Ионный источник. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ионный источник - устройство для получения в вакууме ионного пучка - пространственно сформированного потока ионов, скорость направленного движения которых много больше их тепловых скоростей. Ионный источник - неотъемлемая часть ускорителей, инжекторов быстрых атомов для термоядерных систем, установок эл--магн. разделения изотопов, масс-спектрометров ,технол. установок разл. назначения и др. Важнейшие параметры ионного источника: полный ток и плотность тока ионного пучка; энергия ионов; характерный поперечный размер пучка; мера интенсивности пучка - первеанс - отношение полного тока к ускоряющему напряжению в степени ³/₂; мощность пучка - произведение полного тока на энергию ионов; качество пучка, его сформированность пространственная и скоростная - эфф. угол расходимости и энергетич. разброс ионов; компонентный состав пучка - положит, и отрицат. ионы, атомарные, молекулярные, многозарядные ионы; энергетич. эффективность ионного источника - отношение мощности пучка к мощности потребляемой ионным источником от сети; газовая эффективность отношение потока сформированных ионов к потоку газа, подаваемого в ионный источник. По временным характеристикам ионные источники делятся на импульсные, квазистационарные и стационарные.

Ионный источник состоит из двух основных узлов: эмиттера ионов и эл--статич. системы, с помощью которой ионы извлекаются, ускоряются и формируются в направленный поток, т. н. ионно-оптич. система (ИОС). В простейшем виде ионный источник состоит из эмиттера и ускоряющего электрода - экстрактора с отверстием для выхода ионного пучка. Для дополнит, фокусировки ускоренного пучка используются электростатич. и магнитные линзы . ИОС разл. ионных источников строятся по единому принципу, и гл. фактором, определяющим тип ионного источника, является метод создания эмиттера ионов. В зависимости от физ. природы эмиттера ионов различают неск. типов ионных источников: 1) Ионные источники с поверхностной ионизацией, где эмиттером ионов служит поверхность накалённого материала, работа выхода которого превышает потенциал ионизации падающих на него атомов; 2) плазменные, в которых ионы отбираются с поверхности плазмы, образуемой в большинстве случаев с помощью газового разряда; 3) "полевые", в которых ионы образуются благодаря действию сильного электрич. поля (~10⁸В/см) на и вблизи поверхности твёрдого тела: за счёт полевого испарения вещества и полевой ионизации атомов окружающей газовой среды. В последние годы получили распространение вместо твёрдых жидкометаллич. эмиттеры.

Поверхностные ионные источники

Один из известных способов получения ионов состоит в том, что поток атомов, направленный на поверхность твёрдого тела, выбивает из неё положит, и отрицат. ионы. Так, напр., интенсивные пучки положит, ионов Cs с плотностью до 0,1 А/см²получают при диффузии атомов Cs через накаливаемый пористый W. Десорбируемый с нагретой поверхности атом Cs удаляется преим. в ионизованном состоянии, как ион Cs⁺, потому что для его ионизации надо затратить меньше энергии, чем работа выхода электрона из W, и, следовательно, более вероятным является захват "общего" электрона металлом, а не отделяющейся от поверхности частицей. Если энергия сродства к электрону больше работы выхода, то в системе атом - поверхность твёрдого тела "общий" электрон захватывается не твёрдым телом, а атомом и образуются отрицат. ионы. Так, напр., на поверхности борида лантана получены отрицат. ионы пода с плотностью тока от 1 до 10 мА/см². Наиб, интенсивными источниками отрицат. ионов являются плазменно-поверхностные (см. ниже). Плазменные ионные источники получили самое широкое распространенно, особенно для создания интенсивных пучков положит, и отрицат. ионов, а также пучков многозарядных ионов. Эмиттером ионов служит плазма, создаваемая дуговым разрядом низкого давления в газоразрядной камере (ГРК). Для лучшего удержания ионов и быстрых катодных электронов в объёме разряда используется магн. поле, что повышает одновременно энергетич. и газовую эффективности ионные источники. Однако применение магн. поля приводит к ухудшению однородности плазмы на эмиссионной границе и наличию высокого уровня шумов в плазме и колебаний в извлекаемом ионном пучке. Этих недостатков нет в ионных источниках без внешнего магнитного поля (ИБМ), но они обладают значительно меньшими эффективностями. В 80-е гг. большое распространение получили весьма эффективные ионные источники с периферийным магн. полем (ИПМ), окружающим ГРК. Т. о., существует неск. разл. систем плазменных эмиттеров, а в основу ИОС положен единый для всех типов ионных источников. принцип - создание многоапертурной эл--статич. системы, состоящей из 3-4 электродов, в каждом из которых содержится большое количество (десятки и сотни) идентичных апертур круглой или щелевой формы. Профили и размеры апертур отвечают оптимальному формированию элементарного пучка (луча). Каждая ячейка функционирует независимо. Общий поток (пучок) складывается из отд. лучей, направление и угол расходимости которых определяют геометрию всего потока. Поэтому необходимо тщательное согласование параметров газоразрядной плазмы (концентрации ионов и температуры по всей поверхности эмиттера) с характеристиками ИОС- геометрией электродов и напряжённостью электрич. поля. Однородность эмиссии ионов по всей поверхности необходима потому, что граница плазмы не является "жёсткой" (в отличие от поверхности катода в электронных системах), а изменяет своё положение и кривизну поверхности (т. н. мениск) при изменении концентрации плазмы или напряжённости ускоряющего электрич. поля. Были разработаны мощные ионные источники (для термоядерных целей) с большими поверхностями плазм, эмиттеров (в сотни см²) и многоапертурными ИОС, обеспечивающими получение пучков мощностью в неск. МВт.

К широко распространённым плазменным ионным источникам относится дуоплазматрон, в котором для увеличения степени ионизации столб разряда подвергается механич. и магн. сжатию с помощью диафрагм и магн. поля, нарастающего к анодному отверстию малого диаметра. Сжатие разрядной дуги в узком канале промежуточного электрода 2 (рис. 1) сопровождается возникновением плазм, "пузыря" со скачком потенциала в слое, отделяющем катодную плазму I от более плотной анодной плазмы II. Слой III ускоряет и фокусирует электроны, выходящие из плазмы I в плазму II. Вблизи анода 4 плотная плазма ещё сжимается сильным неоднородным магн, полем, сечение плазмы вблизи выходного отверстия уменьшается, а концентрация возрастает до 10¹⁴-10¹⁵см^-3. Такая плазма эмитирует ионы с плотностью в десятки А/см², т. е. образуется "точечный" эмиттер. Однако ИОС не способна формировать пучок с такими плотностями тока и потребовалось создание расширителя плазмы за анодным отверстием и дополнит, камеры с антикатодом. Это позволило получить разряд с осциллирующими электронами и создать плазм. эмиттер с большой поверхностью и умеренной плотностью тока. Использование многоапертурной ИОС позволило формировать пучки с током ~10А. Эта модификация наз. дуонигатроном. Относительно прост плазм, эмиттер с большой поверхностью в ионных источниках без внешнего магнитного поля (ИБМ). Плазма создаётся в ГРК с помощью диффузного разряда низкого давления между распределённым катодом в виде большого количества накаливаемых нитей и анодным фланцем. Размеры эмиссионной поверхности достигают 12350см² с хорошей однородностью эмиссии. Величина тока пучка, формируемого многоапертурной ИОС, >100 А. Недостаточные энергетич. и газовая эффективности привели к созданию ионных источников с периферийным магн. полем (ИПМ), в котором магн. поле, уменьшающее потери ионов из плазмы, локализовано вблизи стенок ГРК ("магн. стенка") и отсутствует в центре. В результате сохраняется хорошая однородность плазмы на эмиссионной границе и повышаются энергетич. и газовая эффективности. При использовании 4-электродной, многоапертурной ИОС достигнут ток пучка св. 70А при энергии ионов водорода (дейтерия) до 120 кэВ. Указанные выше ионные источники работают в квазистационарных режимах. Для генерации пучков отрицат. ионов разработано два метода: метод т. н. двойной перезарядке положит, ионов и метод непосредственного извлечения отрицат. ионов из плазмы. Методом двойной перезарядки пучки отрицат. ионов получаются при проведении сформированных пучков положит, ионов низкой энергии через мишени из паров щелочных металлов (Na, Cs). Эффективность выхода ионов Н^- составляет от 10 до 30% в зависимости от выбора паров металла и энергии первичного пучка. Использование ионного источника типа ИБМ и ИПМ позволило получить пучки ионов Н^- в неск. А и ионов Не^- до 1А. Современные плазменные ионные источники с непосредственным извлечением отрицат. ионов основываются на двух способах их образования: поверхностно-плазменном (ППИ) и объёмно-плазменном (ОПИ). Отрицат. ионы в ППИ образуются в результате взаимодействия положит. ионов газоразрядной плазмы с активированной поверхностью катода, работа выхода которой понижена адсорбцией атомов щелочного металла, добавляемого в ГРК. Часть первичных ионов отражается от поверхности катода, а др. часть выбивает атомы, адсорбированные на поверхности. Значит, доля тех и других уходит с катода, захватив электрон, в виде отрицат. ионов, которые ускоряются прикатодным потенциалом, проходят через плазму, попадают в область эмиссии и ускоряются с помощью ИОС. Различные модификации ионных источников такого типа работают в магнитном поле, притом извлечение ионов происходит поперёк магн. поля. При извлечении и ускорении отрицат. ионов возникают определ. трудности, поскольку из плазмы одновременно извлекаются и электроны. В лучших конструкциях ионных источников токи этих частиц одинаковы, в большинстве случаев электронные токи значительно превышают ионные. В 80-е гг. токи Н^- достигают 10 А. В основе ОПИ лежит создание газоразрядной плазмы с высокой концентрацией отрицат. ионов. Осн. роль в образовании отрицат. ионов играют два процесса: возбуждение молекул водорода на высшие колебат. уровни и затем диссоциативное присоединение электрона к колебательно возбуждённой молекуле. Исследуется несколько конструкций ионных источников двухкамерного типа. В первой камере в газоразрядной плазме с быстрыми катодными электронами происходит возбуждение молекулы. Во второй камере, отделённой от первой т. н. магн. фильтром, задерживающим быстрые электроны, происходит диссоциация молекул в плазме с холодными электронами. Задача подавления сопутствующего электронного потока здесь также остаётся актуальной. В ионных источниках металлов, особенно тугоплавких, помимо обычного зажигания разряда в парах соответствующего металла, используют для получения паров бомбардировку поверхности мощным электронным пучком, вызывающим распыление металла. Совр. импульсные плазм. Ионные источники позволяют получать в течение десятков наносекунд ионные пучки с током до 10⁶ А, объёмный заряд которых автоматически компенсируется захватываемыми электронами. Принципиальная трудность создания таких эфф. импульсных ионных источниках связана с необходимостью подавления электронного потока, неизбежно распространяющегося внутри высоковольтного разрядного промежутка навстречу формируемому ионному пучку. Она успешно преодолевается в т. н. отражат. триодах и диодах с поперечным магн. полем. Отражательный диод состоит из двух катодов и находящегося между ними тонкоплёночного анода, на который подаётся короткий импульс высокого напряжения. Образующиеся электроны многократно пронизывают анод и осциллируют между катодами, испаряя и ионизируя вещество анода. Нейтрализуя объёмный заряд ионов, можно получить ионные потоки с высокой плотностью и общим током порядка сотен кА. Иногда роль одного из катодов играет т. н. виртуальный катод.

Ионные источники с полевым испарением

Особое значение в 80-е гг. приобретают жидкометаллические ионные источники, которые вследствие большой нач. плотности ионного тока позволяют формировать плотные ионные зонды - пучки субмикронного диаметра. Эмиттером в жидкометаллическом ионном источнике (рис. 2) является небольшая часть поверхности жидкого металла, смачивающего металлич. иглу и покрывающего её тонким слоем. Перед эмиттером находится электрод - экстрактор, создающий вблизи острия сильное ускоряющее ионы электрич. поле ~10⁸В/см и имеющий отверстие для вывода формируемого ионного пучка. Режим полевого испарения с жидкой фазы отличается большим током эмиссии (~10^-6-10^-3А); существованием на поверхности иглы жидкометаллич. острия; действием механизма саморазогрева эмитирующей области (для Ga, напр., до 50041000 8С); характерным свечением вблизи острия. К такому режиму приходят или повышением тсмп-ры металла внеш. нагревом при фиксированном достаточно большом потенциале U, или увеличением U до некоторого порогового значения, при котором происходит скачок ионного тока на неск. порядков величины. Одним из возможных объяснений высоких плотностей тока (~10⁸ А/см²) является концепция остроконечного эмиттера с несбалансированным давлением на поверхности (т. н. гидродинамич. эмиттер, образующийся вследствие неустойчивости поверхности жидкометаллич. острия). Конфигурация и положение фронта такого эмиттера определяются равенством числа приходящих атомов и эмитируемых ионов. Источники многозарядных ионов. Многозарядные ионы могут образоваться как путём однократных электрон-атомных столкновений, так и в результате ряда последоват. столкновений. Ступенчатый механизм образования многозарядных ионов более эффективен. Однако в обоих случаях для получения многозарядных ионов необходимы высокие энергии электронов и высокие плотности электронных потоков. Для достижения высокой плотности ионизации необходимо как можно дольше удерживать ион в области интенсивной ионизации, для чего в источниках многозарядных ионов используют разряды с осцилляцией электронов в магн. поле, ВЧ-разряды в условиях электронно-циклотронного резонанса, создающие электростатич. ловушки для ионов. При использовании электронно-лучевых ионных источниках однозарядные ионы, оказавшиеся в интенсивном электронном пучке с большой энергией, не могут покинуть создаваемую здесь объёмным зарядом и торцевыми электродами глубокую потенциальную яму и постепенно лишаются всё большего количества своих электронов при столкновениях с быстрыми электронами пучка. Наиб, успехи в получении ионов с высокой кратностью заряда, в частности 25-зарядных ионов Со, "голых" тяжёлых ядер, достигнуты при воздействии на твёрдое тело мощным лазерным излучением, создающим плотную нагретую плазму с многозарядными ионами.

Литература по ионным источникам

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.