ИО́ННЫЕ ПУЧКИ́

ИО́ННЫЕ ПУЧКИ́, на­прав­лен­ные по­то­ки по­ло­жи­тель­ных (од­но- или мно­го­за­ряд­ных) или от­ри­ца­тель­ных ио­нов, имею­щие обыч­но ма­лые по­пе­реч­ные раз­ме­ры по срав­не­нию с дли­ной и дви­жу­щие­ся со ско­ро­стью, зна­чи­тель­но пре­вы­шаю­щей хао­тич. те­п­ло­вые ско­ро­сти со­став­ляю­щих час­тиц. Впер­вые И. п. на­блю­дал нем. фи­зик Э. Гольд­штейн в 1886 (т. н. ка­на­ло­вые лу­чи).

И. п. по­лу­ча­ют с по­мо­щью разл. ион­ных ис­точ­ни­ков и фор­ми­ру­ют сис­те­ма­ми элек­трич. и маг­нит­ной фо­ку­си­ров­ки. И. п. мо­гут иметь вид ци­лин­д­ра, ко­ну­са, лен­ты и т. п. По­ве­де­ние И. п. за­ви­сит от на­чаль­ной на­прав­лен­ной ско­ро­сти ио­нов, их те­п­ло­вых ско­ро­стей, внеш­них элек­трич. и маг­нит­ных по­лей, столк­но­ве­ний ио­нов с час­ти­ца­ми сре­ды, а так­же от собств. объ­ём­но­го за­ря­да пуч­ка и маг­нит­но­го по­ля его то­ка. Влия­ние объ­ём­но­го за­ря­да И. п. на его свой­ст­ва ха­рак­те­ри­зу­ет­ся пер­ве­ан­сом $P=I/U^{3/2}$, 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 И. п., ис­ка­жая его фор­му. Это ка­че­ст­во пуч­ка ха­рак­те­ри­зу­ет­ся т. н. эмит­тан­сом, свя­зан­ным с фа­зо­вым объ­ё­мом пуч­ка.

Фор­ма осе­сим­мет­рич­но­го И. п. ис­ка­жа­ет­ся так­же при от­сут­ст­вии час­тиц про­ти­во­по­лож­но­го зна­ка под дей­ст­ви­ем собств. за­ря­да. Для со­хра­не­ния фор­мы И. п. 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 элек­трич. по­лем, а элек­тро­ны на­ка­п­ли­ва­ются в нём, хо­тя это­му пре­пят­ст­ву­ют их ку­ло­нов­ские столк­но­ве­ния с пер­вич­ны­ми ио­на­ми. Так дос­ти­га­ет­ся не пол­ная, но зна­чит. 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 И. п. 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 И. п. со­сто­ит в «при­ну­ди­тель­ном» вве­де­нии в И. п. пуч­ков за­ря­дов про­ти­во­по­лож­но­го зна­ка, т. е. в со­вме­ще­нии пуч­ков. Так по­лу­ча­ют син­те­зи­ро­ван­ные ион-элек­трон­ные или ион-ион­ные пуч­ки с ком­пен­си­ро­ван­ным объ­ём­ным за­ря­дом.

Для по­лу­че­ния И. п. 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 И. п. свя­за­но с т. н. плаз­мен­ной фо­ку­си­ров­кой. При уве­ли­че­нии ус­ко­ряю­щей раз­но­сти по­тен­циа­лов гра­ни­ца плаз­мы из вы­пук­лой ста­но­вит­ся во­гну­той, соз­да­ют­ся ус­ло­вия для фо­ку­си­ров­ки пуч­ка. Да­лее И. п. мо­гут фо­ку­си­ро­вать­ся с по­мо­щью элек­тро­ста­тич. и маг­нит­ных линз (см. Элек­трон­ные лин­зы).

Ток в ква­зи­ста­цио­нар­ных И. п. дос­тига­ет 100 А, а в им­пульс­ных – со­тен ты­сяч А. Важ­ной про­бле­мой ос­та­ёт­ся транс­пор­ти­ров­ка та­ких пуч­ков.

И. п. 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.