Классификация источников положительных ионов, страница 28

Классификация источников положительных ионов          253

анте с размером ионной эмиссионной поверхности 40×16 см и восемнадцатью катодными нитями. Интересной особенностью этого источника является то, что каждая нить независимо подключается к отрицательному выходу разрядного выпрямителя через небольшое сопротивление, что предотвращает привязывание всего разряда к одной нити и ее сгорание вследствие этого. В работе с прямоугольным источником ток ионов водорода был равен 96 А с площади 40 см×16 см. Энергетические затраты на получение 1 А ионного тока составили (для кольцевой конструкции) 700—1000 Вт, газовая эффективность была равна 60%.

8.16. Высокочастотные ионные источники

Использование высокочастотного метода для создания плазмы в ионном источнике имеет несколько важных потенциальных преимуществ. Так, отпадает необходимость иметь термоэмиссионные катоды и вообще не нужны никакие внутренние электроды. Любое устройство, создающее высокочастотное электромагнитное излучение в области, содержащей газ или пар соответствующей плотности, будет вызывать образование плазмы, когда интенсивность излучения станет достаточно высокой.

Другое преимущество вытекает из той легкости (по крайней мере для микроволновых частот), с которой энергия излучения может быть передана плазме. Даже в случае слабого поглощения электромагнитных воли их отражение может быть легко скомпенсировано путем создания стенок источника с высоким коэффициентом отражения на этих частотах. Поэтому и в этом случае можно ожидать, что электромагнитная энергия будет достаточно эффективно передаваться плазме.

В качестве примера высокочастотного источника положительных ионов можно взять источник из работы [68], который использовался в экспериментах по двойной перезарядке, описанных в разд. 10.2. В этом источнике (рис. 8.47) микроволновое излучение частотой 8,3 ГГц и мощностью 8 кВт поступает по волноводу через керамическое окно в замкнутую полость емкостью 5 л. На небольшом расстоянии внутрь полости аксиальное магнитное поле спадает до величины 0,28 Т. При таком значении магнитного поля электронно-циклотронная частота равна 8,3 ГГц, и поэтому в этой области происходит интенсивное поглощение излучения. Хотя давление в полости равно 0,13 Па, тем не менее достигнутая в этом источнике плотность плазмы составила 6•10¹¹ см^-3. При этой плотности плазменная частота оказывается немного меньше частоты микроволнового излучения, так что оно все еще могло проникать в плазму.

254                                            Глава 8

Плазма расширяется вдоль магнитных силовых линий в направлении одноэлектродной извлекающей системы. В описываемых условиях плотность тока пучка составила 150 мА/см², а область однородной плазмы имела диаметр 10—15 см, 85% тока пучка составляли протоны.

Рис. 8.47. Высокочастотный ионный источник.

Число типов высокочастотных источников, которые прошли успешные испытания или могут их пройти, довольно велико. Однако описывать их здесь мы не будем. Это сделано не потому, что мы считаем эти источники неконкурентоспособными с традиционными источниками постоянного типа, а совершенно по другим причинам. Одной из них является то, что ВЧ-источникам и их развитию уделялось гораздо меньше внимания, чем источникам постоянного тока. Другая причина состоит в том, что ВЧ-источники не входили в сферу наших интересов. Допущенный в настоящей книге пробел в рассматриваемой области не означает, что мы считаем эти источники малоперспективными. Мы бы поддержали исследования, связанные с высокочастотным способом получения плазмы в источниках как положительных, так и отрицательных ионов.

Классификация источников положительных ионов                   255

Задачи Раздел 8.9

8.1.  Предположим, что некоторый   цилиндрический   объем имеет магнитную систему удержания плазмы, представляющую собой 12 линейных параллельных оси магнитных полюсов. Максимальная величина поля составляет 0,32 Т, а запертая плазма обладает электронной температурой 8 эВ и ионной — 2 эВ. При какой длине системы ток ионов на стенки станет равен току ионов через выходную апертуру Ø 0,15 м? Расчет проведите для ионов Н₂⁺.

8.2.  Предположим, что длина источника из задачи 8.1 равна 2 м и плотность нейтрального газа постоянна по всей   длине. Допустим также, что задняя торцевая поверхность источника не имеет магнитного экрана, так что половина ионов движется в направлении этой поверхности, а половина — к области извлечения. Будем считать, что ионизацию производят первичные электроны с энергией 50 эВ, которые составляют 5% общего числа электронов плазмы. Сечение ионизации этими электронами равно 9·10^-17 см². Какова плотность нейтрального газа?

Основная задача

8.3.   Скорость   поступления   водорода   в   источник   равна 0,13 м ³·Па/с, а ток пучка ионов H⁺ составляет 1 А. Определите газовую эффективность системы.