Исследование физических процессов в плазменной перезарядной мишени тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ



МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИШНКРНО-ФГОКЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

¡ПЕШКОВ Владимир Евгеньевич

ИССЛЕДОВАН!® ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕННОЙ ПЕРЕЗАРЯДНОЙ МИШЕНИ

01.04.(38 - Физика я химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата фазшсо-математических наук

Автор:

Москва - 1991

Работа выполнена в Институте физики твердого тела АН СССР, п.Черноголовка.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.А.Храбров.

Официальные ошононты:

доктор физико-математических наук, профессор Л.В.Леонов,

кандидат физико-математических наук Л.И.Елизаров.

Ведущая организация: Институт физики АН УССР, г.Киев.

Защита состоится ".-/У" 1992 г. на заседании

специализированного Совета КОБЗ.03.08 при Московском ишшнерно--физическом институте по адресу: Москва, 115409, Каширское шоссе, Д.31, тел.324-84-98 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Просим принять участие в работе Совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенном печатью организации.

Автореферат разослан " 199'Гг.

Ученый секретарь специализированного Совета С.Т.Корнилов

Л.-

Подписано к печати^ Заказ Тиран Я О

Типография ШВД, Кашрское шоссе, д.31

-ЧТ-Г!'.,"-"-'" >

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ряд современных направлений науки и техники требуют получения пучков быстрых нейтральных частиц, например, термоядерные исследования, метода активной диагностики плазмы, имплантация диэлектриков, создание накопительных колец, космические исследования. Диапазон требуемых энергий пучков нейтралов для указанных применений простирается от сотен кэВ до сотен НоВ. Получение нейтралов основано на нейтрализации ускоренных положительных или отрицательных ионов в различного рода нейтрализаторах.

Эффективность нейтрализации положительных ионов быстро сливается при энергиях пучка свыше 80 кэВ/нукл, поэтому, высокоэнергетичныа пучки нейтральных частиц оправдано получать лишь нейтрализацией ускоренных отрицательных ионов. Для этой цели могут быть использованы нейтрализаторы: газовые, плазменные, электромагнитные, фотонные, кидкопленачные и на фольгах. Основным элементом конструкции нейтрализатора , во многом определяющем его эффективность, является перезарядная мшень,. в которой быстрые ионы конвертируются в нейтралы.

В последнее время появилась потребность в использовании в космических исследованиях слаборасходящихся пучков атомов водорода с энергией в десятки-сотни МэВ. Наиболее подходящими с практической точки зрения для их получения являются плазменные нейтрализаторы. Среди плазменных нейтрализаторов наиболее перспективны нейтрализаторы с мишенями на основе разряда с полым катодом ( РПК >.

Эффективность нейтрализации отрицательных ионов имеет максимум, который достигается при некоторой оптимальной толщине перезарядной мшени. Существенным моментом является то, что конверсия А" А0 при толщинах мишени вплоть до оптимальной определяется только однократными столкновениями частиц ионного пучка и мшвяя вне зависимости от энергии пучка и рода мишени. Это придает универсальный характер экспериментальным результатам и зависимостям, полученных в условиях однократных столкновений. Разработка и создание высокоэффективных плазменных мишеней

является важной технической задачей. В комплекс проблем физического характера входят вопросы, связанные • с формированием пучков нейтральных частиц,обеспечением их наименьшей расходимости

Целью настоящей работа являлось экспериментальное изучение физических явлений, влияющих на углевую расходимость пучка быстрых атомов водорода ■ при нейтрализации пучка ионов Н~ с энергией 50-180 кэВ в плазменной перезарядной мишени на основе дугового РПК в парах цезия. Исходя из цели работы были поставлены следующие основные задачи : " .

- разработка и создание плазменной перезарядной мишени, систем диагностики и измерений;

- разработка методик исследований;

- исследование нейтрализации пучков ионов Н~ с энергией 50-180 кэВ в плазменной мишени;

- исследование физических механизмов, определяющих угловую расходимость пучка нейтралов при нейтрализации ионов Н~ с анергией 50-180 кеВ в плазменной мишени;

- определение. условий реализации . фокусирующих и дефокусирувдих свойств плазменной мишени.

Научная новизна. Впервые обнаружен и интерпретирован эффект фокусировки пучка нейтральных частиц при обдирке пучка быстрых отрицательных ионов водорода' в стационарной плазменной перезарядной мишени на основе дугового РПК. Для плазменной мишени показана возмохность управления угловой расходимостью пучка нейтралов в процессе их получения.

Выявлен характер зависимости угла неупругого рассеяния пучка быстрых атомов водорода, образующихся при обдирке быстрых отрицательных ионов водорода, от атомного номера газа мишени в условиях однократных столкновений.

Разработана методика определения параметров перезарядных мишеней с помощью пучков ионов Н~, непосредственно используемых для получения быстрых атомов водорода в эксперименте. .

Практическая ценность. Результаты настоящей работы предназначены для " использования в разработке плазменного нейтрализатора'.'инкектора высокоэнергетячных пучков нейтральных частиц для космических исследований. Установленные закономерности могут быть также использованы при разработке и исследовании

различных плазменных систем на основа РНК.

Автор защищает:

1) результаты экспериментального изучения, физических процессов, влияющих на угловую расходимость пучка атомов водорода при нейтрализации ионов Н~ с энергией 50-180 кэВ в стационарной плазменной перезарядной мишени на основе дугового разряда низкого давления о полым катодом в парах цезия;

2) методику зондирования плазменной перезарядной мшени с помощью пучков отрицательных ионов водорода;

3) результата экспериментального исследования неупругого рассеяния на малые углы при потеро электрона ионами Н~ с . энергией 50-100 к&В в атомаршх газовых мишенях.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 8-оЯ (..Ленинград, 1981 ),9-ой ( Рига,1984 ),Ю-ой ( Ужгород,1988 ) Всесоюзных конференциях по физике электронных и атомных столкновений; 7-ом (1982), 10-ом (1991) Всесоюзных совещаниях по электростатическим ускорителям ( Обнинск ); Б-ом ( 1983 ), 7-ом ( 1987 ), 8-ом ( 1988 ), Э-ом ( 1989 ), 11-ом ( 1991 ) Всесоюзных семинарах по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков ( Ккев ); 7-ой Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям и ионным инжекторам ( Харьков,1989 ); 8-ой Всесоюзной школе по физике электронных и атомных столкновений ( Сочи,1990 ).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в научных статьях и докладах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заклвчения и описка цитируемой литературы. Она содержит 150 страниц, включая 52 рисунка и библиографию из НО наименований.

СОДЕЙШШЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность изучения физических явлений в плазменных нейтрализаторах; сформулированы цель I задачи работы; изложена структура диссертации и основные

положения, выносимые на защиту.

Далее, в диссертации рассмотреш проблемы, связанные с нейтрализацией высокоэнергетичных пучков отрицательных ионов. На основе подробного анализа различных типов нейтрализаторов ( газовых, плазменных, фотонных, электромагнитных, кидкопленочных и на фольгах ) был сделан вывод, что в настоящее время наилучшим вариантом при разработке нейтрализатора для получения пучков атомов водорода с энергией в десятки-сотни МэВ может служить плазменный нейтрализатор на основе дугового РПК. Большое внимание было уделено рассмотрению вопросов, связанных с угловой расходимостью пучка нейтралов после перезарядной кшшени. Отмечено, что недостаточность сведений о воздействии плазменных перезарядных мишеней на угловые характеристики получаемого пучка нейтральных частиц и экспериментальных исследований процессов в них определили постановку задач настоящей работы.

В работе приведено описание экспериментальная установки для изучения процессов получения и формирования пучков нейтральных частиц в плазменной мишени. Стационарные пучки ионов Н^Н^С^и 0+ с энергией 50-180 кэВ получались с помощью ускорителя прямого действия УПД-200. Магнитный анализатор выделял нужный сорт ионов и направлял их в камеру перезарядной мииени. Перед прохождением мишени пучок коллимировался. Диаметр пучка составлял 1-3 мм, рабочий диапазон плотности тока- 0,01-1 мкА/см2.После прохождения мишени зарядовые компоненты смешанного ион-нейтралыюго пучка выделялись с помощью электростатического сепаратора и измерялись цилиндрами Фарадея. Для измерения угловых характеристик пучков частиц в экспериментах использовалось сканирующее устройство с детектором вторично-электронной эмиссии (ВЭУ), с помощью которого снималось распределение плотности тока пучков ионов и нейтралов по диаметральному сечению на расстоянии ь. = 1555 мм от перезарядной мгааени по ходу пучка.

Плазменная перезарядная мишень была образована плазмой дугового разряда с пошл катодом при давлении паров цезия Ю_2-10-1Тор. Основным элементом конструкции плазменной мишени являлся газоразрядный ионизатор рабочего вещества, состоящего из полого катода и двух симметрично расположенных относительно него полых анодов, охватывающих ■ пучок (Рис.1). Мишень имела

Рис.1. Комстругтибная схем о плазменной

псрезсряЭяой мишени. ) ~ полый катоЗ, 2 - коаксиальные нагреватели, 3 -веруатель катоЗа, 4 - полый аноЗ, 5 - изолятор, 6 - труйки ЙоЗяного охлакАения, 7 - цезиебы! бачок, 8 -экран

90

ее _

82

о

эксперимент

Рис.2

50

100

150

£00 Еь,м«

Зависимость максимального коэффициента конверсии отрицатмоных ионов бсЗороЗс 6 нейтрали от энергии ионного пучка .

длину 20 см и апертуру 4-а мм. Внешняя поверхность анодов и катода изолировалась с помощь» керамических трубок, так что рабочей частью электродов была только их внутренняя поверхность. Для поднята разряда использовались два коаксиальных нагревателя, нагревавшие катод до температур Т ~ 1000 + 1Б00°К, при которых обеспечивался, необходимый уровень термоэлектронной эмиссии. После загорания разряде нагреватели выключались. Мишень работала в стационарном рекиме, длительность непрерывной работы определялась, в основном, количеством цезия в бачке, и составляла обычно несколько десятков чесов. В экспериментах использовалась газовая проточная мишень, которая представляла собой трубку длиной 20 см с входным и выходным каналом ф 6 мм. Геометрические размеры мишеней были выбраны таким образом, чтобы угловая апертура мишени превышала ожидаемые углы рассешшя. Для реализации зондовой диагностики плазмы применялся передвижной зондовый узел.

В экспериментах широко использовэлся. метод активной корпускулярной диагностики плазменной мишени пучками частиц в связи со слокностыо диагностики РНК другими методами. Для зондирования плазмы обычно применяются пучки положительных ионов или атомов кэВ-даалазона.При исследовании плазменных перезарядных мишеней удобно применять пучки отрицательных ионов водорода, которые используются для получения быстрых атомов. Важно только, чтобы пучок соответствовал требованиям, предъявляемым к диагностическим пучкам. В настоящей работе в качестве зондирующих применялись пучки ионов Н%С+,0+ с анергией 100-180 кэВ, а также пучок понов НГ,' непосредственно используемый для получения быстрых атомов водорода в эксперименте. Метод зондирования плазменной мишени одним пучком основан на использовании решения системы уравнений зарядового состояния для компонент пучка Я", Н4" и Н° в цезиевой плазме и опирается на известные данные о перезарядных сечениях. Важной особенностью этого метода является то, что он позволяет определять л оптимизировать параметры плазмы в мишени непосредственно в процессе получения пучка атомов водорода. По ослаблению зондирующих пучков определялись плотности заряженных и нейтральных частиц плазмы, степень ионизации и интегральная толщина плазменной мишени, а по

/■ 1 «« .1 ■ -Л „л...;..

г1";? ■'.- 'V.....

отклонению чеотиц зондарущего конного пучка- от заданных траекторий - напряженность электрического поля в плазме.

Для корректировки данных, полученных с помощью пучков, использовалась зондовая диагностика, где это было возможно. Параметры плазмы в мишени измерялись вольфрамовым цилиндрическим зондом диЕметром 0,1 мм -и длиной I мм -относительно катода. Концентрации зарякенг?ш: частил, в плазменной мишени определялись по значен«» ионного тока, который имел четко выраженный участок насыщения. Для определения . электронной температуры использовался участок зондовой характеристики мэнду плавающим потенциалом, при котором ток на - зонд равен нулю, ' и потенциалом пространства с учетом особенностей, присущих этому участку в сильноиокизовэнной плазме. Потенциал плазмы определялся гю величине плазавдего потенциала зонда и по точке перегиба зондовой характеристике, которая соответсвовала нулю второй производной электронного тока по напряжению. Введение зонда не влияло на характеристики разряда и не изменяло параметры плазмы вдали от зонда.

Измерение угловых характеристик пучка нейтралов, образувдихся при прохождении пучка отрицательно ионов через перезарядные, плазменную и газовые мишени, проводилось по методике, сущность которой заключалась в сравнении профилей интенсивности первичного пучка отрицательных ионов (при отсутствии . мишени) и пучка нейтралов, выходящих из мишени. Профиль, или распределение плотности тока, пучка ионов и нейтралов по диаметральному сечению «мчался при помощя сканирующего устройства. Используя факт, что экспериментальные кривые распределения плотности тока, лучка близки к распределению Гаусса, угол рассеяния нейтралов 90 ери фиксированной толщине перезарядной мишеки 0 определялся по угаиренил распределения плотности тока нейтралов на полувысота по сравнению с шириной распределения плотности тока первичного пучка отрицательных ионов по формуле :

В.

гда скорость перемещения шашки со екзнирухщим отверстием} /ис- скорость перемещения пера, самописца? и - ширина

распределения па полувнсоте плотности тока первичного пучка и пучка нейтралов на диаграммной ленте. Методика позволяла уверенно фиксировать углы рассеяния вплоть до ЫСГ4 рад.

Коэффициент преобразования, или эффективность нейтрализации, отрицательных ионов в нейтралы при данной толщине мишени определялся по формуле:

„о - (1 + Г)

Т

хь

где i~, i", i+ - токи первичного ионного пучка и заряженных компонент пучка после мипени. Максимальный коэффициент г^ для данной 8нергии пучка определялся путем снятия зависимости т}° = * ( б ), где 0 - толщина плазменной митеня.

В диссертации приведены результаты исследований эффективности конверсии Н~® Н° и угловой расходимости пучков быстрых атомов водорода при нейтрализации ионов Н~ в стационарной плазманной ышени. Экспериментально показаны высокие перезарядные свойства мишени. Устройство позволяло сравнительно просто к эффективно создавать плазму с высокой,порядка 90-95$, средней степенью ионизации , что имеет важное значение для величин вффективности нейтрализации. При энергиях пучка ионов Н~ свыше ICD квВ величина максимального выхода нейтралов была порядка 84* и не зависела от энергии пучка (Рис.2}. Полученные экспериментальные зависимости находятся в хорошем согласии с рассчитанными по сечениям. Для расчета использовались решения уравнений зарядового состояния пучка ионов Я" в цезневой плазме.

При исследовании угловых характеристик пучка нейтралов в условиях однократных столкновений, отличив от известных в настоящее время • перезарядных. мишеней , в случае плазменной иишени на основе дугового РЕК была обнаружена фокусировка пучка быстрых атомов вместо ожидаемого рассеяния (Рис.3). Положительность эффекта состояла также и в том, что он проявлялся и в области толщин плазменной миаени, где достигался максимум эффективности нейтрализации отрицательных ионов водорода.

Основное внимание в диссертации было уделено результатам экспериментального исследования фокусирующих свойств плазменной мишени. Для экпериментов был выбран контрольный реним из отработанных рекимов плазменной мишени, в котором достигалась

-H'

во ta -40 20-d

4

5 -

2 -' ?

0

i 12 i 3 i* f

Puc.3 Зксперимектолькие зависимости yî/ia рассе&ки« a выхоЭа

отоMot H° cm гло.шамы лерсзорвЭной мииенц : Hs-floSopoDnaa ícjsoSos nuten*, Cs^-itejueían плогиенооя мшеиь. Ej,e150 кзВ.

2 -О

2 i "t 4 ;

б i H з i

50

100

150

200 Eb'K'ß

-$-W~4pad

зкспсикснт

Puc.4 3aSucan?C(ni уг<п 4зку:ирс5*ти пучка нейтрале!! от энергии uchoS Н~( Сэ*~- пшень } .

■У. "' ">

высокая (90-9535) средняя. степепь ионизации плазш мишени, рэализовывалась достаточно малая ( 4-1014смГ2> толщина плазменной мишени, соответствующая области однократных столкновений пучка конов Н с частицами мишени для исследуемого диапазона энергий пучка, и в этом режиме экспериментально наблюдался эффект фокусировки пучка нейтралов.

Изменение угловой расходимости пучка отрицательных ионов при нейтрализации в плазменной мишени определяется соотношением трех факторов: упругим изменением траекторий быстрых отрицательных конов до обдирки, неупругим рассеянием при потере электрона отрицательным ионом и упругим рассеянном образовавшегося нейтрала. Согласно теоретическим и экспериментальным результатам отрыв электрона от отрицательного иона всегда сопровождается рассеянием. Упругие столкновения быстрых нейтралов такке должны приводить к росту угловой расходимости пучка . Однако на этом этапе все аэ остается принципиальная возможность фэкусировки пучка нейтралов под воздействием интенсивного потока фотонов, источником которых Ш2ет служить и РПК.' Для выяснения этого вопроса были проведены исследования упругого ■ взаимодействия пучка бистрах. атомов водорода • с цэзиевой . плазменной мишенью. Эксперимент показал, что изменения траекторий . частиц нейтральной кожоненти пучка в результате упругих, взаимодействий в плазменной мишени не влияют заметным образом на угловую расходимость пучка нейтралов и не могут обусловливать фокусировку пучка. Отсюда следует, что эффект фокусировки пучка • быстрых атомов водорода определяется фокусировкой ионной 1Г 'Компоненты пучкав мшпзщ до обдирки. . •

Выше было отмечено, что. неупругай отрыв электрона от отрицательного иона не ногат щавать. эффект фокусировки, но :' етот процесс входа? в число факторов, определяющих угловую ; расходимость пучка нейтралов. Чтобы оценить степень воздействия , этого фактора , была проведены исследования по выявлению * закономерностей неупругого рассеяния. Исслэдованиярассеяния при потере электрона от отрицательных ионов водорода о энергией 50 + 180 кэВ проводились на газовых Н^, Н&, J&. ir, Кг, Хе -иишенях. Использование газовых мишеней было вызвано тем, что попытки измерений на паровоз цэзиевой МЕшени, созданной

термическим способом в плазменной мизеки, закончились неудачей, т.к. магнитное иоле при протекании тока через нагреватели сильно искахпло форму пучка. Эксперименты показали, что угол неупругого рассеяния слабо растет с увеличением атомного номера 2 мишени:

О0= 2 (0,02 • 2-Н ) • (те1/тьЕь) 1/2, ГД9 т^- МЙССЙ ЭЛЭКТрОНЭ, I -ЗНОрГИЯ

сродства к электрону, г»ь, Е^ - масса и энергия частиц пучка.

Далее были рассмотрены физические механизмы, под влиянием которых могут происходить упругие изменения траекторий быстрых отрицательных ионоз до обдирки. Упругое кулоновскоо рассеяние является одним из физических механизмов, вызывающих изменение траекторий быстрых ионов, проходящих через плазму. Поэтому, была произведена оценка среднего угла кулоновского рассеяния пучка ионов 1Г с энергией 50 180 коВ для Еыбранного режима работы РПК.

Фокусировка пучка отрицательных ионов в плазменной мишени до обдирки может происходить за счет эффекта газовой фокусировки. Известно, что с ростом плотности тока пучка отрицательных ионов растет угол их фокусировки. Эксперименты показали, что в пределах ошибки измерений угол фокусировки пучка нейтралов сохраняет постоянную величину независимо от плотности тока пучка в диапазоне 0,01-1 мкА/см2. Это означает, что эффект газовой фокусировки но влияет существенным образом на угловую расходимость пучка отрицательных конов перед обдиркой и не мояат быть причиной обнаруженного эффекта фокусировки нейтралов. Кроме того, проведенный эксперимент показал, что на уровне чувствительности измерительной аппаратуры влиянием процессов, источником которых является ионный пучок, на угловые характеристики самого пучка можно пренебречь. Иными словами, мохно сказать, что обнаруженный эффект фокусировки - это не самофокусировка пучка отрицательных ионов водорода. Указанное явление должно быть связано с характеристиками плазменной мишени,

В коаксиальных плазменных системах отличны от нуля только компоненты Ег, Е, и В(р электромагнитного поля. Быстрые отрицательные ионы до обдирки проходят путь, который меньше длины плазменной мишени, т.к. А._10 = I / ( Г1ро_,0 ) < 1-м при оптимальных толпах машеня, Направлен!» тока разряда в первой по ходу пучка половине мишени таково, что магнитное поле обладает

дефокусируадими свойствами по отношению к пучку ионов Н , и оно нэ мокет быть принято во внимание при выяснении физического механизма фокусировки нейтралов.

Для определения характера воздействия электрического поля плазмы на пучок отрицательных ионов необходимо знать распре деление потенциала в объема плазменной мишени. В рамках настоящей работы эта задача решалась с, помощью активной корпускулярной и зондовой диагностики. Измерение средней по длине мишени напряженности радиального . электрического поля <Ег> производилась с помощью диагностических пучков ионов Н1" с различными диаметрами 2; 2,5 мм с энергией Е^=180 кэВ. Распределение образующегося в мишени радиального электрического поля таково, что оно является дефокусирувдим для пучка положительных ионоа, и фокусирующим - для пучка отрицательных ионов, т.е. обиарукеншй эффект фокусировки пучка нейтралов мокно связать с наличием в объема плазменной мишени радиального электрического поля, фокусирующего быстрые отрицательные ионы.

С помощью зондовой диагностики били измерены распределения' потенциала плаз:® плотности пе и температуры электронов Те . вдоль по оси полого анода для контрольного рокима работы плазменной штивки. Плотность электронов в- 'плазме составляла величину порядка Ю13 с?,Г3, Те 1-2 эВ. Потенциал плазмы относительно анода был полокителен. Это свидетельствовало о наличии в анодной области отрицательного потенциального барьера, т.е.Бг>0,что соответствует фокусировке пучка отрицательных ионов., Радиальное распределение параметров плазмы в анодной полости" .снималось с помощью зонда, передвигаемого поперек оси разряда на расстоянии 2=25 мм от выхода полого катода. Вид распределения потенциала оказался аналогичным радиальному распределению амбиполярного потенциала в полоаителъном столбе (ПС) дугового разряда при низких давлениях ж удовлетворял формуле :

КТ г

V <Г) « -т-А ш).

где а0(х) - функция Босселя, - радиус анода.

В виду технической словности зондовой диагностики, для определения напряженности радиального электрического поля в катодной полости использовались данные, полученные с помощью

г 15-

активной диагностики и зондоеыо измерения в анодной полости мишени. Результаты расчетов средней величины напряженности радиального электрического поля з ПК показывают, что в ПС катодной полости, подобно анодной, существует фокусирующее по _отношению к пушу отрицательных ионов радиальное электрическое поде. На основании полученных сведений можно сделать вывод, что исследуемая плазменная мииень по существу представляет собой протяженную плазменную линзу для пучков отрицательных ионов, в которой реализуется амбиполярный характер распределения потенциала.

Угловая расходимость пучка быстрых нейтралов определяется суммарным воздействием всех факторов, участвующих при их получении : 9~= 2 где 9. - изменение угловой расходимости ионного пучка за счет воздействия »-го фактора. При нейтрализации быстрых отрицательных ионов Н~ в исследованной плазменной мишени угол 0о должен иметь величину порядка

V < В1 + 0К + вМ - еЕ >1/2 ' если предположения, выдвинутые в ходе исследований, относительно характера формирования пучка нейтралов верны. Индексы *н, к, м,е" в формуле обозначают, соответственно, неупругое рассеяние при потере электрона ионами Н~, кулоновское столкновение частиц пучка и мишени, азимутальное магнитное и радиальное электрическое поля в плазменной мишени. Знак плюс перед 9^ соответствует рассеивающему фактору, минус - фокусирующему. Для сопоставления с расчетами были проведены измерения величины б0 при нейтрализации пучка ионов Н~ с энергией в -диапазоне 100 + 180 кэВ в плазменной мишени, работающей в контрольном реаиме. На рис. 4 отображены результаты эксперимента, а также расчетные данные, сделанные по вышеуказанной формуле с учетом проведенных в настоящей работе исследований. В пределах ошибки измерений получено хорошее согласие маяду экспериментальными и расчетными результатами, как по величине угла 80, тек и по характеру зависимостей, что убедительно доказывает правильность сделанных в ходе исследований предположений о преобладающих физических процессах, воздействующих на' угловую расходимость пучка нейтралов, о.б образовании плазменной линзы в плазменной мишени,

обуславляваадей эффект фокусировки нейтралов. Незначительные отличия результатов говорят о необходимости более строгого учета воздействия магнитного поля и краевых аффектов на ионный пучок.

Для выяснения условий реализации фокусирующего электрического поля Ег>0 была рассмотрена динамика электронной и ионной компонент плазмы разряда. Анализ показал, что фокусирующие или дефокусирувщиэ свойства плазмоншй мишени определяются соотношением коэффициентов диффузии ссХ и с.1 зарякешных частиц в плазменном столбе в радиальном направлении. Для реализации фокусирующего режима необходимо создать в разряде условия, которые увеличивают генерации положительных ионов и замедляют их удаление и способствуют уходу электронов на стенки, 01раничив£хщиэ объем плазмы. В исследованных режимах РНК эти условия были выполнены, и ег>0.

При помещении плазмы мишени в однородное продольное магнитное ноле В_ величина В должна уменьшиться, а при 1>е1 < переменить знак (Е-,<0). Это должно быть связано с уменьшением, более значительным по сравнению с ионами, подвижности электронов при наличии мапштного поля. Для проверки выдвинутых лродполошрлй о ' воздействии • продольного магнитного поля на фокусирующие свойства плазменной мишени был поставлен акснэриконт. Как и лрвдполагалось, с увеличением В2 от О до 400 Гс наблюдался рост угловой расходят,-ости пучка нейтралов с переходом из режима фокусировки в рэкиы рассеяния. Проведенный эксперимент позволил выявить серьезные недостатки при использовании внешнего магнитного ноля в плазменных перезарядных мишенях.

Область взаимодействия ионного пучка с плазменной мишенью приходаязя, в основном, на ПО разряда в силу конструкционных особенностей шшени. Однако, процессы в приэлектродных областях могут существенно влиять, на процессы в ПС и, следовательно, косвенным образом на пучок. Было выяснено, что влияние явлений в анодной области на положительный столб РПК при использовании полого анода распространяется на расстояния значительно цревыаавдие приэлэктродный слой. Поэтому, необходимо обеспечивать "согласование" процессов в ПС а анодной области, чтобы избежать сильных искажений в распределении потенциала в области прохождения ионного пучка. Реализация фокуснрундего по отношению

к пучкам отрицательных ионов радиального электрического поля на длине анода возможна только при отрицатольном анодпом падении.

Воздействуя на концентрации заряженных частиц в анодной области • с помощью зондов или дополнительных электродов, можно получить мотоды элоктрического управления величиной анодного падения (АЛ),а значит .фокусирующими свойствами плазменной мишени. Был проведен пробный эксперимент по управлению углом расходимости пучка с помощью дополнительного электрода (ДО), введенного з онструкци» мишеки. Подача на ДЭ отрицательного потенциала относительно анода порядка 80-100 В приводила к увеличению уже существующего отрицательного анодного падения и угла фокусировки нейтралов. При положительных потенциалах на ДЭ порядка ■ 3-5 В угол фокусировки переходил в угол рассеяния нейтралов. Выбирая величину прикладываемого напряжения на ДЭ можно оперативно управлять углом расходимости получаемого пучка нейтралов.

Управление величиной АП можно осуществить и другими способам:. Форма реализации управления будет определяться конкретным устройством. Следует только учесть, что для образования отрицательного АП или уменьшения уже существующего положительного АП необходимо реализовать процессы, способствующие генерации положительных ионов или замедляющие их исчезновение. Примерами таких процессов могут служить: а) костное искусственное повышение электронной температуры в анодной области, б) местное повышение плотности газа у анода, в) увеличение числа актов ступенчатой ионизации, Г) ослабление электрических полей в плазме у анода, вызываемой формой анода (полый анод). И наоборот, возникновению положительного АП способствуют процессы: а) местное искусственно® снижение Та в анодной области, б) местное снижение плотности газа, в) усиление электрических полей в плазме у анода ( анод малого размера ).

Результатом взаимодействия ионного пучка 'с плазмой может быть существенное изменение свойств последней. Поэтому, важен вопрос : при каких параметрах пучка отрицательных ионов водорода, особенно в интересующей области энергий порядка д&сятков--сотен МэВ, сохранятся фокусирующие свойства плазменной мишени. К сожалений, технические возможности установки не позволили

экспериментально исследовать этот вопрос. Расчеты показывают, что критическая плотность тока пучка не должна превышать величину порядка десятков мА/см2. В этом диапазоне параметров пучков ионов Н~ должны отсутствовать возмущения пучком плазмы мишени,и угловые характеристики получаемого пучка нейтралов будут определяться только свойствами плазменной перезарядной мишени.

На основании проведенных исследований были сделаны следующие выводы.

1. Использование дугового разряда с полым катодом позволяет создать плазменную перезарядную мишень, работадцую в стационарном режиме и обладающую высокими перезарядными свойства}®: максимальная эффективность нейтрализации отрицательных ионов водорода с энергией свыше 100 кэВ достигает и- не зависит от энергия пучка.

2. При исследовании плазменных перезарядных мишеней ( нейтрализвторов ) в качестве зондирующих удобно использовать-пучки отрицательных конов, что позволяет определять и оптимизировать параметры плазш непосредственно в процессе получения быстрых нейтралов.

3. Угол неупругого рассеяния пучка быстрых атомов водорода, образующихся при нейтрализации конов Н~ с энергией 50-180 кэВ, в условиях однократных столкновений частиц ионного пучка и мкиени линейно возрастает с увеличением атомного номера г газа мишени: ео= 2(о,о2-г+1)-(»е1/вьЕ^>*/2. -

4. Впервые обнаруканшй эффект фокусировки пучка быстрых атомов водорода, образующихся щи нейтрализации лучка ионов К" с энергией 50-180 кэВ в плазменной перезарядной мишени на основе дугового разряда низкого давленая с полым катодом в парах цезия, определяется фокусировкой ионной компоненты пучка отрицательных ионов в мишени до обдирки, которая^ в свою очередь, обусловлена образованием вдоль оси плазменного столба аксиально-симметричного радиального электрического поля. По характеру воздействия на ионные пучки исследованная мишень аналогична плазменным линзам.

5. В квазинойтральных режимах разряда образование фокусирующего радиального ' электрического поля связано с

амбиполярным мехозшзмом диффузии носителей на стенки мишени. В общем случае величина и направление этого поля определяются условиями генерации и исчезновения заряженных частиц в разряде. Рекиму фокусировки пучка отрицательных ионов, а в конечном итоге - пучка нейтралов, соответствуют такие условия в плазменной мишени, которые увеличивают генерация положительных ионов, замедляют их удаление и способствуют уходу электронов на стенки.

6. Для плазменной перезарядной мишени на основе РПК экспериментально показана возможность управления угловой расходимостью получаемого пучка II0 путем воздействия на концентрацию заряженных •частиц в мишени с помощью дополнительного электрода.

7. Влияние явлений в анодной области на положительный столб РПК при использовании полого анода распространяется на расстояния значительно -превышающие приэлектродный слой. Реализация фокусирующего по отношению к пучкам отрицательных ионов радиального электрического поля на длине анода возможна только при отрицательном анодном падении.

8. Результаты, полученные в настоящей работе, могут быть использованы для разработки плазменного нейтрализатора пучков отрицательных ионов водорода с энергией в диапазоне 1(Я-Ю8 эВ и критической плотностью тока пучка, не превышающей величину порядка десятков мА/см2. В этом диапазоне параметров пучков ионов 1Г, согласно расчетам, отсутствует возмущение пучком плазмы мишени, и угловые характеристики получаемого пучка нейтралов определяются только свойствами плазменной перезарядной мишени.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах.

1. Б.А.Дьячков, В.Е.Мешков, Н.Ф.Вершшин. Конверсия отрицательных ионов водорода в быстрые атомы в стационарной цезиевой плазменной мишени.- Письма в ЖТФ, 1982 , 8, >'20, с.1264-1267.

2. В.А.Дьячков, В.Е.Мешков, Г.В.Казанцев. Влияние перезарядной плазменной мжзеш на формирование пучка быстрых атомов Еодорода.- Письма в КТФ, 1585, II, М2, с.720-725.

3. Б.А.Дьячков, В.Е.Мешков, Н.Ф.В&раинин. Конверсия отрица-

тельных ионов водорода в быстрые атомы в стационарной цезиевой плазменной мишени.- Сб. тезисов 8-ой Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (ВКЭАС ), Л.:ЛФГИ, 1981, с.22.

4. Б.А.Дьячков, В.В.Мешков. Влияние перезарядной плазменной шпеш на формирование пучка быстрых атомов водорода.--Сб. тезисов 9-ой ВКЭАС, Рига, 1984, с.20

Б. Б.А.Дьячков, В.Е.Мешков. Экспериментальное исследование рассеяния при потере электрона быстрыми ионами 1Г, С" и 0" и атомами Н° в газовых мишенях.- Сб. тезисов 10-ой ВКЗАС, Ужгород, 1988, С.104.

6. В.Е.Мошков. Исследование характеристик перезарядной плазменной мишени.- Сб. тезисов 7-ой Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям и. ионным инжекторам, Харьков, 1989, с.125-126.