Отмеченную выше слаботочность ва- куумных систем можно проиллюстрировать следующими оценками. За счёт соб- ственного электрического поля пучок ионов с энергией частиц ~ 1 кэВ и током 1 мА расширяется в два раза в случае водорода на длине L ~ 5D, где D — диаметр пучка, а при тех же условиях пучок ионов аргона расширяется в два раза при L ~ 12D. Если используется только одно магнитное поле, то такая система может фоку- сировать квазинейтральный ионный поток. Примером может служить рассмотренная в п. 1.4.2 фокусировка в однородном магнитном поле. Но здесь нас будут интересо- вать системы с объёмным электростатическим полем. При этом желательно обеспечить автономность электронной компоненты в смыс- ле п. 3.2.2. Проще всего это реализуется в осесимметричных системах с использова- нием полоидальных (Е, Н)-полей, при которых дрейф замкнут. Рассмотрим два примера плазмооптических систем с квазинейтральными ионны- ми потоками. "Электростатическая" плазменная линза. Выше в разделе 1.4 мы рассмотрели фокусировку частиц простейшими кольцевыми линзами в вакуумном режиме. Теперь рассмотрим фокусировку, когда имеется катушка, по которой течёт ток, а кроме того кольцо заряжено. Если плотность ионного пучка щ мала, так что дебаевский радиус рассчитанный по Те и плотности пучка много больше радиуса кольца R. Пётр W E7-3а) то, при Те <С Si, где Е{ — энергия иона, и при указанных выше параметрах системы, фокусное расстояние FJf^ по-прежнему окажется очень большое, т. к. по "школьной" формуле 1 1 1 ~^Г = ~F^ + ~БШ- E.7.36) А теперь увеличим плотность пучка с тем, чтобы дебаевский радиус стал много меньше радиуса кольца, а магнитное поле выберем таким, чтобы был достаточно мал 5.7. Плазмооптика (гибридные модели) 263 также электронный ларморовский радиус (ре <С R). При этих условиях реализуется эквипотенциализация магнитных силовых линий и происходит полная перестройка эквипотенциалей. В результате знакопеременная радиальная компонента электриче- ского поля Ег, какой она была в вакуумном случае, превращается в знакопостоянную величину (рис. 5.7.1). И совершенно очевидно без вычислений, что фокусное рассто- яние, которое ранее зависело от квадрата напряжённости Е-поля, теперь зависит от первой степени напряжённости Ег. В результате резко сокращается длина фокусного расстояния, и линза может быть как собирающей, так и рассеивающей. Рис. 5.7.1. Перестройка эквипотенциалей электростатической линзы при переходе от вакуумного режима к квазинейтрально- му: 1 — источник компенсированного ион- ного пучка, 2 — катушка, создающая маг- нитное поле, совмещенная с электродом, 3 — люминесцентный экран, 4 — сфоку- сированный квазинейтральный пучок Проиллюстрируем сказанное расчётом. Возьмём простейший случай, когда ф = кф. E.7.4) Функция ф в окрестности кольца с током равна 2 с( Если связь E.7.2) линейная ( phi ~ ф), то 2 = —a(z), a{z) = — 2Ua\ R2 R J {R2 E.7.5) Здесь Ua — эффективный потенциал кольца. Подставляя E.7.5) в A.4.226), получаем ^ E.7.6) Взяв еКИН = ЮкэВ, R = 5см, Ua = 1 кэВ, получаем F^1 « 25см(!). Разница огромная по сравнению с тем, что мы имели в разделе 1.4. Схема плазменной линзы и установки в целом, на которых впервые в 1967 году в ИАЭ В. В. Жуковым, А. И. Морозовым и Г. Я. Щепкиным была осуществлена описанная перестройка фокусировки, изображена на рис. 5.7.2 [130]. Проведенные исследования подтвердили приведённые выше расчёты. Нужно, однако, отметить, что качество фокусировки несколько ухудшается при больших токах (~ 1 А). Не вызывает сомнений, что этот недостаток будет прёодолён. Описанную линзу называют электростатической плазменной, поскольку реальный вклад собственно магнитного поля остаётся таким же малым, как в вакуумном случае, а его роль реально сводится к обеспечению структуры Е-поля, для чего достаточно малых полей, лишь было бы выполнено условие, необходимое для экви- потенциализации ре <Я, 264 Гл. 5. Кинетика двухкомпонентной плазмы при классических столкновениях Рис. 5.7.2. Схема экспериментальной установки с электростатической плазменной линзой; 1 — источник пучка ионов, 2 — компенсированный полный пучок, 3 — электроды, фиксирующие потенциалы силовых линий в линзе, 5 — квазинейтральный ионный пучок, прошедший линзу, б — экран а также условие "притормаживания" потока Н2 — > MnvjS. О7Г На рисунке 5.7.3а изображена современная плазменная линза, разработанная и ис- следованная А. А. Гончаровым с сотрудниками [131]. Эта линза фокусировала по- токи ионов от углерода до висмута. Характерные параметры ионных потоков: Si ~ ~ 20—ЮОкэВ, Ц < 0, 5 А, диаметр пучка на подходе к линзе ~ 10 см. Результат фокусировки представлен на рис. 5.7.36. Л 15 - 0,5 м 12 3 4 5 6 Радиус г,(см) Рис. 5.7.3. Схема экспериментальной установки с электростатической плазменной линзой А. А. Гончарова (а): 1 — источник пучка ионов, 2 — плазменная линза, 3 — цилиндр Фарадея; радиальное распределение плотности компенсированного ионного тока на расстоянии 0,5 м от линзы, измеренного с помощью цилиндра Фарадея (б). На рисунке указаны напряжения на линзе; магнитное поле в линзе 800 Гс, энергия ионов 22кэВ
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Общие принципы плазмооптики» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
