Негативні іони, особливо іони Н ", широко використовують-ся в циклотронах і тандемних прискорювачах для харчування накопичити-них кілець високоенергетичних прискорювачів і при генерує-вання пучків нейтральних частинок великої енергії для нагріву термоядерної плазми. Негативні іони можуть бути освітньої-ни шляхом подвійного перезарядки або шляхом безпосереднього витя-гіванія з джерела негативних іонів. Можна виділити два різних типи джерел: 1) поверхневі джерела, в кото-яких негативні іони створюються в результаті зіткненнях ний ча-стіц з поверхнею, що має низьку роботу виходу; 2) обсяг-ні джерела, в яких негативні іони утворюються в про-процесі зіткнень електрон-молекула і електрон-іон в обсязі плазми розряду. У цій главі розглянуто розвиток цих двох типів джерел негативних іонів і деякі послід-ня технологічні розробки. [6] 'Можна бачити, що всього за 20 років ток усталеного пучка негативних іонів (наприклад, Н ") вдалося збільшити від декількох міліампер до величини бо-леї 1 А.
17.1. ПОВЕРХНЕВІ ДЖЕРЕЛА НЕГАТИВНИХ ІОНІВ
17.1.1. Джерела негативних іонів розпилювального типу
Джерело з розпиленням цезієвим пучком, розроблений Міддлтоном і Адамсом, використовувався для створення розмаїтості-них атомарних і молекулярних іонів [1, 2]. На рис. 17.1 показана схема джерела з використанням розпилення. Позитивні іони цезію, що випускаються поверхнево-іонізаційним источни-ком, використовуються для розпилення внутрішньої частини порожнистої коніч-ської мішені. Утворені негативні іони витягуються з отвору в задній частині розпилюється мішені, і на виході вони прискорюються заземленим електродом. Енергія позитивних в.о. районів цезію зазвичай становить 20-30 кеВ, а струми не перевищують 1 2 мА. Струм негативних іонів, генерованих цим источни-ком, зазвичай становить 0,1-10 мкА. Вид негативних іонів можна швидко змінити, для чого потрібно тільки повернути бару-бан з мішенню.
На рис. 17.2 показаний інший джерело негативних іонів рас-пилітельного типу (так званий «інвертований» распилі-
Мал. 17.1. Схема розпилювального джерела цезієвого пучка [1,2]. 1 - нагрівач іонізатора; 2 - газ; 3 - вольфрамовий іонізатор; 4 - розпорошується Міші; 5 - барабан з мішенями.
Мал. 17.2 Схема інвертованого розпилювального джерела [1,3]. 1 - ізолятор; 2 - розпорошується мішень; 3 - іонізатор; 4 - нагрівач іонізатора.
вальний джерело), розроблений Міддлтоном в 1976 р [1, 3]. У конструкції цього джерела для генерування розпилювального цезієвого пучка використовується кільцевої іонізатор, а отрицатель-ні іони витягуються через отвір в іонізаторі.
17.1.2. Джерела негативних іонів з перетворенням плазми на поверхні
Мал. 17.3. Схема, що ілюструє принцип роботи джерела негативних іоіов, раз-працюємо в Орхусі [1,4]. 1 - розпорошувати-мий катод; 2 - витягує електрод; 3 - межа плазми; 4 - анод.
На рис. 17.3 схематично показаний принцип роботи джерела першого типу. Розряд Пеннінга генерує плазму несучого газу і цезію. Цезій виконує подвійну функцію: по-перше, дей-ствует як розпилюючи агент і, по-друге, знижує роботу ви-ходу поверхні мішені, щоб збільшити потік негативних іонів. Плазма утворює шар перед сферичної поверхнею рас-яка пилить катода, що знаходиться під потенціалом приблизно -1 кВ по відношенню до анода. Позитивні іони з плазми
Мал. 17.4. Схема Багатоцільового іоііого джерела, розробленого в Новосибірську [І].
прискорюються в цьому шарі і стикаються з поверхнею катода. Негативні іони, утворені на поверхні катода, уско-ряют в прикордонному шарі в зворотному напрямку, на виходi.
У Новосибірську був розроблений многощелевой джерело іонів Н
з фокусуванням в одній площині [11]. На рис. 17.4 показано поперечний переріз джерела, який може давати імпульсний пучок іонів Н "з струмом 4 А. Бельченко (Новосибірськ) розробив стільниковий, з великою кількістю отворів, джерело з фокусі-
Мал. 17 5. Схема джерела негативних іонів з самовитягіваніем, розробленого в Лабораторії ім. Лоуреіса в Берклі [13]. 1 - постійні магніти; 2 - молібденовий конвертер; 3 - струмінь цезію; 4 - нитка.
випускаються з сферичних заглиблень на като-де до круглих емісійним отворів в аноді [12]. Було отримано і прискорений до 25 кеВ імпульсний пучок іонів Н
з струмом більш І А.
На рис. 17.5 показана схема великого джерела іонів Н
по-поверхневі-конверсійного типу (Лабораторія ім. Лоуренса в Бер-клі). Це джерело успішно працював, даючи безперервний пучок іонів Н
з струмом більше 1 А [13]. Фактично джерело представля-ет собою великий багатополюсний генератор плазми. Для ство-ня негативних іонів в плазму введений водоохолоджуваний по-гнутий молібденовий конвертер. За рахунок негативного потенци-ала конвертера щодо плазми (близько 200 В) позитивні іони з плазми прискорюються в прикордонному шарі і вдаряються об по-поверхню конвертера. Негативні іони, які утворюються на конвертері, потім прискорюються в зворотному напрямку за рахунок того ж потенціалу. Напруга зсуву на конвертері стано-вится, таким чином, потенціал витягування негативних іонів. Поверхня конвертера викривлена, щоб геометрично направляти негативні іони через плазму до вихідного отверсием-тію, яке розташоване між двома керамічними магнітні-ми колонами. Індукція магнітного поля в області виходу доста-точно велика, щоб відображати високоенергетичних первинні електрони, але дає лише невелике бічне зміщення траєкторій негативних іонів.