Извлечение и ускорение пучков положительных ионов, страница 10

В [53] приведены аргументы в пользу четырехэлектродной системы (рис. 5.16), т. е. системы с последовательным извлечением, ускорением и замедлением. Преимущество такой системы особенно значительно, когда энергия ионов составляет 100 кэВ  или  выше.  Это  связано  с  экспериментальными  данными о примерной пропорциональности напряжения пробоя в ускоряющем зазоре квадратному корню из межэлектродного расстояния. Плотность тока, ограниченная объемным зарядом, с   точностью    до    постоянного    множителя    пропорциональна

Рис. 5.16. Четырехэлектродная система извлечения пучка.

, что приводит к пропорциональности оптимального тока для трехэлектродной системы  при высоких напряжениях, когда величина ускоряющего зазора ограничена опасностью пробоя. Эти ограничения исчезают для системы извлечения с ускорением — замедлением, в которой извлекающее и ускоряющее напряжения независимы.

У таких систем существуют и некоторые другие преимущества. Авторы работы [54] установили, что формирование слаборасходящегося пучка четырехэлектродной системы осуществляется при отношении диаметра апертуры к длине извлекающего зазора, большем 1,0 (максимальной величины для трехэлектродных). Было также показано [53], что при четырехэлектродной системе можно формировать пучки с меньшей расходимостью и расходимость менее чувствительна к изменениям плотности плазмы в источнике, чем в случае трехэлектродной системы.

Представляется также возможным [205] сконструировать электродную систему (см. рис. 43.20) таким образом, чтобы медленные ионы из плазмы пучка высаживались на последний электрод и не бомбардировали ускоряющий электрод (№ 3), где они могут образовывать вторичные электроны, которые попадают обратно в источник и создают существенные проблемы, связанные с выделением большой мощности.

5.6. Конструкция извлекающего электрода

В работе [51] показано, что в многоапертурной электродной системе каждая апертура действует независимо, т. е. первеанс и угловая расходимость пучка для каждой апертуры те же, что и для одиночной апертуры, даже когда, отверстия тесно примыкают друг к другу. Таким образом, разработку электродной системы можно сосредоточить на одноапертурной системе.

Если назначением электродной системы является обеспечение умеренной величины первеанса   (нормированный первеанс

Рис. 5.17.  Геометрия экспериментальной системы извлечения пучка [54].

каждой апертуры порядка 0,1 или больше) фактически без непосредственного пересечения пучков, но и без жестких требований к их угловой расходимости, то несложно разработать конфигурацию электродов. Например, система, изображенная на рис. 5.17 без проведения каких-либо вычислений, почти наверняка окажется удовлетворительной. Я постарался изобразить угол между предполагаемой крайней траекторией и плазменным электродом равным пирсовскому углу 67,5°. Это желательно для минимизации неламинарного движения внешних ионов, однако не особенно существенно, и во многих успешно работающих системах отверстия в электродах сделаны цилиндрическими.

Если же кроме высокого первеанса и пренебрежимо малого пересечения пучка требуется обеспечить и очень малую угловую расходимость пучка (например, порядка ±1° или даже меньше), то следует внимательно отнестись к конструкции системы извлечения пучка. Необходимо осуществить обширную программу по -вариации геометрии электродов, пока не будет найдена оптимальная геометрия. Этого можно добиться либо с помощью цикла экспериментов, в котором рабочие характеристики  источника,  включая  и  угол  расходимости пучка,  измеряются как функции различных геометрических параметров, либо с помощью численного моделирования.