Общие принципы действия источников ионов

Общая схема ионного источника представлена на рис.4. Источник состоит из разрядной камеры РК, отверстия О, соеди­няющего разрядную камеру с ускорительной трубкой УТ, и си­стемы вытягивания и фокусировки ионов ВФ.

Рис. 4. Общая схема ионного источника

Газ подается в разрядную камеру. Как будет показано ниже, давление в камере должно быть порядка 10^-1…10^-3 mm .рт.ст., давление в ускорительной трубке, как известно, должно быть не более 10^-5 mm.рт.ст. Поэтому для создания необходимого перепада давления сечение отверстия, соединяющего эти два вакуумных объёма, выбирается достаточно малым. Так как через это же отверстие происходит экстракция (вытягивание) ионов из плазмы в ускорительную трубку, такое увеличение возможно лишь при понижении давления в разрядной камере. Понижение давления не должно сопровождаться уменьшением плотности ионов в разрядной камере вблизи отверстия.

Ионизация газа происходит в разрядной камере, в результате чего камера в рабочем режиме наполнена плазмой. Плазма представляет собой основное состояние ионизированного газа, характеризующееся высокой степенью ионизации и практически равной концентрацией положительно и отрицательно заряженных частиц. При любом нарушении равенства концентрации этих частиц появляется ток, который устраняет нарушение. Отрицательные частицы — в основном электроны в водородной плазме, положительные частицы — протоны и молекулярные ионы. Так как электроны значительно подвижнее ионов [тепловая скорость частиц обратно пропорциональна корню квадратному из массы], то они могли бы быстрее ионов покинуть плазму и потеряться на стенках, ограничивающих плазму. Однако эта же подвижность электронов приводит к появлению разности потенциалов порядка 5…25 в между плазменным сгустком и стенками разрядной камеры; эта разность потенциалов приходится главным образом на слой толщиной порядка 0,1…1 мм у стенок камеры.

Плазму в разрядной камере можно получить различными путями: в тлеющем разряде, безэлектродном кольцевом высокочастотном разряде низковольтных дуг, при холодном и горячем катодах и т. д. Существуют источники различных типов, определяемых способом получения плазмы в газоразрядной камере. При любом из этих способов ионизация молекул газа происходит путем столкновения с электронами. Из-за большой подвижности электронов они претерпевают множество столкновений. Энергия электронов в плазме обычно порядка величины разрядного напряжения. Разряд в камере возникает между катодом и анодом (за исключением случая безэлектродного высокочастотного разряда). Если J_e — плотность электронов тока эмиссии катода, то при равенстве электронов и ионов в плазме число ионов, попадающих на катод, меньше числа электронов эмиссии и определяется отношением скоростей частиц. Это отношение равно отношению квадратных корней из масс и, следовательно, плотность тока ионов, попадающих на катод, может быть выражена как:

Сохранение такой зависимости между электронным и ионным токами необходимо для стабильного горения разряда.

Как уже говорилось выше, ионный ток, вызывающий ионную бомбардировку, приводит к быстрому разрушению катода, поэтому при горячих катодах целесообразно применять систему подогревных катодов, где можно взять материал достаточной толщины в осевом направлении.

Пользуясь приведенным выше отношением токов ионов и электронов, зная вероятную ионизацию и учитывая геометрию и конструктивные особенности источника, можно вычислить необходимое число частиц в объеме разрядной камеры. а, следовательно, и давление в ней, которое в различных источниках колеблется в пределах 10^-1…10^-3 мм рт. ст. (это значительно выше давления в ускорительной трубке).

Анодное напряжение должно быть сравнительно малым. Здесь оно не формирует пучка и не экстрагирует непосредственно рабочие частицы, как в электронной пушке. Анодное напряжение должно быть минимальным и таким, чтобы зажечь и поддерживать стабильный газовый разряд. Напряжение зажигания зависит в основном от материала катода.

Для большинства металлов оно сравнительно высоко, порядка 2…3 кв. Существует, однако, группа так называемых низковольтных металлов, к числу которых принадлежат магний, алюминии, бериллий, цирконий и титан. Тонкая оксидная пленка на них понижает разрядное напряжение до величины порядка 300 в.

Одной из существенных характеристик источника ионов является процентное содержание так называемых атомарных ионов в его пучке. Атомарные ионы — это ионизированные атомы (для водорода — протоны). Именно они, а не ионизированные молекулы в большинстве случаев используются в ускорителях.

Большинство газов, применяемых для питания разрядных камер источников, при комнатной температуре состоят из двух атомных молекул; таковы водород, дейтерий, кислород, азот и др. При ионизации этих газов в разрядной камере источника только часть их молекул диссоциирует на ионизированные атомы. Наиболее распространены протонные источники, рабочим газом, для которых является водород. Быстрые электроны, сталкиваясь с молекулами водорода, могут осуществлять следующие реакции

Н₂ + е  H₁ + е + 2 эв.

Здесь быстрый электрон, сталкиваясь с молекулой водорода, разбивает ее на два нейтральных атома. При такой реакции выделяется энергия 2 эв в виде кинетической энергии частиц. Ионизации при этом не происходит. Возможно далее такое расщепление

Н₂ + е  H₁ + H₁ + е + 11 эв.

Здесь также нет ионизированных атомов, выделяющаяся энергия составляет 11 эв. При столкновении электрона с атомом водорода, полученным в результате двух предыдущих реакций, возможна следующая реакция

Н₁ + е  H₁⁺ + 2е.

В результате ее появляются один протон и два электрона: один — первоначальный ионизирующий и второй — образовавшийся в результате ионизации. При столкновении электрона с молекулами водорода возможно появление ионизированных молекул в соответствии со следующей реакцией:

Н₂ + е  H₂⁺ + 2е.

Могут быть получены также один протон и один нейтральный атом водорода

Н₂+е  H₁⁺ + H₁ + 2е.

Возможен и другой вариант с выделением энергии 10 эв

Н₂ + е  H₁⁺ + H₁ + 2е +10 эв.

И, наконец, возможна реакция столкновения электрона с молекулой водорода, при которой появляются два протона, три электрона и выделяется энергия 10 эв

Н₂+еH₁⁺+ H₁⁺+3е+10 эв.

Для каждой из этих реакций установлена пороговая энергия электрона, при которой такая реакция может наступить. Пороговые энергии для выше написанных реакций соответственно равны 8,8; 11,8; 13,5; 15,6; 18,6; 28,0; 46,0 эв.

Возможность этих реакций приводит к тому, что в плазме кроме атомарных ионов имеется достаточное количество молекулярных. Их количество увеличивается также за счет так называемой рекомбинации — превращения ионизированных атомов водорода в нейтральные молекулы. При высоком давлении — выше 1 мм рт. ст., когда длина свободного пробега частиц меньше размеров разрядной камеры, преобладает объемная рекомбинация. При меньшем давлении, когда столкновение частиц внутри объема камеры становится маловероятным, решающее значение приобретает поверхностная рекомбинация на стенках камеры. Коэффициент рекомбинации у стенки зависит от материала стенки. Он велик для металлов и мал для изоляционных материалов и, в частности, для стекла. Поэтому, например, в высокочастотных источниках разрядные камеры выполняются из кварца или тугоплавкого стекла типа пирекс. В ряде других типов источников, где рекомбинация не оказывает большого влияния на режим работы источника, применяются металлические разрядные камеры.

Электронные пушки

Электронные пушки представляют собой источники электро­нов, создающие сформированный пучок, главным образом круглого сечения. Основной частью источника является катод, активная поверхность которого эмитирует электроны. Электрическое поле в промежутке анод – катод ускоряет эти электроны, формирует пучок и направляет его далее в ускорительную трубку. На рисунке 5 представлена схема электронной пушки.

Рис. 5. Схема электронной пушки

Здесь катод К помещён в глубину конической катодной линзы КЛ и имеет одинаковый с нею отрицательный потенциал. Анод А выполнен в виде цилиндра с отверстием О в центре основания для выпуска пучка. Внутренняя поверхность основания анода и внутренняя поверхность катодной линзы образуют так называемую электронно-оптическую систему. На этом рисунке показаны силовые линии электрического поля; благодаря соответствующей конфигурации электрического поля осуществляется фокусировка пучка элек­тронов, движущихся с активной поверхности катода ПА к аноду. Ускоренный пучок проходит через отверстие в центральной части анода и попадает далее в ускорительную трубку. Иногда в про­странстве между анодом и катодом устанавливается дополнительный электрод, изменяя потенциал которого, можно регулировать энергию и условия фокусировки электронов.

В большинстве случаев анод заземляется, а катодный блок имеет потенциал, соответствующий ускоряющему напряжению источника.

На рис. 6 приведен чертеж, а на рис. 7 —внешний вид этого же источника.

Рис.6. Конструкция электронной пушки

Рис. 7. Внешний вид электронной пушки

Метал­лический фланец, показанный на чертеже и снимке, закрывает торцовое отверстие ускорительной трубки. Стеклянная трубка, изолирующая катодный блок от земли, расположена снаружи. Размер приводимого в качестве примера источника в осевом направлении 300…400 мм.

Формирование пучка в электронной пушке представляет собой сложную теоретическую и экспериментальную задачу. Еще более сложным является расчет электронно-оптической системы при больших токах в пучке, когда становится заметным влияние объем­ного заряда. Впервые основные закономерности так называемой электронной оптики с учетом объемного заряда были разработаны Пирсом, поэтому часто в литературе встречается термин «оптика Пирса». При токах, близких к единице ампера, оптика рассчитывается главным образом по условиям компенсации объемного заряда. Эти расчеты столь сложны, что часто задачу не удается решить в общем виде. Иногда приходится прибегать к моделированию.

Для формирования пучка с по­мощью оптической системы тепловая скорость частиц должна быть значительно меньше, чем скорость движения, направленного вдоль ускоряющего поля. Эта энергия мала и не составляет никакого труда применить уско­ряющее напряжение источника, в 1000 раз превышающее напря­жение, соответствующее тепловой энергии электронов.

Для формирования пучка в ускори­тельной трубке энергия частиц, выходящих из источника, должна быть порядка величины градиента электрического поля в этой трубке. Градиент поля обычно равен 10…20 кВ/см. Это анодное напряжение, соответствующее такому градиенту, может быть легко достигнуто в электронной пушке.

Основным соображением, определяющим величину анодного напряжения, является стремление получить максимальный элект­ронный ток с единицы поверхности катода, т.е. наибольшую его эмиссию. Как известно, максимальный электронный ток, который может быть получен от катода (так называемый ток насыщения), зависит от свойств самого катода. Однако для того чтобы вообще получить какой-либо ток эмиссии, необходимо приложить к си­стеме катод — анод значительное напряжение. Для токов, мень­ших токов насыщения, может быть применена формула Лэнгмюра.

Так, обычное анодное напряжение электронной пушки линейных ускорителей составляет 50…100 кВ.

Существуют различные типы катодов. Независимо от этого все катоды в электронных пушках работают при высокой температуре, при которой можно получить достаточно высокую плотность тока, необходимую для электронной пушки.

Необходимо, чтобы величина тока и на­пряжение системы питания катода находились в разум­ных пределах. При такой системе катод должен вы­полняться в виде сравни­тельно длинной проволоки, свернутой в спираль. На рис. 8, а представлена схема катода прямого нагрева.

Рис. 8. Виды подогревных катодов.

Тон­кая проволока катода при высокой температуре — по­рядка 2000…2500 °С — не­прочна и катод часто выхо­дит из строя. В ионных ис­точниках катод раз­рушается еще быстрее под влиянием ионной бомбардировке.

Выполнение наиболее эффективных неметаллических катодов в виде проволоки практически невозможно; так, некоторые из катодов обладают очень высоким активным сопротивлением и не могут нагреваться током непосредственно. Поэтому в большинстве мощных электронных пушек применяется так называемый подо­гревный катод, схема которого представлена на рис. 8, б. Здесь в виде проволоки выполнен вспомогательный металлический по­догреватель, через который пропускается ток от специальной системы питания. Между подогревателем и катодом существует некоторая разность потенциалов. За счет ее электроны, эмитируе­мые с поверхности подогревателя, устремляются к катоду, бом­бардируют его, вследствие чего он разогревается и сам становится источником электронов. Другой способ косвенного подогрева за­ключается в том, что катод прогревается непосредственно за счет тепла, выделяемого подогревателем.

В этих системах к размерам и материалу основного катода уже не предъявляются требования, связанные с электропровод­ностью. Основная часть катода может быть выполнена в виде цилиндра (таблетки), достаточно прочного и устойчивого,