Ионный пучок. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ионный пучок - направленный поток положительных (одно- или многозарядных) или отрицательных ионов, имеющий обычно малые поперечные размеры по сравнению с длиной и движущийся со скоростью, значительно превышающей хаотич. тепловые скорости составляющих его частиц.

Впервые ионный пучок наблюдал Э. Гольдштейн (Е. Goldstein) в 1886; в катоде газоразрядной трубки были проделаны отверстия, через к-рые проходили ионы, ускоренные в межэлектродном промежутке, и создавали за катодом слабое свечение (т. н. каналовые лучи). В настоящее время ионный пучок получают с помощью различных ионных источников и формируют системами электрической и магнитной фокусировки. Ионные пучки могут иметь вид цилиндра, конуса, ленты и т. п. Поведение ионных пучков зависит от нач. направленной скорости ионов, их тепловых скоростей, внеш. электрич. и магн. полей, парных столкновений ионов с частицами среды, а также от собственного объёмного заряда пучка и магн. поля его тока. Важным параметром И. п., характеризующим влияние объёмного заряда на его свойства, является первеанс P=I/U^3/2, где I - ток пучка, a U - ускоряющая ионы разность потенциалов. Пучки с пост, первеансом при одинаковых размерах подобны друг другу. Хотя разброс тепловых (хаотич.) скоростей ионов может быть 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 проекцией фазового объёма пучка на плоскость, к-рый приближённо вычисляют по ф-ле: V_ф=2R₀(2T_i/Mc²)^l/2, где R₀ - радиус плазмы, служащей источником ионов с температурой Т_i, выраженной в единицах энергии, М - масса иона. В отсутствие частиц противоположного знака осесимметричный И. п. расширяется вдоль оси z под действием собственного заряда и профиль И. п. описывается ф-лой:

где f(x) - известная табулированная функция:

Для сохранения формы И. п. их объёмный заряд должен быть скомпенсирован зарядом частиц противоположного знака. Наиб, распространена "газовая" компенсация объёмного заряда в И. п. При столкновении нек-рых положит, ионов пучка с атомами остаточного газа образуются электроны и относительно медленные положит, ионы. Последние выталкиваются из пучка электрич. полем, а электроны накапливаются в нём, несмотря на то, что этому препятствуют кулоновские столкновения их с первичными ионами. Так достигается не полная, но значит, компенсация объёмного заряда в пучке положит, ионов (рис. 1, а). Иначе происходит газовая

Рис. 1. Радиальное распределение потенциала: а - в пучке положительных ионов до компенсации (Dj₀) и после неё (Dj_к); б - в пучке отрицательных ионов при различных давлениях газа: 1 - в высоком вакууме; 2 - при большом давлении, когда пучок в значительной мере компенсирован; 3 - при большом давлении, когда произошло обращение знака потенциала.

компенсация объёмного заряда в пучке отрицат. ионов (рис. 1, б). В этом случае при малом давлении газа накапливаемые медленные положит, ионы также лишь частично компенсируют объёмный заряд И. и. Однако при достаточно большом давлении газа происходит перекомпенсация объёмного заряда: за счёт накопления большого числа медленных положит, ионов потенциал в пучке изменяет свой знак и происходит "газовая фокусировка" пучка отрицательных ионов. Др. 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; при этом одновременно с компенсацией объёмного заряда часто осуществляется необходимая токовая компенсация. В результате происходит переход к плазм, потокам, называемым в плотных И. п. ионно-пучковой плазмой. Из-за немаксвелловского распределения скоростей возникают коллективные явления - электронные и ионные колебания. Коллективные эффекты, приводя к изменению фазового объёма, также влияют на транспортировку И. п. Для получения И. п. часто используют ионные источники с газоразрядными ионизац. камерами и тогда отбор ионов осуществляется не с фиксированной поверхности твёрдого тела, а с границы плазмы, перемещающейся при изменении внеш. условий или режима работы источника (рис. 2). В этом случае первичное

Рис. 2. Система первичного формирования ускоренного пучка ионов, извлекаемых из плазменного источника: 1, 2, 3 - электроды. I - вогнутая граница плазмы, II-плоская, III - выпуклая.

формирование И. п. связано с т. н. плазм. фокусировкой. При увеличении ускоряющей разности потенциалов U граница плазмы из выпуклой (III) становится вогнутой (I), создаются условия для фокусировки пучка. Электрод 2 с отверстием для пучка, имеющий потенциал ниже потенциала заземлённого электрода 3, удерживает электроны, компенсирующие ионный пучок, и ускоряет сам ионный пучок. В дальнейшем И. п. могут фокусироваться с помощью эл--статич. и магн. линз (см. Электронные линзы ).Сжатие И. п. связано с их "охлаждением" - уменьшением фазового объёма. Одним из методов охлаждения "горячего" И. п. является совмещение его с "холодным" электронным пучком. В 80-е гг. получают квазистационарные И. п. с током до 100 А, импульсные - с током до сотен тысяч А. Важной проблемой остаётся транспортировка таких пучков. И. п. широко применяются в самых разл. областях пауки и техники: в ускорителях, установках по осуществлению управляемого ионного термоядерного синтеза, в разнообразных технол. установках, масс-спектрометрии, установках для разделения изотопов, для исследования поверхности твёрдых тел, для т. н. сухого травления в технологии микроэлектроники и т. д.

Литература по ионным пучокам

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.