Сильноточные газовые ионные источники. Источники с одноступенчатым разрядом

Сильноточные газовые ионные источники

Р. Келлер

Оба определения, отличающие эту группу сильноточных ионных источников, нуждаются в особом пояснении. Определение «сильноточные» означает, что для пучков, испускаемых этими источниками, основное внимание следует уделять явлениям объемного заряда. Ток ионного пучка может изменяться от 10мА до 100 А, но тем не менее основные особенности источников достаточно схожи, чтобы включить их всех в одну группу. Определение «газовые» здесь имеет довольно широкое значение, включая пары одноэлементных материалов или соединений. Рассматривая такие источники, следует различать генератор плазмы, или собственно источник, и вытягивающую систему; то и другое вместе можно назвать «ионная пушка». Такое различение требуется по той причине, что разные генераторы плазмы могут быть использованы с одной вытягивающей системой и наоборот.

Настоящая глава касается в основном генераторов плазмы (вытягивающие системы подробно рассмотрены в гл. 3). Существуют два условия (по одному на каждый из этих двух узлов источника), чтобы работала вся система: 1) генератор плазмы должен давать плазму такой плотности, которая соответствует данной вытягивающей системе; 2) вытягивающая система должна быть спроектирована так, как того требует плотность плазмы, соответствующая рабочему диапазону генератора.

Чтобы облегчить сравнение интенсивностей ионных пучков от разных ионных источников, лучше всего использовать нормализованные токи пучка. При нормализации учитывается, что, согласно закону Чайлда—Ленгмюра [1, 2], более тяжелые ионы труднее вытягивать, чем легкие [гл. 3, уравнения (1) и (2)]. Преобразование абсолютного тока I в нормализованный ток  выражается формулой

где A— массовое число, а  — кратность заряда иона; единицы нормализованного тока в настоящей главе будут помещаться в круглые скобки: (мА).

Исторически при разработке сильноточных ионных источников преследовались несколько совершенно разных целей: инжекция нейтральных частиц для нагрева ограниченной магнитным полем термоядерной плазмы [3]; создание реактивной тяги [4]; обработка материалов, в первую очередь ионная имплантация [5]; в последнее десятилетие — подача ионов в ускорители частиц для исследований термоядерного синтеза с инерциальным удержанием плазмы [6]. Все эти цели выдвигали совершенно различные основные требования к ионным источникам, такие, как производительность по мощности, производительность по топливу, надежность, достаточный выбор ионов и качество пучка. Преобладание одного из этих требований над другими в сочетании с тем фактом, что философия конструкции редко изменяется, если устройство уже оказалось в какой-то степени удачным, привело к довольно различающимся типам источников, но между ними все же есть много схожего.

Все рассматриваемые здесь сильноточные источники имеют следующие общие особенности: ионы создаются ионизацией газа электронным ударом, образуя плазму; плазма имеет значительную ширину, по меньшей мере от нескольких сантиметров и до нескольких десятков сантиметров; электронная плотность составляет