Источники отрицательных ионов. Двойная перезарядка, страница 17

Когда стало ясно, что для термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы потребуются пучки ионов Н с током несколько ампер, наиболее предпочтительными направлениями исследований стали сначала работы, связанные с двойной перезарядкой, а затем — с поверхностно-плазменным методом получения отрицательных ионов.Однако в 1970 г.  во Франции группой исследователей из Политехнической школы   (Палэзо) была начата серия экспериментов по измерению    плотности ионов Н в водородной плазме. Результаты оказались довольно неожиданными. В водородной плазме    с    низкой    плотностью (1010 см -3) исследователи обнаружили (см. работу Бакал [13]) плотность отрицательных ионов, в 100 раз превышающую значение, получаемое исходя из известных процессов их образования и разрушения. В проведенном анализе предполагалось существование в плазме одного вида нейтральных частиц Н2 и одного вида  ионов Н2+, что является достаточно корректным допущением для плазмы малой плотности, с которой они работали. На упомянутой выше Брукхейвенской конференции по отрицательным ионам, где было сделано сообщение о работе этой группы, был представлен весьма полный обзор [55] процессов образования и распада ионов Н. Исходя из того что сечения процессов распада многократно превышают сечения процессов образования, авторы обзора сделали заключение о малой вероятности существования сколь-нибудь высокой плотности отрицательных ионов в лабораторной плазме.

Тремя годами позже на очередной большой конференции по отрицательным ионам в докладе группы Бакал [14] сообщалось о проведении исследований в области плотности плазмы ~1011 см-3. Для такой плазмы было получено отношение nН−/ne достигавшее величины 0,35. Однако на конференции не было представлено отдельного доклада о получении пучков ионов Ннепосредственно из плазмы разряда. Ясно, что метод объемной генерации отрицательных ионов имеет существенное преимущество, заключающееся в отсутствии цезия или других загрязняющих веществ, как это имеет место в методе двойной перезарядки или поверхностно-плазменном методе. Однако этому методу присущи значительные трудности, связанные с извлечением отрицательных ионов из плазмы. Поскольку обычно плазма имеет положительный потенциал относи своего окружения, она представляет собой потенциальную для ионов Н. Преодолеть это затруднение просто путем подачи на электрод, содержащий извлекающее отверстие, потенциала более положительного, чем  анодный, нельзя, так как в отсутствие  магнитного  поля,  препятствующего  движению электронов на эмиссионный электрод, плазма  останется более положительной, чем самый положительный электрод на ее границе.

В работе Леунга и др. [186] предпринята попытка решить эту проблему путем  использования  показанного на  рис.10.19. двухкамерного источника с остроугольной конфигурацией магнитного поля. В экспериментах с этим источником были также накоплены экспериментальные данные о механизме образования ионов Н, который позволял объяснить результаты экспериментов группы исследователей из Политехнической школы (Палэзо).

Рис.   10.19.   Схематическое   изображение   двухкамерного   плазменного   источника Леунга, Элерса и Бакал [186].

Изучение эмиссионных свойств двухкамерного источника проходило в три этапа. На первом этапе отсутствовал сам магнитный фильтр, т. е. не были установлены постоянные магниты, создающие поперечное поле. Вытягиваемый ток ионов Н был довольно мал (2 мкА), в то время как ток сопутствующих электронов был по меньшей мере в 9000 раз больше. После установки магнитного фильтра, разделившего плазменный объем на две области (причем в области, из которой осуществляется извлечение ионов, температура электронов значительно более низкая), ток ионов Н возрос до 10 мкА, а электронный ток существенно снизился. При подаче на плазменный электрод (граничащий с плазмой электрод, б котором расположено эмиссионное отверстие) потенциала + 2,5 В извлекаемый ток отрицательных ионов возрос до 23 мкА, однако электронный ток был все еще в 100 раз больше ионного. Когда же поперек эмиссионной щели было создано магнитное поле (рис. 10.19), ток сопутствующих электронов стал примерно равен ионному току. Выход ионов Н возрастал почти линейно с разрядным током, и при 350 А последнего со щели размером 0,15 см ×1,3 см удалось получить пучок плотностью 38 мА/см2.