Источники отрицательных ионов. Двойная перезарядка, страница 5

В Институте атомной энергии в лаборатории Семашко [248] проводились эксперименты с натриевой мишенью и водородным пучком с энергией 10 кэВ. Из пучка положительных ионов и нейтралов с полным током 8 А (измерения тока проводились калориметрическим методом) был получен пучок ионов Н⁻ с током 1,4 А. Такая чрезвычайно высокая эффективность преобразования объясняется тем, что используемый в этой источник давал пучок с высоким процентным содержанием молекулярных ионов: 24% Н₂+, 22% Н₃+ и 54% протонов. При присоединении к иону Н₂⁺ электрона (вследствие процесса переразрядки) возникает молекула Н₂⁰ в возбужденном состоянии. В результате диссоциации могут образоваться два атома Н с энергией 5 кэВ каждый или (для некоторых возбужденных состоянии) протон и ион Н⁻ с такой же энергией. Подобным образом вследствие распада иона Н₃⁺ могут образоваться три атома Н с энергией 3,3 кэВ каждый. В работе [67] было проведено измерение сечения диссоциативной перезарядки иона Н₂⁺ на цезии и натрии. Полученное в этой работе сечение оказалось существенным даже при том, что в экспериментах не учитывался канал реакции с непосредственным образованием из нейтральной возбужденной молекулы протона и иона Н⁻.

0,08           

I^-/I⁺

0,06

0,04

6          8          10          12        14

Энергия ионов D⁺, кэВ

В более поздних экспериментах (см. работу [249]) был получен пучок ионов Н⁻ с током вплоть до 5,5 А, который затем ускорялся до энергии 80 кэВ. Поперечные размеры пучка составили 5×40 см. Длительность импульса изменялась в пределах 10—25 мс и была ограничена временем 0,3 мс, что связано со скоростью  откачки системы.

В этих экспериментах (см. работу [249]) пучок ионов Н⁺ с энергией 9 кэВ пропускался через сверхзвуковую струю паров натрия. Энергия 9 кэВ была выбрана как некоторый оптимум между нарастающим примерно по закону ³/₂ током положительных ионов и спадающим с ростом энергии сечением перезарядки. Эффективность преобразования (J₋/J₊) оказалась равной 10%, что ниже чем в предшествующих экспериментах. Вероятно, это связано с тем, что используемый в указанной работе источник формировал пучок с малым процентным содержанием молекулярных ионов. Источник положительных ионов, при работе с которым был получен максимальный ток ионов Н⁻, формировал пучок, содержащий после прохождения мишени ~48% ионов Н⁻ с энергией 9 кэВ, образовавшихся из ионов Н⁺, 26% ионов Н⁻ с энергией 4,5 кэВ, возникших в результате распада Н₂+, и 26% ионов Н⁻ с энергией 3 кэВ, образовавшихся вследствие диссоциации ионов Н₃+. Полный ток ионов Н⁻ при этом равнялся 3 А. При полном токе 5 А процентное содержание трех компонент в исходном пучке составляло 42, 40 и 18% соответственно. Таким образом, можно подсчитать, что 50—75 /₀ ионов Н⁻ образуется из молекулярных ионов.

Линейная плотность натриевой струи лежала   в   диапазоне 0,5∙10 ¹⁵ − 2∙10 ¹⁵ см ^-2 . Как и  ожидалось, такая  струя  явилась эффективным барьером на пути газового потока из источника. При давлении в области перед мишенью  (со стороны источника), равном   1,3∙10 ^-2 −1,3∙10 ^-1 Па, давление в области за мишенью (где уже существует пучок ионов Н⁻ ) оказалось равным всего лишь 1,3∙10 ^-4 −1,3∙10 ^-3 Па. Плотность плазмы в струе при сильном токе пучка достигала величины 6∙10 ¹² см ^-3 . В результате резонансной перезарядки между ионами Na⁺ и нейтральными атомами натрия происходит торможение струи, что в свою очередь приводит к возрастанию вноса натрия и образованию натриевого покрытия на ускоряющих электродах. Такое покрытие снижает высоковольтную прочность системы. Для предотвращения этого явления электроды поддерживали температуре 100—120 °С.