ИОННЫЙ ИСТОЧНИК

ИОННЫЙ ИСТОЧНИК

       

устройство для получения в вакууме направленных ионных потоков (пучков). И. и.— важная часть ускорителей заряж. ч-ц, масс-спектрометров, ионных микроскопов, установок для термояд. синтеза и разделения изотопов и мн. др. устройств. В И. и. используются: ионизация атомов электронным ударом, поверхностная ионизация, ионизация в газовом разряде и др. (см. ИОННАЯ ЭМИССИЯ). Наибольшее распространение получили плазменные И. и., создающие интенсивный пучок ионов с заданными массой, зарядом, энергией, током при мин. расходе рабочего в-ва и потреблении энергии, высоких стабильности и долговечности.

И. и. с высокой плотностью ионного тока явл. дуоплазмотрон, в к-ром плазма подвергается сперва «геом.» сжатию, а затем сжатию неоднородным магн. полем. Распространены И. и., в к-рых эл-ны, ионизирующие газ, осциллируют вдоль линий магн. поля между катодом и отражателем. Ионы извлекаются через отверстие в отражателе либо через щель в анодном цилиндре (поперёк магн. поля). Интенсивные импульсные пучки отрицат. ионов получаются в поверхностно-плазменных И. и., где покрытый Cs электрод бомбардируется потоком положит. ионов водорода, к-рые при этом преобразуются в отрицат. ионы. В инжекторах быстрых нейтр. ч-ц используются мощные дуговые И. и. без магн. поля, позволяющие получать ионные пучки с током в десятки А. Импульсным сильноточным И. и. является спец. отражат. диод, состоящий из двух катодов и находящегося между ними тонкоплёночного анода, на к-рый подаётся короткий импульс высокого напряжения. Образующиеся эл-ны многократно пронизывают анод и осциллируют между катодами, испаряя и ионизируя в-во 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. Особенностью И. и. многоразрядных ионов явл. длит. удержание ионов в объёме, пронизываемом электронным потоком с большими энергией и плотностью. Плазма, образующаяся при облучении тв. тела лазерным излучением, также явл. эфф. источником многозарядных ионов.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ИОННЫЙ ИСТОЧНИК

- устройство для получения в вакууме ионного пучка - пространственно сформированного потока ионов, скорость направленного движения к-рых много больше их тепловых скоростей. И. и.- неотъемлемая часть ускорителей, инжекторов быстрых атомов для термоядерных систем, установок эл.-магн. разделения изотопов, масс-спектрометров, технол. установок разл. назначения и др. Важнейшие параметры И. и.: 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 И. и.- отношение мощности пучка к мощности потребляемой И. и. от сети; газовая эффективность отношение потока сформированных ионов к потоку газа, подаваемого в И. и. По временным характеристикам И. и. делятся на импульсные, квазистационарные и стационарные. <И. и. состоит из двух осн. узлов: эмиттера ионов и эл.-статич. системы, с помощью к-рой ионы извлекаются, ускоряются и формируются в направленный поток, т. н. ионно-оптич. система (ИОС). В простейшем виде И. и. 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. И. и. строятся по единому принципу, и гл. фактором, определяющим тип И. и., является метод создания эмиттера ионов. <В зависимости от физ. природы эмиттера ионов различают неск. типов И. и.: 1) И. и. с поверхностной ионизацией, где эмиттером ионов служит поверхность накалённого материала, работа выхода к-рого превышает потенциал ионизации падающих на него атомов; 2) плазменные, в к-рых ионы отбираются с поверхности плазмы, образуемой в большинстве случаев с помощью газового разряда; 3) "полевые", в к-рых ионы образуются благодаря действию сильного электрич. поля (~10⁸ В/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 И. и. 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/см ² получают 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 полученыотрицат. ионы пода с плотностью тока от 1 до 10 мА/см ². Наиб, интенсивными источниками отрицат. ионов являются плазменно-поверхностные (см. ниже).Плазменные И. и. 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 И. и. 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 И. и. без внеш. магн. поля (ИБМ), но они обладают значительно меньшими эффективностями. В 80-е гг. большое распространение получили весьма эффективные И. п. с периферийным магн. полем (ИПМ), окружающим ГРК. Т. о., существует неск. разл. систем плазменных эмиттеров, а в основу ИОС положен единый для всех типов И. и. принцип - создание многоапертурной эл.-статич. системы, состоящей из 3-4 электродов, в каждом из к-рых 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 к-рых определяют геометрию всего потока. Поэтому необходимо тщательное согласование параметров газоразрядной плазмы (концентрации ионов и темп-ры 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 И. и. (для термоядерных целей) с большими поверхностями плазм, эмиттеров (в сотни см ²) и многоапертурными ИОС, обеспечивающими получение пучков мощностью в неск. МВт. <К широко распространённым плазм. И. и. относится дуоплазматрон, в к-ром для увеличения степени ионизации столб разряда подвергается

Рис. 1. Схема дуоплазматрона: 1 - катод: 2 - промежуточный электрод; 3 - катушка электромагнита; 4 - анод; 5 - экстрактор; I - катодная плазма; II - анодная плазма; III - двойной слой, ускоряющий и фокусирующий электроны.

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 4плотная плазма ещё сжимается сильным неоднородным магн, полем, сечение плазмы вблизи выходного отверстия уменьшается, а концентрация возрастает до 10¹⁴-10¹⁵ см ^-3. Такая плазма эмитирует ионы с плотностью в десятки А/см ², 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 осциллирующимиэлектронами 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 И. и. без внеш. магн. 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 12350см ² с хорошей однородностью эмиссии. Величина тока пучка, формируемого многоапертурной ИОС, >100 А. Недостаточные энергетич. и газовая эффективности привели к созданию И. и. с периферийным магн. полем (ИПМ), в к-ром 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 И. и. 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 И. и. типа ИБМ и ИПМ позволило получить пучки ионов Н ^- в неск. А и ионов Не ^- до 1А. <Совр. плазм. И. и. 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 к-рой 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, к-рые ускоряются прикатодным потенциалом, проходят через плазму, попадают в область эмиссии и ускоряются с помощью ИОС. Разл. модификации И. и. такого типа работают в магн. 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 И. и. 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 неск. конструкций И. и. 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 И. и. металлов, особенно тугоплавких, помимо обычного зажигания разряда в парах соответствующегометалла, используют для получения паров бомбардировку поверхности мощным электронным пучком, вызывающим распыление металла. Совр. импульсные плазм. И. и. позволяют получать в течение десятков наносекунд ионные пучки с током до 10⁶ А, объёмный заряд к-рых автоматически компенсируется захватываемыми электронами. Принципиальная трудность создания таких эфф. импульсных И. и. 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 к-рый 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. И. и. с полевым испарением. Особое значение в 80-е гг. приобретают жидкометаллические И. и., к-рые вследствие большой нач. плотности ионного тока

Рис. 2. Схема жидкометаллического источника ионов: 1и 2 - жидкий металл; 3 - металлич. игла; 4 - жидкометаллич. остриё; 5 - ионы металла; 6 - экстрактор; 7 - область свечения.

позволяют формировать плотные ионные зонды - пучки субмикронного диаметра. Эмиттером в жидкометаллич. И. и. (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 ~10⁸ В/см и имеющий отверстие для вывода формируемого ионного пучка. Режим полевого испарения с жидкой фазы отличается большим током эмиссии (~10^-6-10^-3 А); 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 Uдо нек-рого порогового значения, при к-ром происходит скачок ионного тока на неск. порядков величины. Одним из возможных объяснений высоких плотностей тока (~10⁸ А/см ²) 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 ионовиспользуют разряды с осцилляцией электронов в магн. поле, ВЧ-разряды в условиях электронно-циклотронного резонанса, создающие электростатич. ловушки для ионов. При использовании электронно-лучевых И. и. 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. Лит.: Зандберг Э. Я., Ионов Н. И., Поверхностная ионизация, М., 1969; Габович М. Д., Физика и техника плазменных источников ионов, М., 1972; Инжекторы быстрых атомов водорода, М., 1981; Габович М. Д., Жидкометаллические эмиттеры ионов, "УФН", 1983, т. 140, с. 137; Габович М. Д., Плешивцев Н. В., Семашко Н. Н., Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей, М., 1986. М. Д. Габович, Н. Н. Семашко.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.