Извлечение и ускорение пучков положительных ионов, страница 9

Зачастую возникает другая причина, относящаяся к форме, которую принимает граница плазмы. На границе между пучковой плазмой и замедляющим полем градиент потенциала должен уменьшаться до нуля (см. рис. 5.13). Положительный объемный заряд нескомпенсированного пучка обусловливает более положительное значение потенциала в центре пучка по сравнению с краем, поэтому поверхность пучковой плазмы будет выгибаться по направлению к ускоряющему электроду (рис. 5.15, а). Результирующие эквипотенциали (рис. 5.15, а) образуют -поле, которое является дефокусирующим не только вблизи ускоряющего электрода, это неизбежно, но и во всем замедляющем промежутке. В этих условиях трудно создать хорошо коллимированный ионный пучок.

Влияние замедляющего электрода, расположенного ближе к ускоряющему, чем естественная граница пучковой плазмы (рис. 5.15,6), заключается в появлении эквипотенциалей, соответствующих фокусирующему действию поля. В случае, когда нужно получить пучок с очень малой угловой расходимостью, целесообразно использовать трехэлектродную систему (или систему с еще большим числом электродов). В ионном двигателе можно применять двухэлектродную систему ускорения, так как допустима небольшая потеря тяги из-за существенной угловой расходимости. Ионные источники для инжекторов токамаков и открытых ловушек должны создавать высококоллимированные ионные пучки, поэтому в них необходимо использовать трехэлектродные системы ускорения.

Наконец, замедляющий электрод будет подвергаться бомбардировке значительной долей вторичных ионов, образующихся в результате перезарядки пучка и движущихся обратно в источник, вызывая эрозию поверхности электрода и потерю мощности пучка. Если учесть все эти обстоятельства, то представляется вполне оправданным незначительное усложнение, вносимое в конструкцию в связи с третьим электродом.

Как отмечалось выше, использование отношения ускоряю-

Рис. 5.15. Эквипотенциали и траектории ионов в ускоряюще-замедляющей системе при отсутствии замедляющего электрода (а) и при его наличии (б). Форма эквипотенциалей и траекторий не вычислялась; цифры у эквипотенциалей

означают киловольты или десятые доли киловольта.

щего напряжения к энергии пучка, большего чем 1, позволяет укрупнить геометрию (или при данной геометрии получить большую плотность тока). Однако при высоком значении этого отношения могут возникнуть нежелательные эффекты, которые происходят из-за перезарядки ионов пучка на атомах нейтрального газа (см. разд. 5.6). Следствием перезарядки является превращение быстрых ионов в быстрые нейтральные атомы и медленных атомов газа в медленные ионы. Последние образуют пучковую плазму и, дрейфуя к ее поверхности, обращенной к источнику, затем ускоряются по направлению к ускоряющему электроду. Если величина замедляющего напряжения (см. рис. 1.1) большая, то ток этих ионов приведет к выделению мощности и нагреву электрода более сильному, чем при минимальном значении этого отношения. Ионы с высокой энергией, бомбардирующие замедляющий электрод, также более легко вызывают эрозию поверхности электрода из-за распыления (испарения материала электрода при ионной бомбардировке) и вплоть до достижения очень высоких значений энергии будут создавать ток вторичных электронов. Вторичные электроны, рождающиеся на обращенной к источнику стороне электрода, ускоряются по направлению к источнику, приводя тем самым к увеличению потерь мощности и возрастанию полного тока.

Приведенные доводы относятся только к медленным ионам, образующимся в результате перезарядки за областью замедления в плазме пучка. Ионы, находящиеся в области между плазмой источника и пучковой плазмой, могут нести даже большую опасность. Электроды могут иметь хорошую конструкцию в отношении ускорения ионов, эмитируемых плазмой источника, однако при этом ионы, образующиеся в ускорительном промежутке, не будут двигаться по нужным траекториям. Их определенная часть будет ускоряться, проходя через электроды под большими углами, чем те, на которые рассчитана эта система, образуя паразитные пучки, скрупулезно изученные Андерсоном [10]. Другие ионы получат ускорение в направлении ускоряющего электрода, и, чем выше отношение ускоряющего напряжения к энергии пучка, тем больше доля ионов перезарядки, бомбардирующих этот электрод, и тем выше энергия, с которой ионы будут попадать на электрод. По этим причинам предпочтительной является работа с минимальным замедляющим напряжением.