Пучково-плазменные ионные источники

Должно быть выполнено эмпирическое соотношение υ_b = ω_ре/pмежду радиальным волновым числом p, угловой плазменной частотой ω_ре. и скоростью электронов пучка υ_b, чтобы энергия электронного пучка могла наиболее эффективно преобразовываться в аксиальную электромагнитную энергию высокочастотной волны [20].

Из оптимального условия квазилинейной релаксации получаем ток электронного пучка, необходимый для ее оптимизации [12]:

(1)

I_b = BL_i ^-1  V^3/2

Здесь V— напряжение электронного пучка, В — коэффициент пропорциональности. С другой стороны, в случае конечной длины дрейфовой трубы получаем условие начала развития гидродинамической неустойчивости [18]:

(2)

I_b = AL_i^-3 V²

Здесь — коэффициент пропорциональности. Результаты измерения микроволновой мощности в дрейфовой трубе, выполненного с помощью коаксиального зонда, представлены на рис. 13.7. На рис 13.7, в показано соотношение между током пучка первичных электронов и детектируемой микроволновой мощностью при различных значениях энергии пучка первичных электронов, когда ток пучка вторичных электронов установлен на нуль. Наблюдалось как развитие осцилляции, обусловленных гидродинамической неустойчивостью, так и сильные осцилляции, вызванные квазилинейной релаксацией. Зависимости наблюдаемых токов от энергии электронов пучка, соответствующие осцилляциям напряжения электронного пучка на разных стадиях их развития, даны на рис. 13.7, б. Ток электронного пучка при сильных осцилляциях пропорционален V^3/2 в согласии с уравнением (1).

Плотность плазмы n_iи электронная температура Т_е в случае квазилинейной релаксации выражаются формулами

где b — внутренний радиус трубы и ε_nm — m-й нуль функции Бесселя n-го порядка J_n(x) [12, 17].

13.4. ИЗВЛЕЧЕНИЕ ИОНОВ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА [8]

Влияние объемного заряда ионов является отрицательным как для качественных, так и количественных характеристик вытягиваемого ионного пучка. В пучково-плазменных ионных источниках ионный пучок вытягивается с одновременной компенсацией объемного заряда ионов электронами. Электроны, используемые для компенсации объемного заряда ионов, могут быть разделены на три группы: первичные, вторичные и плазменные.

На рис. 13.8 иллюстрируется процесс компенсации объемного заряда ионов с помощью различных энергичных электронов, которые распределены в области извлечения ионного источника. Плотность объемного заряда ионов вблизи эмитирующей поверхности высока, поскольку скорость ионов низка и постепенно уменьшается по мере

Рис. 13.8. Иллюстрация процесса компенсации объемного заряда ионов при помощи различных энергичных электронов, распределенных в области извлечения ионов пучково-плазменного ионного источника. 1— объемный заряд ионов; 2 — объемный заряд пучка первичных электронов; 3 — объемный заряд низкоэнергичных плазменных электронов; 4 — объемный заряд высокоэнергичных плазменных электронов и пучка вторичных электронов.

приближения к извлекающему электроду. Пучок вторичных электронов и высокоэнергичные плазменные электроны нейтрализуют объемный заряд ионов в середине области извлечения. Пучок первичных электронов нейтрализует объемный заряд ионов вблизи извлекающего ионы электрода. Таким образом, электроны всех типов в целом могут эффективно нейтрализовать весь объемный заряд ионов в области извлечения.

13.4.1. Ослабление ограничения объемным зарядом тока извлекаемых ионов

Для простоты будем считать, что в области извлечения ионов имеются электроны трех типов: 1) пучок первичных электронов, вытянутых из катода; 2) горячие