Физика плазмы ионных источников. Плотность, температура и функции распределения

Глава 2

Физика плазмы ионных источников

Я. Браун

Характеристики ионного пучка определяются параметрами плазмы и извлекающего электрода (экстрактора). Так, например, ток ионного пучка зависит от плотности плазмы, ее электронной температуры, потенциала экстрактора и его геометрии. Эмиттанс пучка определяется ионной температурой плазмы и геометрией экстрактора, а состав пучка - составом плазмы. Таким образом, физика ионного источника во многих отношениях является физикой плазмы. Написано довольно много книг, в которых дано превосходное освещение основ физики плазмы и ионизационных явлений (см., например, книги [1-9]). В этой главе дается обзор принципиальных вопросов физики плазмы, необходимых для понимания как конструирования ионных источников, так и их работы.

2.1. ПЛОТНОСТЬ, ТЕМПЕРАТУРА И ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Наиболее важный параметр плазмы – ее плотность. Составляющими плазмы являются ионы, электроны и нейтральные неионизированные атомы. Соответственно различают три вида плотности: электронную n_е, ионную n_i и нейтральных атомов n_n. Обычно плотность измеряют числом частиц в 1 см³ или 1 м³. Для большинства ионных источников плотность плазмы (определяемая в основном плотностью электронов) колеблется в широком диапазоне (10¹⁰ - 10¹⁶ см ^{- 3}). Для сравнения напомним, что при нормальных температуре и давлении (Т = 0⁰ С, р = 760 мм рт. ст.) плотность газа равна 2,687*10¹⁹ молекула/см³, а твердые тела имеют атомную плотность, близкую к 10²³ см ^{– 3} ; плотность газа в вакуумной камере при давлении 10 ^{- 6} мм рт. ст. составляет 3,3. 10¹⁰ молекула/см ³.

2.1.1. Процент ионизации

Величина  «процент ионизации» определяется следующим образом:

процент ионизации = n_i/(n_n + n_i) х100%.                                            (1)

Когда процент ионизации превышает 10% или близок к этому значению, обычно говорят, что плазма сильно ионизирована, и физика среды определяется в основном плазменными эффектами. Если процент ионизации низок, скажем, ниже 1%, нужно рассматривать взаимодействие с нейтральными атомами.

2.1.2. Функции распределения

Частицы плазмы обладают кинетической энергией, и поэтому ансамбль частиц, составляющих плазму, может быть описан функцией распределения по скоростям. Функция распределения по скоростям определяет число частиц в заданном интервале скоростей.

.

Здесь υ — вектор скорости (υ_x, υ_y, υ_z), dυ = dυ_xdυ_ydυ_z — элемент пространства скоростей. Обычно функция распределения нормализуется на плотность частиц, так чтобы выполнялось соотношение

                                                             (2)

В отсутствие внешних сил плазма стремится к тепловому равновесию, описываемому максвелловской функцией распределения

                     (3)

где m — масса частицы, k = 1,38 • 10^-23 Дж/К — постоянная Больцмана, Т— температура плазмы. За единицу температуры плазмы обычно принимают электронвольт (эВ), соответствующий 11600 К. Плазма дугового разряда, например, может иметь температуру около 5 эВ, или 50000 К. Электронвольт является энергетической единицей и эквивалентен 1,6 -10^-19 Дж.

Если все ионы плазмы находятся в состоянии термодинамического равновесия друг с другом, то можно говорить об ионной температуре T_i ; при этом электроны могут находиться в другом равновесном состоянии, определяемом электронной температурой Т_е. Нейтральные частицы имеют обычно более низкую температуру, чем ионы или электроны. Понятие «температура плазмы» не определено до тех пор, пока между