Анализ извлечения ионов в первом приближении

3.2. АНАЛИЗ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИОНОВ В ПЕРВОМ ПРИБЛИЖЕНИИ

Проблема извлечения ионов была бы решена, если можно было бы создать абсолютно параллельный пучок. Такая попытка была предпринята Пирсом для получения пучка электронов, вытягиваемого с помощью электродов с круглыми или щелевыми отверстиями. Пирс разработал такую форму электродов, которая должна была бы создавать требуемые параллельные пучки (рис. 3.3), но существует несколько причин, по которым извлекающая система с такими электродами не дает желаемого результата, особенно для ионов, вытягиваемых из плазмы:

1)  численные результаты, показывающие распределение потенциала за пределами пучка, являются лишь аппроксимацией точных решений;

2)  конфигурация эмиссионного электрода, образующего угол 67,5° с осью пучка, оказывается хорошим приближением, только если электрический потенциал поверхности плазмы равен потенциалу этого электрода, что в действительности трудно достижимо;

3)  все электроды должны быть бесконечно тонкими, по крайней мере, в непосредственной близости к пучку, что невозможно осуществить по причине механических и мощностных нагрузок;

4)  необходимо, чтобы эмиссия ионов была однородной по всей эмиссионной поверхности, но плазма всегда менее плотна вблизи твердых электродов;

5)  эквипотенциальные поверхности в зоне, примыкающей к выходному отверстию (во втором электроде), искривлены наружу, а не являются плоскими, что необходимо для идеальной пирсовой геометрии (это явление называют электродно- или апертурно-линзовым эффектом)

Даже если бы все положения теории Пирса были в точности выполнены, все же то, что ионная температура остается конечной, является одной из причин, вызывающих остаточную расходимость пучка. Количественное выражение для этого нижнего предела расходимости пучка может быть получено из уравнения (13) или (14) путем деления конкретного значения эмиттанса на известную ширину отверстия. Пример многоэлектродной «истинно» пирсовой системы описывается в работе [9]. Наречие «истинно» означает здесь то, что электроды изготовлены таким образом, что их формы максимально приближены к теоретическим.

Рис. 3.3. Контуры электродов по Пирсу для ленточного (а) и цилиндрического (6) пучков. Извлекающие электроды должны совпадать с эквипотенциальными линиями при нулевом (эмиссионный электрод) и полном (извлекающий электрод) потенциалах. Величина U₀должна быть отрицательной, если вытягиваются положительные ноны. Пирс не рассматривает ускоряюще-тормозящие системы.

Из-за электродно-линзового эффекта лучше сформировать сначала сходящийся пучок, чтобы предотвратить расплывание, которое испытывал бы пучок при прохождении промежутка между эмиссионным и выходным отверстиями, т. е. после попадания в область предположительно параллельного переноса. Однако первеанс сходящегося пучка ниже, чем максимальный первеанс системы с плоскими электродами, как следует из закона Чайльда-Ленгмюра (1). С учетом количественного выражения для оценки линзового эффекта можно получить, что строго параллельный пучок получился бы для первеанса, составляющего 0,47 величины, определяемой уравнением Чайльда-Ленгмюра.

Рис. 3.4. Квазипирсова извлекающая система с круглыми отверстиями. О – выходной (эмиссионный) электрод; G₁ – первый заземленный электрод; S – экранирующий электрод; g₂ – второй заземленный электрод. Для надежности работы экранирующий электрод окружен двумя заземленными электродами, в результате чего получается тетрадная конструкция. Такой тетрод следует отличать от тетрода с двумя промежутками (см. ниже). Отметим, что кривизна поверхности эмиссионного и первого заземленного электродов такова, то они выпуклы относительно друг друга. © 1983 IEEE.

В качестве примера на рис. 3.4 показана «квазипирсова» извлекающая система, которая использовалась в сильноточном ионном источнике. Детальные контуры электродов определялись с помощью компьютерной программы, которая дала возможность автоматически оптимизировать их форму.

Ясно, что никакая реальная извлекающая система не может создать абсолютно параллельный нерасплывающийся пучок, поскольку эффект электродных линз – лишь один из факторов, нарушающих условия Пирса. Даже если бы этот эффект мог быть полностью подавлен, остались бы аберрации и влияние конечной температуры ионов. Перед тем как детально обсуждать особенности работы конкретных извлекающих систем, в следующем разделе даются определения некоторых параметров качества пучка.