Экспериментальное исследование автоэмиссионного способа получения пучков высокозарядных ионов

Проведены эксперименты по генерации ионных пучков при подаче импульсного напряжения +300…400 кВ длительностью 50 нс на блок острийных эмиттеров из алюминия. Измерения, проведенные с использованием трековых детекторов, времяпролетного и магнитного анализаторов, показали, что пучки в основном состоят...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Иванов, Б.И., Прищепов, В.П.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2012
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Элементы ускорителей
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108661
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Экспериментальное исследование автоэмиссионного способа получения пучков высокозарядных ионов / Б.И. Иванов, В.П. Прищепов // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 3. — С. 34-38. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-108661
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1086612016-11-14T03:02:31Z Экспериментальное исследование автоэмиссионного способа получения пучков высокозарядных ионов Иванов, Б.И. Прищепов, В.П. Элементы ускорителей Проведены эксперименты по генерации ионных пучков при подаче импульсного напряжения +300…400 кВ длительностью 50 нс на блок острийных эмиттеров из алюминия. Измерения, проведенные с использованием трековых детекторов, времяпролетного и магнитного анализаторов, показали, что пучки в основном состоят из ионов алюминия с зарядом Z = 8±1 и током 30…200 А; генерация высокозарядных ионов связана с автоэмиссией ионов из эмиттеров при значительной напряженности электрического поля (Е ~ 10⁹ В/см). Some experiments for ion beams generation were fulfilled in case of feeding the pulse voltage of +300…400 kV 50 ns to a block of aluminum knife-edge emitters. The measurements performed with using of track detectors, time-of- flight mass spectrometer, and magnetic spectrometer were shown that the ion beams largely consist of highcharge aluminum ions (Z = 8±1) and currents 30…200 A; generation of high-charge ions is connected with the field emission of the ions out of the emitters at the considerable electric field strength (E ~ 10⁹ V/cm). Проведені експерименти по генерації іонних пучків при подачі імпульсної напруги +300…400 кВ тривалістю 50 нс на блок острійних емітерів з алюмінію. Виміри, проведені з використанням трекових детекторів, часпролітного і магнітного аналізаторів, показали, що пучки в основному складаються з високозарядних іонів алюмінію з Z = 8±1 і струмом 30…200 А; генерація високозарядних іонів пов’язана з автоемісією іонів з емітерів при значній напруженості електричного поля (Е ~ 10⁹ В/см). 2012 Article Экспериментальное исследование автоэмиссионного способа получения пучков высокозарядных ионов / Б.И. Иванов, В.П. Прищепов // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 3. — С. 34-38. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108661 533.9 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Элементы ускорителей Элементы ускорителей
spellingShingle	Элементы ускорителей Элементы ускорителей Иванов, Б.И. Прищепов, В.П. Экспериментальное исследование автоэмиссионного способа получения пучков высокозарядных ионов Вопросы атомной науки и техники
description	Проведены эксперименты по генерации ионных пучков при подаче импульсного напряжения +300…400 кВ длительностью 50 нс на блок острийных эмиттеров из алюминия. Измерения, проведенные с использованием трековых детекторов, времяпролетного и магнитного анализаторов, показали, что пучки в основном состоят из ионов алюминия с зарядом Z = 8±1 и током 30…200 А; генерация высокозарядных ионов связана с автоэмиссией ионов из эмиттеров при значительной напряженности электрического поля (Е ~ 10⁹ В/см).
format	Article
author	Иванов, Б.И. Прищепов, В.П.
author_facet	Иванов, Б.И. Прищепов, В.П.
author_sort	Иванов, Б.И.
title	Экспериментальное исследование автоэмиссионного способа получения пучков высокозарядных ионов
title_short	Экспериментальное исследование автоэмиссионного способа получения пучков высокозарядных ионов
title_full	Экспериментальное исследование автоэмиссионного способа получения пучков высокозарядных ионов
title_fullStr	Экспериментальное исследование автоэмиссионного способа получения пучков высокозарядных ионов
title_full_unstemmed	Экспериментальное исследование автоэмиссионного способа получения пучков высокозарядных ионов
title_sort	экспериментальное исследование автоэмиссионного способа получения пучков высокозарядных ионов
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Элементы ускорителей
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108661
citation_txt	Экспериментальное исследование автоэмиссионного способа получения пучков высокозарядных ионов / Б.И. Иванов, В.П. Прищепов // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 3. — С. 34-38. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT ivanovbi éksperimentalʹnoeissledovanieavtoémissionnogosposobapolučeniâpučkovvysokozarâdnyhionov AT priŝepovvp éksperimentalʹnoeissledovanieavtoémissionnogosposobapolučeniâpučkovvysokozarâdnyhionov
first_indexed	2025-07-07T21:53:26Z
last_indexed	2025-07-07T21:53:26Z
_version_	1837026726079627264
fulltext	ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 34 УДК 533.9 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОЭМИССИОННОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКОВ ВЫСОКОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ Б.И. Иванов, В.П. Прищепов Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина E-mail: ivanovbi@kipt.kharkov.ua Проведены эксперименты по генерации ионных пучков при подаче импульсного напряжения +300…400 кВ длительностью 50 нс на блок острийных эмиттеров из алюминия. Измерения, проведенные с использованием трековых детекторов, времяпролетного и магнитного анализаторов, показали, что пучки в основном состоят из ионов алюминия с зарядом Z = 8±1 и током 30…200 А; генерация высокозарядных ионов связана с автоэмиссией ионов из эмиттеров при значительной напряженности электрического поля (Е ∼ 109 В/см). 1. ВВЕДЕНИЕ В данной работе экспериментально исследуется возможность получения импульсных пучков высоко- зарядных ионов (ВЗИ) путем полевого испарения (автоэмиссии) ионных эмиттеров. С этой целью соз- дана установка, в которой при вакууме <10-6 Торр к блоку специально приготовленных ионных эмитте- ров прикладывается импульс амплитудой U = +300…400 кВ, длительностью t ~ 10-8…10-7 с. Найдены условия работы, при которых эмиттеры стабильно генерируют ВЗИ с током I ~ 10…100 А длительностью t ~ 10-8 с. На уровне микротоков (I ~ 10-10…10-7 А, U = 30…50 кВ, Е~108 В/см) вопросы полевого испа- рения и десорбции ионов исследуются в автоионной микроскопии [1,2]. В частности, там отмечено, что в некоторых случаях наблюдалось полевое испарение такого металла как вольфрам в виде четырехкратно заряженных ионов со скоростью до 3⋅109 атомных слоев в секунду (см. [1], с.350). Ранее возможность получения импульсных ин- тенсивных ионных пучков посредством испарения или десорбции ионов с поверхности металла под действием сильного (Е ∼ 108…109 В/см) электриче- ского поля исследовалась нами в [3, 4]. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Внешний вид экспериментального стенда пред- ставлен на Рис.1. Рис.1. Внешний вид установки Стенд состоит из экспериментальной камеры (Рис.1, слева) и генератора импульсного напряжения (ГИН) (Рис.1, справа). ГИН представляет собой 30- каскадный генератор типа Аркадьева-Маркса, соб- ранный на малоиндуктивных керамических конден- саторах типа К15-10 (4700 пФ, 50 кВ). ГИН поме- щен в толстостенную изолирующую трубу, которая, в свою очередь, расположена в металлической тру- бе, герметично закрытой на торцах. Длина этой конструкции 3 м, диаметр 40 см. Разрядники ГИНа воздушные, продуваемые под давлением; первый разрядник – тригатронного типа, позволяющий включать ГИН от запускающего устройства. Высо- ковольтный конец ГИНа нагружен на согласованное сопротивление 170 Ом. Испытания ГИНа дали следующие результаты: ГИН может генерировать импульсы положительной полярности амплитудой около 400 кВ, мощностью 109 Вт, длительностью 50 нс на полувысоте. Относи- тельный разброс импульсов по амплитуде и форме ∼1 %. Амплитуда импульсов может плавно регулиро- ваться в пределах 300…400 В путем изменения дав- ления воздуха в ГИНе. Напряжение зарядки ступеней 25…30 кВ, частота посылок в рабочем режиме 1 раз в 3 с, в форсированном режиме – до 1 Гц. Для повыше- ния стабильности запуска ГИНа в первых каскадах применены емкости связи из двух последовательно соединенных конденсаторов К15-4 (470 пФ, 30 кВ). Ионные пучки формировались в высоковольтном ускоряющем диоде, анод которого представлял собой блок острийных ионных эмиттеров «ножевого» типа, а катод – сетку с прозрачностью около 80 %. Иссле- довались плоский диод, коаксиальный диод со схо- дящимся на ось ионным пучком и диод со сфериче- ской фокусировкой. Основные измерения были про- ведены с плоским диодом (Рис.2). Высоковольтное напряжение положительной полярности вводилось в камеру источника через проходной фарфоровый изолятор длиной 100 см. В камере были размещены емкостной датчик напряжения и быстродействующий пояс Роговского. На конце высоковольтного ввода размещался блок эмиттеров. Далее по оси системы был расположен вытягивающий ионы электрод-сетка. Расстояние между блоком эмиттеров и сеткой могло изменяться без нарушения вакуума. ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 35 Рис.2. Схема плоского ионного диода: 1 − коакси- альный коллектор; 2 − катушки магнитного поля; 3 − вытягивающая сетка; 4 − камера источника; 5 − блок эмиттеров; 6 − изолятор; 7 − пояс Роговского; 8 − емкостной делитель; 9 − ГИН Для того, чтобы подавить электронную состав- ляющую тока в ускоряющем зазоре предусмотрено введение поперечного магнитного поля с напряжен- ностью до 5 кЭ, создаваемого парой импульсных магнитных катушек 2. Ток ионного пучка, созданный в зазоре, регистрируется коаксиальным коллектором 1. Положение коллектора в пространстве может изменяться без нарушения вакуума, что использует- ся для измерения энергии ионов по времени проле- та. В рассматриваемом способе одним из сложных является вопрос приготовления большого количест- ва эффективно работающих эмиттеров. В данной работе применены полосковые эмиттеры из алюми- ния, ввиду их эффективности и хорошей воспроиз- водимости получаемых результатов. Для диагности- ки импульсных ионных пучков использовались времяпролетный и магнитный анализаторы, а также поглощающие фольги. Развита методика определе- ния параметров ионных пучков с помощью пласти- ковых трековых детекторов, которые применялись как в режиме регистрации отдельных ионов, так и в интегральном режиме. Использовались образцы из нитрата целлюлозы, которые после экспозиции ис- следуемым пучком ионов протравливались в щело- чи. Полученные треки ионов (в виде лунок) наблю- дались и фотографировались в электронном микро- скопе (Рис.3). Разработан способ определения сред- него заряда ионов в пучке по отношению плотности тока к плотности потока исследуемых ионов. Рис.3. Треки ионов на поверхности нитрата целлюлозы Схема, позволяющая производить одновремен- ные измерения указанных выше величин, представ- лена на Рис.4. Ионный пучок 3 создавался в плоском диоде, состоящем из блока эмиттеров 1 и сетки 2. Плотность ионного тока определялась с помощью экранированного коаксиального коллектора 4, сиг- нал с которого посредством СВЧ-кабеля 13 пода- вался на осциллограф. Однородность ионного пучка в области входного отверстия коллектора проверялась путем экспони- рования и обработки образца нитрата целлюлозы 10, который ставился под пучок и убирался с помощью держателя 11 и оси вращения 12. Рис.4. Схема определения среднего заряда ионов в пучке Незначительная часть ионного пучка через малое отверстие в дне коллектора 5 выпускалась и направ- лялась на образец нитрата целлюлозы 6. Условия экспозиции образца 6 подбирались таким образом, чтобы треки ионов не перекрывались (∼108 тре- ков/см2). Держатель образца 7, направляющая 8 и вакуумный шлюз 9 позволяли заменять образцы без нарушения вакуума в установке. После облучения ионами и обработки образца щелочью среднее ко- личество треков на единице площади подсчитыва- лось с использованием электронного микроскопа. Образцы нитрата целлюлозы применялись также в интегральном режиме в качестве регистрирующе- го материала, чувствительного к быстрым ионам (но не чувствительного к свету и электронам), при ис- пользовании в магнитном анализаторе и в ионной камере-обскуре. 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИВНЫХ ПУЧКОВ ВЫСОКОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ Наиболее подробно изучен режим работы с пло- ским диодом с эмиттерами из алюминия. В нор- мальных рабочих условиях на согласованное сопро- тивление 170 Ом ГИН давал импульсы положитель- ной полярности амплитудой U = 400 кВ, длительно- стью (на полувысоте) 50 нс, разбросом параметров импульсов ∼1 %. При необходимости в ускоряющем зазоре создавалось поперечное магнитное поле на- пряженностью до 3 кЭ. При подаче напряжения на блок эмиттеров были получены импульсы ионного тока до I = 30 А, дли- тельностью 20 нс, с плотностью тока (усредненной по всей площади, занимаемой эмиттерами) до 2 А/см2. Ток измерялся подвижным коллектором коаксиального типа, который посредством СВЧ- кабеля соединялся с пластинами скоростного осцил- лографа. При расположении коллектора сразу же за вытягивающей сеткой максимум тока соответство- вал по времени максимуму напряжения, что было установлено при одновременной записи этих сигна- лов на двухлучевом осциллографе. Длительность импульса тока примерно вдвое короче импульса ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 36 напряжения (по времени импульс тока совпадает с верхней половиной импульса напряжения), что ука- зывает на сильную зависимость тока от напряжения и является свидетельством в пользу автоэмиссион- ного происхождения ионов. Следует также отметить очень большой первеанс данного источника ионов: Р = 0,14 мкА/В3/2, в то время как почти предельным первеансом для ионов считается Р = 0,1 мкА/В3/2 .[6]. При таком первеансе существенно влияние про- странственного заряда. На Рис.5 представлены три осциллограммы им- пульсов напряжения с емкостного делителя (слева) и ионного тока на коллектор (справа), полученные в однолучевом осциллографе И2-7 (совмещение двух импульсов на одной развертке достигается схемой из двух кабельных задержек, тройника и согласо- ванных аттенюаторов). Рис.5. Осциллограммы импульсов напряжения (слева) и тока (справа) Эти осциллограммы получены для трех положе- ний коллектора (I, II, III – по мере увеличения дли- ны пролета). При увеличении пролетного расстоя- ния (ΔL) наблюдаются: уменьшение тока на коллек- тор (за счет углового расхождения пучка), время- пролетная задержка (Δτ) и деформация токового импульса. На Рис.6 представлены зависимости Δτ (времяпролетная задержка максимума тока) от ΔL, полученные в результате обработки большого коли- чества (∼102) подобных осциллограмм. Как следует из измерений, основную часть ионов составляют ВЗИ со скоростью перемещения максимума распре- деления 5,7⋅108 см/с, что при U = 400 кВ соответст- вует отношению заряда к массе Z/A ≈ 0,4 (±20 %). Кроме того, имеется еще группа ионов (≈10 % от общего количества) со скоростью 1,7⋅108 см/с, что при U = 400 кВ соответствует Z/A = 1/27 (ионы Al+). Рис.6. Времяпролетные измерения Более точные измерения состава пучка были по- лучены с применением магнитного анализатора с нитратом целлюлозы в качестве регистрирующего материала. Обнаружены три группы ионов: боль- шую часть составляют ионы с отношением заряда к массе Z/A = 0,35 (±15 %); кроме того, есть ионы Al+ и Н+. На Рис.7 представлена величина отклонения (δ) этих групп ионов в зависимости от отношения заряда к массе и напряженности магнитного поля Н (при этом для Al+ и Н+ сплошными линиями нанесе- ны расчетные зависимости). Рис.7. Измерение Z/A магнитным анализатором Для определения среднего заряда ионов в пучке применен метод одновременного измерения средне- го количества треков на единице площади и инте- грала плотности тока, соответствующего высокоза- рядным ионам (см. раздел 2, Рис.4). Средний заряд определялся из их соотношения. Следует отметить, что треки, производимые ВЗИ, в основном одинако- вы по форме и величине (см. Рис.3). В калибровоч- ных измерениях регистрировались треки от прото- нов 400 кэВ, получаемых от отдельного источника; при этом было установлено, что при прочих равных условиях треки от протонов существенно меньше, чем от исследуемых ионов. В экспериментах по измерению среднего заряда <Z> треков от протонов было значительно меньше, чем треков от ВЗИ. В результате этих измерений, с учетом того, что около 10% тока переносится ионами Al+ и Н+, получено Z = 8 (±20 %). Все приведенные выше данные с учетом погрешностей измерений могут быть согла- сованы, если считать, что исследуемый пучок в основном состоит из ВЗИ алюминия (А = 27) со средним зарядом Z = 8±1. Следует отметить, что в экспериментальном стенде было предусмотрено смотровое окошко на- против промежутка между блоком эмиттеров и вы- тягивающей сеткой (см. Рис.2, поз. 3 и 5). В резуль- тате визуального наблюдения установлено, что при вакууме 10-6 Торр, правильном подборе параметров, предварительной тренировке системы в момент подачи импульса напряжения 300…400 кВ и авто- эмиссии ионного тока нет ни пробоя диодного про- межутка, ни образования плазмы на эмиттерах. Были измерены некоторые другие характеристи- ки пучка ионов. Однородность пучка по сечению была проверена путем экспонирования им образца нитрата целлюлозы. Степень однородности эмиссии блока эмиттеров была проверена путем его изобра- жения в «ионных лучах» с использованием ионной камеры-обскуры с нитратом целлюлозы в качестве регистрирующего материала. Из этих же измерений определена расходимость пучка, которая в данном случае составила ≈ 4°. ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 37 Для получения более мощных пучков ВЗИ был собран коаксиальный диод с радиально-сходящимся потоком ионов. В этой сборке все основные пара- метры были сохранены такими же, как и в плоском диоде, а количество эмиттеров и занимаемая ими площадь увеличены на порядок. В этом случае по- лучен ток ВЗИ до 200 А при импульсной мощности пучка около 80 мегаватт. 4. ОПТИМИЗАЦИЯ АВТОЭМИССИОННОГО ИСТОЧНИКА Оптимизация блока эмиттеров состояла в опре- делении оптимальной (по току ВЗИ) высоты эмит- теров и оптимального расстояния между эмиттера- ми. Алюминиевые эмиттеры представляли собой полоски длиной 40 мм, располагаемые параллельно на расстоянии Δ. Эмиттеры и прокладки собирались и стягивались в один пакет, причем эмиттеры выступали над про- кладками на высоту h. Высота h варьировалась в наших экспериментах от 1 до 4 мм (в случае h = 5 мм при подаче напряжения на эмиттеры, они поврежда- лись). Как видно из Рис.8, в указанных пределах ионный ток I растет линейно с ростом h. Рис.8 При оптимизации расстояния между эмиттерами Δ установлено, что при больших Δ суммарный ток пропорционален плотности расположения эмитте- ров и, следовательно, обратно пропорционален Δ. При уменьшении Δ, когда становится ощутимым взаимное экранирование эмиттеров, суммарный ток уменьшается, несмотря на то, что количество эмит- теров на единицу длины увеличивается. Это иллю- стрируется экспериментальной зависимостью на Рис.9, откуда видно, что ионный ток с блока эмит- теров (площадью 40×40 мм) достигает максимума при Δ = 2 мм (при количестве эмиттеров 20 шт., длине каждого эмиттера 40 мм). Рис.9 Далее на Рис.10 представлена зависимость отно- сительной величины тока ВЗИ для плоского ионно- го автоэмиссионного диода (I/I0, I0=40 А) от межэ- лектродного расстояния (d), т.е. от расстояния меж- ду эмиттерами и вытягивающей сеткой. Рис.10 Черными кружками отмечена кривая, получен- ная при наличии в диодном промежутке поперечно- го магнитного поля напряженностью 3 кЭ, созда- ваемого специальными катушками (см. их изобра- жение на Рис.2, поз.2). Белыми кружками отмечена кривая, полученная в отсутствие магнитного поля. Видно, что при наличии поперечного магнитного поля рост тока ВЗИ прекращается при меньших значениях d. Оптимальная величина d подбирается экспериментально по максимуму тока ВЗИ и лежит в интервале d = 9…14 мм при U = 350…400 кВ. Кроме плоского и цилиндрического диодов было также проведено исследование диода со сфериче- ской фокусировкой. Для пучка ионов Al (+8) с энер- гией Wi= U⋅Z = 0,4⋅8 = 3,2 МэВ, током 30…40 А, диаметром около 4 см, отношением заряда к массе Z/A ≈ 0,3 существенно влияние пространственного заряда. Чтобы пропустить такой пучок через отвер- стие диаметром меньше начального диаметра пучка, его следует сфокусировать. Для решения этой зада- чи произведен расчет диода со сферической фоку- сировкой с использованием известных формул [5]. На основании этих расчетов был изготовлен соот- ветствующий диод с алюминиевыми полосковыми эмиттерами. Экспериментально найдено, что при напряжении 400 кВ, 50 нс, диодном промежутке 17 мм, кроссовер находится на расстоянии 50 мм от сетки. При этом через диафрагму диаметром 25 мм, расположенную в области кроссовера, проходит ток 32 А с плотностью 6,5 А/см2. Экспериментальные данные по фокусировке пучка согласуются с рас- четными. Кроме того, еще раз подтверждаются пре- дыдущие измерения: заряда основной части ВЗИ (Z = 8±1) и отношения атомного веса к заряду ионов (Z/A ≈ 0,3). ВЫВОДЫ 1. Проведены эксперименты по генерации интен- сивных пучков высокозарядных ионов путем ион- ной полевой эмиссии (автоэмиссии). В работе это осуществлено с использованием блоков эмиттеров (в трех вариантах) в виде металлических лезвий (полосок), в данном случае алюминиевых. Проведе- на оптимизация параметров. При подаче на эмитте- ры импульсного напряжения U (+400 кВ, 50 нс) зарегистрирован ток ВЗИ от 30 до 200 А длительно- стью 20 нс; при этом пробой диодного промежутка, а также образование плазменного слоя вблизи эмит- теров не имели места. Ток в основном состоял из ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 38 ионов Al с зарядом Z = 8±1. Максимум тока совпа- дал с максимумом напряжения; при U<200 кВ ток ВЗИ был пренебрежимо мал. Эти данные, а также вид зависимости тока ВЗИ от высоты эмиттеров и расстояния между эмиттерами (см. Рис.8 и 9) под- тверждают автоэмиссионный механизм генерации ВЗИ. 2. При полученных параметрах пучков ВЗИ су- щественно влияние их пространственного заряда. Так, при работе с плоским блоком эмиттеров пло- щадью 16 см2 усредненная плотность тока ВЗИ дос- тигала 2 А/см2, первеанс пучка составил 0,14 мкА/В3/2, в то время как «почти предельный первеанс» [6], определяемый пространственным зарядом, для таких ионов: 0,05 мкА/В3/2. Далее, при работе с блоком эмиттеров сфериче- ской конфигурации пучок ВЗИ был сжат до кроссо- вера радиусом 13 мм и плотности тока 6,5 А/см2, что соответствует расчетам с учетом пространственного заряда. Также была определена зависимость тока ВЗИ от величины диодного промежутка в случае автоэмиссионного анода и влияния пространствен- ного заряда. 3. Несколькими способами определено, что пуч- ки ВЗИ на 80…90 % состоят из ионов алюминия с Z = 8±1. Как указано в [1] (раздел III.3), полевая эмиссия ионов Al+1 может происходить при напря- женности электрического поля Е ≥ 1,25⋅108 В/см, а ионов Al+2 − при Е ≥ 1,61⋅108 В/см. Очевидно в на- ших экспериментах при импульсном напряжении +400 кВ, 50 нс, в отсутствие пробоев и повреждения эмиттеров, достигаются значительно большие поля (Е∼109 В/см), обеспечивающие полевую эмиссию ионов Al+7…Al+9. В заключение авторы благодарят А.М. Егорова, И.Н. Онищенко, Н.Г. Шулику, И.М. Михайловского за обсуждение результатов этой работы. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Э. Мюллер, Т. Цонь. Автоионная микроскопия. М.: «Металлургия», 1972, с.360. 2. Э.В. Мюллер, Т.Т. Цонг. Полевая ионная микро- скопия, полевая ионизация и полевое испарение. М.: «Наука», 1980, с.221. 3. Б.И. Иванов // Письма в ЖЭТФ. 1974, т.20, с.170. 4. Б.И. Иванов, В.А. Мирошниченко, В.П. Прище- пов // Труды II Симпозиума по коллективным методам ускорения (Дубна, 1976), с.289-291. 5. И.В. Алямовский. Электронные пучки и элек- тронные пушки. М.: «Сов. Радио», 1966, с.38-42. 6. С.И. Молоковский, А.Д. Глушков. Интенсивные электронные и ионные пучки. гл.1. М.: «Энерго- атомиздат», 1991, с.303. Статья поступила в редакцию 28.10.2011 г. EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF FIELD EMISSION METHOD FOR HIGH-CHARGE ION BEAMS GENERATION B.I. Ivanov, V.P. Prishchepov Some experiments for ion beams generation were fulfilled in case of feeding the pulse voltage of +300…400 kV 50 ns to a block of aluminum knife-edge emitters. The measurements performed with using of track detectors, time- of-flight mass spectrometer, and magnetic spectrometer were shown that the ion beams largely consist of high- charge aluminum ions (Z = 8±1) and currents 30…200 A; generation of high-charge ions is connected with the field emission of the ions out of the emitters at the considerable electric field strength (E ∼ 109 V/cm). ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ АВТОЕМІСІЙНОГО СПОСОБУ ОТРИМАННЯ ПУЧКІВ ВИСОКОЗАРЯДНИХ ІОНІВ Б.I. Іванов, В.П. Прищепов Проведені експерименти по генерації іонних пучків при подачі імпульсної напруги +300…400 кВ трива- лістю 50 нс на блок острійних емітерів з алюмінію. Виміри, проведені з використанням трекових детекторів, часпролітного і магнітного аналізаторів, показали, що пучки в основному складаються з високозарядних іонів алюмінію з Z = 8±1 і струмом 30…200 А; генерація високозарядних іонів пов’язана з автоемісією іонів з емітерів при значній напруженості електричного поля (Е ∼ 109 В/см).

Экспериментальное исследование автоэмиссионного способа получения пучков высокозарядных ионов

Institution

Ähnliche Einträge