b a s e d 2 . 4 5 G H z p o w e r s u p p l i e s a r e m u c h m o r e a b u n d a n t a n d c h e a p ( c o m p a r e d t o t h e k l y s t r o n a n d g y r o t r o n b a s e d s o u r c e s f o r h i g h e r f r e q u e n c i e s ) , t h e o v e r a l l c o s t o f a n a p t l y d e s i g n e d m u l t i p l y c h a r g e d E C R I S m a y b e r e d u c e d . A l s o , a t t h i s f r e q u e n c y , t h e m a g n e t i c fi e l d r e q u i r e m e n t s f o r b o t h E C R a n d c o n fi n e m e n t a r e l o w e r e d . l e a d i n g t o l o w e r p o w e r c o n s u m p t i o n o n t h e c u r r e n t c o i l s , a n d m i g h t e v e n b e e l i m i n a t e d i f t h e a p p r o p r i a t e fi e l d c o n fi g u r a t i o n i s p o s s i b l e w i t h p e r m a n e n t m a g n e t s . F i n a l l y , t h e l o g i s t i c a l s a v i n g s a t 2 . 4 5 G H z i n t e r m s o f s p a c e , u t i l i t i e s r e q u i r e m e n t s , a i r h a n d l i n g c a p a c i t y , w a t e r c o o l i n g , e t c . m a y a l s o b e i m p o r t a n t f a c t o r s . O v e r a l l , t h i s f e a s i b i l i t y s t u d y r e d u c e d t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e s c a l i n g l a w . W i t h i n t e r e s t f r o m i n d u s t r y ( s p e c i a l l y f r o m i o n i m p l a n t a t i o n m a c h i n e d e s i g n e r s ) , t h e r e i s c u r r e n t l y a n o n g o i n g p a t e n t p r o c e d u r e f o r t h e h a r d w a r e . i n v o l v e d i n t h e 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n o f t h e S C E C R t h r o u g h t h e O f fi c e o f I n t e l l e c t u a l P r o p e r t y a t M S U . ' 1 4 W O f t h e e l e v e n c h a p t e r s t h a t c o n s t i t u t e t h i s d i s s e r t a t i o n , s e v e n a r e b a s e d o n e x p e r i m e n t a l w o r k p e r f o r m e d o n f o u r m a i n E C R i o n s o u r c e s ( a n d t w o v a r i a n t s o f t h e s e s o u r c e s ) . E a c h o f t h e s e v e n c h a p t e r s h a s a s e c t i o n o n 5 0 2 “ c o n c l u d i n g r e m a r k s , “ t h a t s u m m a r i z e s t h e r e s u l t s o f t h a t s u b - s t u d y . a n d a l s o p r e s e n t s p r o p o s a l s f o r f u t u r e r e s e a r c h t o f u r t h e r c o m p l e t e t h a t s u b - s t u d y . A s w a s d o n e f o r t h e r e s u l t s o f e a c h c h a p t e r i n S e c t i o n 1 l . 2 , i t i s t h e p u r p o s e o f t h i s s e c t i o n t o c o n c i s e l y p r e s e n t s o m e p o s s i b l e f u t u r e e x p e r i m e n t s . T h e E E i o n s o u r c e s ( t h e M P D R 6 1 0 , t h e 6 1 0 - a a n d t h e M P D R 5 ) c a n a l l b e n e fi t f r o m a n . e n h a n c e d b a t t e r y o f e x p e r i m e n t a l t e c h n i q u e s . I n p a r t i c u l a r , f u t u r e r e s e a r c h e r s m u s t g o b e y o n d 9 u s i n g L a n g m u i r p r o b e s , e n e r g y a n a l y z e r s a n d m i c r o - c o a x i a l p r o b e s . W h i l e t h e s e t e c h n i q u e s p r o v i d e i m p o r t a n t d a t a , t h e r e a r e o t h e r c h a r a c t e r i z a t i o n m e t h o d s g e a r e d t o w a r d s g a t h e r i n g i n f o r m a t i o n t h a t t h e a b o v e m e n t i o n e d t e c h n i q u e s d o n o t p r o v i d e . F o r e x a m p l e , q u a r t z c r y s t a l r n i c r o b a l a n c e ( Q C M ) a n a l y s i s w o u l d p r o v i d e i n f o r m a t i o n o n t h e f l u x o f r a d i c a l o x y g e n ( 0 ) , o r r a d i c a l h y d r o g e n ( H ) s p e c i e s , b o t h o f w h i c h a r e i m p o r t a n t f o r s e m i c o n d u c t o r a p p l i c a t i o n s . I n p a r t i c u l a r . t h e o p e r a t i o n o f t h e 6 1 0 a t 9 1 5 M H z v e r s u s 2 . 4 5 G H z n e e d s t o b e e x p l a i n e d f u r t h e r . I t i s e x p e c t e d t h a t t h e d i f f e r e n c e s i n t h e o p e r a t i o n o f t h e i o n s o u r c e a t t h e t w o f r e q u e n c i e s m a y g e n e r a t e d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o f t h e s e r a d i c a l s p e c i e s . P e r h a p s t h e s i m p l e s t m e t h o d o f i d e n t i f y i n g t h e s p e c i e s i n a p l a s m a i s t h r o u g h o p t i c a l e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y ( O E S ) . U s i n g t h e s p e c t r a o b t a i n e d w i t h t h e h e l p o f a n o p t i c a l fi b e r a n d a s p e c t r o m e t e r , t h e p e a k s m a y b e i d e n t i fi e d u s i n g c o m m o n l y a v a i l a b l e t a b l e s o f s p e c t r o s c o p i c d a t a . A n e n h a n c e d m e t h o d w o u l d u s e F a b r y — P e r o t i n t e r f e r o m e t r y i n c o n j u n c t i o n w i t h O E S t o f u r t h e r i n c r e a s e t h e r e s o l u t i o n ' o f a p a r t i c u l a r p e a k , a n d c o u l d b e u s e d t o c a l c u l a t e t h e f u l l w i d t h a t h a l f m a x i m u m ( F W H M ) o f t h e p e a k . T h i s d a t a m a y b e u s e d t o p r o v i d e i n f o r m a t i o n o n t h e t e m p e r a t u r e o f n e u t r a l p a r t i c l e s t h a t a r e n o r m a l l y d i f fi c u l t t o c h a r a c t e r i z e s i n c e t h e y l a c k c h a r g e a n d c a n n o t b e m a n i p u l a t e d u s i n g b i a s 5 0 3 p o t e n t i a l s . L a s e r i n d u c e d fl u o r e s c e n c e ( L I F ) m a y b e u s e d t o s t u d y t h e m e t a - s t a b l e s t a t e s w i t h i n t h e p l a s m a d i s c h a r g e . T h i s i s , u n f o r t u n a t e l y a n e x t r e m e l y c o m p l i c a t e d a n d t i m e c o n s u m i n g t e c h n i q u e , a n d d u r i n g t h e c o u r s e o f t h i s d i s s e r t a t i o n , a t t e m p t s w e r e m a d e t o p e r f o r m L I F o n t h e 6 1 0 w i t h o u t m u c h s u c c e s s . H o w e v e r , t h e n e u t r a l s p e c i e s ' s i g n a l s t r e n g t h ( a s c o m p a r e d t o t h e n o i s e ) f r o m t h e 6 1 0 w a s p r o b a b l y n o t h i g h e n o u g h , a n d t i m e w a s a c o n s t r a i n i n g f a c t o r w h e n t h e s e e x p e r i m e n t s w e r e a t t e m p t e d . O n e o f t h e c o n c l u s i o n s o f C h a p t e r F o u r w a s t h a t a r g o n d a t a m a y n o t b e u s e d t o e x t r a p o l a t e i n f o r m a t i o n r e g a r d i n g o t h e r g a s e s l i k e n i t r o g e n , h y d r o g e n , o r o x y g e n . T h e r e a r e fl i n d a r n g n t a l d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e 6 1 0 i n a r g o n , a n d f o r t h e o t h e r d i a t o m i c g a s e s . I t i s v e r y i m p o r t a n t t h a t t h e m o r e u s e f u l g a s e s ( l i k e n i t r o g e n ) b e s t u d i e d s e p a r a t e l y s o a s t o p r o v i d e a b a s e o f d a t a f o r t h e e n d u s e r s o f t h e 6 1 0 . F o r e x a m p l e , a n i t r o g e n o r o x y g e n p l a s m a a t 9 1 5 M H z n e e d s t o b e c h a r a c t e r i z e d t o s e e h o w t h e s o u r c e o p e r a t i o n d i f f e r s f o r n i t r o g e n w i t h i t s p e r f o r m a n c e a t 2 . 4 5 8 G H z . T o c o m p l e t e t h e s u b - s t u d y o f C h a p t e r F i v e ( t h e 9 1 5 M H z o p e r a t i o n o f t h e 6 1 0 ) , s i n g l e L a n g m u i r p r o b e d a t a f o r a r g o n n e e d s t o b e t a k e n w h e r e e l e c t r o n e n e r g y m e a s u r e m e n t s h a v e b e e n r e p o r t e d u s i n g d o u b l e L a n g m u i r p r o b e s . D L P s a r e n o r m a l l y n o t a s a c c u r a t e w h e n p r e d i c t i n g e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s a s S L P s a r e , s i n c e t h e l a t t e r d i r e c t l y m e a s u r e e l e c t r o n e n e r g y d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s , a n d c a l c u l a t e t h e a v e r a g e e n e r g y b a s e d o n t h e E E D F . T h e D L P s o n t h e o t h e r h a n d s a m p l e o n l y t h e h i g h e n e r g y t a i l o f t h e E E D F . a n d a s s u m i n g a M a x w e l l i a n d i s t r i b u t i o n ( a n a s s u m p t i o n t h a t i s n o t a l w a y s v a l i d ) , p r o v i d e d a t a o n t h e a v e r a g e e l e c t r o n e n e r g i e s . 5 0 4 A l s o i n C h a p t e r F o u r , i t w a s o b s e r v e d t h a t t h e 6 1 0 h a s t w o m o d e s o f o p e r a t i o n - t h e h i g h d e n s i t y ( a t h i g h p r e s s u r e ) m o d e a n d t h e l o w d e n s i t y ( a t l o w p r e s s u r e ) m o d e . T h i s d i s c o n t i n u o u s j u m p h a s b e e n o b s e r v e d i n o t h e r l a r g e r E C R s o u r c e s a l s o , a n d m o r e w o r k n e e d s t o b e d o n e t o u n d e r s t a n d t h i s f u r t h e r . W h y , f o r e x a m p l e i s t h e r e n o e v i d e n c e o f t h i s m o d e j u m p f o r d i a t o m i c g a s e s ? P r e l i m i n a r y b e a m e x t r a c t i o n h a s b e e n c o n d u c t e d o n b o t h t h e M P D R 5 a n d t h e M P D R 6 1 0 . W h i l e _ t h e M P D R 5 e x t r a c t i o n a p p a r a t u s c o n s i s t e d o f m u l t i - a p e r t u r e g r a p h i t e g r i d s , t h e e x t r a c t i o n f r o m t h e 6 1 0 u s e d a s i n g l e c e n t r a l i z e d a p e r t u r e o n b o t h t h e e l e c t r o d e s . E v e n t h e m o r e a d v a n c e d t h r e e e l e c t r o d e “ q u a s i - P i e r c e “ s y s t e m f o r t h e 6 1 0 u s e d a s i n g l e a p e r t u r e ( 1 . 0 c m d i a m e t e r ) . A s p e c i a l i z e d s i n g l e a p e r t u r e e x t r a c t i o n s y s t e m f o r t h e M P D R 5 n e e d s t o b e d e s i g n e d a n d s t u d i e d . F o r t h e 6 1 0 , e m i t t a n c e a n d c h a r g e s t a t e d i s t r i b u t i o n d a t a f o r t h e t w o e l e c t r o d e s y s t e m w e r e t a k e n , b u t n o t f o r t h e t h r e e e l e c t r o d e a p p a r a t u s - t h i s n e e d s t o b e d o n e . A l s o , t h e r e i s s o m e i n t e r e s t i n u s i n g t h e 6 1 0 a s a n i o n b e a m s o u r c e p r o d u c i n g a l p h a p a r t i c l e s ( H e 2 * ) a n d o t h e r h i g h e n e r g y p h y s i c s a p p l i c a t i o n s , i f i t s e m i t t a n c e m a y b e r e d u c e d f r o m i t s c u r r e n t h i g h l e v e l s . T h i s f e a s i b i l i t y n e e d s t o b e s t u d i e d . W h i l e s t u d y i n g t h e m e n i s c u s e f f e c t s o f t h e b e a m d e v e l o p m e n t f r o m t h e M P D R 6 1 0 , c e r t a i n a n o m a l i e s w e r e e n c o u n t e r e d - l i k e t h e p o s s i b i l i t y o f c r e a t i n g . 1 k e V e l e c t r o n s i n t h e 6 1 0 , o r t h e d e p e n d e n c e o f t h e m e n i s c u s e f f e c t o n t h e s e p a r a t i o n b e t w e e n t h e p l a s m a a n d a c c e l e r a t i o n e l e c t r o d e s . T h e s e n e e d t o b e s t u d i e d f u r t h e r . W h e n t h e 6 1 0 w a s m o u n t e d o n t h e S C E C R f o r t h e “ 6 1 0 + S C E C R “ h y b r i d s o u r c e e x p e r i m e n t s , g o o d p r e l i m i n a r y r e s u l t s w e r e o b t a i n e d . H o w e v e r , s e v e r a l p r o b l e m s w e r e t a r g e t e d f o r f u t u r e r e s e a r c h . T h e o u t p u t o f t h e 6 1 0 w a s a b o u t 3 0 5 0 5 c m f r o m t h e b a f fl e p l a t e t h a t s e p a r a t e s t h e n o r m a l fi r s t s t a g e o f t h e S C E C R f r o m t h e m a i n s t a g e - t h i s d i s t a n c e n e e d s t o b e s h o r t e n e d t o e n s u r e a h i g h e r d e g r e e o f c o u p l i n g b e t w e e n t h e t w o s o u r c e s . T h e i s s u e o f t o o h i g h a - p r e s s u r e f o r t h e m a i n s t a g e , b u t t o o l o w a p r e s s u r e f o r t h e 6 1 0 n e e d s t o b e r e s o l v e d , p e r h a p s b y b e t t e r d i f f e r e n t i a l p u m p i n g . A l s o , a m o r e p r e c i s e b e a m e x t r a c t i o n a p p a r a t u s - l i k e t h e t h r e e e l e c t r o d e s y s t e m u s e d i n C h a p t e r N i n e - s h o u l d b e u s e d t o a g g r e s s i v e l y i n j e c t p o s i t i v e , n e g a t i v e o r n e u t r a l b e a m i n t o t h e m a i n s t a g e o f t h e S C E C R . F i n a l l y , t h e p r e l i m i n a r y r e s u l t s o f C h a p t e r T e n ( t h e 2 . 4 5 G H z e x c i t a t i o n o f t h e S C E C R ) n e e d t o b e s t u d i e d f u r t h e r . O p e r a t i o n a t 2 . 4 5 G H z w i t h g a s e s o t h e r t h a n o x y g e n a n d a r g o n - l i k e k r y p t o n . x e n o n e t c . t h a t a r e n o r m a l l y u s e d f o r c y c l o t r o n i n j e c t i o n n e e d t o b e s t u d i e d . R e c e n t d e v e l o p m e n t s o n t h e A E C R a t t h e L a w r e n c e B e r k e l e y N a t i o n a l L a b o r a t o r y u t i l i z e m u l t i p l e f r e q u e n c y e x c i t a t i o n o f t h e A E C R w i t h i n t e r e s t i n g r e s u l t s . T h i s m a y b e a t t e m p t e d o n t h e S C E C R w i t h 2 . 4 5 G H z a n d 6 . 4 G H z i n j e c t i o n . G a s m i x i n g , s i l a n e c o n d i t i o n i n g , a l u m i n u m l i n e r s , a n d o t h e r t e c h n i q u e s l i k e s o l i d f e e d o r s p u t t e r i n g o f m e t a l l i c i o n s c o m m o n l y u s e d f o r t h e S C E C R n e e d t o b e s t u d i e d t o e n s u r e t h a t 2 . 4 5 G H z i s i n d e e d a v i a b l e f r e q u e n c y f o r o p e r a t i n g a m u l t i p l y c h a r g e s t a t e E C R I S . D e s p i t e a l l t h e w o r k p r e s e n t e d i n C h a p t e r s F o u r t h r o u g h T e n , a n d a l l r e s e a r c h t h a t w a s c o n d u c t e d o n t h e E C R i o n s o u r c e s p r i o r t o t h i s e f f o r t , e x p e r i m e n t a l w o r k i s n e v e r q u i t e fi n i s h e d . T h e r e i s a l w a y s m o r e t o l e a r n i n a n y p a r t i c u l a r fi e l d o f s t u d y , a n d j u s t a s s u r e l y , t h e r e w i l l a l w a y s b e e a g e r r e s e a r c h e r s t o f o l l o w i n t h e f o o t s t e p s . I t i s e x p e c t e d t h a t S e c t i o n 1 1 . 2 w o u l d p r o v i d e a r i c h fi e l d o f i d e a s f o r s t a r t i n g r e s e a r c h e r s t o e x p l o i t , t h e r e b y e n s u r i n g c o n t i n u e d g r o w t h o f k n o w l e d g e o n E C R i o n s o u r c e s . R E F E R E N C E S - - A - - [ A b e - 9 2 ] C . R . A b e r n a t h y , P . W . W i s k , S . J . P e a r t o n a n d F . R e n , J . V a c . S c i . T e c h - n o l . B ( 1 0 ) , 2 1 5 3 ( 1 9 9 2 ) . [ A n t - 8 7 ] T . A . A n t a y a , L . G u e i t i n g , W . N u r e n b e r g e r , D . P . S a n d e r s o n a n d Z . Q . X i e , I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n E C R I o n S o u r c e s a n d t h e i r A p p l i c a - t i o n s , 8 6 ( 1 9 8 7 ) . [ A n t - 8 9 ] T . A . A n t a y a , N u c l . I n s t r u m . M e t h o d s B 4 0 / 4 1 , 1 0 2 4 ( 1 9 8 9 ) . [ A n t - 9 2 ] T . A . A n t a y a a n d D . C o l e , 1 3 t h ' I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C y c l o t r o n s a n d T h e i r A p p l i c a t i o n s , V a n c o u v e r , 3 0 ( 1 9 9 2 ) . [ A n t - 9 3 a ] T . A . A n t a y a a n d S . G a m m i n o , 2 m g s u m r g g n d g g g n g e l g g g q n g e l s ; - . a n y - ” - - ' ! _ ! _ ' r - 3 m a y « . 1 0 . . _ 4 - 1 . 1 ‘ a n y - 1 1 6 . , . W p r e s e n t e d a t t h e 5 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s . B e i j i n g . C h i n a ( 1 9 9 3 ) . . [ A n t - 9 3 b ] T . A . A n t a y a . P r o c e e d i n g s o f t h e 1 1 t h W o r k s h o p o n E C R I o n S o u r c e s , G r o n n i n g e n , T h e N e t h e r l a n d s ( 1 9 9 3 ) . ( A n t - 9 4 a ] T . A . A n t a y a a n d S . G a m m i n o , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 5 ( 4 ) , ( 1 9 9 4 ) . [ A n t - 9 4 b ] T . A . A n t a y a a n d S . G a m m i n o , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 5 ( 5 ) , 1 7 2 3 ( 1 9 9 4 ) . [ A n t - 9 4 c ] T . A . A n t a y a , p r i v a t e c o m m u n i c a t i o n s . ( A n t - 9 5 ] T . A . A n t a y a a n d A . K . S r i v a s t a v a , U S a n d i n t e r n a t i o n a l p a t e n t , p e n d i n g ( 1 9 9 5 ) . ( A s m - 7 4 ] J . A s m u s s e n , R . M a l l a v a r p u , a n d H . C . P a r k . P r o c . I E E E 6 2 , 1 0 9 5 0 6 5 0 7 ( 1 9 7 4 ) . [ A s m - 8 7 ] J . A s m u s s e n , H . H . L i n , B . M a n r i n g a n d R . F r i t z , R e v . S c i . I n s t r u m . 5 8 . 1 4 7 7 ( 1 9 8 7 ) . [ A s m - 8 9 a ] J . A s m u s s e n , J . V a c . S c i . T e c h n o l . , A 7 ( 3 ) , 8 8 3 ( 1 9 8 9 ) . ( A s m - 8 9 b ] J . A s m u s s e n , R . F r i t z , L M a h o n e y , G . F o u r n i e r , a n d G . D e m a g g i o , A c o m p a c t c o m E C R i g n g i g s , p r e s e n t e d a t t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r - e n c e o n I o n S o u r c e s ( I C I S - 8 9 ) , B e r k e l e y , U S A . [ A s m - 9 0 a ] J . A s m u s s e n , R . F r i t z , L M a h o n e y , G . F o u r n i e r , a n d G . D e m a g g i o , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 1 , 2 8 2 ( 1 9 9 0 ) . [ A s m - 9 0 b ] J . A s m u s s e n , “ C o a x i a l C a v i t y T y p e R a d i o f r e q u e n c y W a v e , P l a s m a G e n e r a t i n g A p p a r a t u s , “ U S . P a t e n t 4 , 9 0 6 , 9 0 0 ( 1 9 9 0 ) . . [ A s m - 9 2 ] J . A s m u s s e n a n d A . K . S r i v a s t a v a , W W S o e D e 0 , p r e s e n t e d a t t h e W o r k - s h o p o n W i d e B a n d g a p N i t r i d e s , S t . L o u i s , M O ( 1 9 9 2 ) . [ A s m - 9 4 ) J . A s m u s s e n a n d P . M a k , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 5 , 1 7 5 3 ( 1 9 9 4 ) . [ A y d - 9 3 ] E . S . A y d i l , J . A . G r e g u s , a n d R . A . G o t t s c h o , J . V a c . S c i . T e c h n o l . A 1 1 . 2 8 8 3 ( 1 9 9 3 ) . - - B - - [ B a r - 9 2 ] C . B a r u e , P . B r i a n d , A . G i r a r d , G . M e l i n a n d G . B r i f f o r d , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 3 ( 4 ) , 2 8 4 4 ( 1 9 9 2 ) . [ B e u - 8 9 ] H . B e u s c h e r , P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n t h e P h y s - i c s o f M u l t i p l y C h a r g e d I o n s , a n d I n t e r n a t i o n a l W o r k s h o p o n E C R I o n S o u r c e s , G r e n o b l e , F r a n c e , l e s e d i t i o n s d e p h y s i q u e 5 0 ( 1 9 8 9 ) . ( B i t - 8 6 ] J . A . B i t t e n c o u r t , F u n d a m e n g l s o f P l a s m a P h y s i c , P e r g a m o n p r e s s ( 1 9 8 6 ) . 5 0 8 l B o u - 8 6 ) F . B o u r g , P . B r i a n d , J . D e b e r n a r d i , R . G e l l e r , B . J a c q u o t , P . L u d w i g , M . P o n t o n n i e r a n d P . S o r t a i s , 7 t h W o r k s h o p o n E C R I o n S o u r c e s , 1 8 7 ( 1 9 8 6 ) . [ B o u - 9 4 ] F . B o u k a r i , L . W a r t s k i , P h . C o s t e . A . F a r c h i , V . R o y a n d J . A u b e r t , R e v . S c i . I n s t r u m . , 6 5 ( 4 ) , 1 0 9 7 ( 1 9 9 4 ) . [ B r a - 7 1 1 m . M . B r a d y W e . i n M i c r o w a v e E n g i n e e r s ' H a n d b o o k , v o l u m e o n e , e d i t e d b y T . S . S a a d , A r t e c h H o u s e , I n c . M a s s a c h u s e t t s ( 1 9 7 1 ) . [ B r o - 8 9 1 W e d i t e d b y I - G - B r o w n . J o h n W i l e y a n d S o n s ( 1 9 8 9 ) . [ B u r - 8 5 ] S . B u r k h a r t , I E E E T r a n s . M i c r o w a v e T h e o r y a n d T e c h . M T T - 3 3 , 2 7 4 ( 1 9 8 5 ) . - - C - - [ C h e - 6 5 ] F . F . C h e n , W , e d i t e d b y R . H . H u d d l e s t o n e a n d S . L . L e o n a r d , A c a d e m i c , N e w Y o r k ( 1 9 6 5 ) . [ C i a - 9 2 ] G . C i a v o l a a n d S . G a m m i n o , R e v . S c i . I n s t r u m . , 6 3 ( 4 ) . 2 8 8 1 ( 1 9 9 2 ) . [ C l a - 8 3 ) D . J . C l a r k , e t . a 1 . F i fi h E C R I o n S o u r c e W o r k s h o p . L o u v a i n l a N e u v e . 1 3 7 ( 1 9 8 3 ) . [ C l a - 8 8 ] R . C l a m p i t t a n d P . E . H a n l e y , S u p e r c o n d . S c i . T e c h n o l . 1 , 5 ( 1 9 8 8 ) . ( O o h - 8 9 ] S . A . C o h e n , W , e d i t e d b y D . M . M a n o s . a n d D . L . F l a m m . A c a d e m i c , N e w Y o r k ( 1 9 8 9 ) . [ C o l - 9 5 ] D . C o l e , p r i v a t e c o m m u n i c a t i o n s . - - D - - [ D a v - 9 0 a ] R . F . D a v i s , Z . S i t a r a n d M . J . P a i s l e y , A n n u a l P r o g r e s s R e p o r t , N T I S R e f . N o . A D A 2 1 0 3 8 0 ( 1 9 9 0 ) . 5 0 9 [ D a v - 9 0 b ) S . A . D a v i e s , N . J . B a r r e t t , M . R . C a s t e l l , P . A l l e n a n d R . C l a m p i t t p r e - s e n t e d a t t h e E V C 2 ( 1 9 9 0 ) . [ D r u - 3 0 ] M . J . D r u y v e s t e y n , Z . P h y s . 6 4 , 7 8 1 ( 1 9 3 0 ) . [ D r u - 3 5 ] M . J . D r u y v e s t e y n a n d N . W a r m o l t z , P h i l . M a g . , 1 7 , l ( 1 9 3 5 ) . - - E - - [ E l d - 7 2 ] o . E l d r i d g e , P h y s . F l u i d s , 1 5 . 6 7 6 ( 1 9 7 2 ) . - - F - - [ F o r - 8 8 ] A . T . F o r r e s t e r . W M W W P r o p a g a t i o n I J o h n W i l e y a n d S o n s ( 1 9 8 8 ) . [ F r e - 7 l a ] R . M . F r e d e r i c k s a n d J . A s m u s s e n , J . A p p l . P h y s . 4 2 , 3 6 4 7 ( 1 9 7 1 ) . [ F r e - 7 l b ] R . M . F r e d e r i c k s , P h . D . d i s s e r t a t i o n , D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i - n e e r i n g , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , 1 9 7 1 . - - G - - [ G a l - 8 3 ] A . A . G a l e e v i n W , e d i t e d b y A A . G a l e e v a n d R . N . S u d a n , N o r t h - H o l l a n d P u b l i s h i n g C o m p a n y ( 1 9 8 3 ) . [ G e l - 8 4 ] G e l l e r e t a l . f r o m 1 9 8 4 B e r k e l e y w o r k s h o p . ( C a m - 9 4 ] S . G a m m i n o , p r i v a t e c o m m u n i c a t i o n s . [ G r o - 9 l ] T . A . G r o t j o h n , N p m g r i g a l M g d g l l i n g p f a c o m p a c t E C R i o n s o u r c e , p r e - s e n t e d a t t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s ( I C I S - 9 1 ) , B e n - s h e i r n , G e r m a n y . [ G m - 9 2 ] T . A . G r o t j o h n , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 3 , 2 5 3 5 ( 1 9 9 2 ) . [ G r o - 9 3 ] T . A . G r o t j o h n , V . G o p i n a t h , A . K . S r i v a s t a v a , a n d J . A s m u s s e n , m _ r ' 4 ' - 0 1 1 , n t ' e x 1 o r o . o u t . C ' 1 0 I “ . 1 . i n s o u r c e , p r e s e n t e d a t t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s ( I C I S - 9 3 ) , B e i j i n g , C h i n a . 5 1 0 [ G r o - 9 4 a ] T . G r o t j o h n a n d V . G o p i n a t h , p r i v a t e c o m m u n i c a t i o n s . [ G r o - 9 4 b l T . A . G r o t j o h n , V . G o p i n a t h , A . K . S r i v a s t a v a , a n d J . A s m u s s e n , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 5 ( 5 ) , 1 7 6 1 ( 1 9 9 4 ) . - - H - - [ H e r - 6 5 1 R F . H a r r i n g t o n . W W . M c G r a w - H i l l . N e w Y o r k ( 1 9 6 5 ) . ( H a r - 8 9 ) J . H a r p e r i n P l a s m a E t c h i n g , Q I n t r c c l u c t i o n , e d i t e d b y D . M . M a n o s a n d D . L . F l a m m . A c a d e m i c P r e s s , N e w Y o r k ( 1 9 8 9 ) . [ H a r - 9 4 ] K . H a r r i s o n , p r i v a t e c o m m u n i c a t i o n s . ’ [ H e i - 8 8 ) J . E . H e i d e n r e i c h 1 1 1 , J . R . P a r a s z c z a k , M . M o i s a n a n d G . S a u v e . J . V a c . S c i . T e c h n o l . B 6 , 2 8 8 ( 1 9 8 8 ) . . [ H e r - 8 9 ] N H e r s h k o w i t z , P l a s m a Q i a g p o s t i c s V c l p m c 1 . Q i a c h a c g c E m c t c g a a n d t h a a s g , e d i t e d b y D . A u c i e l l o a n d D . L . F l a m m . A c a d e m i c , N e w Y o r k ( 1 9 8 9 ) . [ H o k - 9 1 ] W . E . H o k e . P . J . L e m o n i a s a n d D C . W e i r , J o u r n a l o f C r y s t a l G r o w t h 1 1 1 1 0 2 4 - 1 0 2 8 ( 1 9 9 1 ) . [ H o l - 8 9 ) A . J . T . H o l m e s i n W e d i t e d b y I . G . B r o w n , J o h n W i l e y a n d S o n s ( 1 9 8 9 ) . _ [ H o p - 8 8 ] J . H o p w o o d , D . K . R e i n h a r d . a n d J . A s m u s s e n , J . V a c . S c i . T e c h n o l . B 6 . 1 8 9 6 ( 1 9 8 8 ) . [ H o p - 9 0 a ] J . H o p w o o d , D . K . R e i n h a r d a n d J . A s m u s s e n , J . V a c . S c i . T e c h n o l . . A 8 ( 4 ) , 3 1 0 3 ( 1 9 9 0 ) . [ H o p - 9 0 b ] J . H o p w o o d , R . W a g n e r , D . K . R e i n h a r d a n d J . A s m u s s e n , J . V a c . S c i . T e c h n o l . , A 8 ( 4 ) , 2 9 0 4 ( 1 9 9 0 ) . [ H o p - 9 1 ) J . A . H o p w o o d , P h . D . D i s s e r t a t i o n , D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r - 5 1 1 m g , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y ( 1 9 9 1 ) . - - I - - [ I s h - 8 4 ] J . I s h i k a w a , Y . T a k a e i r i a n d T . T a k a g i , R e v . S c i . I n s t r u m . 5 5 ( 4 ) 4 4 9 ( 1 9 8 4 ) . - - J - - [ J o b - 4 9 ] E . 0 . J o h n s o n a n d L . M a l t e r , P h y s R e v . , 7 6 , 1 4 1 1 ( 1 9 4 9 ) . [ J o h - 5 0 ] E . 0 . J o h n s o n a n d L . M a l t e r , P h y s . R e v . 8 0 , 5 8 ( 1 9 5 0 ) . [ J o n - 8 4 ] Y . J o n g e n . 1 0 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C y c l o t r o n s a n d T h e i r A p p l i c a t i o n s , E a s t L a n s i n g , 3 2 2 ( 1 9 8 4 ) . [ J o n - 8 9 ] Y . J o n g e n a n d C . M . L y n e i s , i n W m , e d i t e d b y I . B r o w n , J o h n W i l e y a n d S o n s . I n c . N e w Y o r k ( 1 9 8 9 ) . . . K - - [ K a n - 8 5 ) H . K a u f r n a n n , W W , C o m m o n w e a l t h S c i e n t i fi c C o r p . ( 1 9 8 5 ) . [ K a n - 8 7 ] H . R . K a u f m a n a n d R . S . R o b i n s o n . O m r a t i c p o f B c o a g B e a m E m c c s . ' C o m m o n w e a l t h S c i e n t i fi c C o r p o r a t i o n , V i r g i n i a ( 1 9 8 7 ) . [ K e l - 8 9 ] R . K e l l e r i n W , e d i t e d b y l . G . B r o w n , J o h n W i l e y a n d s o n s , I n c . , N e w Y o r k ( 1 9 8 9 ) . - - L - - [ L a n - 2 3 ) I . L a n g m u i r a n d H . M . M o t t - S m i t h , G e n . E l e c . R e v . 2 6 , 7 3 1 ( 1 9 2 3 ) . [ I a n - 3 1 ] I . L a n g m u i r a n d K . T . C o m p t o n , R e v . M o d . P h y s . 3 , 1 9 1 ( 1 9 3 1 ) . [ L e j - 8 0 ] C . L e j e u n e a n d J . A l b e r t , A p p l i g C h a r g c a P a r t i c l e O p t i c s , e d i t e d b y A . S e p t i e r , A c a d e m i c , N e w Y o r k ( 1 9 8 0 ) . [ L i e - 9 2 ] M . L i e h r , T . T r a s s l , M . S c h l a p p a n d E . S a l z b o r n , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 3 ( 4 ) , 2 5 4 1 ( 1 9 9 2 ) . 5 1 2 [ L i e - 9 4 ) M . A . L i e b e r m a n a n d A . J . L i c h t e n b e r g , P r i n c i p l e s o f P l a s m a D i a g m z a t i c a ' W ( J o h n W i l e y a n d s o n s , I n c . , N e w Y o r k , 1 9 9 4 ) . [ L o o - 9 1 ] J . L o c q u e t a n d E . M a c h l e r , R e s e a r c h r e p o r t R 2 2 2 4 1 ( # 7 5 7 2 5 ) , I B M R e s e a r c h D i v i s i o n , Z u r i c h R e s e a r c h L a b o r a t o r y ( 1 9 9 1 ) . [ L o i - 8 4 ) J . M . L o i s e a u x a n d M . F r u n e a u , T e n t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C y c l o t r o n s a n d t h e i r A p p l i c a t i o n s , E a s t L a n s i n g , I E E E 8 4 C H 1 9 9 6 ( 1 9 8 4 ) . [ L y n - 8 7 ) C . M . L y n e i s . I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n E C R I o n S o u r c e s a n d t h e i r A p p l i c a t i o n s , 4 2 ( 1 9 8 7 ) . ‘ [ L y n - 9 l ] C . L y n e i s e t a l . . P r o c e e d i n g s o f t h e T e n t h I n t e r n a t i o n a l W o r k s h o p o n E C R I o n S o u r c e s , O a k R i d g e N a t i o n a l L a b o r a t o r y , C O N F 9 0 1 l 1 3 6 ( 1 9 9 l ) . [ L y n - 9 2 ] C . L y n e i s , 1 3 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C y c l o t r o n s a n d T h e i r A p p l i c a t i o n s . V a n c o u v e r , 3 0 ( 1 9 9 2 ) . - - M - - [ M a h — 8 9 a ] L . J . M a h o n e y , M . S . T h e s i s , D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y ( 1 9 8 9 ) . [ M a h - 8 9 b ] L . M a h o n e y , J . A s m u s s e n . o m t R e a v i v e n — t a r ; M u l t _ i c u § p I E C R B c o a d B e a m I o n S o u r c c , p r e s e n t e d a t t h e 1 9 8 9 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s ( I C I S - 8 9 ) a t B e r k e l e y , C a l i f o r - ‘ n i a . [ M a n - 9 0 ] I I . M a h o n e y a n d J . A s m u s s e n , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 1 , 2 8 5 ( 1 9 9 0 ) . [ M a k - 9 2 ] P . M a k , G . K i n g , T . A . G r o t j o h n , a n d J . A s m u s s e n , J . V a c . S c i . T e c h n o l . A 1 0 , 1 2 8 1 ( 1 9 9 2 ) . [ M a k - 9 5 ] P . M a k , p r i v a t e c o m m u n i c a t i o n s . 5 1 3 [ M a n - 8 9 ] D . M . M a n o s a n d H . F . D y l l a , P l a s m E t c h i n g , g I n t r o d u c t i o n , e d i t e d b y D . M . M a n o s a n d D . L . F l a m m . A c a d e m i c , N e w Y o r k ( 1 9 8 9 ) . [ M a t - 8 7 ] M . M a t s u o k a a n d K . O n o , A p p l . P h y s . L e t t , 5 0 , 1 8 6 4 ( 1 9 8 7 ) . [ M a y — 9 3 ] D . P . M a y a n d G . M o u c h a t y , P r o c e e d i n g s o f t h e 1 1 t h I n t e r n a t i o n a l W o r k s h o p o n E C R I o n S o u r c e s ( E C R I S 1 1 ) , - a t t h e U n i v e r s i t y o f G r o n n i n - g e n , T h e N e t h e r l a n d s , 1 9 6 ( 1 9 9 3 ) . [ M a y - 9 5 ] D . M a y , p r i v a t e c o m m u n i c a t i o n s . [ M e l - 9 l ] G . M e l i n e t a l . , P r o c e e d i n g s o f t h e T e n t h I n t e r n a t i o n a l W o r k s h o p o n E C R I o n S o u r c e s , O a k R i d g e N a t i o n a l L a b o r a t o r y , C O N F 9 0 1 1 1 3 6 ( 1 9 9 1 ) . [ M e y - 8 5 ] F . M e y e r , P r o c e e d i n g s o f t h e S i x t h I n t e r n a t i o n a l W o r k s h o p o n E C R I o n S o u r c e s , 3 7 ( 1 9 8 5 ) . ( M e y - 8 6 ] F . W . M e y e r , 7 t h W o r k s h o p o n E C R I o n S o u r c e s , 1 1 ( 1 9 8 6 ) . [ M a r - 8 5 ] R A M o r g a n . W . E l s e v i e r . A m s t e r d a m ( 1 9 8 5 ) . [ M u s - 7 4 ] J . M u s i l . F . Z a c e k a n d P . S c h m i e d b e r g e n , P l a s m a P h y s . 1 6 , 9 7 1 ( 1 9 7 4 ) i M u s - 7 5 1 J . M u s t ! a n d F . Z a c e k . W E e c t r t i v M P l , A c a d e m i a , P r a g u e ( 1 9 7 5 ) . [ M o u - 9 3 ] T . D . M o u s t a k a s . T . L e i a n d R . J . M o l n a r , P h y s i c a B 1 8 5 , 3 6 ( 1 9 9 3 ) . . - - N _ - [ N i c - 8 3 ] D . N i c h o l s o n , M a c a q p t o P l a s m a T h e o m , J o h n W i l e y a n d S o n s , I n c . ( 1 9 8 3 ) . . - - O - - [ O k e - 9 1 a ] P . O ' K e e f f e . S . K o m u r o , S . D e n , T . M o r i k a w a a n d Y . A o y a g i . J p n . J . 5 1 4 A p p l . P h y s . , 3 0 . 1 1 8 . 3 1 6 4 ( 1 9 9 1 ) . [ O k e - 9 l b ] P . O ’ K e e f f e , S . K o m u r o , S . D e n . T . M o r i k a w a a n d Y . A o y a g i , J p n . J . A p p l . P h y s . , 3 0 . 5 A . L 8 3 4 , ( 1 9 9 1 ) . . . P - - [ P a i - 9 0 ] M . J . P a i s l e y , Z . S i t a r , B . Y a n a n d R . F . D a v i s , J . V a c . S c i . T e c h n o l . , B 4 , 3 2 3 ( 1 9 9 0 ) . [ P a r - 9 0 ] R . M . P a r k , M . B . T r o f f e r , C . M . R o u l e a u , J . M . B e P u y d t a n d M . A . H a a s e , A p p l . P h y s . L e t t . 5 7 ( 2 0 ) . 2 1 2 7 ( 1 9 9 0 ) . [ P a w - 9 3 ] C . P a w l o w s k i , M . A s l a m , J . A p p l . P h y s . 7 4 , 6 , 4 3 0 ( 1 9 9 3 ) . [ P i e - 4 0 ) J . R . P i e r c e , J . A p p l . P h y s . 1 1 , 5 8 4 ( 1 9 4 0 ) [ P i e - 5 4 ] J . R P i e r c e . W . V a n N o s t r a n d . N e w Y o r k ( 1 9 5 4 ) . ' * [ P o d - 7 1 1 1 - M - P o d g e r n y i . W M . P l e n u m P r e s s . N e w Y o r k ( 1 9 7 1 ) . [ P o p - 9 4 a ] O . A . P o p o v I n l e l u r c e s a n d e i r U s e i n P 1 — V e i t i o n f . A c a - d e m i c P r e s s , ( 1 9 9 4 ) . [ P o p - 9 4 b ] O . A . P o p o v a n d A . O . W e s t n e r , P l a s m a S o u r c e s S c i . T e c n h o l . 3 ( 4 ) , 4 5 3 ( 1 9 9 4 ) . I - - Q - - [ Q i u - 9 1 ] J . Q i u , J . M . D e P u y d t , H . C h e n g a n d M . A . H a a s e , A p p l . P h y s . L e t t . 5 9 ( 2 3 ) , 2 9 9 2 ( 1 9 9 1 ) . ' i ' . - - R - - [ R a g - 4 8 ] M i c r o p m v e j l j r a n s m i s s i c n C i r c a i t s e d i t e d b y G . L . R a g a n , M c G r a w H i l l B o o k C o m p a n y , I n c . ( 1 9 4 8 ) . 5 1 5 ( R a m - 6 5 ] S . R a m o , J . W h i n n e r y a n d T . V a n D u z e r , F i c l a s Q d W a v e s i n C o m m u - m c a t i m a fi l c c m a m c ‘ a , J o h n W i l e y a n d S o n s , I n c . , N e w Y o r k ( 1 9 6 5 ) . [ R i z - 8 8 ] P . A . R i z z i , M i c r o w a v e E n g m c e r i n g P fi s i v e C i r c u i t s I P r e n t i c e H a l l , N e w J e r s e y ( 1 9 8 8 ) . [ R o g - 8 2 ] J . R o g e r s , P h . D . d i s s e r t a t i o n , D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , 1 9 8 2 . [ R o o - 8 5 ] J . R o o t a n d J . A s m u s s e n , R e v . S c i . I n s t r u m . 5 6 , 1 5 4 ( 1 9 8 5 ) . [ R u n - 7 9 ] H . W . R u n d l e , D . R . C l a r k a n d J . M . D e c k e r s , C a n . J . o f P h y s . 5 1 , 1 4 4 ( 1 9 7 9 ) . - - S - - [ S a k - 7 7 ] N . S a k u d o , K . T o k i g u c h i , H . K i o k e a n d I . K a n o m a t a , R e v . S c i . I n s t r u m . 4 8 ( 7 ) , 7 6 2 ( 1 9 7 7 ) . [ S a k - 8 7 ] N . S a k u d o , N u c l . I n s t r . a n d M e t h . i n P h y s . B Z I , 1 6 8 ( 1 9 8 7 ) . [ S a k - 8 9 ] N . S a k u d o i n W , e d i t e d b y I . B r o w n , J o h n W i l e y a n d S o n s ( 1 9 8 9 ) . [ S c h - 6 8 ] W . S c h o t t i n W a s , e d i t e d b y W . L o c h t e - H o l t g r e v e n , N o r t h H o l l a n d P u b l i s h i n g C o m p a n y ( 1 9 6 8 ) . . _ [ S e p - 8 0 ] A . S e p t i e r , M W A c a d e m i c P r e s s ( 1 9 8 0 ) . . [ S h a - Q O ] s . Y . S h a p o v a l , o . E . B a l v i n s k i i , P . v . B u l k i n , 1 . A . M a x i m o v , A . C h u m a - k o v , L . L e d e b o a n d J . O . F o m e l l , P r o c e e d i n g s o f t h e F i r s t I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e ‘ P r i o r i t y T r e n d s i n S c i e n t i fi c I n s t r u m e n t a t i o n . ’ 3 1 , S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n , L e n i n g r a d ( 1 9 9 0 ) . [ S h a - 9 2 ] S . Y u S h a p o v a l , P . V . B u l k i n , A . C h u m a k o v , A . K h u d o b i n , I . M a x i m o v a n d G . M . M i k h a i l o v , V a c u u m , 4 3 ( 3 ) , 1 9 5 ( 1 9 9 2 ) . [ S h e - 9 1 ] M . E . S h e r w i n , G . O . M u n n s , E . G . W o e l k , T . J . D r u m m o n d , M . E . E l t a , 5 1 6 F . L . T e r r y a n d ? G . I . H a d d a d , J . C r y s t a l G r o w t h 1 1 1 . 6 0 5 ( 1 9 9 1 ) . [ S h i - 8 9 ] M . S h i m a d a , I . W a t a n a b e , Y . T o r i i , N u c l . I n s t r . a n d M e t h . i n P h y s . B 3 9 , 2 4 2 ( 1 9 8 9 ) . [ S h i - 9 1 ] M . S h i m a d a , I . W a t a n a b e , Y . T o r i i , J . V a c . S c i . T e c h n o l . A 9 ( 3 ) , 7 0 7 ( 1 9 9 1 ) . [ S h i - 9 3 ) M . S h i r n a d a a n d Y . T o r i i , J . V a c . S c i . T e c h n o l . , A 1 1 ( 4 ) , 1 3 1 3 ( 1 9 9 3 ) . [ S i t - 9 0 a ] Z . S i t a r , M . J . P a i s l e y , D . K . S m i t h a n d R . F . D a v i s , R e v . S c i . I n s t r u m . . 6 1 ( 9 ) , 2 4 0 7 ( 1 9 9 0 ) . [ S i t - 9 0 b ] Z . S i t a r , M . J . P a i s l e y , B . Y a n , J . R u a n , J . W . ' C h o y k e a n d R . F . D a v i s , J . V a c . S c i . T e c h n o l . B 4 , 3 1 6 ( 1 9 9 0 ) . - [ S o n - 9 2 ] Z . S o n g , J . Y u , R . L i , Z . Y u a n , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 3 ( 4 ) 2 5 5 3 ( 1 9 9 2 ) . [ S o r - 9 1 ] P . S o r t a i s , e t a l . , P r o c e e d i n g s o f t h e 1 0 t h I n t e r n a t i o n a l W o r k s h o p o n E C R I o n S o u r c e s , O a k R i d g e . T e n n e s s e e , C O N F - 9 0 1 l 1 3 6 ( 1 9 9 1 ) . [ S p a — 8 9 ] P . S p a a d k e i n W e d i t e d b y I . G . B r o w n , J o h n W i l e y a n d S o n s ( 1 9 8 9 ) . [ S H - 9 1 a ] A . K . S r i v a s t a v a , M . D a h i m e n e , T . G r o t j o h n , a n d J . A s m u s s e n , 9 m t i n . . - , ’ ‘ r o m . . . 9 ' o - . o u u - . o 1 . 1 ' 1 1 ; I L ; 1 - e . . i : a _ - l i - c a t i c p a , p r e s e n t e d a t t h e I E E E C o n f e r e n c e o n P l a s m a S c i e n c e ( I C O P S - 9 1 ) , W i l l i a m s b u r g , V i r g i n i a , U S A . [ S r i - 9 l b ] A . K . S r i v a s t a v a , M . D a h i m e n e , ~ T . G r o t j o h n , a n d J . A s m u s s e n , E m ; m e n t a l c h a g a c t c r i z a t i o n a t a c o m p a c t c c fl a l E C R i o a s c u r c e , p r e s e n t e d a t t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s ( I C I S - 9 1 ) , B e n s h e i r n . G e r m a n y . A [ S r i - 9 2 a ] A . K . S r i v a s t a v a , M . D a h i m e n e , T . G r o t j o h n , a n d J . A s m u s s e n . R e v . S c i I n s t r u m . 6 3 , 2 5 5 6 - 2 5 5 8 ( 1 9 9 2 ) . 5 1 7 [ S r i - 9 2 b ] A . K . S r i v a s t a v a , a n d J . A s m u s s e n , P e r f o m a a c e M e a s m g e m e n t a f c r a h W W W , p r e s e n t e d a t t h e I E E E C o n - f e r e n c e o n P l a s m a S c i e n c e ( I C O P S - 9 2 ) , T a m p a , F l o r i d a , U S A . [ S H - 9 2 c ] A . K . S r i v a s t a v a a n d J . A s m u s s e n , C o m p a r i a c n o f t h e o p e r a t i c n a l p e r - 0 1 9 - . . ; - - _ . . 0 1 1 0 - . t - - t n . 0 1 o _ o “ 0 ! - 1 _ 1 ‘ ! - . ‘ 1 L - . ‘ - e x c i t a t i o a f r e g u c n c i e s o f 2 . 4 5 G m E d 9 l 5 M fl a , p r e s e n t e d a t t h e A m e r - i c a n V a c u u m S o c i e t y s y m p o s i u m ( A V S - 9 2 ) , C h i c a g o , U S A . [ S r i - 9 3 a ] A . K . S r i v a s t a v a a n d J . A s m u s s e n , J . V a c . S c i . T e c h n o l A 1 1 ( 4 ) , 1 3 0 7 ( 1 9 9 3 ) . [ S r i - 9 3 b ] A . K . S r i v a s t a v a . F . c . S z e a n d J . A s m u s s e n , W W . p r e s e n t e d a t t h e 1 9 9 3 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s ( I C I S - 9 3 ) a t B e i j i n g , C h i n a . [ S r i - 9 3 c ] A . K . S r i v a s t a v a , J . A s m u s s e n , T . A . A n t a y a , a n d K . H a r r i s o n , I n c - u o . ‘ . u . - - . - _ u . - . . 1 0 - . . ‘ - _ ' - - _ ~ ‘ 1 ! , _ - _ . r o ' r z . o . J ; S C E C R . p r e s e n t e d a t t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I o n S o u r c e s ( I C I S - 9 3 ) , B e i j i n g , C h i n a . [ S H - 9 4 a ] A . K . S r i v a s t a v a a n d J . A s m u s s e n , W W W e 1 - fi - . . L ‘ i ! ‘ . . 0 1 . 9 - 2 - _ u o r _ . 1 0 ! . “ 3 1 - . . ; - , - L : c a m , p r e s e n t e d a t t h e I E E E C o n f e r e n c e o n P l a s m a S c i e n c e ( I C O P S - 9 4 ) , S a n t a F e , N e w M e r d c o , U S A . [ S r i - 9 4 b ] A . K . S r i v a s t a v a , F . C . S z e a n d J . A s m u s s e n , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 5 ( 5 ) , 1 7 4 9 ( 1 9 9 4 ) . [ S r i - 9 4 c ] A . K . S r i v a s t a v a , J . A s m u s s e n , T . A n t a y a a n d K . H a n i s o n , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 5 , 1 1 3 5 ( 1 9 9 4 ) . [ S r i - 9 4 d ] A . K . S r i v a s t a v a , T . A . A n t a y a . K . A . H a r r i s o n a n d J . A s m u s s e n , D i r c c t 5 1 8 b s e r v a t i o f e P l a s M u s f f e c t s i n B e a m s E x t r a c t e d f r W W . p r e s e n t e d a t t h e 1 9 9 4 I E E E I n t e r - n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n P l a s m a S c i e n c e s a t S a n t a F e , N e w M e r d c o , U S A ( p o s t d e a d l i n e s u b m i s s i o n ) . [ S r i - 9 5 a ] A . K . S r i v a s t a v a a n d J . A s m u s s e n , R e v . S c i I n s t r u m . 6 6 ( 2 ) , 1 0 2 8 — 1 0 3 4 ( 1 9 9 5 ) . [ S r i - 9 5 b ] A . K . S r i v a s t a v a a n d T . A n t a y a , P r e l i _ a n y c e s u l m o f m c 2 . 4 5 G I _ - _ I a W t o b e p r e s e n t e d a t t h e 1 9 9 5 I n t e r n a t i o n a l C o n - f e r e n c e o n I o n S o u r c e s . V a n c o u v e r , 1 9 9 5 . [ S i n - 9 6 1 A K S r i v a s t a v a a n d T . A A n t a y a . W W t o b e p u b l i s h e d i n R e v . S c i . I n s t r u m . ( 1 9 9 6 ) , a s p r o - c e e d i n g s o f I C I S - 9 5 . [ S t e - 6 7 ] A . v a n S t e e n b e r g e n , N u c l . I n s t r . a n d M e t h . , 5 1 . 2 4 5 ( 1 9 6 7 ) . [ S t e - 9 2 ] K . G . S t e p h e n s i n W , e d i t e d b y J . F . Z i e g l e r , N o r t h H o l l a n d P u b l i s h i n g C o m p a n y ( 1 9 9 2 ) . [ S t r - 9 1 ] S . S t r i t e , J . R u a n , Z . L i , N . M a n n i n g , A . S a l v a d o r , H . C h e n , D . J . S m i t h . W . J . C h o y k e a n d H . M o r k o c . J . V a c . S c i . T e c h n o l . 8 9 ( 4 ) , 1 9 2 4 ( 1 9 9 1 ) . [ S w i - 6 9 ] J . D . S w i f t a n d M . J . R . S c h w a r , W W g a s , C h a p t e r s 4 a n d 7 , E l s e v i e r , N e w Y o r k ( 1 9 6 9 ) . [ S z e - 9 3 a ) F . C . S z e , P h . D . D i s s e r t a t i o n . D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , ‘ M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y ( 1 9 9 3 ) . [ S z e - 9 3 b ] F . C . S z e a n d J . A s m u s s e n , J . V a c . S c i . T e c h n o l . A 1 1 , 1 2 8 9 ( 1 9 9 3 ) . - - T - - [ T a m - 8 9 ] M . T a m b a , K . Y a m a g u c h i , S . T a n a k a , M . Y a m a w a k i . M . N a k a j i r n a a n d Y . S a k a m o t o , N u c l . I n s t r . a n d M e t h . , B 3 7 / 3 8 , 1 7 3 ( 1 9 8 9 ) . 5 1 9 [ T a m - 9 0 ] M . T a m b a a n d H . A m e r n i y a , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 1 ( 1 ) , 2 4 7 ( 1 9 9 0 ) . [ T a y - 9 2 ] T . T a y l o r , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 3 ( 4 ) , 2 5 0 7 ( 1 9 9 2 ) . [ T o r - 8 7 ] Y . T o r i i . M . S h i r n a d a a n d I . W a t a n a b e , N u c l . I n s t r . a n d M e t h . i n P h y s . 8 2 1 , 1 7 8 ( 1 9 8 7 ) . [ T o r - 9 0 ) Y . T o r i i , M . S h i m a d a , l . W a t a n a b e , J . H i p p l e , C . H a y d e n a n d G . D i o n n e , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 1 ( l ) , 2 5 3 ( 1 9 9 0 ) . [ T o r - 9 2 ] Y . T o r i i , M . S h i r n a d a a n d I . W a t a n a b e , R e v . S c i . I n s t r u m . 6 3 ( 4 ) , 2 5 5 9 ( 1 9 9 2 ) . [ T s u - 8 9 ] H . T s u j i , J . I s h i k a w a a n d T . T a k a g i , N u c l . I n s t r . a n d M e t h . i n P h y s . B 3 7 / 3 8 , 1 5 9 ( 1 9 8 9 ) . - - V - - [ V a l - 7 7 ] L . V a l y i W , J o h n W i l e y a n d S o n s , I n c . , N e w Y o r k ( 1 9 7 7 ) . - _ w - - [ W a n - 9 1 ] J . G . W a n g , D . X . W a n g a n d M . R e i s e r , N u c l . I n s t r . a n d M e t h . i n P h y s . R e s e a r c h , A 3 0 7 , 1 9 0 ( 1 9 9 1 ) . [ W a t — 9 1 ] A . W a t a n a b e , M . H a t a a n d T . I s u , J o u r n a l o f C r y s t a l G r o w t h I I I 5 5 4 - 5 5 8 ( 1 9 9 1 ) . [ W h i - 8 7 ) S . W h i t e h a i r , J . A s m u s s e n , a n d S . N a k a n i s h i , J . P r o p . P o w e r 3 , 1 3 6 ' ( 1 9 8 7 ) . - - x - - [ X i e - 9 3 ] Z . 9 . X i e a n d C . M . L y n e i s , P r o c e e d i n g s o f t h e . 1 1 t h I n t e r n a t i o n a l W o r k - s h o p o n E C R I o n S o u r c e s ( E C R I S I l ) , a t t h e U n i v e r s i t y o f G r o n n i n g e n , T h e N e t h e r l a n d s , 1 0 6 ( 1 9 9 3 ) . [ X l e - 9 5 ] Z . Q . X 1 6 a n d C . M . L y n e i s . R e v . S c i . I n s t r u m . 6 6 ( 8 ) , 4 2 1 8 ( 1 9 9 5 ) . 5 2 0 _ - Y - - ( Y a m - 9 1 ] K . Y a m a m o t o , R . H . H a m m o n d , J . S . H a r r i s , J r . , J . V a c . S c i . T e c h n o l . A 9 ( 5 ) , 2 5 8 7 ( 1 9 9 1 ) . " 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 “