Глава 8
КЛАССИФИКАЦИЯИСТОЧНИКОВ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХИОНОВ
8.1. Требуемая плотность плазмы
Поскольку вопросы, связанные с системой электродов, были рассмотрены в отдельной главе, представим ионный источник просто как генератор плазмы. Этот генератор имеет катод, анод и устройство для напуска газа с целью получения плазмы нужной плотности. В источниках часто используются также магнитные поля. Прежде чем приступать к рассмотрению источников разного типа, важно определить требуемый диапазон плотностей плазмы.
Выражение (3.69) определяет значение плотности ионного тока, которое можно получить из плазмы
J
= 0,344n0 е
. (3.69)
В плазме ионных источников электронная температура обычно cоставляет 5 эВ. Масса попа определяется назначением источника. Таким образом, на величину возможной плотности тока главным образом влияет плотность плазмы nо.
Плотность тока также ограничивается геометрией плазмы и системой ускоряющих электронов (см. рис. 1.1). В пашем приближении будем считать, что система электронов обладает высокой прозрачностью и размеры отверстий меньше расстояния между электродами d. Полагая, что начальная энергия ионов значительно меньше энергии, до которой они будут ускорены, величину плотности тока можно получить, из уравнения Чайлда —Ленгмюра (2.8):
J = (4ε0/9) 
V 3/2/d2, (2.8)
где V— ускоряющее напряжение, a d - ширина зазора. Приравнивая правые части уравнений (2.8) и (3.69) и полагая ε0= =8,85·10-12 Ф/м, а е=1,6·10-19 Кл, имеем
n0= 7,15·107V3/2/(d2
). (8.1)
Считая величину kT/eравной 5 эВ, из уравнения (8.1) получим
n0 = 3,2·107V3/2/d2. (8.2)
Классификация источников положительных ионов 197
Отсюда следует, что работа при высоких значениях плотности плазмы приводит к необходимости иметь малую ширину ускоряющего промежутка d. На практике при ускоряющем напряжении менее 40 кВ величина dограничивается конструктивными требованиями и условиями температурной стабильности. Подходящим, хотя в некоторой степени произвольным, будет выбор значения dравным 4·10-3 м. Отсюда получим
n0(M-3) = 2·1012V3/2(B). (8.3)
Так, например, если V = 5000 В, то при таком достаточно грубом подходе имеем
n0=7·l017 м-3, а при V = 40000 В
n0= 1,6·1019 м-3.
При напряжении выше 40000 В ограничения на величину d обусловлены в большей степени полями в ускоряющем промежутке, чем соображениями конструктивного характера. Значение напряженности электрического поля, при котором еще возможна работа системы без недопустимо частых пробоев, зависит от многих условий. Замечено, что это значение снижается с ростом напряжения. Для проводимых здесь приближенных подсчетов рабочее значение напряженности электрического поля в ускоряющем зазоре V/dможно положить равным 107 В/м при напряжении >40 кВ. При этом из уравнения (8.2) следует, что
n0 = 3,2·1021/
(8.4)
Таким образом, при напряжении V, равном 40000 В, имеем n0=1,6·1019 м-3, т. е. то же значение, которое было получено для низковольтного случая. Исходя из такого упрощенного анализа, можно сделать вывод, что требуемая плотность плазмы лежит в диапазоне
5·1011 см-3<n0<2·1013 см-3. (8.5)
Нижние значения в этом диапазоне, начиная от 5·1011 до 1012 и даже до 2·1012 см-3, достигаются без особых затруднений. Однако достижение верхней границы этого диапазона представляет серьезную проблему. Для иллюстрации этого утверждения рассмотрим водородную плазму с плотностью 1019 м-3 и электронной температурой 5 эВ. Из уравнения (3.69) получим плотность тока 1,7 A/см2. Как показано на рис. 3.11, можно ожидать, что плазма будет иметь потенциал, который на 18 В выше потенциала любого электрода под плавающим потенциалом. Обычно плавающий потенциал имеет плазменный электрод. Если в плазме присутствует небольшой процент пер-
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.