Распространение пучков с большим нормированным первеансом

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПУЧКОВ С БОЛЬШИМ НОРМИРОВАННЫМ ПЕРВЕАНСОМ

Нейтрализация ионного пучка

В разд. 2.11 было показано, что пучки заряженных частиц, первеанс I/V^3/2 которых приближается к значению , подвержены расплыванию под действием собственного пространственного заряда. Для пучка с длинным узким поперечным сечением допустимый первеанс можно умножить на отношение длины к ширине b/a. Был определен безразмерный параметр, нормированный первеанс

                                                    ;                                                         (2.116)

и критерий распространения ионного пучка с малой угловой расходимостью без сильного расплывания можно записать в виде

Π≪1

в отсутствие нейтрализации объемного заряда. Если же П становится значительно больше единицы, то следует ожидать не только сильного расплывания, но и остановки щучка. В действительности ионные пучки часто распространяются и при П≫1. Например, мы регулярно осуществляли генерацию пучков ионов дейтерия D⁺ диаметром 10 см с током порядка 20А при напряжении 600 В. Для таких пучков нормированный первеанс равен 3,5∙10⁴; при указанном значении П длина торможения пучка, согласно (2.133), составляет ~3∙10^{-2 см. Однако пучок распространялся на 3 м до конца камеры.}

Причина этого очевидна. Поля, вызывающие электростатическое расталкивание положительных ионов, приводят к захвату электронов, так что область, через которую проходят ионы, заполнена плазмой. Об этой плазме подробнее будет сказано в разд. 6.2. Рассмотрим процессы, вследствие которых электроны попадают в пучок и удерживаются в нем.

Чтобы удержать электроны в пучке, необходимо быть уверенным в том, что ускоряюще-замедляющая система извлечения ионов используется так, как было отмечено в разд. 5.4. Требуется, чтобы потенциал проходил через минимум в промежутке между плазмой источника (газоразрядная камера) и плазмой пучка (см. рис. 5.13), и этот минимум должен быть достаточно глубоким, чтобы запереть поток электронов из плазмы пучка в направлении источника.

Необходимо также предотвратить контакт пучка с любым другим объектом под положительным потенциалом, который мог бы извлекать электроны. Например, на рис. 6.1, а показана система электродов, в которой электроны пучка легко могут покинуть область пучка, обходя замедляющий электрод и двигаясь в направлении источника. Последствия такого обхода, т. е, расходимость ионного пучка с малым нормированным первеансом под действием пространственного заряда, показаны на рис. 5.12. Правильная конфигурация приведена на рис, 6.1, б. Здесь пучок экранирован поверхностью под потенциалом замедляющего электрода. Если замедляющего электрода нет, как в системах разд. 5.4, то приемлема конфигурация, показанная на рис. 6.1, в. В случаях, показанных на рис. 6.1, б или в, плазма пучка приобретает потенциал, существенно положительный относительно стенок канала распространения пучка, т. е. пучок удерживает электроны.

Существует несколько видов источников электронов нейтрализации ионного пучка. При больших энергиях ионы могут образовать электроны при ионизации молекул остаточного газа. Поскольку ионизация однозарядными ионами в первом приближении такая же, как и электронами при одинаковой скорости частиц, для ее эффективного осуществления требуются пучки высоких энергий, хотя слабая ионизация может иметь место даже тогда, когда скорость иона меньше пороговой скорости ионизации электронами. Если энергия ионов слишком мала для ионизации газа, в качестве источника электронов остается вторичная электронно-ионная эмиссия. Источник не обязательно должен быть интенсивным, поскольку электроны захватываются, но вторичная эмиссия способна поставлять электроны в достаточном количестве и является источником, который существует при малых энергиях ионов. Например, при бомбардировке молибденовой поверхности 500-вольтовыми ионами водорода H⁺ выход составляет 0,2 электрона на ион. При энергии ионов 10 кэВ выход возрастает до 0,9. Таким образом, всегда имеются электроны, нейтрализующие пространственный заряд, которые испускаются с поверхности мишени ионного пучка, и в случае мелкоячеистой ускоряющей системы, описанной в разд. 5.7,— с ускоряющей сетки. Если эта сетка находится под достаточно отрицательным потенциалом относительно пучка, то вторичные электроны могут порождать другие электроны, ионизуя нейтральный газ.

В итоге в условиях лабораторного эксперимента ионные пучки быстро нейтрализуются, хотя, как будет видно далее, даже в лабораторных условиях иногда выгодно содействовать вводу электронов. Для ионных источников, предназначенных в качестве космических реактивных двигателей, проблема нейтрализации несколько видоизменяется. Ясно, что космический корабль не может испускать пучок положительных ионов без того, чтобы не испускать одновременно поток электронов с равным по величине током. В противном случае космический корабль приобретает такой отрицательный заряд, что ионы не смогут уйти от него. Необходимое условие равенства нулю полного тока можно осуществить, если поместить на борт корабля электронную пушку, дающую ток, равный току ионного пучка. При этом следует выяснить, будут ли электроны достаточно хорошо перемешиваться с ионным пучком, с тем чтобы обеспечить необходимую нейтрализацию пространственного заряда. В противном случае может произойти запирание пучка с большим нормированным первеансом.