Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПЛАЗМООПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

ПЛАЗМООПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

ПЛАЗМООПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ - корпускулярно-оптич. системы, в к-рых для фокусировки (целенаправленногоизменения фазового объёма потока заряж. частиц) используются электрич. <и (или) магн. ноля, созданные с помощью квазинейтральной или заряж. плазмы. <П. с. очень многообразны, поскольку практически все плазменные образованиясодержат электрич. или магн. поля, к-рые так или иначе могут быть использованыдля фокусировки пучков. В отличие от электронной и ионной оптики, рассматривающейфокусировку пучков заряж. частиц внешними электрич. и магн. полями в вакууме, <фокусировку пучка электрич. и магн. полями плазмы изучает плазмооптика. <В наст. время (90-е гг.) плазмооптика находится в стадии формирования, <но проблема динамики проходящих через плазменные конфигурации пучков заряж. <частиц привлекает внимание как с точки зрения диагностики этих конфигураций, <так и для собственно фокусировки пучков при спец. выборе конфигураций исвязанных с ними полей. Использование электрич. и магн. полей плазмы приводитк двум особенностям, привлекательным для исследователей. 1) В классич. <корпускулярной электронной и ионной оптике электрич. и магн. поля лапласовы, <т. е. потенциалы Ф _эл и Ф _м удовлетворяют ур-нию Лапласа

Следствием этого является, напр., неустранимостьсферич. аберраций и квадратичная зависимость фокусного расстояния . от напряжения для осесимметричных линз (см. Электронные линзы). В П. с. могут быть реализованы нелапласовы электрич. и магн. поля, <для к-рых зависимость F от напряжения линейна и сферич. аберрацииустранимы. 2) В большинстве П. с. объёмный заряд фокусируемого пучка компенсированэлектронами, поэтому он не ограничивает нормальную работу устройств в оченьшироких пределах.

Становление плазмооптики. Классич. <корпускулярная оптика берёт своё начало от работ X. Буша (Н. Busch, 1926),к-рый описал и исследовал лапласовы электростатич. и магн. линзы для электронныхпучков малой плотности.

Первыми корпускулярно-оптич. системами, <к-рые уже отличались от исходных лапласовых систем, были источники сильноточныхэлектронных пучков. В работах И. Ленгмюра (I. Langmuir), К. Д. Чайлда (С.D. Child), Дж. Пирса (J. R. Pierce) были подробно разработаны основы оптикипучков частиц с объёмным зарядом и установлен закон "3/2" (Чайлда - Ленгмюра),в к-ром в корпускулярную оптику был введён "плазменный" масштаб - дебаевскийрадиус (см. Ленгмюра формула). Именно такого порядка оказалось расстояниемежду электродами в диоде Ленгмюра. В 1947 О. Шерцер (О. Scherzer) впервыепредпринял попытки использовать объёмный заряд пучка для ослабления сферич. <аберрации.

В работах Г. В. Спивака с сотрудниками(1946 - 49) обнаруживается и систематически исследуется фокусировка магн. <линзой направл. потока электронов, эмитированных катодом ртутной дуги. <Эти работы были первой успешной демонстрацией фокусировки погружённогов плазму пучка частиц и по сути были предшественниками целого ряда последующихразработок, в т. ч. по транспортировке релятивистских электронных пучков(РЭП) и мощных ионных пучков в остаточном газе.

В 40-х гг. был разработан промышленныйэл.-магн. способ разделения изотопов урана (см. Изотопов разделение). Для этой цели нужно было иметь сильноточные ионные пучки с достаточновысокими оптич. характеристиками (малым фазовым объёмом). В качестве фокусирующейсистемы использовалось квазиоднородное поперечное магн. поле. В таком сепаратореобъёмный заряд быстрых ионов практически компенсирован холодными электронами, <возникающими при столкновении ионов с атомами остаточного газа. Образующиесяпри этом медленные ионы выталкиваются небольшим положит. зарядом пучкана стенки камеры. Т. о., здесь реализуется также и газовая фокусировка, <для к-рой требуется некое оптимальное давление в камере.

В 1945 - 47 Д. Табором [l] была сформулированаидея и сделана попытка реализации т. н. линзы с объёмным зарядом (рис.1). В объём квазиоднородного магн. поля впрыскиваются электроны из катода. <Для предотвращения ухода электронов из рабочей области магн. поле имеетпробки (см. Открытые ловушки). Поскольку напряжённость магн. поляотносительно мала и выбирается только для удержания электронов, фокусировкаионов в линзе Габора осуществляется объёмным зарядом электронов, плотностьк-рых предполагалась много больше плотности ионов ( п _е п _i). Если плотность электронов постоянная в объёме линзы, <а этого специально добивались, то напряжённость электрич. поля E_rr и линза не должна создавать аберраций (если можно пренебречь концевымиэффектами). Электроны плазмы за счёт своей большой подвижности и подверженностицеустойчивостям имеют тенденцию выравнивать потенциал вдоль магн. силовыхлиний произвольной конфигурации (свойство "эквипотенциализации" магн. силовыхлиний, см. [2]). Это свойство не зависит от того, является система квазинейтральной( п _i п _е )илинет. Если электронная темп-pa Т _е 0,условия эквппотенциализации можно записать в виде

где - "номер" магн. силовой линии. Варьируя конфигурацию магн. силовых линий, <можно создавать произвольный потенциальный рельеф в системе, т. к. каждаясиловая линия магн. поля превращается в своеобразный "прозрачный электрод",на к-рый можно подать своп потенциал (подробнее см. ниже). Этим был указанпуть к построению множества П. с., к-рые включают в себя как частный случайсхему Габора и в то же время естественно примыкают к классич. корпускулярнойоптике.

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

Системы, основанные не на ур-нии Лапласа(1), а на условии (2), наз. "собственно П. с.". Наряду с ними продолжаетсяпоиск новых типов П. с. Среди них следует отметить z -пинчи, в к-рыхприосевая зона используется для фокусировки и транспортировки РЭП и сильноточныхионных пучков. Развиваются плазмодинамич. системы, в к-рых осуществляетсяфокусировка и сепарация не внешних "прострельных" частиц, а частиц самогоплазменного объёма. К ним относятся магнитоплазменные компрессоры, плазменныецентрифуги и др., но они уже не являются П. с.

Электростатические поля в плазме. Условие(2), обеспечивающее эквипотенциализацию магн. силовых линий, наглядно выводитсяиз ур-ния движения электронной компоненты плазмы (в гидродинамич. приближении, <см. Двухжидкостная гидродинамика плазмы):

Здесь - время упругих электрон-ионных столкновений,- приведённая масса, m_i, т _е - массыионов и электронов.

Если электроны плазмы достаточно хорошоудерживаются в П. с., то их скорости, как правило, малы и в (3) можно пренебречьпнерциальным членом (слева). Если к тому же невелика плотность тока (j'10 А/см ²), то мал и диссипативный член в (3). В результате при Т _е=const получаем фундаментальное для собственно П. с. ур-ние

Здесь п ₀ - произвольнаяпостоянная. Отсюда, в частности, следует, что вдоль магн. силовых линий( = const) сохраняетсят. н. термализованный потенциал

к-рый представляет собой прологарифмиров. <распределение Больцмана с учётом того, что каждая магн. трубка имеет свойхарактерный потенциал.

Из (5) при Т _е 0следует т. е. условие эквипотенциальности магн. силовых линий (2). Системы, в к-рыхроль члена kT_ee^-1ln(n_e/n₀ )вур-нии (4) мала, иногда наз. лоренцевыми системами. Системы, в к-рых наз. неизотермическими. Система Д. Габора относится к лоренцевым системам. <Неизотермич. П. с. пока практически не разработаны и т. о. "собственноП. с." - это лоренцевы системы. Фиксация потенциала магн. силовых линий[точнее ]может осуществляться либо "внешним" образом с помощью системы достаточнобольшого числа внеш. электродов, способных к электронной эмиссии, к-рыепересекают магн. силовые линии, либо "внутренним" - за счёт объёмной и пристеночнойпроводимости. В большинстве "собственно П. с." магн. поле можно считатьзаданным. Если к тому же задан термалпзов. потенциал а Т _е бесконечно мало, то расчёт П. с. сводится к расчётутраектории ионов:

в заданных внеш. полях. Если Т _е конечна, расчёт "собственно П. с." сводится к решению системы двухур-ний: ур-ния Пуассона

и ур-ния Власова для ф-ции распределенияионов f_i, т. к.В реальных условиях эта задача, как правило, решается методом последоват. <приближений. Из ур-нпя (4) следует постоянство термалпзов. потенциала нетолько вдоль магн. силовых линий, но и вдоль линий дрейфа электронов. Отсюдавытекает условие "автономности" плазменной конфигурации: чтобы при фиксациипотенциалов магн. трубок с помощью электродов не происходил явный обменэлектронами между электродами и плазменным объёмом П. с., необходимо визотермич. случае ( Т _е =const) постоянство на магн. поверхностях с постоянной "пагруженностью" w:

где

Здесь dl - элемент дуги магн. силовойлинии, вдоль к-рой ведётся интегрирование. Простейший способ реализации"автономных" П. с. - использование осесиммет-ричных конфигураций с полоидальнымиэлектрич. и магн. полями.

В ряде случаев, напр. при создании плазменныхускорителей и рекуператоров ("тормозителей") ионных пучков, удобно использоватьмагнитоэлектрич. слои толщиной порядка электронного ларморовского радиуса. <Такие слои хорошо известны и как основа "магнитной изоляции". Очевидно, <они войдут в изложенную выше схему, если сохранить в (3) инерциальный член.

П. с. е эквипотенциальными магнитнымисиловыми линиями. Используя явление эквипотенциализации магн. силовыхлиний с теми или иными способами фиксации можно создать самые разл. плазменные конфигурации, применяемые при решениине только задач плазмооптики, но и др. задач, в т. ч. проблемы УТС. Нарис. 2 приведены схемы основных типов таких устройств. Здесь штриховымилиниями изображены магн. силовые линии, а примыкающими к ним сплошными- линии равных потенциалов. Схемы даны для случая когда На рис. 2 (а) представлена схема полей в ускорителе ионов; последние воблаке электронов, формирующих электрич. поле и компенсирующих в той илииной степени объёмный заряд ускоряемых ионов, движутся от более высокогопотенциала Ф ₁ в область меньшего потенциала Ф ₂.При этом магн. поле слабое и служит в основном для замагничивания электронови слабо влияет на динамику ионов. Эта схема реализована в ряде плазменныхускорителей, в т. ч. в стационарных плазменных электрореактивных двигателях. <На рис. 2 ( б )представлена схема полей в рекуператоре, в к-ром потокпервоначально энергичных ионов тормозится, отдавая энергию в электрич. <цепь. Собственно фокусирующие системы - в виде схемы "плазменной линзы"- представлены на рис. 2 ( в). Эта схема характерна не только дляфокусирующих и дефокусирующих систем, но и для энерго-массанализаторовразл. мощностей, систем транспортировки ионов и др. На рис. 2 (г) изображенасхема магнитоэлектрич. ловушки, в к-рой электроны удерживаются магнитным, <а ионы - преимущественно электрич. полем. Все указанные схемы в тех илииных модификациях изучаются экспериментально.

Рис. 2. Магнитоэлектрические плазменныеустройства: а - ускорители компенсированных ионных потоков (КИП); б - рекуператоры энергии КИП; в - плазменная линза для фокусировкиКИП; г - магнитоэлектрические плазменные ловушки; штриховые линии- магнитные силовые линии; сплошные линии - эквипотенциалы.

Плазменные линзы. Среди собственноП. с. получили распространение (не считая плазменных ускорителей) осесимметричные"плазменные линзы" (рис. 2, в). Наиб. высокие оптич. характеристикиэтих линз (минимум аберраций) были получены в двух режимах: в "квазидебаевском"("габоровском") и в "режиме с внешним разрядом".

В квазидебаевском режиме диаметр отверстиялинзы d выбирается меньше дебаевского радиуса экранирования дляионов но много больше дебаевского радиуса экранирования для электронов

Осн. достоинством квазидебаевского режимаявляется его устойчивость, что позволяет работать с неэмитирующими электродами. <Этот режим устойчив при плотностях тока ионов до неск. десятков мА/см ².При плотностях, существенно выше определяемых условием (6), в таких линзахобычно развиваются конвективные неустойчивости.

Режим с внешним разрядом также может бытьреализован в геометрии, близкой к схеме Га-бора (рис. 1), но по концамцилиндрич. промежутка располагаются два электрода, между к-рыми в продольноммагн. поле зажигается Пеннинга разряд, к-рый тщательным подборомпараметров делают малошумящим. Если в квазидебаевском режиме в плазменномобъёме находятся (в идеале) только фокусируемые ионы, то во втором случаефокусируемые ионы находятся в разрядной плазме и составляют малую частьобщего числа ионов.

Экспериментально плазменная линза в квазидебаевскомрежиме с электронами, образующимися за счёт вторичной ионно-электроннойэмиссии, впервые была подробно изучена в работе [3] на установке (рис.3), на к-рой исследовалась фокусировка ионов с энергией до 10 кэВ и токомдо 10 мА.

Рис. 3. Схема экспериментальной плазменнойлинзы для фокусирования ионного пучка: 1 - магнитопровод;2 - катушка магнитного поля; 3 - электроды-фиксаторы; . -цилиндр - источник вторичных электронов; 5 - диафрагма; 6 - ионныйисточник.

Напряжённость магн. поля была ~100200Э. На рис. 4 даны схемы распределения магн. силовых линий (штрих) и эквипотенциалов. <Было показано, что в отличие от лаплассовой электростатич. линзы, у к-ройфокусные расстояния в плазменной линзе в соответствии с теорией F _пл ~Плазменной линзой удалось сфокусировать квазинейтральный пучок ионов; причёмлинзу можно было делать как собирающей, так и рассеивающей, а фокусноерасстояние Г _пл при было существенно меньше Более того, подавая на электроды соответствующее распределение потенциалов, <можно было так подобрать чтобы устранить сферич. аберрацию.

Рис. 4. Схемы тонких линз: а - магнитной; б - электростатической вакуумной; в- электростатическойплам-менной; 1 - источник ионов; 2 - линза;3 - приёмныйэкран; 4 - пучок. Штриховые линии - магнитные силовые линии, сплошные- эквипотенциалы.

Интенсивные исследования и разработки плазменных(габоровских) линз начались за рубежом в сер. 70-х гг. Особенно эффективнымитакие линзы оказались для фокусировки тяжёлых ионов с энергией ~1 МэВ, <для к-рых ранее использовались громоздкие квадрупольные линзы. Были созданыплазменные линзы уникальных параметров [5], к-рые могли фокусировать пучокионов с энергией 4 МэВ в фокальное пятно размером ~10 мкм.

Лит.:1) Gabor D., A space-chargelens for the focusing of ion beams, "Nature", 1947, v. 60, p. 89; 2) MорозовА. И., Фокусировка холодных квазинейтральных пучков в электромагнитныхполях, "ДАН СССР", 1965, т. 163, № 6, с. 1363; 3) Жуков В. В., МорозовА. И., Щепкин Г. Я., Экспериментальное исследование плазменной фокусировкиионных пучков, в кн.: Физика и применение плазменных ускорителей, Минск,1974; 4) Морозов А. И., Лебедев С. В., Плазмо-оптика, в сб.: Вопросы теорииплазмы, в. 8, М., 1974; 5) Lеfevre H. W. и др., Can an electron plasmalens produce sub-micrometer size focal spots of Me Vions, "Nucl. Instr.and Melh. Phys. Research", 1985, v. В 10/11, pt 2, p. 707.

А. И. Морозов