Источники отрицательных ионов. Двойная перезарядка, страница 18

Работа с двухкамерным источником позволила продвинуться в понимании описанного в следующем разделе механизма, с помощью которого можно было бы объяснить наблюдаемую высокую плотность ионов Н⁻. Кроме того, эта работа сделала возможным наметить основные этапы развития источников с объемной генерацией отрицательных ионов с целью получения пучков, пригодных для задач термоядерного синтеза. На двух больших конференциях по отрицательным ионам в 1986 г. (в Палэзо с 5 по 7 марта и в Брукхейвене с 27 по 31 октября) большинство докладов было посвящено именно объемной генерации. С некоторыми типами представленных в этих работах источников мы ознакомим читателя после обсуждения в следующем разделе фундаментальных процессов, связанных с образованием и распадом отрицательных ионов.

Б. Основные процессы

В то время, когда в работе Бакал и др. [13] было установлено, что плотность ионов Н⁻ в водородной плазме в 100 раз повышает предсказываемое значение, основными процессами формирования и распада отрицательных ионов, на которые опирались эти прогнозы, были следующие:

диссоциативное присоединение:

е + Н₂→ Н⁻ + Н,

диссоциативное столкновение:

е + Н₂ → Н⁻  + Н + e

диссоциативная рекомбинация:

     е + Н⁺₂ → Н⁻ + Н⁺,

столкновительное отщепление:

е + Н⁻ → Н + 2е и рекомбинация:

 Н⁻ + Н⁺₂ → Нейтралы.

Первые три реакции, приводящие к образованию иона Н⁻, имеют очень малое сечение, в то время как две последние реакции, в которых происходит разрушение отрицательного нона, обладают большим сечением. Ясно, что сами по себе эти реакции не могут привести к возникновению столь высокой, наблюдаемой в водородной плазме плотности ионов Н⁻. В работе [55] был выполнен более тщательный анализ процессов, приводящих к образованию и разрушению отрицательного иона. В дополнение к реакциям первой группы были рассмотрены следующие реакции, не учтенные в анализе группы Бакал (Палэзо) по той причине, что предполагалось существование в плазме лишь одного вида нейтральных частиц Н₂ и одного вида ионов Н₂⁺:

радиационный захват

е + Н  → Н⁻ + hν

и захват с участием третьего тела

e + Н + t  →  Н⁻ + t

где t обозначает третий участвующий в реакции объект, а также реакции

Н + Н →  Н⁻+ ... ,

Н + Н₂ → Н⁻  + ... ,

H⁺ + H₂ → Н⁻ + ... ,

Н⁺₂ + Н₂ → Н⁻ +... .

Сечение реакции радиационного захвата ничтожно мало (~5∙10^-22 см²). Захват с участием третьего тела происходит при гораздо более высоких плотностях (~10¹⁸ см^-3), и в этом случае скорость этой реакции не превышает скорости реакции радиационного захвата. Последние четыре реакции имеют приемлемое сечение при энергии налетающих частиц ~10 кэВ, а при энергии, которой обладают частицы в лабораторной плазме, вклад этих реакций в образование ионов Н⁻ оказывается очень малым. В то же время в этой работе [55] в дополнение к процессам распада отрицательных ионов, рассмотренным в анализе группы из Франции, были учтены следующие процессы:

фотоотщепление

Н⁻ + hν→ H+ е

и реакцияпередачиэлектрона

Н⁻+ Н⁺ → Н + Н.

Обе эти реакции дают существенную добавку к скорости разрушения отрицательных ионов. На основании вышесказанного был сделан вывод о малой вероятности возникновения в водородной плазме высокой плотности ионов Н⁻.

Тем не менее результаты группы Бакал не были никем опровергнуты. Более того, их достоверность была подтверждена в экспериментах по измерению плотности отрицательных ионов в разряде, основанном на фотоотщеплении лишнего электрона иона Н⁻ (см. работу [122]). В конце концов была найдена реакция, имеющая достаточное сечение для объяснения наблюдаемой высокой плотности отрицательных ионов. Ею оказалась реакция диссоциативного прилипания