ПЛАЗМООПТИ́ЧЕСКИЕ СИСТЕ́МЫ

ПЛАЗМООПТИ́ЧЕСКИЕ СИСТЕ́МЫ, плаз­мен­ные уст­рой­ст­ва для фо­ку­си­ров­ки по­то­ка за­ря­жен­ных час­тиц с по­мо­щью элек­три­че­ско­го и/или маг­нит­но­го по­лей, соз­дан­ных са­мой плаз­мой. П. с. изу­ча­ет плаз­мо­оп­ти­ка в от­ли­чие от элек­трон­ной и ион­ной оп­ти­ки, рас­смат­ри­ваю­щей фо­ку­си­ров­ку пуч­ков за­ря­жен­ных час­тиц внеш­ни­ми элек­трич. и маг­нит­ны­ми по­ля­ми в ва­куу­ме.

Пер­вы­ми элек­трон­но-оп­тич. сис­те­ма­ми бы­ли ис­точ­ни­ки силь­но­точ­ных элек­трон­ных пуч­ков. Англ. учё­ны­ми И. Лен­гмю­ром, К. Чайл­дом и Дж. Пир­сом под­роб­но раз­ра­бо­та­ны ос­но­вы оп­ти­ки пуч­ков час­тиц с объ­ём­ным за­ря­дом и ус­та­нов­лен за­кон «трёх вто­рых», вве­дён «плаз­мен­ный мас­штаб» – де­ба­ев­ский ра­ди­ус (см. Лен­гмю­ра фор­му­ла). В 1947 О. Шер­цер впер­вые ис­поль­зо­вал объ­ём­ный за­ряд пуч­ка для ос­лаб­ле­ния сфе­рич. абер­ра­ции.

В 1946–49 Г. В. Спи­вак с со­труд­ни­ка­ми (СССР) об­на­ру­жил и сис­те­ма­ти­че­ски ис­сле­до­вал фо­ку­си­ров­ку маг­нит­ной лин­зой на­прав­лен­но­го по­то­ка элек­тро­нов, эми­ти­ро­ван­ных ка­то­дом ртут­ной ду­ги. То­гда же был раз­ра­бо­тан пром. элек­тро­маг­нит­ный спо­соб раз­де­ле­ния изо­то­пов ура­на с по­мо­щью силь­но­точ­ных ион­ных пуч­ков, ис­поль­зую­щий для фо­ку­си­ров­ки ква­зи­од­но­род­ное по­пе­реч­ное маг­нит­ное по­ле. В та­ком се­па­ра­то­ре объ­ём­ный за­ряд бы­ст­рых ио­нов прак­ти­че­ски ком­пен­си­ро­ван хо­лод­ны­ми элек­тро­на­ми, воз­ни­каю­щи­ми при столк­но­ве­нии ио­нов с ато­ма­ми ос­та­точ­но­го га­за. Об­ра­зую­щие­ся при этом мед­лен­ные ио­ны вы­тал­ки­ва­ют­ся не­боль­шим по­ло­жи­тель­ным за­ря­дом пуч­ка на стен­ки ка­ме­ры, т. е. здесь реа­ли­зу­ет­ся так­же и га­зо­вая фо­ку­си­ров­ка, для ко­то­рой нуж­но не­ко­то­рое оп­ти­маль­ное дав­ле­ние в ка­ме­ре.

Рис. 1. Схема линзы с объёмным зарядом: 1 – горячий катод; 2 – анод; 3 – магнитопровод; 4 – электронное облако.

В 1945–47 Д. Га­бор сфор­му­ли­ро­вал идею и по­пы­тал­ся реа­ли­зо­вать т. н. лин­зу с объ­ём­ным за­ря­дом (рис. 1). В объ­ём ква­зи­од­но­род­но­го маг­нит­но­го по­ля с проб­ка­ми (см. От­кры­тые ло­вуш­ки) впры­ски­ва­ют­ся элек­тро­ны из ка­то­да. При ма­лой на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля, нуж­но­го лишь для удер­жа­ния элек­тро­нов, фо­ку­си­ров­ка ио­нов в лин­зе Га­бо­ра осу­ще­ст­в­ля­ет­ся объ­ём­ным за­ря­дом элек­тро­нов, кон­цен­тра­ция ко­то­рых $n_e$ мно­го боль­ше кон­цен­тра­ции ио­нов $n_i$. Ес­ли $n_e$ по­сто­ян­на в объ­ё­ме лин­зы (а это­го спе­ци­аль­но до­би­ва­лись), то на­пря­жён­ность элек­трич. по­ля $E_r$ про­пор­цио­наль­на ра­диу­су лин­зы $r$ и лин­за не долж­на соз­да­вать абер­ра­ций. Вы­со­кая под­виж­ность элек­тро­нов плаз­мы при­во­дит к вы­рав­ни­ва­нию элек­трич. по­тен­циа­ла вдоль маг­нит­ных си­ло­вых ли­ний про­из­воль­ной кон­фи­гу­ра­ции вне за­ви­си­мо­сти от то­го, яв­ля­ет­ся сис­те­ма ква­зи­нейт­раль­ной ($n_i\approx n_e$) или нет. В этом слу­чае каж­дая си­ло­вая ли­ния маг­нит­но­го по­ля слу­жит свое­об­раз­ным элек­тро­дом, на ко­торый мож­но по­дать свой по­тен­ци­ал и, варь­и­руя кон­фи­гу­ра­цию маг­нит­ных си­ло­вых ли­ний, соз­дать в сис­те­ме тре­буе­мое рас­пре­де­ле­ние по­тен­циа­ла. По­доб­ные сис­те­мы, в ко­то­рых рас­пре­де­ле­ние по­тен­циа­ла за­да­ёт­ся, а не оп­ре­де­ля­ет­ся урав­не­ни­ем Ла­п­ла­са, на­зы­ва­ют­ся «соб­ст­вен­но П. с.». К ним мож­но от­не­сти лин­зу Га­бо­ра и $Z$-пин­чи, в ко­то­рых при­осе­вая зо­на ис­поль­зу­ет­ся для фо­ку­си­ров­ки и транс­пор­ти­ров­ки ре­ля­ти­ви­ст­ских элек­т­рон­ных и силь­но­точ­ных ион­ных пуч­ков. Ре­аль­но при­ра­ще­ние по­тен­циа­ла $ΔФ$ вдоль си­ло­вой ли­нии не­ве­ли­ко при не­боль­шой и сла­бо ме­няю­щей­ся в про­стран­ст­ве темп-ре $T_e$ элек­тро­нов ($ΔФ∼ΔT_e/e+T_eDn_e/en_e, e$ – за­ряд элек­трона).

Рис. 2. Схемы плазмооптических систем: а – ускоритель компенсированных ионных потоков (КИП); б – рекуператор энергии КИП; в – плазменная линза для фокусировки КИП; г – магнитоэ...

Схе­мы осн. ти­пов П. с. при­ве­де­ны на рис. 2. На рис. 2, а схе­ма­ти­че­ски изо­бра­жён ус­ко­ри­тель ио­нов, ко­то­рые в об­ла­ке элек­тро­нов, фор­ми­рую­щих элек­трич. по­ле и ком­пен­си­рую­щих объ­ём­ный за­ряд ус­ко­ряе­мых ио­нов, дви­жут­ся от бо­лее вы­со­ко­го по­тен­циа­ла Ф₁ в об­ласть мень­ше­го по­тен­циа­ла Ф₂. Сла­бое маг­нит­ное по­ле воз­дей­ст­ву­ет в осн. на элек­тро­ны и не влия­ет на ди­на­ми­ку ио­нов. Та­кая схе­ма реа­ли­зо­ва­на в ря­де плаз­мен­ных ус­ко­ри­те­лей, в т. ч. в плаз­мен­ных элек­тро­ре­ак­тив­ных дви­га­те­лях. На рис. 2, б пред­став­ле­на схе­ма по­лей в ре­ку­пе­ра­то­ре, в ко­то­ром по­ток пер­во­на­чаль­но энер­гич­ных ио­нов тор­мо­зит­ся, от­да­вая энер­гию в элек­трич. цепь. Схе­ма фо­ку­си­рую­щей плаз­мен­ной лин­зы пред­став­ле­на на рис. 2, в. Эта схе­ма при­ме­ня­ет­ся не толь­ко для фо­ку­си­рую­щих и де­фо­ку­си­рую­щих сис­тем, но и для энер­го­мас­са­на­ли­за­то­ров разл. мощ­но­стей, сис­тем транс­пор­ти­ров­ки ио­нов и др. На рис. 2, г изо­бра­же­на схе­ма маг­ни­то­элек­тро­ста­тич. ло­вуш­ки, в ко­то­рой элек­тро­ны удер­жи­ва­ют­ся маг­нит­ным, а ио­ны – элек­трич. по­лем.

Сре­ди П. с. ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние, на­ря­ду с плаз­мен­ны­ми ус­ко­ри­те­ля­ми, по­лу­чи­ли плаз­мен­ные лин­зы. Наи­бо­лее вы­со­кие оп­тич. ха­рак­те­ри­сти­ки этих линз (ми­ни­мум абер­ра­ций) бы­ли по­лу­че­ны в двух ре­жи­мах: в ква­зи­де­ба­ев­ском («га­бо­ров­ском») и в ре­жи­ме с внеш­ним раз­ря­дом.

В ква­зи­де­ба­ев­ском ре­жи­ме диа­метр от­вер­стия лин­зы $d$ вы­би­ра­ет­ся мень­ше де­ба­ев­ско­го ра­диу­са эк­ра­ни­ро­ва­ния ио­нов, но мно­го боль­ше де­ба­ев­ско­го ра­диу­са эк­ра­ни­ро­ва­ния элек­тро­нов. Этот ре­жим ус­той­чив при плот­но­стях то­ка ио­нов до не­сколь­ких де­сят­ков мА/см², а при вы­со­ких плот­но­стях в та­ких лин­зах раз­ви­ва­ют­ся не­ус­той­чи­во­сти.

Ре­жим с внеш­ним раз­ря­дом мо­жет быть реа­ли­зо­ван в гео­мет­рии, близ­кой к схе­ме Га­бо­ра, но по кон­цам ци­лин­д­рич. про­ме­жут­ка рас­по­ла­га­ют­ся два элек­тро­да, ме­ж­ду ко­то­ры­ми в про­доль­ном маг­нит­ном по­ле за­жи­га­ет­ся Пен­нин­га раз­ряд. Ес­ли в ква­зи­де­ба­ев­ском ре­жи­ме в плаз­мен­ном объ­ё­ме на­хо­дят­ся (в идеа­ле) толь­ко фо­ку­си­руе­мые ио­ны, то во вто­ром слу­чае фо­ку­си­руе­мые ио­ны на­хо­дят­ся в раз­ряд­ной плаз­ме и со­став­ля­ют ма­лую часть об­ще­го чис­ла ио­нов.

Экс­пе­ри­мен­таль­но плаз­мен­ная лин­за в ква­зи­де­ба­ев­ском ре­жи­ме с элек­тро­на­ми, об­ра­зую­щи­ми­ся за счёт вто­рич­ной ион­но-элек­трон­ной эмис­сии, впер­вые бы­ла под­роб­но изу­че­на в 1970-х гг. на ус­та­нов­ке, на ко­то­рой ис­сле­до­ва­лась фо­ку­си­ров­ка ио­нов с энер­ги­ей до 10 кэВ и то­ком до 10 мА. На­пря­жён­ность маг­нит­но­го по­ля со­став­ля­ла ок. (8–16)·10³ А/м. Плаз­мен­ной лин­зой уда­лось сфо­ку­си­ро­вать ква­зи­нейт­раль­ный пу­чок ио­нов; при­чём лин­зу мож­но бы­ло де­лать как со­би­раю­щей, так и рас­сеи­ваю­щей. Фо­кус­ное рас­стоя­ние плаз­мен­ной лин­зы бы­ло су­ще­ст­вен­но мень­ше фо­кус­но­го рас­стоя­ния элек­тро­ста­тич. лин­зы. По­да­вая на элек­тро­ды со­от­вет­ст­вую­щее рас­пре­де­ле­ние по­тен­циа­лов, мож­но бы­ло уст­ра­нить сфе­рич. абер­ра­цию.

Осо­бен­но эф­фек­тив­ны­ми плаз­мен­ные лин­зы ока­за­лись для фо­ку­си­ров­ки тя­жё­лых ио­нов с энер­ги­ей по­ряд­ка 1 МэВ, для ко­то­рых ра­нее ис­поль­зо­ва­лись гро­мозд­кие квад­ру­поль­ные лин­зы. Бы­ли соз­да­ны плаз­мен­ные лин­зы с уни­каль­ны­ми па­ра­мет­ра­ми, ко­то­рые мог­ли фо­ку­си­ро­вать пу­чок ио­нов с энер­ги­ей 4 МэВ в фо­каль­ное пят­но раз­ме­ром ок. 10 мкм.