Курнаев Введение в пучковую електронику 2008

441

ni+ = nп+vпnaσii , где σii – суммарное сечение образования положительных ионов за счет ионизации ионным ударом и перезарядки.

Рис. 3.111. Схематическое изображение способов компенсации объемного заряда ионных пучков: а и б – газовая компенсация пучков положительных и отрицательных ионов соответственно; в – образование синтезированного ион-электронного пучка с помощью термоэлектронного эмиттера; г – образование синтезированного пучка при прохождении электронного пучка через ионный источник; д – совмещение ионного и электронного пучков с помощью магнитного поля; е – образование ион-ионного пучка совмещением компонентов в магнитном поле

Как ранее было показано, из-за наличия положительного объемного заряда в пучке радиусом r0 образуется потенциальная яма

глубиной Δϕ = enпπr02 , которая выталкивает медленные ионы и,

наоборот, аккумулирует электроны, от этого потенциал пучка понижается, но так как накопление положительных ионов происходит и за счет перезарядки, при которой электроны не образуются, то скорость образования положительных ионов всегда больше скорости образования электронов.

В пучке отрицательных ионов за счет накопления в отрицательной потенциальной яме положительных ионов возможна перекомпенсация заряда пучка (рис. 3.112), что может привести к самофокусировке такого пучка.

442

Такие синтезированные пучки можно создать с помощью накаливаемых эмиттеров электронов, расположенных на пути ионного пучка (см. рис. 3.111, в). Другой способ получения — пропускание сформированного и ускоренного электронного пучка через источник ионов (см. рис. 3.111, г), или совмещение ускоренного электронного пучка с ионным при помощи магнитного поля (см.

рис. 3.111, д).

Транспортировке ионного пучка можно способствовать, совмещая его с электронным пучком с равной концентрацией объемного заряда, но с большим током. Собственное магнитное поле скомпенсированного электронного пучка вызывает его самосжатие, а взаимосвязь объемных зарядов разного знака обусловливает стягивание также и пучка положительных ионов.

Если внутри металлического ионопровода пролетает единичный короткий сгусток положительных ионов, он образует на своем пути электроны и медленные положительные ионы. Движущаяся потенциальная яма, образуемая пролетающим сгустком, может захватывать электроны, компенсирующие объемный заряд сгустка, и тогда потенциал последнего понижается. Газовая компенсация сгустков положительных ионов облегчается, когда они следуют один за другим с достаточной частотой, и созданы условия для накопления в ионопроводе медленных ионов и электронов. Благоприятное действие ионов состоит в том, что они сами медленно уходят на стенки и своим объемным зарядом удерживают электроны до прихода захватывающего их очередного сгустка быстрых ионов. Компенсацию сгустков положительных ионов можно улучшить, располагая на их пути эмиттеры электронов.

В плазме пучка под его действием может происходить возбуждение электронных колебаний, которые потом "подпитываются" пучком. Амплитуда электронных колебаний ограничена следующим эффектом. Движущаяся со скоростью, близкой к скорости ионного пучка vп , волна, когда ее амплитуда достигает

eϕmax = Mvп2 /2 , "сгребает" и захватывает с собой холодные ком-

пенсирующие электроны. Этот процесс идет с потерей энергии волны и ограничивает ее амплитуду. Если кулоновские столкновения ионных и электронных пучков приводят к выбросу последних преимущественно в радиальном направлении, то при возбуждении

444

коллективных колебаний электроны ускоряются преимущественно в направлении распространения пучка. Наряду с раскачкой электронных колебаний в пучках наблюдаются также ионные ленгмюровские колебания с характерной для них частотой. Для раскачки ионно-звуковых волн требуется резонансный пучок со скоростью, равной фазовой скорости этих волн. Поэтому медленный ионный пучок со скоростью ионного звука возбуждает в плазме продольные низкочастотные колебания.

Переменные электрические поля возбуждаемых колебаний приводят к разбросу поперечных скоростей ионов. Возбуждение электронных колебаний приводит также к нагреву электронного газа, способствующему декомпенсации ионного пучка, т.е. увеличению напряженности электрического поля.

3.13. Формирование импульсных пучков заряженных частиц

Импульсные сильноточные ускорители электронов характеризуются формированием за короткие времена масштаба от микродо пикосекунд токов в единицы мегаампер и при напряжениях до десятков мегавольт. Как правило, это – диодные системы, в которых электроны ускоряются до максимальных энергий при однократном прохождении приложенной разности потенциалов. При импульсной подаче напряжения за счет конечных времен развития пробоя и генерации вторичной плазмы возможно создание электрических полей на порядок больших, чем в стационарном случае. Источником электронов является взрывная эмиссия микроострий поверхности катода за счет их джоулева разогрева до образования плазмы. При этом плотности токов оказываются намного большими, чем возможно в стационарном случае. При энергии электронов более 0,5 МэВ говорят о релятивистских электронных пучках (РЭП).

В релятивистском случае решение уравнения Пуассона для плоского диода приводит к следующему выражению для закона Чайлда – Ленгмюра (3.19)

445

где U – безразмерный потенциал, выраженный в долях релятивистской энергии покоя электрона u = eϕ/mec2. Строго говоря, эллип-

тический интеграл в (3.61) не соответствует «закону 3/2». В ультрарелятивиcтском случае плотность тока линейно зависит от ускоряющего (безразмерного) потенциала UA:

При наличии в диоде биполярного потока (электронов и ионов) за счет частичной компенсации объемного заряда значение плотности тока увеличивается для нерелятивистского случая в 1,86 раза. В релятивистском случае плотность тока ионов в биполярном режиме связана с плотностью электронного тока выражением:

446

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Курнаев В.А., Машкова Е.С., Молчанов В.А. Отражение легких ионов от поверхности твердого тела. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 192 с.

2.Писарев А.А. Захват ионов водорода в металлы: учебное по-

собие. – М.: МИФИ, 2006. – 45 с.

3.Распыление твердых тел ионной бомбардировкой / Под ред. Р. Бериша, пер. с англ. под ред. Е.С. Машковой. М.: Мир, 1984, вып. 2; 1988, вып. 3 (под ред. Р. Бериша и К. Виттмарка), 1998.

4.Беграмбеков Л.Б. Основы физических процессов в твердом теле под действием ионов и плазмы: учебное пособие. – М.:

МИФИ, 2008. – 244 с.

5.Курнаев В.А. Взаимодействие плазмы с поверхностью: учебное пособие. – М.: МИФИ, 2003. – 112 с.

6.Диденко А.Н., Курнаев В.А. Взаимодействие плазмы с конденсированным веществом: Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под ред. В.Е. Фортова. – Вводный том III. – М.: Наука, 2000. – С. 6–13.

7.Nuclear fusion research. Understanding plasma surface interactions / Eds.R.E.H.Clark, D.H.Reiter, Springler Berlin Heldenberg. – New York, 2005. – 461 р.

8.Методы анализа поверхности / Ред. А. Зандерна; пер. с

англ. – М.: Мир, 1979. – 582 с.

9.Димитров С.К. Генерация и торможение пучков, заряженных частиц: учебное пособие. – М.: МИФИ, 1990. – 80 с.

10.Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. Физическая электроника газоразрядных устройств. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, ч. I, 1992. – 464 с., ч. II, 1993, 736 с.

11.Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под ред. В.Е. Фортова. – Вводный том III. – М.: Наука, 2000. – С. 66–92.

12.Райзер Ю.С. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. –

536 с.

13.Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки. – М.: Мир, Пер. с англ. под ред. Н.Н. Семашко. – М.: Мир, 1992. – 358 с.

14.Браун Я. и др. Физика и технология источников ионов / Пер.

сангл. под ред. Е.С. Машковой. – М.: Мир, 1998. – 496 с.

447

15.Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. – М.: Физмат-

лит, 2006. – 576 с.

16.Диденко А.Н., Лигачев А.Е., Куракин И.Б. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 184 с.

17.Взаимодействие импульсных пучков заряженных частиц с веществом / В.И. Бойко, В.А. Скворцов, В.Е. Фортов, И.В. Шама-

нин. – М.: Физматлит, 2003. – 288 с.

18.Вакуумная электроника. Ч. 1. Учебное пособие / А.Н. Диденко, Н.К. Никулин, Ю.С. Протасов, Г.Н. Фурсей. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2008. – 608 с.

19.Месяц Г.А., Яландин М.И. Пикосекундная электроника больших мощностей // Успехи физических наук. – 2005. – 175. –

№3. С. 226–246.

20.Григорьев А.Б., Курнаев В.А. Двухчастичные взаимодействия: электронное учебное пособие. – М.: МИФИ, 2003.

448

Приложение 1

ДАННЫЕ ПО РАБОТЕ ВЫХОДА ПОВЕРХНОСТЕЙ ЧИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ И МАТЕРИАЛОВ С ПОКРЫТИЯМИ

Таблица П.1.1

449

Таблица П.1.2

450