Распространение пучков с большим нормированным первеансом, страница 3

Выше говорилось о том, что нейтрализаторы с плазменным мостиком были разработаны для космических приложений. В действительности они хорошо зарекомендовали себя и в лабораторных экспериментах с ионными пучками. Сделаем небольшое отступление, чтобы пояснить это. Обычно ионные пучки легко наблюдать визуально, а если пучок светится тускло, видимость можно улучшить, поднимая давление в камере. Обычно отмеченный эффект связывают с возбуждением молекул окружающего газа ионами. Для ионов высоких энергий данное объяснение приемлемо. Для ионов низких энергий, например ионов цезия с энергией 3 кэВ, оно не подходит. Свечение в пучке при этом следует отнести за счет возбуждения молекул газа более энергичными из захваченных электронов. В первых экспериментах с плазменным нейтрализатором Эрнстин и др. сообщили о том, что, когда разряд привязывается к нейтрализатору, голубое свечение пучка становится очень слабым. Создается впечатление, что нейтрализатор поставляет в пучок более холодные электроны, нежели электроны, которые пучок мог бы получить в других условиях, и что энергия этих холодных электронов меньше, чем нужно, для того, чтобы возбудить остаточный газ в камере.

Автор наблюдал другой важный эффект, возникающий при использовании нейтрализатора с плазменным мостиком и заключающийся в возникновении явления успокоения пучка. При работе источника ионов D⁺ с током 5—20 А при напряжении 600 В часто наблюдается малопонятное явление возникновения пятен, которое можно связать с наличием загрязненных (например, маслом от вакуумных насосов) поверхностей. Возникают пляшущие по камере мелкие, очень яркие пятна, по-видимому, эмитирующие электроны. Они сопровождаются появлением значительных шумов в электрических цепях, и, несмотря на то что максимальное напряжение равно 600 В, а пучок низкоэнергичных ионов находится внутри эквипотенциального барьера, это явление может сопровождаться яркими вспышками, которые часто пробивают дыры в тонких сетках, используемых для генерации таких пучков. Полый катод, служащий как нейтрализатор с плазменным мостиком, является эффективным средством уменьшения степени наблюдаемого явления, но, к сожалению, не подавляет его полностью. Мы полагаем, что было бы очень хорошо использовать для этой цели цезиевый нейтрализатор с плазменным мостиком, поскольку цезиевый разряд дает самые холодные электроны, а малые количества цезия, вводимые в камеру, легко регулируются при помощи геттеров или ловушек с охлаждением.

Ионный пучок как плазменная среда

Ионный пучок всегда расширяется сильнее, чем это следует из расчета влияния электродов на угловую расходимость. Когда наблюдается такое расширение, его почти всегда связывают с неполной нейтрализацией пучка. Это объяснение в корне неправильно. Оно подобно утверждению, что ионы движутся к границе плазмы потому, что плазма не полностью нейтрализована. Обстоятельство, что плазма положительно заряжена в центре и ионы могут уходить наружу по мере их образования, является фундаментальным свойством плазмы. Интенсивный ионный пучок существует в плазменной среде, и расширение пучка вызвано изменением потенциала в плазме и в слое на границе.

Изменение потенциала в плазме действительно приводит к нарушению идеальной нейтральности по объемному заряду, однако утверждение, будто расходимость пучка вызвана неполной нейтрализацией, наводит на мысль, что расширение уменьшится, если увеличить поступление электронов в пучок. В действительности вполне возможно увеличение расходимости при введении дополнительных электронов. Кроме того, из этого утверждения вытекает, что пучок будет расширяться так же, как и пучок с током в 100 раз меньшим. Вместо этого расходимость пучка, сверх обусловленной угловым разбросом инжектированных ионов, протекает в виде последовательного отделения внешних слоев пучка, где находятся ионы переходного слоя на границе пучка, равно как и на границе любой плазмы.

Согласно указанной работе, ионы движутся сквозь плазму, состоящую из ионов пучка, медленных ионов, появляющихся в результате ионизации и перезарядки быстрых ионов на атомах нейтрального газа, и термализованных электронов. В стационарном режиме распределение потенциала поперек пучка должно быть таким, чтобы ионы и электроны покидали его с той же скоростью, с которой они возникают.