ИО́ННЫЕ ИСТО́ЧНИКИ

ИО́ННЫЕ ИСТО́ЧНИКИ, уст­рой­ст­ва для по­лу­че­ния в ва­куу­ме ион­ных пуч­ков. И. и. – не­отъ­ем­ле­мая часть ус­ко­ри­те­лей, ин­жек­то­ров бы­ст­рых ато­мов для тер­мо­ядер­ных сис­тем, ус­та­но­вок элек­тро­маг­нит­но­го раз­де­ле­ния изо­то­пов, масс-спек­тро­мет­ров, тех­но­ло­гич. ус­та­но­вок разл. на­зна­че­ния и др. Важ­ней­шие па­ра­мет­ры И. и.: 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 энер­ге­тич. раз­брос ио­нов; ком­по­нент­ный со­став пуч­ка – по­ло­жи­тель­ные и от­ри­ца­тель­ные ио­ны, ато­мар­ные, мо­ле­ку­ляр­ные, мно­го­за­ряд­ные ио­ны; энер­ге­тич. эф­фек­тив­ность И. и. – от­но­ше­ние мощ­но­сти пуч­ка к мощ­но­сти, по­треб­ляе­мой И. и. от се­ти; га­зо­вая эф­фек­тив­ность – от­но­ше­ние по­то­ка сфор­ми­ро­ван­ных ио­нов к по­то­ку по­да­вае­мо­го в И. и. га­за. И. и. де­лят­ся на им­пульс­ные, ква­зи­ста­цио­нар­ные и ста­цио­нар­ные.

И. и. со­сто­ит из двух осн. уз­лов: эмит­те­ра ио­нов и элек­тро­ста­тич. сис­те­мы, с по­мо­щью ко­то­рой ио­ны из­вле­ка­ют­ся, ус­ко­ря­ют­ся и фор­ми­ру­ют­ся в на­прав­лен­ный по­ток, т. н. ион­но-оп­тич. сис­те­ма (ИОС). В про­стей­шем ви­де И. и. со­сто­ит из эмит­те­ра и ус­ко­ряю­ще­го элек­тро­да с от­вер­сти­ем для вы­хо­да ион­но­го пуч­ка. Для до­пол­нит. фо­ку­си­ров­ки ус­ко­рен­но­го пуч­ка ис­поль­зу­ют­ся элек­тро­ста­тич. и маг­нит­ные лин­зы.

В за­ви­си­мо­сти от фи­зич. при­ро­ды эмит­те­ра ио­нов раз­ли­ча­ют неск. ти­пов И. и.: 1) И. и. с по­верх­но­ст­ной ио­ни­за­ци­ей, где эмит­те­ром ио­нов слу­жит по­верх­ность твёр­до­го или жид­ко­го на­ка­лён­но­го ме­тал­ла; 2) плаз­мен­ные И. и., в ко­то­рых ио­ны от­би­ра­ют­ся с по­верх­но­сти плаз­мы, об­ра­зуе­мой с по­мо­щью га­зо­во­го раз­ря­да; 3) «по­ле­вые» И. и., в ко­то­рых ио­ны об­ра­зу­ют­ся под дей­ст­ви­ем силь­но­го элек­трич. по­ля (по­ряд­ка 10⁸ В/см) на и вбли­зи по­верх­но­сти твёр­до­го те­ла за счёт по­ле­вой ио­ни­за­ции ато­мов ок­ру­жаю­щей га­зо­вой сре­ды (см. 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, напр., пуч­ки ионов $\ce{Cs^+}$ с плот­но­стью тока до 0,1 А/см² по­лу­ча­ют при диф­фу­зии ато­мов Cs че­рез на­ка­ли­вае­мый по­рис­тый вольф­рам. Де­сор­би­руе­мый с на­гре­той по­верх­но­сти атом $\ce{Cs}$ уда­ля­ет­ся в ио­ни­зо­ван­ном со­стоя­нии (как ион $\ce{Cs^+}$), т. к. его энер­гия ио­ни­за­ции мень­ше ра­бо­ты вы­хо­да элек­тро­на из $\ce{W}$ 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, напр., на по­верх­но­сти бо­ри­да лан­та­на по­лу­че­ны ио­ны $\ce{I^{-}}$ 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 И. и. без внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля, но они ме­нее эф­фек­тив­ны. Весь­ма эф­фек­тив­ны И. и. с пе­ри­фе­рий­ным маг­нит­ным по­лем, ок­ру­жаю­щим га­зо­раз­ряд­ную ка­ме­ру. Т. о., су­ще­ст­ву­ет неск. разл. сис­тем плаз­мен­ных эмит­те­ров, но ИОС для всех ти­пов И. и. од­на и та же – много­апер­тур­ная элек­тро­ста­тич. сис­те­ма, со­стоя­щая из 3–4 элек­тро­дов, ка­ж­дый из ко­то­рых со­дер­жит де­сят­ки и сот­ни иден­тич­ных апер­тур круг­лой или ще­ле­вой фор­мы. Об­щий пу­чок скла­ды­ва­ет­ся из отд. лу­чей, на­прав­ле­ние и угол рас­хо­ди­мо­сти ко­то­рых оп­ре­де­ля­ют гео­мет­рию все­го пуч­ка. По­это­му не­об­хо­ди­мо тща­тель­ное со­гла­со­ва­ние па­ра­мет­ров га­зо­раз­ряд­ной плаз­мы (кон­цен­тра­ции ио­нов и темп-ры по всей по­верх­но­сти эмит­те­ра) с ха­рак­те­ри­сти­ка­ми ИОС – гео­мет­ри­ей элек­тро­дов и на­пря­жён­но­стью элек­трич. по­ля. Для тер­мо­ядер­ных це­лей бы­ли раз­ра­бо­та­ны мощ­ные И. и. с боль­ши­ми по­верх­но­стя­ми плаз­мен­ных эмит­те­ров (в сот­ни см²) и мно­го­апер­тур­ны­ми ИОС, обес­пе­чи­ваю­щи­ми мощ­ность пуч­ков в неск. МВт.

Рис. 1. Схема ионного проектора:1 – жидкий водород; 2 – жидкий азот; 3 – остриё; 4 – проводящее кольцо; 5 – экран.

Ши­ро­ко рас­про­стра­нён­ным плаз­мен­ным И. и. яв­ля­ет­ся дуо­плаз­ма­трон, в ко­то­ром для уве­ли­че­ния сте­пе­ни ио­ни­за­ции столб раз­ря­да под­вер­га­ет­ся ме­ха­нич. 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 И. и. 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: 50 см² с хо­ро­шей од­но­род­но­стью эмис­сии. Ве­ли­чи­на то­ка пуч­ка, фор­ми­руе­мо­го в этом слу­чае мно­го­апер­тур­ной ИОС, бо­лее 100 А.

В И. и. 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 энер­ге­тич. и га­зо­вая эф­фек­тив­но­сти. При ис­поль­зо­ва­нии 4-элек­трод­ной мно­го­апер­тур­ной ИОС дос­тиг­нут ток св. 70 А при энер­гии ио­нов во­до­ро­да (дей­те­рия) до 120 кэВ. Ука­зан­ные вы­ше И. и. ра­бо­та­ют в ква­зи­ста­цио­нар­ных ре­жи­мах.

Для ге­не­ра­ции пуч­ков от­ри­ца­тель­ных ио­нов раз­ра­бо­та­ны ме­тод т. н. 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 $\ce{H^+}$ низ­кой энер­гии че­рез ми­ше­ни из па­ров ще­лоч­ных ме­тал­лов ($\ce{Na,\, Cs}$). Эф­фек­тив­ность вы­хо­да ио­нов $\ce{H^{-}}$ со­став­ля­ет от 10 до 30% в за­ви­си­мо­сти от вы­бо­ра па­ров ме­тал­ла и энер­гии пер­вич­но­го пуч­ка. Ис­поль­зо­ва­ние И. и. без маг­нит­но­го по­ля и с пе­ри­фе­рий­ным маг­нит­ным по­лем по­зво­ли­ло по­лу­чить пуч­ки ио­нов $\ce{H^{–}}$ с то­ком в неск. А и ионов $\ce{He^{–}}$ с то­ком до 1 А.

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

Им­пульс­ные плаз­мен­ные И. и. 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 И. и. свя­за­на с не­об­хо­ди­мо­стью по­дав­ле­ния элек­трон­но­го по­то­ка, не­из­беж­но рас­про­стра­няю­ще­го­ся внут­ри вы­со­ко­вольт­но­го раз­ряд­но­го про­ме­жут­ка на­встре­чу фор­ми­руе­мо­му ион­но­му пуч­ку. Она пре­одо­ле­ва­ет­ся в т. н. от­ра­жа­тель­ных трио­дах и дио­дах с по­пе­реч­ным маг­нит­ным по­лем.

Ионные источники с полевым испарением

Рис. 2. Схема жидкометаллического источника ионов: 1 и 2 – жидкий металл; 3 – металлическая игла; 4 – жидкометаллическое остриё; 5 – ионы металла; 6 – экстрактор; 7 &ndas...

Осо­бое зна­че­ние с 1980-х гг. при­об­ре­та­ют жид­ко­ме­тал­ли­че­ские И. и., ко­то­рые вслед­ст­вие боль­шой на­чаль­ной плот­но­сти ион­но­го то­ка по­зво­ля­ют фор­ми­ро­вать плот­ные пуч­ки суб­мик­рон­но­го диа­мет­ра – ион­ные зон­ды. Эмит­те­ром в жид­ко­ме­тал­ли­че­ских И. и. (рис. 2) слу­жит не­боль­шая часть по­верх­но­сти жид­ко­го ме­тал­ла, по­кры­ваю­ще­го ме­тал­лич. иг­лу тон­ким сло­ем. Пе­ред эмит­те­ром на­хо­дит­ся элек­трод-экс­трак­тор, соз­даю­щий вбли­зи ост­рия силь­ное ус­ко­ряю­щее ионы элек­трич. 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 И. и. 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 элек­тро­ста­тич. ло­вуш­ки для ио­нов. Наи­боль­шие ус­пе­хи в по­лу­че­нии ио­нов с вы­со­кой крат­но­стью за­ря­да дос­тиг­ну­ты при воз­дей­ст­вии на твёр­дое те­ло мощ­ным ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем.