Ионный пучок
-
направленный поток положительных (одно-
или многозарядных) или отрицательных ионов, имеющий обычно малые поперечные
размеры по сравнению с длиной и движущийся со скоростью, значительно
превышающей хаотич. тепловые скорости составляющих его частиц.
Впервые ионный пучок наблюдал Э. Гольдштейн (Е. Goldstein) в 1886; в катоде
газоразрядной трубки были проделаны отверстия, через к-рые
проходили ионы, ускоренные в межэлектродном промежутке, и создавали за
катодом слабое свечение (т. н. каналовые лучи). В настоящее время ионный пучок
получают с помощью различных ионных источников
и формируют системами электрической и магнитной фокусировки. Ионные пучки
могут иметь вид цилиндра, конуса, ленты и т. п. Поведение ионных пучков зависит
от нач. направленной скорости ионов, их тепловых скоростей, внеш.
электрич. и магн. полей, парных столкновений ионов с частицами среды, а
также от собственного объёмного заряда
пучка и магн. поля его тока. Важным параметром И. п., характеризующим
влияние объёмного заряда на его свойства, является первеанс P=I/U3/2,
где I - ток пучка, a U - ускоряющая ионы разность потенциалов. Пучки с
пост, первеансом при одинаковых размерах подобны друг другу. Хотя
разброс тепловых (хаотич.) скоростей ионов может быть мал по сравнению с
их направленной скоростью, часто именно тепловые скорости ограничивают
возможную фокусировку И. п., искажая его форму. Это качество пучка
характеризуется т. н. эмиттансом ,связанным с проекцией фазового объёма пучка на плоскость, к-рый приближённо вычисляют по ф-ле: Vф=2R0(2Ti/Mc2)l/2, где R0 - радиус плазмы, служащей источником ионов с температурой Тi,
выраженной в единицах энергии, М - масса иона. В отсутствие частиц
противоположного знака осесимметричный И. п. расширяется вдоль оси z под
действием собственного заряда и профиль И. п. описывается ф-лой:
где f(x) - известная табулированная функция:
Для сохранения формы И. п. их объёмный заряд должен быть скомпенсирован
зарядом частиц противоположного знака. Наиб, распространена "газовая"
компенсация объёмного заряда в И. п. При столкновении нек-рых положит,
ионов пучка с атомами остаточного газа образуются электроны и
относительно медленные положит, ионы. Последние выталкиваются из пучка
электрич. полем, а электроны накапливаются в нём, несмотря на то, что
этому препятствуют кулоновские столкновения их с первичными ионами. Так
достигается не полная, но значит, компенсация объёмного заряда в пучке
положит, ионов (рис. 1, а). Иначе происходит газовая
Рис. 1. Радиальное распределение потенциала: а - в пучке положительных ионов до компенсации (Dj0) и после неё (Djк); б - в пучке отрицательных ионов при различных давлениях газа: 1 - в высоком вакууме;
2 - при большом давлении, когда пучок в значительной мере
компенсирован; 3 - при большом давлении, когда произошло обращение знака
потенциала.
компенсация объёмного заряда в пучке отрицат. ионов (рис. 1, б).
В этом случае при малом давлении газа накапливаемые медленные положит,
ионы также лишь частично компенсируют объёмный заряд И. и. Однако при
достаточно большом давлении газа происходит перекомпенсация объёмного
заряда: за счёт накопления большого числа медленных положит, ионов
потенциал в пучке изменяет свой знак и происходит "газовая фокусировка"
пучка отрицательных ионов.
Др. способ компенсации объёмного заряда И. п. состоит в "принудительном"
введении в И. п. пучков зарядов противоположного знака, т. е. в
совмещении
пучков. Так получают синтезированные ион-электронные или ион-ионные
пучки с компенсированным объёмным зарядом; при этом одновременно с
компенсацией объёмного заряда часто осуществляется необходимая токовая
компенсация. В результате происходит переход к плазм, потокам,
называемым в плотных И. п. ионно-пучковой плазмой. Из-за
немаксвелловского распределения скоростей возникают коллективные явления
- электронные и ионные колебания. Коллективные эффекты, приводя к изменению фазового объёма, также влияют на транспортировку И. п.
Для получения И. п. часто используют ионные источники с газоразрядными ионизац.
камерами и тогда отбор ионов осуществляется не с фиксированной
поверхности твёрдого тела, а с границы плазмы, перемещающейся при
изменении внеш. условий или режима работы источника (рис. 2). В этом
случае первичное
Рис. 2. Система первичного формирования ускоренного пучка ионов,
извлекаемых из плазменного источника: 1, 2, 3 - электроды. I - вогнутая
граница плазмы, II-плоская, III - выпуклая.
формирование И. п. связано с т. н. плазм. фокусировкой. При увеличении
ускоряющей разности потенциалов U граница плазмы из выпуклой (III)
становится вогнутой (I), создаются условия для фокусировки пучка.
Электрод 2 с отверстием для пучка, имеющий потенциал ниже потенциала
заземлённого электрода 3, удерживает электроны, компенсирующие ионный
пучок, и ускоряет сам ионный пучок. В дальнейшем И. п. могут
фокусироваться с помощью эл--статич. и магн. линз (см. Электронные линзы
).Сжатие И. п. связано с их "охлаждением" - уменьшением фазового
объёма. Одним из методов охлаждения "горячего" И. п. является совмещение
его с "холодным" электронным пучком.
В 80-е гг. получают квазистационарные И. п. с током до 100 А, импульсные
- с током до сотен тысяч А. Важной проблемой остаётся транспортировка
таких пучков.
И. п. широко применяются в самых разл. областях пауки и техники: в
ускорителях, установках по осуществлению управляемого ионного термоядерного синтеза,
в разнообразных технол. установках, масс-спектрометрии, установках для
разделения изотопов, для исследования поверхности твёрдых тел, для т. н.
сухого травления в технологии микроэлектроники и т. д.
Литература по ионным пучокам
Габович М. Д. Физика и техника плазменныхисточников ионов, М., 1972;
Габович М. Д. Ионно-пучковая плазма и распространение интенсивных компенсированных ионных пучков, "УФН", 1977, т. 121, с. 259;
Семашко Н. Н. и др., Инжекторы быстрых атомов водорода, М., 1981;
Быстрицкий В. М., Диденко А. Н., Мощные ионные пучки, М., 1984;
Диденко А. Н., Лигачёв А. Е., Куракин И. Б., Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов, М., 1987.
Знаете ли Вы, что релятивизм (СТО и ОТО) не является истинной наукой? - Истинная наука обязательно опирается на причинность и законы природы, данные нам в физических явлениях (фактах). В отличие от этого СТО и ОТО построены на аксиоматических постулатах, то есть принципиально недоказуемых догматах, в которые обязаны верить последователи этих учений. То есть релятивизм есть форма религии, культа, раздуваемого политической машиной мифического авторитета Эйнштейна и верных его последователей, возводимых в ранг святых от релятивистской физики. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
