Источник ионов

 

Использование: электрофизика, в частности в системах, служащих для получения ионов тяжелых атомов с относительно невысокой энергией (от 1-3 до 10 эВ), используемых, например, для разделения изотопов. Сущность изобретения: для генерации ионов используется известная магнитная ловушка с вращающейся плазмой, в которой реализуется разряд с образованием тяжелых ионов. Магнитная ловушка содержит внутренний и наружный электроды. В прикатодной области магнитной ловушки создается радиальное электрическое поле, достаточное для замагничивания ионов в данной области. Достигаемый изобретением технический результат заключается в повышении мощности источника ионов, повышении универсальности источника, позволяющего использовать любой сорт ионов, повышении чистоты получаемой плазмы без использования каких-либо сепараторов. 1 ил.

Изобретение относится к электрофизике, в частности к системам, служащим для получения ионов.

Известны устройства, предназначенные для получения ионов [1] В таких устройствах затруднено получение достаточно мощных потоков тяжелых ионов: во-первых, из-за недостаточной интенсивности ионных источников тяжелых ионов, во-вторых, из-за ограничений экстрагируемого тока ионов, связанных с объемным зарядом этих ионов [2] В подобных устройствах затруднена смена вида ионов. Обычно смена вида ионов, если это ионы металлов или каких-либо твердых веществ, требует полной замены ионного источника; следует отметить, что в источниках металлических ионов используются высокотемпературные печи, что также затрудняет работу с источником. Не для всех видов ионов имеются сегодня разработанные источники ионов.

В ряде случаев требуется источник ионов, вырабатывающий их в виде тяжелой компоненты плазмы (другой компонентой являются электроны). Кроме того, необходимо, чтобы эта плазма находилась в магнитном поле. Эти условия предъявляются, например, к источнику ионов (плазмы) в системах разделения изотопов [3] Прототипом данного источника ионов является система, состоящая из магнитной ловушки, предионизатора, системы СВЧ-нагрева электронов и системы экстракции ионов ([2] с. 307, рис.4). Поток ионов извлекается вдоль оси ловушки через магнитную пробку. К недостаткам прототипа относятся: относительно низкие ионные токи, экстрагируемые из источника; конструктивная сложность системы; ограниченность видов ионов, которые могут быть получены на этом источнике.

Техническим результатом изобретения является повышение мощности источника ионов, создающего ионы в виде замагниченной плазмы, повышение универсальности источника, что позволяет использовать любой сорт атомов, повышение чистоты получаемой плазмы.

Это достигается применением известной магнитной ловушки с вращающейся плазмой [4] в которой может быть реализован разряд с образованием ионов материала катода [5] Одновременно должны быть выполнены два дополнительных условия (реализованы два дополнительных элемента): в окрестности катода должно быть реализовано радиальное электрическое поле, достаточное для замагничивания этих ионов; вблизи и за магнитной пробкой располагается выпускной канал для транспортировки ионов плазмы из ловушки.

Такая система применяется впервые в качестве источника ионов.

Следует отметить, что термин "ловушка с вращающейся плазмой" здесь полностью эквивалентен термину "ловушка со скрещенными электрическим и магнитным полями", который также используется в технической литературе [4] На чертеже изображена схема источника ионов на основе магнитной ловушки с вращающейся плазмой.

Источник ионов состоит из следующих элементов: 1 катушка электромагнита, 2 вакуумная камера, 3а внутренний лайнер катод, 3б - внешний лайнер анод, 4 торцевые электроды, 5 проходной изолятор, 6 - система высоковольтного питания, 7 патрубок вакуумной откачки, 8 выпускной канал, 9 поток ионов плазмы, уходящих из ловушки.

Такие ловушки используются обычно для получения и удержания горячей водородной плазмы [4] Как было показано в работе [5] в такой системе может существовать плазма, состоящая из ионов, которые образуются за счет ионизации распыленных атомов катодного электрода. Ионы, образовавшиеся вблизи анода, ускоряются радиальным электрическим полем и движутся по циклоидальным траекториям, достигая максимальной энергии вблизи катода. Падающие на катод ионы образуют за счет процесса самораспыления поток нейтральных атомов с катода, поддерживающих баланс частиц в разряде.

Часть этих атомов ионизируется вблизи катода и в области с малым электрическим полем образует замагниченную прикатодную плазму; ларморовский радиус ионов меньше радиального размера этой области. Для типичных параметров ловушки: магнитное поле порядка 10 кЭ и энергия ионов 1-10 эВ, размер этой области должен быть порядка 3-30 мм. В этой области образуется относительно холодная и плотная "столкновительная" плазма, состоящая из ионов материала катода. Здесь реализуется так называемый столкновительный режим удержания плазмы, при котором эта плазма уходит из ловушки через пробку вдоль силовых линий с тепловой скоростью, т.е. практически со скоростью свободного разлета. Это аналогично уходу плазмы из газодинамической ловушки [6] Сечение выпускного канала должно быть равно или больше сечения прикатодной плазмы, определяемого по величине магнитного потока, охватывающего прикатодную плазму.

Для образования плазмы из ионов материала катода в подобной ловушке необходимо, чтобы коэффициент самораспыления для ионов, падающих на катод, был больше 1. Для большинства металлов это эквивалентно тому, что полный потенциал между анодом и катодом должен быть не менее 2-20 кВ (в зависимости от вида ионов).

Несмотря на необходимость предварительного (поджигающего) разряда на водороде при переходе разряда в режим с распылением тяжелых ионов, плотность плазмы возрастает от 10¹¹ см^-3 до 3·10¹² см^-3, т.е. вклад водорода в поток быстрых ионов достаточно мал. При необходимости для поджига можно использовать другие газы, например гелий.

Существенными преимуществами установки, работающей на описанном выше методе, в качестве источника ионов являются возможность получения практически любые ионы за счет подбора материала катода; высокая интенсивность потока ионов до 10 100 А эквивалентного тока ионов и выше; возможность получения достаточно чистых пучков без использования каких-либо устройств для сепарации пучков за счет того, что в процессе самораспыления участвует лишь один вид атомов и ионов.

Литература 1. Никитин А. А. Бюллетень ЦНИИТ, N 23 (1988), 9.

2. Голованивский К. С. Ат. Энергия. т. 56, в. 3, 1984, c. 304, (рис. 4. ).

3. Муромкин Ю. А. Итоги науки и техники. Физика плазмы, том 12, Москва, 1991, стр. 83-111.

4. B.Lehnert. Nuclear Fustion. 11 (1971), 485.

5. V.I.Volosov, et al. Journ. of Nucl. Materials. 128/129 (1984), 445.

6. Рютов Д. Д. Успехи физических наук, 154, вып. 4 (1988), 565.

Формула изобретения

Источник ионов, содержащий магнитную ловушку и выпускной канал для вывода ионов из магнитной ловушки через ее пробку, отличающийся тем, что использована магнитная ловушка с вращающейся плазмой, которая содержит внутренний и наружный электроды, при этом в прикатодной области магнитной ловушки создается радиальное электрическое поле, достаточное для замагничивания ионов в данной области.

РИСУНКИ

Рисунок 1