Источники положительных ионов

ИСТОЧНИКИ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ
В зависимости от агрегатного состояния вещества способы получения
ионов можно подразделить на три вида: 1) в объеме газовой или паровой
фазы; 2) на поверхности; 3) в локальном объеме испаряемого твердого
вещества.
Для ионизации вещества используются следующие физические процессы:
1) электронные соударения; 2) фотоионизация; 3) химическая ионизация; 4)
термоионизация; 5) полевая ионизация; 6) ионно-ионная эмиссия; 7)
электродинамическая ионизация; 8) искровой разряд; 9) лазерная ионизация.
Наиболее важными параметрами ионных источников являются:
1. Номинальный ток пучка: I  f1 f 2 jS , где f1 – коэффициент прохождения
тока, учитывающий потери пучка на ускоряющем и других электродах;
f2 – коэффициент, зависящий от положения эмиссионной поверхности;
j – плотность тока ионов вблизи эмиссионного отверстия; S – площадь
эмиссионного отверстия.
2. Вытягивающее напряжение, от которого зависит энергия ионов и
мощность пучка.
3. Эмиттанс пучка.
4. Фазовая плотность пучка – отношение тока пучка к двумерному
фазовому объему, и яркость – отношение тока пучка к четырехмерному
фазовому объему.
Положительные ионы получают, передавая энергию необходимую для
ионизации, используя фотоны, электроны, поверхностную ионизацию и
другие способы. Чаще всего используются плазменные источники, в которых
происходит ионизация требуемых элементов. В результате соударений
образуются ионы требуемой зарядности, в силу наличия большого числа
одновременно идущих процессов их описание достаточно объемно.
Например, при ионизации водорода происходят следующие процессы:
1
H 2  "èî í èçàöèÿ "  H 2  e
H 2  e  H 2  2e
H 2  e  H   H  e
(22)
H  e  H   2e
H 2  H 2  H 3  H
H 3  e  H   H 2  e
Предполагают, что наиболее важными процессами для эффективного
получения протонов являются последние два.
Основным процессом при получении положительных многозарядных
ионов является бомбардировка электронами, основной процесс описывается
следующим уравнением:
e  X i  X i1  2e .
(23)
Здесь предполагается пошаговая ионизация с внешней оболочки и отсутствие
Оже-процесса. Способы получения отрицательно заряженных ионов более
разнообразны: 1) взаимодействие медленных электронов с нейтрально
заряженными молекулами:
e  XY  X   Y .
(24)
При этом максимальное зарядовое состояние ограничено энергией, которую
может передать налетающий электрон. В таблице 1 приведены типичные
потенциалы ионизации.
Таблица 1. Типичные потенциалы ионизации многозарядных положительных ионов.
2
Ион
Потенциал ионизации, эВ
O5  O6
138.1
O 0  O 6
433.1
O7  O8
871
Pb26  Pb27
874
Pb0  Pb27
9200
Pb81  Pb82
91400
Второй способ – взаимодействие
положительно заряженными молекулами:
e  XY   X   Y  .
медленных
электронов
с
(25)
Другими способами являются зарядообменные процессы с
металлическим паром, при которых пучок положительно заряженных ионов
превращается в отрицательно заряженные ионы эффективность конверсии в
зависимости от типа ионов и конструктивных особенностей колеблется от
долей процента до 90%. Поверхностные процессы, среди которых
различаются; поверхностная ионизация при условии термодинамического
равновесия, когда медленный атом или молекула сталкиваются с
поверхностью эмиттера и через некоторое время испускается положительно
или отрицательно заряженный ион; и нетермодинамическое столкновение
атомов с поверхностью, на которую напылено вещество, содержащее
щелочные металлы.
Для реализации метода ионно-циклотронного резонанса производится
ионизация паров элемента, изотопы которого необходимо получить, создание
потока плазмы в однородном магнитном поле, где начинают вращаться ионы.
3
Если на смесь подействовать электрическим полем с частотой  , то энергию
будут поглощать ионы, находящиеся в резонансе, т.е. те, частота вращения
которых совпадает с частотой электрического поля. При этом радиус
вращения возрастает, и ионы могут быть разделены. Данный метод позволяет
получать и выделять ионы с зарядом около 30, и током до 100 мА. Другим
методом создания плазмы, кроме дугового разряда является лазерное
индуцирование.
Плазма: основные понятия и свойства.
Плазма – состояние вещества, характеризующееся высокой степенью
ионизации и равенством концентраций положительных и отрицательных
зарядов (свойство квазинейтральности). В стационарном состоянии плазма
может существовать только при наличии факторов, восполняющих убыль
частиц. В общем случае плазма состоит из электронов, ионов и нейтральных
частиц (атомов и/или молекул), находящихся как в основном, так и в
возбужденных состояниях (вращательных, колебательных и т.д.).
Концентрация заряженных частиц достигает значений 1017 ñì 3 . Все частицы
плазмы находятся в непрерывном взаимодействии друг с другом, и плазма в
целом обладает специфическими свойствами, которые не присущи
отдельным ее составляющим. Т.е. плазму нельзя рассматривать как смесь
механических компонент.
Степенью ионизации плазмы называют величину
ni
, где ni ni  nn
ионная плотность, а nn - плотность нейтральной компоненты. Плазма
считается сильно ионизованной, если степень ионизации порядка 10%, в этом
случае физика среды определяется в основном плазменными эффектами.
Если степень ионизации порядка 1% достаточно рассматривать
взаимодействие с нейтральными атомами.
В плазме существует пространственный масштаб, определяющий
расстояние, на которое распространяется действие электрического поля (как
4
внутреннего заряда, так и внешнего электрического поля). Локальная
плотность зарядов перераспределяется в плазме таким образом, чтобы
скомпенсировать внешнее поле, которое экспоненциально затухает с
глубиной. Для количественного определения масштаба расстояний, на
которых может происходить нарушение квазинейтральности, рассмотрим
простую модель. Предположим, что газ изначально электрически нейтрален,
а ионы и электроны распределены в объеме равномерно. Концентрации
ионов и электронов в начальный момент времени равны n  ne  n (рис.4а).
Определим, какую работу необходимо совершить для перемещения всех
электронов на расстояние d вдоль оси OY. Эта работа равняется работе по
созданию слоя положительного объемного заряда между плоскостями y=0 и
y=d.
Пусть y0 некое промежуточное смещение (рис.4б), тогда
напряженность электрического поля E, возникшая вследствие появления
объемного заряда с плотностью   ne , определяется уравнением Пуассона:
E    0 .
(26)
Предполагая, что до смещения электрическое поле отсутствовало, получаем
в рамках рассматриваемой одномерной модели
y0
0  y  y0
y  y0
dE y
dy
dE y
dy
0
dE y
dy
 Ey 
ne
 0  Ey 
ne

ne
 Ey  0
0
0
0
y
(27)
y0
Здесь мы как обычно считаем распределение электрического поля
непрерывной функцией. Работа, необходимая для перемещения каждого
дополнительного заряда на величину dy0 справа от точки y0 равна
5
dW  eE y  y0  dy0 . Полная работа по разведению зарядов на расстояние d
определится выражением:
d
W   eE y  y0  dy0 
0
ne2 d 2
.
0 2
(28)
Рис. 4. Создание объемного заряда.
В частности, если энергия, затрачиваемая на разделение зарядов, равна
средней энергии теплового движения частиц kT 2 , то соответствующее
смещение d  D называется дебаевским радиусом экранирования:
6
ne2 d 2
 kT
 kT 2  D  0 2 e .
0 2
ne
(29)
По определению, ионизированный газ может называться плазмой, если
характерный размер плазменного объема много больше дебаевского ралиуса
экранирования. При внесении избыточного заряда в некоторую точку плазмы
он будет экранирован на расстояниях порядка D , при этом остальная часть
плазмы останется квазинейтральной. Если в системе происходит локальное
нарушение квазинейтральности (например, из-за теплового движения),
возникают электрические силы, стремящиеся восстановить исходное
состояние, которые более эффективно действуют на легкие частицы, т.е. на
электроны. Которые совершают колебания с частотой
ne2
p 
.
 0m
(30)
Под процессами, происходящими в плазме, в результате электронного
удара, понимают процессы взаимодействия электронов с атомами
молекулами и ионами, в результате которых происходит изменение их
энергетического или химического состояния.
При возбуждении валентный электрон атома или молекулы переходит
на один из более высоких энергетических уровней, оставаясь связанным с
ядром. Большинство возбужденных состояний являются неустойчивыми, а
возврат в основное состояние сопровождается испусканием фотонного
излучения. Кроме возбуждения электронных состояния электронный удар
может приводить к возбуждению вращательных и колебательных уровней.
Наиболее эффективно колебательное возбуждение через образование
промежуточного неустойчивого отрицательного иона.
7
Процесс ионизации в отрыве от атома или молекулы одного из
валентных электронов, что приводит к образованию вторичного электрона и
положительного иона. Типичная функция ионизации возрастает от порога
ионизации до энергии в 100-150 эВ, а затем спадает. Спад сечения
обусловлен уменьшением времени взаимодействия с увеличением скорости
электронов. Помимо электронного удара существует еще и пенниговская
ионизация, которая происходит столкновении частицы типа В с
метастабильной частицей типа А, если потенциал ионизации В меньше
энергии возбуждения частицы А. Сечение данного процесса весьма велико.
Прилипание – процесс образования отрицательных ионов,
происходящий в результате захвата тяжелой частицей медленного электрона.
Данный процесс является характерным для электроотрицательных газов,
обладающих большим сродством электрону. Отрицательные ионы могут
образовываться по следующим механизмам:
1) радиационный захват электрона атомом: e  A  A  h ;
2) захват электрона нейтральным атомом или молекулой с передачей
избыточной энергии третьему телу: e  A  B  A  B* ;
3) захват свободного электрона молекулой, с колебательным
возбуждением молекулярного иона и последующей диссипацией
энергии: e  AB   AB    AB  ;
*
4) диссоциативный захват электрона молекулой: e  AB  A  B  e ;
5) образование ионной пары: e  AB  A  B  e ;
6) столкновение тяжелых возбужденных частиц: A*  B*  A  B .
Каждому из перечисленных механизмов захвата электрона соответствует
обратный процесс отрыва электрона.
Диссоциация представляет собой процесс фрагментации молекулярных
компонент плазмы с образованием свободных атомов и/или радикалов –
ненасыщенных многоатомных частиц.
8
Для эффективной ионизации плотность электронов должна быть
достаточно высокой, чтобы могло происходить множество столкновений
электронов с нейтральными атомами. Поскольку сечение ионизации зависит
от энергии таким образом, что при превышении некоторого порога сечение
уменьшается с дальнейшим ростом энергии, то температура электронной
компоненты не должна быть чрезмерно высокой. Значительно более
эффективно использовать повторное использование одних и тех же
электронов, а не выбивание новых из нейтральных атомов с последующим их
нагревом. Принято называть горячие электроны, которые осуществляют
ионизацию, первичными, а холодные, образующиеся наряду с
положительными ионами при столкновениях, вторичными. Сохранить
первичные электроны можно следующими способами:
1. Электроны удерживаются аксиальным магнитным полем, отражаясь
от отрицательно заряженных электродов. Такой тип разряда
называют рефлексивным. Это движение представляет собой
колебание электронов в потенциальной яме, созданной
заряженными электродами, вдоль силовых линий магнитного поля.
2. Электроны могут удерживаться магнитным зеркалом.
3. Может использоваться мультипольное магнитное поле для
формирования магнитного барьера, окружающего плазменный
разряд.
Процесс извлечения связан в основном с приложением высокого
напряжения между резервуаром ионов и
ускоряющим электродом с
отверстием. На траектории ускоряемых ионов, которые непосредственно
определяют качество пучка, влияет несколько факторов, в том числе
напряженность приложенного поля, форма эмитирующей поверхности,
которая может быть твердой (источники с поверхностной ионизацией) или
подвижной (плазменные источники), плотность пространственного заряда
пучка. В случае плазменных источников эмитирующая поверхность обычно
называется мениском, конкретная форма которого зависит от распределения
электрического поля, обусловленного граничными условиями.
Мениск действует как пограничный слой между плазмой разряда и
ускоренными частицами пучка. Мениск (рис. 5) имеет приблизительно
9
сферическую форму, если плотность плазмы велика (центр кривизны лежи
внутри плазмы) или мала (центр кривизны лежит вне плазмы). При
некотором промежуточном значении плотности плазмы мениск будет
плоским. , а при достаточно сильном вытягивающем электрическом поле
центр кривизны всегда будет лежать вне плазмы.
Рис.5. Извлечение ионов из плазменного источника. а) сверхплотная плазма; б) плазма
промежуточной плотности; в) разреженная плазма. P – плазма, O – эмиссионный электрод, E –
извлекающий электрод.
Для ускорителей чаще всего требуются сильноточные источники,
рассматриваемые далее, они имеют следующие особенности: ионы создаются
посредством ионизации газа электронным ударом, образуя плазму; плазма
имеет значительную ширину 1-10 см; электронная плотность порядка 1013 см3
и однородна в той части плазмы, из которой происходит экстракция; ионная
температура обычно значительно ниже 1 эВ. Довольно часто используются
разряды поддерживаемые термоэлектронным катодом. Во всех современных
источниках используются магнитные поля, чтобы ограничить область
плазмы и увеличить степень ионизации на один электрон. Удержание плазмы
может быть достигнуто, если линии магнитного поля удалены от области с
наивысшей плотностью плазмы, в центре разрядной камеры значении
магнитной индукции минимально. Системы магнитов, создающие требуемые
поля, показаны на рис. 6.
10
Рис.6. Системы магнитов, создающие плазменные области различной конфигурации: а)
монокасповая1 и б) мультикасповая.
Примером очень простого, а потому надежного, источника является так
называемый источник Пенннига2 (рис.7) Этот источник оборудован
постоянными магнитами в виде стержней, которые расположены вокруг
цилиндрического анода и создают осевое магнитное поле, силовые линии
которого расходятся от полюсного наконечника (находится вблизи катода) к
наружной части источника на стороне вытягивающего электрода.
Фокусирующий электрод 8 действует как вытягивающий электрод.
1
Cusp (касп) – по-английски «линия заострения».
2
Не путать с PIG-источником многозарядных ионов
11
Рис.7. Источник Пеннинга. 1 – корпус магнита, 2 – анод, 3 – несущая трубка, 4 – катод, 5 –
сильфон, 6 – газовый клапан, 7 – фланец, 8 – фокусирующий электрод, 9 – полюсный наконечник
магнита.
Минимизация потребляемой мощности для данного выхода привела
Кауфмана к конструкции источника с анодом из узких металлических полос,
расположенных между двумя смежными магнитными полюсами. В
источнике Кауфмана разряд локализуется между стенками анодного
цилиндра, горячим катодом и системой экстракции рис.8. Осцилляция
электронов в продольном магнитном поле и электрическом поле,
образованном системой электродов, приводит к увеличению эффективности
ионизации рабочего газа. Отличительной особенностью конструкции
источника является наличие двух - или трехэлектродной многоапертурной
ионно-оптической системы (ИОС), предназначенной для экстракции и
формирования ионного потока, состоящего из множества (до 1000)
отдельных пучков. Отражательный электрод имеет выходные отверстия и
выполняет функцию эмиссионного электрода системы экстракции.
12
Рис.8. Источник Кауфмана. 1 - термокатод, 2 - экран катода,3 - цилиндрический анод, 4 соленоид, 5 - ввод рабочего газа,6 - плазма,7 - эмиссионный электрод, 8 - ускоряющий
электрод, 9 - замедляющий электрод, 10 - ионный пучок.
Следует отметить ряд достоинств, определяющих
многопучкового источника в ионной технологии.
применение
I. Низкое напряжение разряда (20 В) уменьшает возможность распыления
стенок камеры. Ионный пучок содержит небольшое количество примесей
(10-6 %) и имеет малый энергетический разброс.
2. Механизм поддержания стационарного разряда допускает большой
диаметр камеры при однородном распределении в ней плазмы, что, в свою
очередь, позволяет применять многолучевое извлечение ионного пучка и
работать с однородными потоками большого диаметра.
3. Осцилляция электронов позволяет использовать низкое давление в
разрядной камере и поддерживать, таким образом, хороший вакуум в
рабочей камере технологической установки, что снижает потери пучка и
уменьшает загрязнение мишени.
13
4. Источник имеет высокий газовый к.п.д. (80 %) и высокий энергетический
к.п.д.
Первые разработки в области сильноточных ионных источников с
двуступенчатым разрядом относились главным образом к дуоплазмотронам и
дуопигатронам. В обоих случаях разряд поддерживается при относительно
высоком давлении и низком напряжении между термоэлектронным катодом
и промежуточным электродом, действующим как первичный анод. Затем
плазма сильным осевым магнитным полем направляется через отверстие в
промежуточном электроде во вторую разрядную камеру, где разряд
происходит при более низком давлении и более высоком напряжении. В
случае дуоплазмотрона плазма, созданная на второй ступени, вытекает через
маленькое отверстие в аноде и расширяется в третьей камере, так называемой
расширительной чаше. Дуопигатроны являются видоизмененными
дуоплазмотронами, со значительно увеличенным анодным отверстием и
торцевой стенкой расширительной чаши. Такая конструкция приводит к
отражению электронов второй ступени разряда между выходным и
промежуточным электродами, что дает отражательный разряд с лучшими
энергетическими и газовыми характеристиками.
Дуоплазмотрон (рис. 9) предназначен для получения ионных пучков
высокой интенсивности из газообразных веществ. Разряд в газе слабого
давления поддерживается в области между катодом и анодом, в котором
проколото малое отверстие (0.5-1.5 мм). Наличие неоднородного магнитного
поля и промежуточного электрода позволяет сконцентрировать область
разряда в очень малой пространственной области, это и позволяет получать
большие токи, за счет увеличения числа столкновений в единицу времени.
Толщина полости между анодом и промежуточным электродом составляет 25 мм. Экстракция производится из области максимума магнитного поля, где
поверхностная плотность ионов может достигать 1014 ионов/см2. Пучок
обладает очень сильной расходимостью, для уменьшения которой
используют вытягивающие электроды специальной формы. Вся система
требует охлаждения. Ток пучка, создаваемый дуоплазмотроном составляет
порядка 100 мА, есть сведения что на устройстве подобного рода удалось
получить пучок дейтронов с током 100 мА.
14
Рис. 6. Схематическое изображение источника ионов типа Дуоплазмотрон.
Источником многозарядных ионов являются разновидности ячеек
Пеннинга (рис. 10) с подогревным катодом, состоящих из разрядной камеры,
корпус которой представляет из себя катод. Удлиненного катода трубчатой
формы и отражателя быстрых электронов, столкновение с которыми
повышает зарядность ионов. Вследствие отражений в ячейке существует
осциллирующий электронный пучок, движущийся в продольном магнитном
поле с числом осцилляций около сотни. Продольное магнитное поле не
позволяет пучку электронов расходиться. Время удержания ионов в
источнике Пеннинга мало, составляет около 10 мкс, срок службы около 24 ч.
Напряжение разрядки 1-6 кВ, разрядный ток 1-20 мА, магнитное поле 0.5-1.5
Тл, давление 10-3-10-4 Торр. Обычно используется для получения
малозарядных ионов, что связано с резким уменьшением тока ионов при
увеличении их зарядности: 1+ от 100 мкА до 1 мА; 2+ от 1 мкА до 100 мкА и
3+ от 100 нА до мкА.
15
Рис. 10. Схематическое изображение источника Пеннинга
Для получения многозарядных ионов используется сфокусированный
соленоидальным пучок
электронов, от внешней электронной пушки.
Электроны сжимаются в соленоиде и реагируют с испарившимися атомами
элемента, который хотят ионизовать. Приложенное аксиальное напряжение
разделяет ионы и электроны, последние собираются на специальном
коллекторе. После накопления достаточного числа положительных ионов
они извлекаются и сепарируются. Для пучка электронов с энергией 10 кэВ и
током 1 А на длине 1 м теоретически рассчитанное число накопленных ионов
составляет 1011/i, где i – среднее зарядовое состояние. Практически
достижимая величина составляет примерно 10% от теоретической.
16
СВЧ ионные источники.
Источники ионов, в которых плазму получают посредством
сверхвысокочастотного разряда в магнитном поле называют СВЧисточниками. В соответствии с условиями работы и назначением источники
данного типа можно разделить на два класса. В источниках одного класса,
действующих
на
электронно-циклотронном
резонансе,
получают
многозарядные ионы, а в источниках другого класса используется
нерезонансная СВЧ плазма для получения сильноточных пучков
однозарядных ионов. В общем случае плотность тока выводимых ионов
пропорциональна произведению плотности числа электронов на квадратный
корень из их температуры. Следовательно, для достижения больших токов,
нужно увеличивать один или оба этих параметров.
СВЧ ионные источники отличаются от радиочастотных ионных
источников более высокой частотой. Вследствие чего ионы плазмы в среднем
не ускоряются электрическим СВЧ полем и получается малый разброс пучка
ионов по энергиям. Высокочастотные источники (рис. 11) предназначены для
получения легких ионов путем объемной ионизации газов требуемых
элементов. Плазма генерируется высокочастотным электромагнитным полем
(10-30 МГц) с мощностью порядка 100 Вт в газе, находящемся под
давлением примерно 10-3-10-2 Торр. ЭМ мощность подается или индуктивно
(источник помещается в катушку), или через электроды, введенные в объем
источника. Позволяет получать токи 1-20 мА, но обладают большим
энергетическим разбросом 100 эВ.
17
Рис. 11 Схематическое изображение ВЧ-источников.
18
Источники ионов на основе электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР)
Достаточно совершенным способом создания плазмы является
применение для ионизации атомов микроволнового разряда в условиях
электронно-циклотронного резонанса, возбуждаемого на ЭЦР частоте
ce  eB me . Первоначально ЭЦР-разряд возбуждают в специально
напускаемом инертном газе. В дальнейшем он одерживается частично или
полностью за счет ионизации выбитых из мишени атомов. Так как
распыляемая пластина (содержащая требуемый химический элемент)
находится на краю соленоида, удерживающего плазму, то электронный
компонент оказывается в ловушке между отрицательно заряженной
металлической пластиной и магнитным зеркалом, которое образовано
нарастающим в противоположную сторону магнитным полем. Свойство
нарастающего магнитного поля отражаться заряженные частицы объясняется
тем, что W B - адиабатический инвариант движения частиц.
В магнитном поле порядка 1 Тл требуется СВЧ излучение с частотой
более 28 ГГц, при этом получен поток плазмы с площадью сечения 800 см 2.
Многочисленные данные свидетельствуют об эффективной ионизации газов
с помощью геликонов (волн с круговой поляризацией, распространяющихся
в плазме вдоль магнитного поля). В основном колебания возбуждаются на
частоте, равной среднему геометрическому ионной и электронной
циклотронной частот:   cice . Геликоны могут распространяться в
плазме с высокой плотностью в низкочастотном и низкоамплитудном
режиме, что позволяет создавать пучки с малым эмиттансом и высоким
током. Для питании антенн используется СВЧ-источник с частотой 100 МГц
и мощностью 100 Вт. Для пучка гелия с током 5 мА требуется вытягивающее
напряжение 5 кВ и размер отверстия примерно 3 мм. В целях упрощения
системы антенна расположена вне области создании плазмы (рис. 12)
19
Рис. 12. Схема источника, с использование геликонов.
Схема с выделением изотопов
Данный метод основан на циклотронном нагреве ионов в плазме с
помощью внешнего переменного магнитного поля с небольшой амплитудой
и частотой близкой к ларморовой частоте вращения ионов: ci  eB M i .
Переменное магнитное поле индуцирует в плазме электрическое поле,
ускоряющее ионы. Цель этого нагрева - достижение существенного отличия
температуры ионов выделяемого изотопа от температуры ионов соседних
изотопов. Это создает возможность их разделения при осаждении нагретых
ионов на металлические пластины, введенные в плазму параллельно силовым
линиям внешнего магнитного поля и находящиеся по отношению к ней
положительным потенциалом. Выбор величины задерживающего потенциала
Vr регулирует соотношение потоков нагретых и холодных ионов, тем самым
управляя коэффициентом разделения.
Для ускорения ионов до энергии порядка нескольких сотен эВ
достаточно создать в плазме поперечные поля порядка 0.1-1 В/см,
вращающиеся в направлении ларморовского вращения ионов ( E ).
Поперечная энергия ионов, которые находятся в данном поле время t,
20
составит Wi    eEt  2M . Время пролета ионами зоны нагрева в ИЦР2
установках   L v1z 103 ñ .
Изотопически селективный нагрев ионов осуществим лишь при малой
относительной ширине линий циклотронного резонанса:  ci M M .
Условием для этого является, прежде всего, высокая однородность внешнего
постоянного магнитного поля: B B M M . А это достаточно сложная
задача, поскольку в универсальной ИЦР-установке (способной разделять
изотопы всех химических элементов) потребуется создавать магнитные поля
с индукцией на уровне 4 Тл.
Т.к. массы изотопов близки, электрическое поле периодически
вызывает возрастание энергий соседних к выделяемому ионов-изотопов.
Период биений Tb  2  , где   ci M M . Таким образом, необходимо
использовать протяженные зоны нагрева: L
lb , где lb  2 viz M
 M ci 
-
расстояние между узлами биений на траектории нерезонансного иона.
Конструктивная схема разделения показана на рис. 13 и рис. 14
отражающих суть метода и устройство установок. Процесс начинается с
создания потока плазмы, в которой ионная компонента состоит из
разделяемых изотопов. Плазма распространяется вдоль постоянного
магнитного поля B. В зоне однородности поля происходит селективный
нагрев.
Для создания вращающегося в направлении ларморовского
вращения ионов поля E , нагревающего ионы, применяются индукционные
четырехфазные антенны, длина которых варьируется от полуметра до
нескольких метров. Реально используются винтовые антенны, создающие
поля с длиной волны, равной длине антенны или в два раза большей.
21
Рис.13. Схема разделительной установки
Рис.14. Схема ИЦР-разделения.
За зоной нагрева нагретые ионы осаждаются на пластины
коллекторной системы. Для селекции ионов на пластины, кроме
электрического потенциала Vr, используют геометрический фактор – зазор d
между пластинами выбирается близким к удвоенному лорморову радиусу
нагретых ионов d  2rL  2 M i vi  eB  , и применяют экраны высотой h,
равной
ларморовскому
радиусу
холодных
22
ионов
rLc.
Особенность
движущейся двутемпературной плазмы заключается в том, что на
поверхность любой пластины (помещенной параллельно внешнему
магнитному полю) осаждаетсяс плазма, обогащенная нагретым компонентом.
Нагретые ионы поступают на пластину из слоя толщиной 2rL, а холодные –
из слоя толщиной 2rLc, следовательно, коэффициент разделения   rL rLc .
При наличии задерживающего потенциала коэффициент разделения выше,
но уменьшается количество выделяемого изотопа. На рис.15 более детально
представлена конструкция коллекторной системы. В принципе, если не
осаждать изотопы, а выпускать их через малые отверстия в накопитель,
можно создать на этом принципе источник изотопически селективных ионов.
Рис.15. Устройство коллекторной системы.
Успешная работа всех ЭЦР-источников обусловлена следующими
причинами:
1.
2.
Отсутствие расходуемых составляющих, что приводит
чрезвычайной надежности и стабильности. Время работы
составляет десятки дней.
Высокая температура электронов (1-101 кэВ) и относительно
низкое давление нейтрального газа в плазме позволяют
получать высокие концентрации многозарядных ионов.
23
3.
Ввиду избирательного нагрева ионы остаются холодными, что
уменьшает энергетический разброс выводимого пучка.
Эмиттанс определяется главным образом размером выходного
отверстия.
24
Ионные источники с электронным пучком (ИИЭП)
Ионные источники с электронным пучком (EBIS – Electron Beam Ion
Source) – устройство для получения многозарядных ионов, работа которого
включает следующие стадии: 1) получение протяженного электронного
пучка с заданной энергией и плотностью; 2) создание электростатической
ионной ловушки по всей длине пучка; 3) ввод в ловушку в течении
ограниченного периода времени определенного числа ионов рабочего
вещества в низком зарядовом состоянии; 4) удержание ионов в электронном
пучке в течении периода времени, достаточного для достижения требуемого
зарядового состояния; 5) извлечение многозарядных ионов из ловушки по
всей длине пучка и подготовка к следующему циклу.
Основной физический процесс, используемый в ИИЭП для получения
многозарядных ионов, - ионизация электронным ударом. Поскольку
вероятность многократной ионизации при однократном соударении мала,
основной процесс, ведущий к высоким зарядовым состояниям, последовательная ионизация, при каждом соударении электрон-ион с
оболочки последнего удаляется только один электрон. Фактор ионизации j i
(произведение плотности электронного тока
в пучке
j
на время
 i ) – главная количественная
характеристика процесса получения многозарядных ионов. Вероятность
перехода иона из зарядового состояния q в зарядовое состояние q  1
выражается формулой Pqq1   qq1 j i , где  qq1 - сечение ионизации.
бомбардировки
иона
электронами
Пример. Оценить время удержания в пучке ИИЭП ядер урана для получения
U92+ из U91+, если поперечное сечение ионизации электронным ударом
составляет примерно 10-24 см2, а плотность тока в пучке порядка 104 А/см2.
Если имеется электронный пучок требуемой плотности и энергии, то задача
ионизации решается посредством достаточно длительного удержания ионов
в пучке.
Закрытая конфигурация электронной ловушки не может сохраняться
бесконечно долго, поскольку в любом случае электронный пучок образуется
в камере с остаточным газом. Этот газ ионизуется электронным ударом, и
ионы могут оставаться в ловушке, компенсируя пространственный заряд
25
пучка. Таким образом, для получения высоких зарядовых состояний
требуется очень высокий вакуум.
26
Лазерные ионные источники
Лазерный ионный источник – широкий термин, например, его
используют для описания применения лазеров при избирательной
фотоионизации нужных частиц из смеси атомов путем резонансного
возбуждения. Однако наиболее широко даны термин употребляется при
описании генерирования и вытягивания ионов, созданных воздействием
лазера большой мощности на твердые тела.
Лазерный луч большой мощности, сфокусированный на поверхности
твердой мишени, при плотности мощности более 108 Вт/см2 будет проходить
через поверхность, где плотность электронов низка, и распространяться до
тех пор, пока электронная плазменная частота не станет соответствовать
частоте лазера. При достижении этого условия происходит быстрый
электронный нагрев и интенсивная ионизация, создается плотная горячая
плазма. Материал мишени «взрывается», образуя чрезвычайно плотную
плазменную струю, распространяющуюся в направлении наибольшего
градиента гидродинамического давления, обычно перпендикулярно
поверхности.
Потенциально полезными свойствами для ионных источников
плазменных выбросов являются: 1) значительное количество ионов в
выбросе; 2) высокая степень ионизации; 3) короткое время генерирования
плазмы; 4) направленность плазменных выбросов (их можно ориентировать
вдоль оси вытягивания, что привет к малым эмиттансам пучка); 5)
возможность создания разнообразных ядерных частиц, потенциальным
источником плазмы является любой твердый материал; 6) простота
проектирования и изготовления; 7) отсутствие газа-носителя.
В варианте установки, используемой в Дубне (рис. 16), плазма,
создаваемая лазером, выбрасывается параллельно направлению магнитного
поля и сжимается последним в шнур, распространяющийся поперек анода, в
котором имеется щель, ширина которой больше диаметра плазменного
шнура.
27
Рис.16. Лазерный ионный источник, используемый Дубне.
28
Источники ионов с вакуумной дугой в парах металла
В отличии от ионных источников, использующих для создания пучков
ионов, методы получения сильноточных источников ионов металлов более
ограниченны. В источниках ионов металлов используется, как правило,
испарение, как это описано в разделе лазерных источников, поверхностная
ионизация или распыление ионов металла при помощи газов носителей.
Источник MEVVA (MEtal Vapor Vacuum Arc) – новый вид источника, в
котором в качестве плазменной среды, из которой происходит извлечение
ионов, используется вакуумная дуга в парах металла. Этот источник
позволяет получать пучки ионов металла с импульсным током более 1 А для
множества материалов твердого электрода.
Вакуумная дуга в парах металла является плазменным разрядом между
двумя металлическими электродами в вакууме. Давление должно достаточно
низким, чтобы остаточный газ не влиял на процессы в разряде. Основная
черта разряда данного типа – образование катодных пятен, очень маленьких
областей с большой плотностью тока (более 106 А/см2) на поверхности
катода, где материал катода испаряется и ионизируется. По аналогии с
нагревом лазером, устанавливается большой градиент давления, который
заставляет плазму двигаться сначала перпендикулярно катоду, а затем в
направлении анода. Именно эта распространяющаяся плазменная струя и
составляет среду, из которой происходит вытягивание ионов. Схема
источника MEVVA приведена на рис. 17.
29
Рис.17. Схема источника MEVVA.
Отличительной чертой источников данного типа является возможность
получения очень больших токов ионов металла, которые как правило
находятся в разнозарядовом состоянии. Большой ток позволяет сепарировать
ионы по зарядовому состоянию.
Очень похожим образом действуют жидкометаллические ионные
источники (рис.18) которые состоит из жидкометаллического покрытия на
игольчатой подложке. Приложение потенциала в несколько киловольт в
высоком вакууме к расположенному рядом вытягивающему электроду
приводит к деформации жидкого металла на конце иглы с образованием
конуса. На вершине стабилизированного конуса электрическое поле
достаточно для создания ионных токов. Этот источник обладает очень
высокой яркостью, 106 А/(см2∙ср) и невысоким энергетическим разбросом
30
(менее 10 эВ). Ограничением является применение только таких чистых
элементов, которые являются проводниками и имеют низкое давление пара
при температуре плавления.
Рис.18. Жидкометаллический ионный источник.
31