The ion energy and angular distributions of H+, H 2 +, and H 3 + impinging on an extraction aperture (3 mm in radius) have been investigated with a hybrid model of an inductively coupled H2 ion source. A dc is applied at the end of the cylinder discharge chamber, which pulls these three ions toward the extraction aperture. With an increase in the bias voltage, their ion angular distributions (IADs) become more symmetrical about the 0° axis and the full width at half-maximum (FWHM) of their IADs shrinks continuously. On the other hand, the ion-energy distributions (IEDs) of the three ions first form a single peak ( V bias 290 V). The interval between two IED peaks ( Δ E) first increases to a maximum around 150 V and then decreases monotonously. This can be attributed to the variation of the ratio of the ion transit time through the sheath (τi) to the rf field period (τrf). Moreover, the FWHMs of IEDs of H+, H 2 +, and H 3 + first increase to 2.62, 2.45, and 2.32 eV around Vbias = 150 V, respectively, and then decrease continuously with the bias voltage. Using a low rf power and low gas pressure may help to narrow the FWHM of the IEDs of the three ions. The hybrid model is verified by comparing the results from the simulation and experiment, and they exhibit a qualitative agreement. The results in this work could lead to deeper insights into the dependence of IADs and IEDs on the discharge parameters, which is important for realizing a monoenergetic and collimated ion beam in a proton or an ion accelerator.

中文翻译：

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直流偏置 H2 电感耦合放电中离子能量和角分布的数值研究

已经使用电感耦合 H2 离子源的混合模型研究了撞击提取孔径（半径为 3 毫米）的 H+、H 2 + 和 H 3 + 的离子能量和角度分布。在气缸放电室的末端施加直流电，将这三个离子拉向提取孔。随着偏置电压的增加，它们的离子角分布 (IAD) 围绕 0° 轴变得更加对称，并且它们的 IAD 的半高全宽 (FWHM) 不断缩小。另一方面，三个离子的离子能量分布 (IED) 首先形成一个峰（V 偏置 290 V）。两个 IED 峰值之间的间隔 (ΔE) 首先增加到 150 V 左右的最大值，然后单调减少。这可归因于离子通过鞘层的传输时间 (τi) 与 rf 场周期 (τrf) 之比的变化。此外，H+、H 2 + 和H 3 + 的IED 的FWHM 首先分别在Vbias = 150 V 附近增加到2.62、2.45 和2.32 eV，然后随着偏置电压的增加而不断减小。使用低射频功率和低气压可能有助于缩小三种离子 IED 的 FWHM。通过比较模拟和实验的结果来验证混合模型，它们表现出定性的一致性。这项工作的结果可以更深入地了解 IAD 和 IED 对放电参数的依赖性，这对于在质子或离子加速器中实现单能和准直离子束很重要。和 H 3 + 首先分别在 Vbias = 150 V 附近增加到 2.62、2.45 和 2.32 eV，然后随着偏置电压不断减小。使用低射频功率和低气压可能有助于缩小三种离子 IED 的 FWHM。通过比较模拟和实验的结果来验证混合模型，它们表现出定性的一致性。这项工作的结果可以更深入地了解 IAD 和 IED 对放电参数的依赖性，这对于在质子或离子加速器中实现单能和准直离子束很重要。和 H 3 + 首先分别在 Vbias = 150 V 附近增加到 2.62、2.45 和 2.32 eV，然后随着偏置电压不断减小。使用低射频功率和低气压可能有助于缩小三种离子 IED 的 FWHM。通过比较模拟和实验的结果来验证混合模型，它们表现出定性的一致性。这项工作的结果可以更深入地了解 IAD 和 IED 对放电参数的依赖性，这对于在质子或离子加速器中实现单能和准直离子束很重要。通过比较模拟和实验的结果来验证混合模型，它们表现出定性的一致性。这项工作的结果可以更深入地了解 IAD 和 IED 对放电参数的依赖性，这对于在质子或离子加速器中实现单能和准直离子束很重要。通过比较模拟和实验的结果来验证混合模型，它们表现出定性的一致性。这项工作的结果可以更深入地了解 IAD 和 IED 对放电参数的依赖性，这对于在质子或离子加速器中实现单能和准直离子束很重要。