Плазменные источники ионов

[2] Ионный источник — устройство для получения в вакууме ионного пучка — пространственно сформированного потока ионов, скорость направленного движения которых много больше их тепловых скоростей. Ионный источник — неотъемлемая часть ускорителей, инжекторов быстрых атомов для термоядерных систем, установок электромагнитного разделения изотопов, масс-спектрометров, технологических установок различного назначения и др.

Ионный источник обеспечивает возбуждение атомов рабочего газа до энергии, превышающей потенциал  ионизации атома, для образования  положительно заряженных ионов. [3] Обычно источники включают следующие конструктивные элементы:

• разрядную или ионизационную камеру, которая является несущей конструкцией источника;
• анод, предназначенный для создания электрического поля внутри разрядной камеры;
• источник электронов (термокатод), инжектирующий электроны для ионизации газа;
• магнитную систему, повышающую эффективность ионизации и плотность плазмы;
• электроды, экстрагирующие ионы, и электроды первичной фокусировки пучка.

Работу источника ионов  обеспечивают вспомогательные устройства: система подачи газа; устройство испарения  вещества;  источники питания. Простые  источники с горячим катодом  исполняются в различных конструктивных вариантах. Источником электронов является катод прямого или косвенного накала, электроны эмиттируются перпендикулярно поверхности нити накала с плотностью тока порядка 1 А/см.

Плазменные ионные источники  получили широкое распространение, особенно 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 (ГРК). Для лучшего удержания ионов  и быстрых катодных электронов в  объёме разряда используется магнитное  поле, что повышает одновременно энергетическую и газовую эффективности ионного  источника. Однако применение магнитного поля приводит к ухудшению однородности плазмы на эмиссионной границе и  наличию высокого уровня шумов в  плазме и колебаний в извлекаемом  ионном пучке. Этих недостатков нет  в ионных источниках без внешнего магнитного поля (ИБМ), но они обладают значительно меньшими эффективностями

[4] Появление плазменных источников ионов 
 
Первые газоразрядные (или плазменные) источники ионов появились в конце XIX века одновременно с открытием каналовых лучей (излучение, состоящее из положительных ионов газа). Начало развития эффективных источников относится к 30-м гг. XX в.  
 
Первым применяемым стал каналолучевой источник. В катоде разрядной трубки тлеющего разряда проделаны отверстия. Часть положительных ионов, выбивающих электроны с катода, пролетает через отверстия, ионизует атомы газа, и в темноте видно слабо светящееся излучение, исходящее из этих отверстий и распространяющееся в закатодной части трубки.  
 
Каналолучевые источники имели ряд недостатков: большой непроизводительный расход газа, большой разброс энергий извлекаемых ионов. Естественно работы в области получения пучков ионов активно продолжались, и за прошедшее столетие разработано немало различных конструкций источников. 

[5 ]Классификация источников:

Плазменные ионные источники  целесообразно классифицировать по способу получения в них газового разряда низкого давления. Этот принцип  не будет сильно нарушен, если источники объединить по типу эмиттера электронов — катода. По этому признаку можно разделить ионные источники на три группы:

1. Источники с накаливаемым катодом. К этой группе можно отнести ионные источники с сужением разрядной трубки, источники с прямым дуговым разрядом и разрядом с осцилляцией электронов в магнитном поле, дуоплазматрон.
2. Источники с холодным катодом. К ним относятся источники, в которых происходит стационарный или импульсный тлеющий разряд в магнитном поле (разряд Пеннинга) или дуговой разряд с холодным катодом (при малом падении потенциала), которому может предшествовать разряд Пеннинга. К этой же группе можно отнести источники с холодными электродами, в которых начальный разряд в вакууме приводит к необходимому для основного разряда выделению рабочего газа из электродов (титановые, искровые источники и др.).
3. Источники, в которых процессы на электродах не имеют существенного значения, — источники с высокочастотным разрядом. К этой группе относятся импульсные и стационарные источники с линейным или кольцевым разрядом и разнообразным использованием магнитного поля.

Ионные  источники с накаливаемым катодом 
 
Использовать в качестве источников ионов дуговой разряд с накаливаемым катодом стали в 30-х гг. прошлого века. Поначалу в них применяли большие разрядные токи, ограничивали размеры анода, который помещали вблизи выходного канала, вводили зонд с отрицательным потенциалом и с каналом для извлечения ионов из плазмы. Все эти меры были направлены на интенсификацию разряда и лучшее использование полученных ионов. Они не привели к эффективной конструкции, но создали предпосылки для появления нового вида источников ионов, целесообразных с практической точки зрения и успешно применявшихся – капиллярно-дуговых источников.

Плазма  в сужении разрядной трубки

как источник ионов.

Капиллярно-дуговые  ионные источники.

[6]Эффективность разряда с накаливаемым катодом как источника ионов можно повысить различными способами. Один из них состоит в том, что разряд направляют внутрь узкой трубки (капилляра) или в сужение разрядной трубки. Согласно (2.27) при достаточно малом радиусе трубки R плотность ионного тока существенно повышается, а следовательно, улучшаются и другие параметры ионного источника, в частности газовая экономичность. В таких капиллярно-дуговых источниках разряд происходит между термокатодом и анодом, разделенными перегородкой с более или менее длинным и узким каналом. Если стенки канала изготовлены из диэлектрика (стекла, кварца) или металла, но изолированы от других электродов, они могут заряжаться отрицательно электронами, выходящими из катода, и, действуя как сетка в тиратроне, препятствовать зажиганию разряда. Чтобы предотвратить это явление, металлическая камера (капилляр) соединяется через сопротивление с анодом. Разряд зажигается между катодом и стенками капилляра, а затем перебрасывается на основной анод. Вследствие падения напряжения на сопротивлении при горении разряда стенка оказывается заряженной отрицательно по отношению к плазме. Для облегчения зажигания разряда часто пользуются кратковременным повышением давления газа. С этой целью можно применить и металлическую нить, электрически соединенную с анодом и проходящую по оси капилляра. В данном случае разряд начинается между катодом и катодным концом нити, а затем распространяется вдоль последней [208] к основному аноду.

В ионном источнике [209], представленном на рис. 2.3, дуга, горящая между катодом 1 и анодом 2, проходит через короткий канал диаметром 3 мм. Ионы диффузионным путем выходят из плазмы, локализованной в этом сужении, и, попадая в поле ускоряющих и фокусирующих цилиндрических электродов, входят в область дальнейшего ускорения в виде сформированного ионного пучка.

Минусы: Капиллярнодуговые источники обладают и эксплуатационными недостатками — возможной нестабильностью горения и трудностью зажигания разряда, ограниченным сроком службы термокатода и т. д. Несмотря на все это, в некоторых случаях источник ионов типа капиллярной дуги находит применение. В работе [210] указывается на то, что источник такого типа работал стабильно с довольно высокой экономичностью. Капиллярно-дуговой источник в последние годы был использован, например, для получения ионов ртути [211].

[7]Дуоплазмотрон

В 1949 г. был разработан дуоплазмотрон – ионный источник с двойным контрагированием (сжатием) плазмы: помимо «геометрического» сжатия плазма дополнительно сжимается сильным неоднородным магнитным полем. В результате получается среда с высокой степенью ионизации и большой концентрацией. На рисунке представлена одна из первых конструкций дуоплазмотрона. Промежуточный электрод имеет канал, соединяющий анодную и катодную части разрядного промежутка. Анод и промежуточный электрод являются частями магнитной цепи, создающей в канале сильное магнитное поле. Плазменный «пузырь», обозначенный на схеме – это ярко светящийся сгусток плазмы в канале, окруженный двойным электрическим слоем.

На сегодняшний день существуют дуоплазмотроны, работающие как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Дуоплазмотроны позволяют получать мощные ионные и электронные пучки с максимальной начальной плотностью тока, характеризуются относительно небольшой степенью модуляции ионного пучка, малым разбросом энергий ионов, высокой газовой экономичностью. 

[8]Ионные источники с холодным катодом

Источник  Келлера 
 
Недостаток, присущий, в частности, капиллярно-дуговым и магнитным источникам, заключается в необходимости использования термокатода, ограничивающего срок непрерывной работы источника. Это обстоятельство послужило причиной развития источников с разрядом, для которого не требуется накаленный катод.

К примеру, приборы основанные на РАЗРЯДЕ ПЕННИНГА  - тлеющий разряд в продольном магн. поле. Из-за большой длины пути электронов, движущихся по спиральным траекториям вокруг силовых линий Н магн. поля, значительно возрастает вероятность ионизации, что обеспечивает существование разряда при низких давлениях.

Более эффективное использование  электронов, по-видимому, осуществляется в системе с осцилляцией электронов вдоль магнитного поля. Схема соответствующей разрядной системы показана на слайде. Разрядная система Пеннинга представляет собой два противостоящих холодных электрода Рг и Р2, служащих катодами, и анод, изготовляемый обычно в. виде кольца (иногда двух колец) или цилиндра. Система находится в магнитном поле, параллельном оси прибора. При напряжении, превышающем напряжение зажигания, в межэлектродном пространстве, наполненном газом при небольшом давлении, возникает самостоятельный разряд. В таких условиях электроны, эмиттированные катодом, под действием электрического и магнитного полей могут осциллировать между электродами. Осциллирующие электроны, сталкиваясь с молекулами газа, образуют положительные ионы, которые нейтрализуют объемный электронный заряд, в частности объемный заряд вблизи катода, и способствуют поддержанию определенной величины разрядного тока. Осцилляция используется как средство удлинения фактического пути электронов в газовой среде, т. е. как средство усиления ионизации.

[9] Ионные источники с использованием  высокочастотного разряда 
 
Широкое применение получили высокочастотные ионные источники. Очевидно, что в переменном электрическом поле свободные электроны могут получать энергию, достаточную для возбуждения и ионизации молекул газа. Попытки использования высокочастотного разряда в качестве источника ионов были сделаны очень давно. Широко эти источники стали применяться с конца 40-х гг. прошлого столетия, когда их параметры были существенно улучшены в результате исследований Тонеманна. Широкому использованию высокочастотного разряда в качестве У ионного источника положили начало работы Тонеманна [110], хотя соответствующие попытки были предприняты еще раньше [32]. Тонеманн предложил общепринятую в настоящее время систему извлечения ионов с помощью зонда, введенного в плазму, и свел к минимуму поверхность металлических частей ' внутри ионного источника, что уменьшило рекомбинацию атомарного 1 водорода и позволило получить высокое содержание протонов в извлекаемом ионном пучке (свыше 90%). Прибор Тонеманна (рис. 2.53) представляет собой трубку диаметром 40 мм из стекла пирекс, содержащую два электрода, между которыми прилагается разность потенциалов 3- 5 /се (система извлечения с внутренними электродами). Положительный электрод в виде вольфрамовой проволоки находится в отдельной камере, соединенной с основной разрядной камерой узкой трубкой; такую конструкцию применяют для; уменьшения рекомбинации атомарного водорода в основной разрядной области. Отрицательным электродом (зондом) служит дюрал юминиевая трубка, экранированная коаксиальной стеклянной трубкой. Такая экранировка необходи- *ма, чтобы предотвратить сильную рекомбинацию атомарного водорода на боковой поверхности металлического зонда, и для фокусировки.

При большом отрицательном  потенциале зонда у его поверхности  образуется слой положительного объемного  заряда, ограниченный стеклянной экранирующей трубкой и плазмой. Эмиттером ионов служит граничная поверхность плазмы, приобретающая такую конфигурацию, что ионы фокусируются в канал зонда и выходят наружу в виде пучка с энергией, соответствующей потенциалу 
 
 
Содержание протонов в пучке было сильно увеличено благодаря удалению металлических частей из разрядной камеры, повышению эффективности извлечения ионов путем использования отрицательного зонда, введенного в плазму и содержащего канал для вывода ионного пучка, и интенсификации плазмы вблизи зонда при воздействии постоянного магнитного поля. В процессе разработки источников этого типа детально изучалась так называемая плазменная фокусировка. 

Области применения:

1. в ускорителях заряженных частиц, предназначенных для исследований в области ядерной физики;
2. в инжекторах заряженных частиц, служащих для заполнения магнитных ловушек быстрыми ионами;
3. для создания реактивной тяги;
4. в установках для электромагнитного разделения изотопов;
5. для различного рода научных исследований: исследования взаимодействия ионных пучков с плазмой или с поверхностью твердого тела [140, 159], исследований в области высокотемпературной химии, микроанализа поверхности твердого тела [160];
6. для осуществления различных технологических процессов: размерной обработки твердых тел [137—142], легирования полупроводников [140, 159], пассивирования поверхности металлов, образования металлических пленок на поверхности твердого тела [161] либо удаления пленок с этой поверхности и т. д.

Требования, предъявляемые к ионному источнику:

Требования определяются конкретным назначением источника и условиями работы. Несмотря на разнообразие применений и характерных условий, в в которых должен работать ионный источник, можно в общем виде сформулировать следующие основные требования к этим приборам:

1. Ионный источник с устройством для формирования ионного- пучка должен дать стационарный или импульсный пучок с необходимым током и такими ионно-оптическими параметрами, которые позволили бы использовать его наилучшим образом.
2. Ионный источник должен дать пучок ионов определенного состава, т. е. должен поставлять ионы с заданной массой и зарядом. Другие компоненты в ионном пучке нежелательны, так как они «загрязняют» пучок, увеличивают нагрузку источников тока, ослабляют электрическую прочность ускорительной трубки и т. д.
3. Ионный пучок, извлекаемый из источника, должен обладать заданной средней энергией ионов и допустимой величиной разброса их скоростей.
4. Ионный источник должен работать стабильно. Модуляция тока ионного пучка, как правило, нежелательна.
5. Заданный ионный пучок необходимо получать при минимальном расходе рабочего вещества. Это важно в первую очередь потому, что в области первичного формирования и ускорения пучка надо поддерживать высокий вакуум для повышения электрической; прочности. В случае применения ценных газов (например, трития)- важность этого требования определяется еще и экономическими соображениями.
6. Желательно, чтобы расходуемая мощность, в первую очередь рассеиваемая в источнике, была минимальной. В тех случаях, когда подвод энергии к ионному источнику затруднен, это требование особенно важно.
7. Источник должен быть достаточно надежным в работе, максимально простым по конструкции, питанию и управлению.
8. Источник должен иметь достаточный срок непрерывной работы, а также максимальный срок службы.