Источники отрицательных ионов. Двойная перезарядка, страница 8

Удобной геометрией для создания плазмы в магнитном поле является геометрия, показанная на рис. 10.9 и получившая название «планотрон» в работах новосибирских исследователей Бельченко, Димова, Дудникова [29—31]. Можно рассматривать эту конфигурацию как плоский магнетрон. Катодный потенциал на торцевых пластинах также обеспечивает осциллирующий характер движения электронов в области вокруг центрального катода. Как и в других разрядах с холодным катодом, катодная эмиссия представляет собой вторичную эмиссию, вызванную ионной бомбардировкой. Но, тогда  как большинство разрядов с холодным катодом происходит при весьма низкой плотности плазмы, в этой конфигурации оказывается возможным создание плотной плазмы в магнитном поле с индукцией 0,1 Т при водородной плотности   10¹⁶ молекула/см³   (~39  Па)   и  разрядном

Рис.   10.9.  Два   упрощенных  сечения   планотрона:   а — вдоль и б - поперёк магнитного поля.

напряжении 500—600 В. Во избежание значительного перегрева катода длительность импульса не превышала 10 ^-3 с. Извлечение ионов осуществлялось из щели размерами 0,4 мм ×1 см. В чисто водородном разряде выход ионов Н⁻ составил 0,75 А/см². При добавлении в разряд паров цезия необходимая плотность водорода снизилась до 3∙10¹⁵ см^--3, напряжение на разряде упало до 100—150 В, а выход ионов Н⁻ возрос до 3,7 А/см². В более поздней работе Дудникова [73] приводится значение газового давления в источнике в присутствии паров цезия ~5 Па, что соответствует плотности ~ 1,2∙10¹⁵ см ^-3.

В распределении по энергии ионов Н⁻ присутствуют два пика. Узкий пик сформирован ионами, образовавшимися  при потенциале плазмы. Широкий пик формируют ионы, энергия которых больше на величину порядка разрядного напряжения. Объяснение этому факту заключается в том, что отрицательные ионы Н⁻ образуются на покрытой цезием поверхности молибденового катода. Присутствующие в разряде ионы Н⁺, Н₂⁺, Н₃⁺ и Сs⁺ ускоряются прикатодным слоем в направлении поверхности катода. Эти ионы могут отразиться от поверхности с энергией в интервале от нулевой до полной; молекулярные ионы могут диссоциировать на два атома,  которые могут выбить из поверхности адсорбированный ею водород. Покинуть  поверхность в виде положительных ионов частицы не могут, но некоторая часть атомарного водорода уходит с поверхности в виде ионов Н⁻. Поскольку при уходе с катода ионы обладают энергией в интервале между нулем и величиной катодного падения потенциала ( последнее примерно равно разрядному напряжению), после ускорения в прикатодном слое они смогут иметь энергию (в электрон-вольтах) от разрядного напряжения до его удвоенного значения. Так как проходя через плазму часть этих ионов подвергнется резонансной перезарядке на атомарном водороде, то возникнут те самые медленные ионы Н⁻, которые формируют первый узкий пик спектра отрицательных ионов, полученного в работах Бельченко и др.

Б. Теория и основные эксперименты

Можно предположить, что процессы, в результате которых атом Н преобразуется на цезированной поверхности в ион Н⁻, подобны процессам поверхностной ионизации, посредством которых происходит образование ионов Cs⁺ на вольфрамовой поверхности. В этом случае уравнение Саха — Ленгмюра имеет вид

ν_n /ν_a= g_n/g_z exp[e ( I_a− ф)/kT], где v_n — поток отрицательных ионов с поверхности, а I_а— электронное сродство атома. Непосредственное применение этого уравнения к процессам образования отрицательных ионов в случае, когда поверхность подвергается ионной бомбардировке, весьма сомнительно, поскольку в отличие от случая испарения цезия с поверхности вольфрама покидающие поверхность ионы не пребывают в состоянии теплового равновесия с поверхностью. На какое-то время мы забудем об этом существенном отличии и рассмотрим уравнение (10.4). Его наиболее очевидным следствием является тот факт, что для получения большой фракции отрицательных ионов в уходящем с поверхности потоке частиц необходимо, чтобы электронное сродство атома было бы сравнимо или больше, чем работа выхода поверхности.