Ионные источники

ИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ, устройства для получения в вакууме ионных пучков. Ионные источники - неотъемлемая часть ускорителей, инжекторов быстрых атомов для термоядерных систем, установок электромагнитного разделения изотопов, масс-спектрометров, технологических установок различного назначения и др. Важнейшие параметры ионных источников: полный ток и плотность тока ионного пучка; энергия ионов; характерный поперечный размер пучка; мера интенсивности пучка - первеанс - отношение силы тока к ускоряющему напряжению в степени 3/2; мощность пучка - произведение полного тока на энергию ионов; качество пучка, т. е. его пространственная и скоростная сформированность - эффективный угол расходимости и энергетический разброс ионов; компонентный состав пучка - положительные и отрицательные ионы, атомарные, молекулярные, многозарядные ионы; энергетическая эффективность ионных источников - отношение мощности пучка к мощности, потребляемой ионными источниками от сети; газовая эффективность - отношение потока сформированных ионов к потоку подаваемого в ионном источнике газа. Ионные  источники делятся на импульсные, квазистационарные и стационарные.

ионный источник  состоит из двух основных узлов: эмиттера ионов и электростатической системы, с помощью которой ионы извлекаются, ускоряются и формируются в направленный поток, так называемая ионно-оптическая система (ИОС). В простейшем виде ионный источник  состоит из эмиттера и ускоряющего электрода с отверстием для выхода ионного пучка. Для дополнительной фокусировки ускоренного пучка используются электростатические и магнитные линзы.

В зависимости от физической природы эмиттера ионов различают несколько типов ионных источников: 1) ионные источники с поверхностной ионизацией, где эмиттером ионов служит поверхность твёрдого или жидкого накалённого металла; 2) плазменные ионные источники, в которых ионы отбираются с поверхности плазмы, образуемой с помощью газового разряда; 3) «полевые» ионные источники, в которых ионы образуются под действием сильного электрического поля (порядка 10⁸ В/см) на и вблизи поверхности твёрдого тела за счёт полевой ионизации атомов окружающей газовой среды (смотри Ионизация полем).

Поверхностные ионные источники. Один из известных способов получения ионов состоит в том, что поток атомов, направленный на поверхность твёрдого тела, выбивает из неё положительные и отрицательные ионы. Так, например, пучки ионов Cs⁺ с плотностью тока до 0,1 А/см² получают при диффузии атомов Cs через накаливаемый пористый вольфрам. Десорбируемый с нагретой поверхности атом Cs удаляется в ионизованном состоянии (как ион Cs⁺), т.к. его энергия ионизации меньше работы выхода электрона из W и, следовательно, более вероятен 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 отрицательные ионы. Так, например, на поверхности борида лантана получены ионы I^- с плотностью тока от 1 до 10 мА/см².

Плазменные ионные источники широко используются для создания интенсивных пучков положительных и отрицательных ионов, а также пучков многозарядных ионов. Эмиттером ионов служит плазма, создаваемая дуговым разрядом низкого давления в газоразрядной камере. Для лучшего удержания ионов и быстрых катодных электронов в объёме разряда используется внешнее магнитное поле. Однако это ухудшает однородность плазмы на эмиссионной границе и увеличивает уровень шумов в плазме и колебаний в ионном пучке. Этих недостатков нет в ионных источниках без внешнего магнитного поля, но они менее эффективны. Весьма эффективны ионные источники с периферийным магнитным полем, окружающим газоразрядную камеру. Таким образом, существует несколько различных систем плазменных эмиттеров, но ИОС для всех типов ионных источников одна и та же - многоапертурная электростатическая система, состоящая из 3-4 электродов, каждый из которых содержит десятки и сотни идентичных апертур круглой или щелевой формы. Общий пучок складывается из отдельных лучей, направление и угол расходимости которых определяют геометрию всего пучка. Поэтому необходимо тщательное согласование параметров газоразрядной плазмы (концентрации ионов и температуры по всей поверхности эмиттера) с характеристиками ИОС - геометрией электродов и напряжённостью электрического поля. Для термоядерных целей были разработаны мощные ионные источников с большими поверхностями плазменных эмиттеров (в сотни см²) и многоапертурными ИОС, обеспечивающими мощность пучков в несколько МВт.

Широко распространённым плазменным ионным источником является дуоплазматрон, в котором для увеличения степени ионизации столб разряда подвергается механическому и магнитному сжатию с помощью диафрагм и магнитного поля, нарастающего к анодному отверстию малого диаметра. Сжатие разрядной дуги в узком канале промежуточного электрода 2 (рис. 1) сопровождается возникновением плазменного «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 4 плотная плазма ещё сжимается сильным неоднородным магнитным полем, сечение плазмы вблизи выходного отверстия уменьшается, а концентрация возрастает до 10¹⁴-10¹⁵ см^-3. Такая плазма эмитирует ионы с плотностью тока в десятки А/см², т. е. образуется «точечный» эмиттер. Однако ИОС не способна формировать пучок с такими плотностями тока, поэтому были использованы расширитель плазмы за анодным отверстием и дополнительная камера с антикатодом, что позволило создать плазменный эмиттер с большой поверхностью и умеренной плотностью тока. Многоапертурная ИОС позволяет формировать пучки с током порядка 10 А. Эта модификация называется дуонигатроном.

Относительно прост плазменный эмиттер с большой поверхностью в ионных источниках без внешнего магнитного поля. Плазма создаётся в газоразрядной камере с помощью диффузного разряда низкого давления между распределённым катодом в виде большого количества накаливаемых нитей и анодным фланцем. Размеры эмиссионной поверхности достигают 12 х 50 см² с хорошей однородностью эмиссии. Величина тока пучка, формируемого в этом случае многоапертурной ИОС, более 100 А.

В ионных источниках с периферийным магнитным полем, которое локализовано вблизи стенок газоразрядной камеры («магнитная стенка») и отсутствует в центре, уменьшаются потери ионов из плазмы, сохраняется хорошая однородность плазмы на эмиссионной границе и повышаются энергетическая и газовая эффективности. При использовании 4-электродной многоапертурной ИОС достигнут ток свыше 70 А при энергии ионов водорода (дейтерия) до 120 кэВ. Указанные выше ионные источники работают в квазистационарных режимах.

Для генерации пучков отрицательных ионов разработаны метод так называемой двойной перезарядки положительных ионов и метод непосредственного извлечения отрицательных ионов из плазмы. Методом двойной перезарядки пучки отрицательных ионов получаются при проведении сформированных пучков положительных ионов Н⁺ 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 ионных источников без магнитного поля и с периферийным магнитным полем позволило получить пучки ионов Н^- с током в несколько А и ионов Не с током до 1 А.

Плазменные ионные источники с непосредственным извлечением отрицательных ионов основываются на поверхностно-плазменном и объёмно-плазменном способах их образования.

Импульсные плазменные ионные источники позволяют получать в течение десятков наносекунд ионные пучки с током до 10⁶ А, объёмный заряд которых автоматически компенсируется захватываемыми электронами. Принципиальная трудность создания таких эффективных импульсных ионных источников связана с необходимостью подавления электронного потока, неизбежно распространяющегося внутри высоковольтного разрядного промежутка навстречу формируемому ионному пучку. Она преодолевается в так называемых отражательных триодах и диодах с поперечным магнитным полем.

Ионные источники с полевым испарением. Особое значение с 1980-х годов приобретают жидкометаллические ионные источники, которые вследствие большой начальной плотности ионного тока позволяют формировать плотные пучки субмикронного диаметра - ионные зонды. Эмиттером в жидкометаллических ионных источниках (рис. 2) служит небольшая часть поверхности жидкого металла, покрывающего металлическую иглу тонким слоем. Перед эмиттером находится электрод-экстрактор, создающий вблизи острия сильное ускоряющее ионы электрическое поле порядка 10⁸ В/см и имеющий отверстие для вывода формируемого ионного пучка. Режим полевого испарения с жидкой фазы отличается большим током эмиссии, саморазогревом эмитирующей области, характерным свечением вблизи острия. Плотность тока ионных источников с полевым испарением достигает 10⁸ А/см².

Источники многозарядных ионов. Многозарядные ионы могут образоваться в результате как однократных, так и ряда последовательных электрон-атомных 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 этого используют разряды с осцилляцией электронов в магнитном поле, ВЧ-разряды в условиях электронно-циклотронного резонанса, создающие электростатические ловушки для ионов. Наибольшие успехи в получении ионов с высокой кратностью заряда достигнуты при воздействии на твёрдое тело мощным лазерным излучением.

Лит.: Зандберг Э. Я., Ионов Н. И. Поверхностная ионизация. М., 1969; Габович М. Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М., 1972; он же. Жидкометаллические эмиттеры ионов // Успехи физических наук. 1983. Т. 140. Вып. 1; Инжекторы быстрых атомов водорода. М., 1981; Габович М. Д., Плешивцев Н. В., Семашко Н. Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М., 1986.