Введение Термоядерная реакция – это реакция слияния лёгких ядер. Термоядерная реакция происходит тогда, когда два или более относительно легких атомных ядра сближаются настолько, что сильное ядерное взаимодействие начинает преобладать над силами кулоновского отталкивания и, в итоге, соединяет их в одно более тяжелое ядро. Сильное ядерное взаимодействие действует только на коротком расстоянии в то время как отталкивающие силы электростатического поля действуют на больших расстояниях. Таким образом, кинетическая энергия необходима, чтобы преодолеть этот энергетический барьер, известный как Кулоновский. Одним из способов по преодолению барьера является нагревание вещества до его полной ионизации, то есть до состояния плазмы. Важнейшей проблемой в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу является проблема удержания плазмы. В настоящее время существует 3 способа удержания плазмы: Магнитное удержание. В основе этого способа лежит способность магнитного поля влиять на поперечное движение заряженных частиц. А именно, в статическом однородном магнитном поле, магнитная индукция которого направлена поперечно движению частиц, траектории этих частиц принимают вид спирали, навиваемые на магнитные силовые линии. Радиус этих спиралей – известный ларморовский радиус. Электростатическое удержание. Основой этого способа является способность электростатического поля влиять на кинетическую энергию заряженных частиц. Цилиндрически симметричное электростатическое поле ускоряет заряженные частицы в направлении к оси симметрии поля. Ионы могут удерживаться вблизи центра ловушки в течение времени достаточного для осуществления управляемой термоядерной реакции. Инерциальное удержание. Суть этого способа заключается в одновременном ударе шарика плазмы с нескольких направлений очень интенсивными лазерными, электронными или ионными пучками. Нагрев плазмы – это ввод энергии в плазму с помощью внешних источников, с целью достижения и поддержания определённой температуры плазмы, необходимой для зажигания термоядерной реакции. Поиск методов нагрева плазмы, удерживаемой в замкнутых магнитных ловушках, ведётся непрерывно на протяжении всей истории термоядерных исследований. Для нагрева плазмы до необходимой температуры можно использовать различные методы: Метод магнитной накачки. Заключается в том, что в некотором месте трубы стелларатора делается дополнительная обмотка, возбуждающая переменное магнитное поле. Это поле оказывает давление на плазму тем самым выталкивая её из трубы в невозмущённую область. Так как ловушка замкнута, ускоренная часть плазмы, пройдя через всю установку, возвращается снова в область, где она была сжата. Если настроить частоту переменного тока в обмотке в резонанс с частотой обхода плазмы через всю установку, то каждый новы толчок будет ещё больше ускорять и тем самым нагревать плазму. Омический нагрев. Нагревание происходит проходящим через плазму электрическим током. Электрический ток, проходящий через плазму, как через проводник с определённой проводимостью, встречает определенное омическое сопротивление. Это значит, что некоторая доля энергии поглощается плазмой и уходит на ее нагрев. Саморазогрев. В результате реакции термоядерного синтеза выделяется тепло, часть которого поглощается плазмой. Инжекция пучка нейтральных атомов. Пучками быстрых, обладающих высокой энергией, нейтральных атомов дейтерия или водорода «стреляют» в плазму. Нейтральный заряд инжектируемых атомов дает им возможность преодолевать сильные магнитные поля внутри токамака. Врезаясь в атомы плазмы, они разогревают ее, ионизируются и превращаются в положительные ионы, удерживаемые магнитным полем ловушки. Микроволновое излучение. Электромагнитные волны направляются на плазму из нескольких точек вакуумной камеры. Частоты этого излучения совпадают с циклотронной частотой ионов или электронов плазмы, и энергия излучения поглощается плазмой. Краткий исторический очерк развития области исследования Плазменная эмиссионная электроника как раздел физики плазмы и плазменной электроники сформировалась в 70-х гг. XX в. Большой вклад в создание этого направления был сделан Заслуженным деятелем науки и техники УССР доктором физико-математических наук, профессором М.Д. Габовичем (работал в институте физики Украинской академии наук), который ещё в 1964 г. издал первую книгу, посвящённую этой тематике (“Плазменные источники ионов”, Киев: изд-во ― “Наукова думка”, 1964). Затем он написал и издал в 1972 г. новую книгу “Физика и техника плазменных источников ионов” [5], которая в течение многих десятилетий была настольной книгой у специалистов. Становление плазменной эмиссионной электроники как самостоятельного направления во многом обязано лауреату Государственной премии РФ в области науки и техники, доктору технических наук, профессору Ю.Е. Крейнделю и его ученикам в Томске, Екатеринбурге, Белоруссии, Украине и других странах. В его память регулярно проводятся международные Крейнделевские семинары “Плазменная эмиссионная электроника” на берегу озера Байкал. Можно назвать много имён и других исследователей, решавших проблемы плазменной эмиссионной электроники, см. список литературы в конце данного раздела. В настоящее время устройства с плазменными эмиттерами разрабатывают и применяют практически во всех промышленно развитых странах. Под плазменной эмиссионной электроникой понимают комплекс, включающий соответствующие разделы науки, техники, технологии и производства, который занимается изучением процессов генерации заряженных частиц в плазме газовых разрядов, эмиссии частиц из плазмы с последующим формированием униполярных и плазменных потоков, их транспортировки из области генерации к зоне взаимодействия с мишенью. История плазменных эмиссионных систем ведёт отсчёт с 1886 г., когда пучок ионов в виде “каналовых лучей” впервые наблюдал Е. Гольдштейн. В 1910 г. Дж. Дж. Томсоном был предложен первый источник ионов, который нашел широкое применение в масс-спектрометрии. С 30-х г. XX в. плазменные источники ионов начинают применяться в составе инжекторов в ускорителях, которые сначала использовались в экспериментах по ядерной физике, а в настоящее время широко используются в медицине и промышленности. Третьей областью применения ионных источников стали установки для разделения изотопов и исследования взаимодействия атомных частиц с твердыми веществами 40-е годы). Результатом этих исследований и разработок явилось применение ионных источников для легирования полупроводников, очистки поверхностей от загрязнений, микрообработки поверхностей 60-70-е годы) – четвертая область применения ионных источников. Толчком к разработке мощных ионных источников явилась необходимость решения задач получения изотопов в промышленных масштабах, возникшая в 40-е гг. Этот опыт был использован при разработке инжекторов быстрых нейтралов мегаваттного класса для установок, применяемых в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу. Нагрев плазмы в магнитных ловушках до термоядерных температур 100— 1000 млн. К) при помощи мегаваттных пучков ионов и атомов водорода и дейтерия становится, пятой перспективной областью применения источников ионов, создающих пучки ионов с током до 100А в стационарном режиме. Инжекция быстрых атомов водорода (дейтерия) в магнитные системы рассматривается в настоящее время в качестве одного из основных способов создания плазмы с термоядерными параметрами. Этот способ зародился в начале 60-х годов, когда появились Phoenix [1], Огра-2 [2], 2Х [3] —открытые ловушки, рассчитанные на накопление плазмы, образующейся при ионизации быстрых атомов, влетающих в объем установки. Первоначальный захват осуществлялся за счет лоренцевой ионизации, а затем шло экспоненциальное нарастание плотности из-за ионизации при столкновениях атомов пучка с частицами образовавшейся плазмы. Начиная с 60-х гг. области применения плазменных эмиссионных систем начинают интенсивно расширяться. Наибольшее распространение в электронной промышленности получили ионно-плазменные системы для очистки и травления подложек, нанесения покрытий и системы ионной имплантации. Для ракетно-космической отрасли были разработаны электрореактивные двигатели малой тяги на базе широкоапертурных источников ионов и плазменных ускорителей. Значительное внимание исследователи уделяли разработке плазменных эмиссионных систем, используемых в установках для изучения поверхности различными методами. С конца 70-х гг. начались исследования, которые привели к оформлению таких направлений, как ионно-имплантационная металлургия и ионноплазменная химико-термическая обработка. В последние 10–25 лет значительные успехи были достигнуты в разработке плазменных источников электронов, источников многозарядных ионов, ионных источников на базе вакуумных дуговых разрядов, ионноплазменных систем с СВЧ-питанием и плазменных систем для генерации нанокластеров. Основные характеристики инжекционных систем Параметры пучка определяются параметрами плазмы в установке с магнитным удержанием. При проектировании инжекционной системы к ней предъявляются требования, определяемые видом, назначением и масштабом установки. Перечислим главные характеристики, оговариваемые этими требованиями в первую очередь: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Энергия частиц пучка. Мощность потока атомов, вводимого в установку. Полный инжектируемый поток атомов Длительность импульса инжекции Геометрические характеристики пучка атомов Сопутствующий поток холодного газа Энергетический КПД системы инжекции Надёжность работы и ресурс системы (в том числе её работоспособность в условиях нейтронного и γ-излучений) На первый план могут выходить различные сочетания этих характеристик, что определяется видом установки, для которой предназначается инжектор. Физический принцип получения пучка атомов Физический принцип получения энергичного пучка нейтральных атомов, заключается в ускорении ионов с последующим превращением их в атомы. Из самого принципа видно, что его реализация возможна двумя путями – через положительные или через отрицательные ионы. Конкретный выбор того или иного пути зависит от требования к максимальному энергетическому КПД инжектора. Дело в том, что генерировать положительные ионы водорода легче, чем отрицательные, но коэффициент преобразования их в атомы, зависящий от сечения перезарядки положительных ионов на мишени, сильно падает с ростом энергии (рисунок 2). В то же время превращающее Рисунок 2. Зависимость сечения перезарядки быстрых ионов водорода в атомы от отрицательные ионы в атомы сечение энергии. “обдирки” слабо зависит от энергии вплоть до значительно больших энергий. Отсюда следует, что для получения низкоэнергичных потоков атомов использовать положительные ионы энергетически более выгодно, чем отрицательные. Использование отрицательных ионов более выгодно тогда, Рисунок 3. Зависимость КПД инжектора от энергии для когда требуется получить дейтерия: 1 - инжектор, основанный на прямой перезарядке положительных ионов; 2 - тот же инжектор с потоки атомов высоких энергий. рекуперацией 85% от энергии ионов; 3 - инжектор, основанный на перезарядке отрицательных ионов На рисунке 3 показаны зависимости энергетических КПД инжекторов от энергии генерируемых в них пучков, построенных в соответствии с двумя описанными путями. Практическое воплощение любой физической идеи никогда не бывает связано только с ограничениями, налагаемыми законами природы. Оно всегда также связано с реальными технологическими возможностями. Поскольку работа автора реферата посвящена изучению характеристик пучка инжектора, работающего на основе положительных ионов водорода, то в дальнейшем будет рассматриваться принцип работы инжекторов, работающих только на этой основе. Ионный источник Ионный источник – это устройство для получения ионного пучка. Ионным пучком называют пространственно сформированный поток ионов, в котором средняя скорость направленного движения гораздо больше хаотических тепловых скоростей составляющих его частиц. Ионный источник условно можно разделить на 2 части: эмиттер ионов, в котором генерируется плазма, и ионно-оптическую систему (ИОС), ускоряющую и формирующую ионы, рождённые в эмиттере. Ускорение и формирование ионов в пучок происходит в условиях некомпенсированного пространственного заряда. Характеризуется ионный источник большим набором различных параметров, описывающих свойства пучка, генерируемого этим источником: 1. Полный ток ионного пучка. 2. Энергия ионов пучка – средняя энергия направленного движения ускоренных частиц, измеряемая в электронвольтах. 3. Плотность потока ионов в пучке, обычно меняющуюся в поперечном сечении. Среднюю плотность потока можно оценить по формуле 𝐼 А ⟨𝑗⟩ = , [ 2 ], 𝑆 см где S – площадь поперечного сечения пучка, I – полный ток ионного пучка. 4. Характерный поперечный размер пучка. Если распределение плотности потока близко к гауссовому, то характерный поперечный размер пучка равен удвоенному расстоянию от оси (направленной вдоль движения пучка), на котором потока спадает в e раз. Возможны и другие кратности спадания плотности для определения поперечного размера. 5. Мощность пучка. 6. Эффективный угол расходимости пучка. 7. Компонентный состав пучка, под которым подразумеваются относительные токи ионов H1+ , H2+ , H3+ , которые образуются в газовом разряде и входят в состав пучка. 8. Длительность импульса – это промежуток времени, в течение которого источник даёт ионный пучок. Эмиттер ионов Эмиттеры ионов можно классифицировать по способу получения в них газового разряда с низким давлением. По этому признаку ионные источники можно разделить на три группы: 1. Эмиттеры с накаливаемым катодом. 2. Эмиттеры с холодным катодом. 3. Эмиттеры с высокочастотным (ВЧ) разрядом. В данной выпускной работе рассматривается инжектор, плазма в котором возникает в результате газового ВЧ-разряда, поэтому принцип действия инжекторов с таким способом получение плазмы будет рассмотрен подробнее. Существуют два основных способа возбуждения высокочастотного разряда – емкостной (Е-разряд) и индукционный (Н-разряд). У обоих этих способов общее одно – возникновение плазмы происходит в результате ионизации электронным ударом атомов рабочего газа. А из самих названий понятно, что основное их отличие заключается именно в способе возбуждения ВЧ-поля в рабочем объёме. На рисунке 4 изображены типичные способы осуществления индукционного и емкостного ВЧ-разрядов. Рисунок 4. Способы возбуждения ВЧ-разряда: а – Е-разряд с внутренними электродами; б – Е-разряд с внешними электродами; в – Н-разряд. В переменном электрическом поле свободные электроны могут приобрести энергию, достаточную для ионизации молекул рабочего газа. Возбуждение ВЧ-разряда переменным электрическим полем может быть осуществлено с помощью внутренних или внешних электродов. Поле, возбуждённое таким образом, действует вдоль оси между двумя электродами. Поглощаемая в этом разряде мощность пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля, концентрации электронов и зависит от частоты изменения поля, а также давления газа. Наилучшее поглощение электронами энергии происходит при равенстве частоты их соударений с атомами газа и частоты электрического поля. Основой индукционного разряда является явление электромагнитной индукции. На катушку-соленоид подаётся ток высокой частоты, вырабатываемый генератором. Под действием переменного магнитного поля в объёме возникает вихревое электрическое, силовые линии которого замкнуты внутри газоразрядной плазмы. Это электрическое поле способно возбуждать и поддерживать разряд в газе. Следует отметить, что в этом разряде фактически присутствуют 2 поля: азимутальное и рассмотренное выше продольное, связанное с переменной разностью потенциалов на концах соленоида. Роль каждого из этих полей зависит от конкретных условий, например, от протекающего в катушке тока. Зачастую зажигание разряда возникает под действием продольного поля, после которого устанавливается H-разряд, в котором главным образом действует азимутальное поле. В отсутствие внешнего постоянного магнитного поля концентрация зарядов в индуктивном разряде уменьшается от оси к стенкам. Фракционный состав извлекаемого ионного пучка определяется следующими элементарными процессами, происходящими в плазме ВЧразряда: → 𝐻2+ + 2𝑒 𝐻20 + 𝑒 → |→ 𝐻1+ + 𝐻10 + 2𝑒, → 2𝐻10 + 𝑒 → 𝐻1+ + 𝐻10 + 𝑒 𝐻2+ + 𝑒 → | → 2𝐻1+ + 2𝑒 , → 2𝐻10 𝐻10 + 𝑒 → 𝐻1+ + 2𝑒, 𝐻2+ + 𝐻20 → 𝐻3+ + 𝐻10 , 𝐻3+ → 2𝐻10 + 𝐻1+ + 𝑒 +𝑒 →| . → 3𝐻10 Здесь не учтён ряд процессов, вероятности которых значительно меньше перечисленных выше, например, образование нескольких протонов из 𝐻3+ . Изменение мощности ВЧ-разряда может повлиять на соотношение составляющих плазму ионов H1+ , H2+ , H3+ . Так, при увеличении мощности ВЧразряда содержание H1+ в плазме монотонно возрастает, содержание H3+ падает, а содержание H2+ изменятся медленнее, чем H3+ , а иногда вовсе может оставаться на одном уровне. Связано это с тем, что при увеличении мощности ВЧ-разряда увеличивается и плотность электронов в разряде, что приводит к процессам диссоциации молекулярных ионов H2+ и H3+ , а значит и к увеличению содержания H1+ . Изменение потока рабочего газа в источнике также имеет влияние на состав пучка. Так, увеличение потока приводит к уменьшению доли H2+ и увеличению долей H1+ и H3+ . Это объясняется тем, что доминирующим процессом для образования H3+ является процесс 𝐻2+ + 𝐻20 → 𝐻3+ + 𝐻10 . Рост давления газа в газоразрядной камере ведёт к увеличению скорости этой реакции. Извлечение ионов из плазмы. Ионно-оптическая система ИОС – это многоапертурная электростатическая система извлечения, ускоряющая и формирующая пучок ионов, состоящая из нескольких (обычно 3-4) электродов, изготовленных с большим количеством (несколько десятков или сотен) одинаковых апертур, образующих элементарную ячейку ИОС. Каждая такая ячейка функционирует независимо от других ячеек. Профиль и размеры ячеек определяются из оптимизационных расчётов параметров извлекаемых ими пучков (лучей). Общий поток атомов складывается из отдельных лучей, своим направлением и углом расходимости определяющих геометрию суммарного потока. Такой принцип создания ионно-оптической системы един для всех типов ионных источников. Изготовление самих электродов, однако, возможно в двух вариантах: 1. Электроды с ячейками щелевой формы (рисунок 5). В такой системе пучок расходится в основном поперёк щелей. Вдоль щелей его расходимость определяется температурой ионов плазмы, а поперёк – температурой ионов и аберрацией. 2. Электроды с ячейками круглой формы (рисунок 6). В такой системе пучок расходится одинаково в каждом направлении. Рисунок 5. Электрод с ячейками щелевой формы. Рисунок 6. Электрод с ячейками круглой формы. Использование в ИОС электродов с ячейками щелевой формы оправдано в тех случаях, когда инжекция атомов происходит в установки, входные апертуры которых имеют форму вытянутого прямоугольника. Характеристики пучка ионов, возникающего на выходе из ИОС, зависят от параметров плазмы разряда, геометрии ИОС и напряжении приложенного электрического поля. Вопрос определения зависимости угла расходимости пучка от плотности ионного тока на границе плазмы является основным при разработке ИОС, предназначенных для получения хорошо сформированных интенсивных ионных пучков. Выявление этой зависимости даёт возможность создать ИОС такой геометрии, которая при заданной плотности ионного тока обеспечивала бы получение пучков с минимальной угловой расходимостью. Полный теоретический анализ условий на границе плазмы и поведения ионов в ИОС очень сложен, однако можно качественно описать работу ИОС используя приближённый подход, основанный на методах электронной оптики. Трудность теоретического анализа заключается в том, что источником заряженных частиц является не фиксированная поверхность, а граница плазмы, изменяющая своё положение и форму поверхности при изменении собственных параметров или ускоряющего электрического поля, то есть не являющаяся жёстким эмиттером. Такие системы получили название систем с плазменной фокусировкой. Из-за трудностей теоретического описания поведения ионов в ИОС на практике оптимальная геометрия ИОС подбирается экспериментально. Экспериментально было показано, что зависимость угла расходимости пучка от его силы тока имеет V-образный характер. Необходимо отметить, что для различных источников в каждой ИОС при заданном ускоряющем напряжении существует своя определённая оптимальная плотность тока, обеспечивающая минимальный угол расходимости пучка. Важно отметить, ток ионов в ИОС определяется параметрами разрядной плазмы и не ограничивается объёмным зарядом. Происходит это по следующей причине. Предположим, что в плазму введён коллектор, на который относительно плазмы подан отрицательный потенциал. Если этот потенциал будет достаточно большим, то коллектор будет собирать только положительные ионы тем самым создавая между коллектором и границей плазмы объемный заряд ионов. Однако, максимум потенциала (рисунок 7 кривя 2), который мог бы служить потенциальным барьером для электронов и Рисунок 7. Распределение потенциала в ограничивать их ток, в этом случае диоде при различных значениях анодного потенциала. образоваться не может так как его сглаживает приток электронов из плазмы. Таким образом, ограничения тока ионов объёмным зарядом быть не может. Все ионы, находящиеся вблизи к границе плазмы, идут на коллектор, то есть постоянно идёт ток насыщения. По этой причине потенциалы на электроды в трёхэлектродной ИОС принято подавать в следующем порядке: 1. Потенциал первого электрода (самого близкого к газоразрядной камере) имеет то же значение, что и напряжение ускорения ионов. 2. К среднему электроду прикладывается отрицательное напряжение, чтобы создать потенциальный барьер, тормозящий низкоэнергетичные электроны, приходящие из нейтрализатора. 3. Третий (последний) электрод заземлён. Именно такой порядок следования потенциалов использовался в исследуемом инжекторе. При чем электроды для него изготавливались с ячейками щелевой формы. Нейтрализатор Нейтрализатор – устройство, в котором происходит перезарядка ионного пучка. Наиболее широко применяемая схема перезарядки – это перезарядка ионов водорода на собственном газе. Суть схемы довольно проста: полученный в ионном источнике пучок положительных ионов (протонов, если рабочий газ – водород) перерабатывается с помощью водородной мишени в атомы, имеющие ту же энергию. В эмиттере ионов помимо атомарных ионов H1+ могут ещё образоваться и молекулярные ионы H2+ и H3+ , которые также входят в состав извлекаемого пучка. В нейтрализаторе вместе с перезарядкой ионов H1+ происходят процессы диссоциации молекулярных ионов H2+ и H3+ , приводящие к появлению в 2 пучке нейтральных атомов молекул H20 с энергией 𝐸 и атомов с энергиями 1 3 1 𝐸 и 𝐸 (E – основная энергия, приобретаемая ионами в ИОС). 3 Соотношение между составляющими пучок на выходе из нейтрализатора компонентами определяет вносимую в плазму мощность. Если мишень имеет достаточную толщину, то образовываться в ней будут только атомы H10 и 1 1 ионы H1+ с энергиями 𝐸, 𝐸 и 𝐸. 2 2 3 В ходе предварительных испытаний после нейтрализатора пучок попадает в систему датчиков, измеряющих его поперечный размер и компонентный состав. При использовании инжектора по его прямому предназначению датчики убираются, и пучок по тракту попадает в систему с магнитным удержанием плазмы. Библиографический список 1. Физика и технология источников ионов. Я. Браун, Р. Келлер, А. Холмс и др. Перевод с английского под редакцией д-рафиз.-мат. Наук Е.С. Машковой. М., “МИР, 1998 г. 2. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М.Д. Габович, Н.В. Плешивцев, Н.Н. Семашко. М., “Энергоатомиздат”, 1986 г. 3. Инжекторы быстрых атомов водорода Н.Н. Семашко, А.Н. Владимиров, В.В. Кузнецов и др. М., “Энергоиздат”, 1981 г. 4. Интенсивные ионные пучки. А.Т. Форрестер. Пер. с англ. под редакцией Н.Н. Семашко. М., “МИР”, 1991 г. 5. Физика и техника плазменных источников ионов. М.Д. Габович. М., “Атомиздат”, 1972 г. 6. R. Uhlemann, R. S. Hemsworth, G. Wang, and H. Euringer, Hydrogen and deuterium ion species mix and injected neutral beam power fractions of the TEXTOR-PINIs for 20-60 kV determined by Doppler shift spectroscopy. (1992). 7. Плазменные эмиттеры источников заряженных и нейтральных частиц. А.И. Кузьмичёв, Н.А. Бабинов, А.А. Лисенков. Киев: Аверс, 2016 г.
