Ионные пучки

ИОННЫЕ ПУЧКИ, направленные потоки положительных (одно или многозарядных) или отрицательных ионов, имеющие обычно малые поперечные размеры по сравнению с длиной и движущиеся со скоростью, значительно превышающей хаотические тепловые скорости составляющих частиц. Впервые ионные пучки наблюдал немецкий физик Э. Гольдштейн в 1886 году (так называемые каналовые лучи).

Ионные  пучки получают с помощью различных ионных источников и формируют системами электрической и магнитной фокусировки. Ионные  пучки могут иметь вид цилиндра, конуса, ленты и т.п. Поведение ионных пучков зависит от начальной направленной скорости ионов, их тепловых скоростей, внешних электрических и магнитных полей, столкновений ионов с частицами среды, а также от собственного объёмного заряда пучка и магнитного поля его тока. Влияние объёмного заряда ионного пучка на его свойства характеризуется первеансом Р = I/U^3/2 , где I- ток пучка, U - ускоряющая ионы разность потенциалов. Пучки с постоянным первеансом при одинаковых размерах подобны друг другу. Хотя разброс тепловых скоростей ионов мал по сравнению с их направленной скоростью, часто именно тепловые скорости ограничивают возможную фокусировку ионного пучка, искажая его форму. Это качество пучка характеризуется так называемым эмиттансом, связанным с фазовым объёмом пучка.

Форма осесимметричного ионного пучка искажается также при отсутствии частиц противоположного знака под действием собственного заряда. Для сохранения формы ионного пучка объёмный заряд ионов компенсируют зарядом частиц противоположного знака. Обычно используют «газовую» компенсацию. При столкновении некоторых положительных ионов пучка с атомами остаточного газа образуются электроны и медленные положительные ионы. Последние выталкиваются из пучка электрическим полем, а электроны накапливаются в нём, хотя этому препятствуют их кулоновские столкновения с первичными ионами. Так достигается не полная, но значительная компенсация объёмного заряда в пучке положительных ионов. В пучке отрицательных ионов при малом давлении газа накапливающиеся медленные положительные ионы также лишь частично компенсируют объёмный заряд ионного пучка. Однако при достаточно большом давлении газа происходит перекомпенсация объёмного заряда: за счёт накопления большого числа медленных положительных ионов потенциал в пучке изменяет свой знак и происходит «газовая фокусировка» пучка отрицательных ионов.

Другой способ компенсации объёмного заряда ионного пучка состоит в «принудительном» введении в ионные пучки пучков зарядов противоположного знака, т. е. в совмещении пучков. Так получают синтезированные ион-электронные или ион-ионные пучки с компенсированным объёмным зарядом.

Для получения ионного пучка часто используют ионные источники с газоразрядными ионизационными камерами, и тогда отбор ионов происходит не с фиксированной поверхности твёрдого тела, а с границы плазмы, перемещающейся при изменении внешних условий или режима работы источника. В этом случае первичное формирование ионного пучка связано с так называемой плазменной фокусировкой. При увеличении ускоряющей разности потенциалов граница плазмы из выпуклой становится вогнутой, создаются условия для фокусировки пучка. Далее ионные пучки могут фокусироваться с помощью электростатических и магнитных линз (смотри Электронные линзы).

Ток в квазистационарных ионных пучках достигает 100 А, а в импульсных - сотен тысяч А. Важной проблемой остаётся транспортировка таких пучков.

Ионные  пучки широко применяются в ускорителях заряженных частиц, в разрабатываемых установках для осуществления управляемого ионного термоядерного синтеза, в установках для разделения изотопов, для исследования поверхности твёрдых тел, для ионного травления в технологии микроэлектроники, в масс-спектрометрии, ионном микроскопе и др.

Лит.: Габович М. Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М., 1972; Инжекторы быстрых атомов водорода. М., 1981; Быстрицкий В. М., Диденко А. Н. Мощные ионные пучки. М., 1984.