ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

В.А. Курнаев, Ю.С. Протасов, И.В. Цветков

ВВЕДЕНИЕ В ПУЧКОВУЮ ЭЛЕКТРОНИКУ

Под редакцией В.А. Курнаева

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва 2008

1

УДК 537.5(075)+539.2(075)+533.124(075) ББК 22.333я7+22.37я7 К 93

Курнаев В.А., Протасов Ю.С., Цветков И.В. Введение в пучковую электро-

нику: Учебное пособие / Под ред. В.А. Курнаева. – М.: МИФИ, 2008.− 452 с.

Пучковая электроника – активно развивающееся в настоящее время научное направление, играющее огромную роль в физике горячей и газоразрядной плазмы, термоядерного синтеза, плазменных технологиях.

В пособии даны основы пучковой электроники, которые базируются на основах физики твердого тела, закономерностей эмиссии заряженных частиц, на описании способов формирования потоков заряженных частиц, и общие сведения о пучковой диагностике.

Книга рассчитана на студентов старших курсов физических и физикотехнических специальностей высших учебных заведений, в программу обучения которых включены разделы эмиссионной электроники.

Пособие подготовлено в рамках Инновационной образовательной программы МИФИ.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. А.В. Нестерович

Редактор М.В. Макарова

Оригинал-макет изготовлен С.В. Тялиной

Подписано в печать 11.12.2008. Формат 60×84 1/16.

Уч.-изд. л. 28,25. Печ. л. 28,25. Тираж 150 экз. Изд. № 1/39. Заказ №

Московский инженерно-физический институт (государственный университет). 115409, Москва, Каширское ш., 31

Типография издательства «Тровант», г. Троицк Московской области

2

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Издание на кафедре физики плазмы МИФИ в серии «Учебная книга инженера-физика» учебного пособия с названием «Введение в пучковую электронику» имеет свои мотивы, которые и предопределили специфику его содержания.

Во-первых, пучки частиц являются неотъемлемой частью тех физико-технических приложений, с которыми сталкиваются выпускники кафедры физики плазмы МИФИ. Это и нагрев термоядерной плазмы при инжекции в плазму быстрых нейтралов, и создание пучков при корпускулярной диагностике плазмы. Электронные пучки формируются в устройствах для нагрева плазмы с помощью ВЧ и микроволнового излучения таких как клистроны и гиротроны. И, во-вторых, именно с помощью пучков частиц и направленных потоков плазмы осуществляется моделирование взаимодействия термоядерной плазмы и ее компонент с обращенными к ней элементами плазменных установок. Проблема выбора материалов для установок управляемого термоядерного синтеза в настоящее время является одной из центральных при создании реактора управляемого термоядерного синтеза (УТС) с магнитным удержанием плазмы. Это предполагает последовательное проектирование и сооружение нескольких больших установок: исследовательского реактора ИТЭР, совместное сооружение которого мировым сообществом недавно началось во Франции; демонстрационного энергетического реактора ДЕМО, в котором нагрузки на стенки будут значительно больше, чем в ИТЭР; и, наконец, промышленной термоядерной электростанции ПТЭ. За многолетнюю историю изучения особенностей взаимодействия с твердым телом атомных частиц с характерными для термоядерной плазмы энергиями именно установки с ионными пучками позволили определить основные закономерности элементарных процессов, сопровождающих взаимодействие плазмы с материалами: отражение частиц [1], их внедрение и последующий выход в камеру установки [2], распыление материалов под действием ионов [3], особенности трансформации поверхности твердого тела под их влиянием [4], а также других процессов, полное изучение которых далеко еще от завершения [5 – 7]. Кроме того, пучки заряженных частиц широко используются для анализа результатов воздействия плазмы на материалы. Это и резерфордов-

4

ское обратное рассеяние частиц мэвных энергий, и метод ядерных реакций, и рассеяние ионов средних (килоэлектрон-вольты – десятки килоэлектрон-вольт) и низких (менее одного килоэлектронвольта) энергий. Ионные пучки используются также для элементного анализа поверхности при ее распылении (вторично-ионная масс-спектроскопия), при возбуждении в поверхности характеристического излучения и в других методах. А электронные пучки используются в разного рода электронных микроскопах (просвечивающих, отражательных), при реализации метода оже-электронной спектроскопии и в других методах [8].

При этом в набор сведений и знаний, которыми должен обладать выпускник МИФИ, специализирующийся в данной области, входит понимание особенностей твердого тела, лежащих в основе процессов, сопровождающих эмиссию заряженных частиц из твердого тела при генерации пучков, и его зондирование пучками частиц. Обязательными для изучения являются законы, определяющие выход заряженных частиц с поверхности твердого тела – эмиссионные процессы. Кроме того, важно знать особенности генерации ионов и электронов в газовых разрядах, использующихся в плазменных источниках заряженных частиц, и, наконец, особенности формирования и распространения пучков заряженных частиц и быстрых нейтральных атомов.

Выпущенное много лет назад профессором кафедры физики плазмы МИФИ С.К. Димитровым пособие по методам генерации, транспортировки и торможения пучков [9] стало библиографической редкостью и, к сожалению, не было переиздано в связи с трагической гибелью автора.

Первая глава данного пособия содержит описание основных свойств твердого тела, важных как с точки зрения эмиссии из него электронов, так и при изучении взаимодействия с ним основных компонент плазмы – электронов, ионов и электромагнитного излучения, а также пучков частиц и излучения, используемых при анализе. Так как эти процессы неразрывно связаны с основополагающими свойствами твердых тел, то в первую главу включено краткое описание всех их основных свойств. Приведенные сведения о свойствах твердых тел, закономерностях, которым они подчиняются, и краткий теоретический базис, позволяющий на единой основе воспринять особенности процессов, происходящих в твердом теле,

5

с одной стороны, являются введением к последующим главам, а с другой стороны, представляют достаточно самосогласованный материал, который фактически является ведением в физику твердого тела. Поэтому в зависимости от задачи, стоящей перед студентом, тщательное изучение первой главы может быть рекомендовано для тех из них, кто решил заниматься взаимодействием плазмы с поверхностью и основанными на этом технологиями. Для остальных она может служить дополнительным пособием по курсу физики твердого тела. При этом, чтобы не перегружать читателя, некоторые разделы, описывающие особенности поведения твердого тела и его специфические свойства, набраны мелким шрифтом.

Вторую и третью главы с большим основанием можно отнести собственно к введению в пучковую электронику. Слово «введение» в данном случае вполне уместно, так как в пособии рассматриваются только самые общие закономерности экстракции и формирования пуков частиц. Подбор материала и примеров ориентирован на то, чтобы быть возможно более полезным студентам и аспирантам кафедры физики плазмы, исходя из сложившихся к настоящему времени научных приоритетов как в лабораториях кафедры, так и ее филиалов, за исключением, пожалуй, пучковых драйверов для управляемого инерционного синтеза. Данное направление имеет свою специфику, связанную с особенностями эмиссии и распространения импульсных мегаамперных потоков заряженных частиц или пучков высокой энергии, которыми занимаются «ускорительщики».

Конкретно, вторая глава содержит описание разного рода эмиссий заряженных частиц с поверхности твердого тела как основы генерации пучков заряженных частиц: термоэлектронную эмиссию, полевую (автоэлектронную) эмиссию, вторичную эмиссию электронов под действием электронов и ионов. Кроме того, во второй главе кратко рассмотрены закономерности эмиссии из твердого тела заряженных и нейтральных атомов как твердого тела, так и испытавших с ним взаимодействие частиц первичного пучка при попадании последних на поверхность. Данная глава затрагивает вопросы физической электроники, систематическое изложение значительной части которых можно также найти в разных учебных и справочных пособиях [10,11].

6

Третья глава посвящена описанию особенностей формирования потоков заряженных частиц при их эмиссии из твердого тела или других источников. В ней также рассматриваются основы расчета и примеры реализации элементов электронной и ионной оптики. В этой главе подробно перечислены основные типы газовых разрядов, используемых в плазменных источниках ионов, а также сами плазменные источники как ионов, так и электронов. При этом рассмотрение ограничено в основном стационарными пучками средних энергий, как наиболее часто встречающимися при исследованиях по физике плазмы и УТС с магнитным удержанием плазмы. Более подробно физика большей части используемых в плазменных источниках заряженных частиц газовых разрядов рассмотрена

в[12], а физика и технология разных ионных источников в [13]. Вопросы формирования интенсивных ионных пучков описаны в [14]. Физика и техника плазменных ускорителей, как, впрочем, и физика смежных вопросов физики плазмы и ее взаимодействия с веществом с интересным и авторским видением проблем изложена

вкниге А.И. Морозова [15]. Там же можно найти описание физических основ не отраженных в данном пособии вопросов плазменной оптики, связанных с применением плазменных линз. Мощным импульсным ионным пучкам и особенностям их взаимодействия с веществом посвящены монографии [16 – 17], недавно вышедший учебник [18], а импульсным пучкам электронов – обзорная статья

[19].

Объединение в одном пособии разделов, основанных на достаточно разном физическом базисе, создает определенные трудности

вего освоении, и авторский коллектив будет признателен за все критические замечания в свой адрес.

В.А. Курнаев

7

Глава 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД

1.1.Электронное строение и структура твердых тел

1.1.1.Об электронной зонной теории твердого тела

Модель Кронига – Пенни

В твердых телах, где соседние ядра находятся на расстояниях порядка размеров электронных орбиталей в изолированных атомах, существенную роль играет взаимное влияние атомов. Ряд особенностей поведения электронов в кристаллах следует из модели Кронига – Пенни. Рассмотрим волновую функцию электрона в одно-

Предполагая, что электрон может двигаться внутри кристалла почти как свободный с известным импульсом p и учитывая, что его волновая функция должна быть модулирована (поскольку модулирован потенциальный рельеф), представим решение в виде волны Блоха:

где k = p= – волновой вектор; U(x) – периодическая функция ко-

ординат с периодом, равным постоянной решетки a = b + c (рис. 1.2). Для нахождения коэффициентов (1.1) используют условия непрерывности U и ∂U ∂ x на границах и периодичность U(x),

т.е. условия

U1 (x = 0) =U 2 (x = 0), (dU2 dx)x→0 = (dU1 dx)x→0 ,

8

U2 (x = c) =U1 (x = −b), (dU2 dx)x=c = (dU1 dx)x=−b ,

спектр разрешенных значений энергии E в зависимости от волнового числа k при данных U0 , b и с. Для упрощения анализа выра-

жение (1.3) преобразуем, полагая b → 0, U → ∞ при сохранении величины bU0 , определяющей прозрачность прямоугольного потенциального барьера; тогда

Из (1.4) можно получить зависимость E = E(k). График, соответствующий левой части (1.4), представлен на рис. 1.3. Поскольку правая часть (1.4) по модулю не превышает единицы, решения существуют только для таких значений E, при которых функция на рис. 1.3 лежит в пределах от –1 до 1. Для k1 = 0 ордината равна 1 + Р, а когда k1 = nπa (n = ±1, ± 2, ...) ордината равна ±1 незави-

симо от значения Р. Последнее влияет на ширину запрещенных

9

интервалов k1, для которых ре-

шения (1.4) не существуют.

Пределу полностью свободных

электронов соответствует Р = 0

(т.е. потенциальные барьеры

отсутствуют, энергетический

спектр не содержит запрещен-

ных зон), пределу сильно свя-

занных электронов – P → ∞

(атомы далеки друг от друга, и каждый имеет дискретный спектр энергии).

В отличие от дискретных спектров, характерных для потенциальных ям конечных размеров, в случае бесконечного периодического потенциального рельефа (1.3) или (1.4) определяют непрерывный спектр энергии (рис. 1.4), состоящий из разрешенных и запрещенных зон (в последних E не соответствует (1.3), и такие состояния не реализуются); это соответствует расщеплению каждого из уровней одиночной потенциальной ямы на N уровней (в результате взаимного влияния N ям, см. ранее) и стремлению N к бесконечности, вследствие чего густо расположенные многочисленные уровни можно считать континуумом.

Рис. 1.4. Зависимость E(k) для электронов в одномерной периодической структуре. Штриховая линия – зависимость E(k) для свободного электрона. При k = ħπ/a функция E(k) претерпевает разрыв, что означает наличие запрещенных зон

10