19211

Расхождение пучков заряженных частиц под действием собственного объемного заряда

Лекция

Физика

Лекция № 7. Расхождение пучков заряженных частиц под действием собственного объемного заряда. Прямолинейные пучки электронных лучей электронные пушки Пирса. VII. Формирование электронных и ионных пучков. 7.1. Расплывание пучков заряженных частиц под действи

Русский

2013-07-11

421.5 KB

7 чел.

Лекция № 7.

Расхождение пучков заряженных частиц под действием собственного объемного заряда. Прямолинейные пучки электронных лучей (электронные пушки Пирса).

VII. Формирование электронных и ионных пучков.

§ 7.1. Расплывание пучков заряженных частиц под действием собственного объемного заряда.

Ленточный пучок ионов.

Основной проблемой транспортировки интенсивных пучков заряженных частиц является их расхождение под действием собственного объемного заряда.     Для отыскания формы пучка необходимо решать уравнение Пуассона (для ленточного пучка двумерное):

,  а также уравнение движения для граничной заряженной частицы. В случае бесконечного ленточного пучка (рис.7.1), у которого ширина значительно больше толщины , для определения электрического поля на границе вместо уравнения Пуассона можно использовать теорему Гаусса о равенстве потока электрического поля через поверхность и заряда, заключенного в объеме, ограниченном этой поверхностью:

                       (теорема Гаусса);

Линейная плотность тока пучка (ток на единицу ширины бесконечного ленточного пучка): . Тогда напряженность электрического поля на границе:

. Уравнение движения вдоль оси x: ;

;        .

Граничные условия: , где  - угол сходимости пучка на входе, т. е. угол между направлением скорости граничного электрона и направлением распространения пучка по оси z.

.

При   влетает горизонтальный пучок. Местоположение самого узкого в поперечном размере участка пучка, так называемого «кроссовера» xкр,  определяется из условия:

, ;

При   .

Если до входа в пролетный промежуток пучок прошел через электростатическую линзу при , которую можно считать тонкой, то , где - фокусное расстояние. Тогда , , .

Цилиндрический пучок.

Для цилиндрического пучка, влетающего в пролетный участок параллельно оси z с начальным радиусом r0 теорема Гаусса примет вид .

Пусть  – полный ток пучка, ускоренного потенциалом U0. Тогда напряженность электрического поля на границе пучка: . Сила Лоренца, действующая на заряженную частицу на границе пучка существенно меньше электрической силы:

 ;

;

.

Уравнение движения в радиальном направлении:         

;.

  1.  Возьмем случай (параллельный пучок)

;

;

;
;

.

  1.  Случай   для сходящегося пучка, входящего  в пролетный промежуток под углом  к оси z 

, где , а .

Положение кроссовера определяется из условия: . Координата положения кроссовера: .Радиус пучка в наиболее узком месте (в кроссовере) определяется из соотношения: никогда.

§ 7.2. Формирование прямолинейных пучков. Пушки Пирса.

При решении задачи получения интенсивных электронных и ионных пучков возникает проблема расхождения пучков под действием собственного объемного заряда. Задачу подбора такой электродной системы, чтобы можно было сформировать параллельный пучок, была впервые сформулирована и решена Пирсом. Впоследствии такие системы получили название пушек Пирса.

Рассмотрим плоскую систему. Для одномерного случая ускорения бесконечного потока электронов . Для двухмерного ленточного пучка на его границе  должно выполняться условию: , тогда электродная геометрия будет преодолевать расталкивающее действие объемного заряда. При  потенциал  должен удовлетворять уравнению Лапласа: .

Реальная часть любой аналитической функции комплексной переменной  будет удовлетворять как уравнению Лапласа, так и граничному условию, т.к. . Учитывая, что при  функция должна удовлетворять условию , оправдано взять . Полагая, что потенциал первого электрода равен нулю , получим профиль первого электрода:

;

;

;
.

Угол наклона плоскости катода (U = 0) к направлению распространения пучка arctg(y/x) = 3/8 = 67.5о. Полагая потенциал : - уравнение для определения геометрии электродов.

§ 7.2. Источники ионов

Особенности:

  1.  источником интенсивных потоков ионов может быть только плазма.
  2.  Положение поверхности, эмитирующей ионы, не фиксировано.
  3.  Вместе с ионами летят нейтралы.

Три способа вытягивания ионов:

а)

Прямолинейный пучок ионов (не очень интенсивный);

- извлекающий электрод (экстрактор)

б)

Сфокусированный ионный пучок (для интенсивных потоков).

Поверхность плазмы работает как стенка

в)

Снижает поток нейтронов (расход газа)

Интенсивность пучка характеризуется величиной - первеанс пучка.

Для сравнения с электронными пучками надо использовать величину эквивалентного первеанса: .

Так как эффективность отбора ионов с поверхности плазмы влияет на скопление заряда, а значит и на расфокусировку пучка, необходимо обеспечить полный отвод ионов, т.е.:

- это соотношение дает нам и  для данного .

Ускоряющий электрод представляет собой диаграмму (отверстие), а значит является так же линзой. Для редких пучков можно поставить на отверстие сетку для снижения расфокусирующей роли диафрагмы. Для плотных пучков приходится использовать фокусирующий электрод после вытягивания. Существует большое множество разнообразных конструкций ионных пушек (ионных источников). В них используются различные способы создания ионов, например, термоионная эмиссия, ионизация газа или паров вещества электронным ударом. Наиболее  эффективными источниками ионов являются плазменные, в которых создается газоразрядная плазма, а ионы вытягиваются электрическим полем с ее границы. Примером может служить весьма распространенный источник ионов типа дуоплазматрон в котором электрический разряд формируется между катодом и промежуточным анодом.  Коническая форма промежуточного анода приводит к сжатию плазмы в районе выходного отверстия. Неоднородное магнитное поле, создаваемое катушкой между промежуточным анодом и анодом, приводит к дополнительному сжатию плазменной струи.

Диафрагма в месте наибольшего сжатия используется для повышения газовой экономичности источника за счет ограничения потока неионизованной компоненты рабочего вещества. Ионы вытягиваются из плазмы электродом, который стоит сразу после анода и на который подается отрицательный относительно анода потенциал. Диафрагма вытягивающего электрода является фокусирующей системой. Кроме того, граница плазмы, из которой вытягиваются ионы, является также электростатической линзой. Форма границы плазмы существенно влияет на расходимость формируемого в ионно-оптический системе ионного пучка. Меняя концентрацию плазмы (например, меняя ток разряда) при фиксированном ускоряющем напряжении, можно управлять формой плазменной границы. При большой концентрации плазмы граница выпуклая – пучок сильно расходится. Снижая концентрацию плазмы, можно создать плоскую ее границу, тогда расходимость может быть минимальной, а вытягиваемый из источника ток подчиняется закону «3/2». При дальнейшем уменьшении концентрации плазмы граница становится вогнутой, и расходимость пучка вновь возрастает. Расчет параметров фокусировки пучка с учетом границы плазмы является достаточно сложной задачей и возможен лишь численными методами.

d

0

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

0

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

кроссовер

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Пучок        EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

А

К

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

плазма

стенка

EMBED Equation.3  

+

+

плазма

+

+

+

+

+

плазма

EMBED Equation.3  

+

+

+

+

плазма

EMBED Equation.3  

+30кВ

катод

натекатель

газа

катушка для создания магнитного поля для сжатия

плазменной струи

диафрагма

анод

электростатическая

одиночная линза

замедляющая секция

вытягивающий

электрод

плазма

EMBED Equation.3  

промежуточный

электрод

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39908. Возникновение и формирование проблемы внешней задолженности стран «Третьего мира» 152.5 KB
  Внешняя задолженность развивающихся стран и стран с переходной экономикой превратилась в самостоятельный объект международной политики, затрагивающей интересы практически всех государств мирового сообщества.
39910. Понятие, задачи и функции ИС 173.42 KB
  По степени автоматизации ИС делятся на: автоматизированные: информационные системы в которых автоматизация может быть неполной то есть требуется постоянное вмешательство персонала; автоматические: информационные системы в которых автоматизация является полной то есть вмешательство персонала не требуется или требуется только эпизодически. По характеру обработки данных ИС делятся на: информационносправочные или информационнопоисковые ИС в которых нет сложных алгоритмов обработки данных а целью системы является поиск и выдача информации...
39911. Информационные системы. Понятие, задачи и функции ИС 814.2 KB
  Также в достаточно широком смысле[2] трактует понятие информационной системы Федеральный закон РФ от 27 июля 2006 года № 149ФЗ Об информации информационных технологиях и о защите информации: информационная система совокупность содержащейся в базах данных информации и обеспечивающих ее обработку информационных технологий и технических средств[3]. Классификация по степени автоматизации По степени автоматизации ИС делятся на: автоматизированные: информационные системы в которых автоматизация может быть неполной то есть требуется...
39912. Модель парной линейной регрессии. Метод наименьших квадратов для оценки параметров уравнения регрессии и проверка его адекватности 210.22 KB
  Метод наименьших квадратов для оценки параметров уравнения регрессии и проверка его адекватности. Регрессии нелинейные по включенным переменным приводятся к линейному виду простой заменой переменных а дальнейшая оценка параметров производится с помощью метода наименьших квадратов. Выделяют следующие методы экстраполяции: среднего абсолютного прироста может быть выполнено в том случае если есть уверенность считать общую тенденцию линейной то есть метод основан на предположении о равномерном изменении уровня под равномерностью понимается...
39914. Формы и способы представления данных 1.31 MB
  2 Единицы измерения данных. binry digit] Простое двоичное число цифра или символ принимающее значения 1 или 0 и служащее для записи и хранения данных в ЭВМ. Байт [byte ] Двоичное слово способное записывать и хранить в памяти ЭВМ один буквенноцифровой или другой символ данных.
39915. Единицы измерения данных 898.34 KB
  Другие файловые системы оперируют схожими понятиями зоны в Minix блоки в Unix. 4 Системы счисления. Все системы счисления можно разделить на два класса: позиционные и непозиционные. Число таких знаков в позиционной системе счисления называется основанием системы счисления.
39916. Основы информационной культуры. Понятие информации и данных 721 KB
  Формы и способы представления данных. 2 способа представления данных: в текстовом и числовом виде Текстовые данные воспринимаются передающими системами как текст записанный на какомлибо языке. 2 Единицы измерения данных Объем данных V количество байт которое требуется для их хранения в памяти электронного носителя информации. Байт мельчайшая адресуемая единица информации Килобайт базовая единица Машинное слово машиннозависимая и платформозависимая величина измеряемая в битах или байтах равная разрядности регистров процессора и...