ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 131
Скачиваний: 0
женного на рис. 15, а, при условии сильной фокусировки
(h^>b) равна
/ |
= /а— |
= l,74-10-6- ^ - t / ’/!. |
(4.41) |
/э м |
h Ь |
z \ 1ф |
К ’ |
Выражение (4.41) справедливо и для ленточного пучка (см. рис. 15,6), если в нем поменять местами ве-
Q
С
Рис. 14. Схематическое изображение электродов, направления электронного ионизирующего и вы ходного ионного пучков в ионном источнике с продольной ионизацией электронным ударом
ипоперечным расположением катода:
УЭ— ускоряющий электрод; э — электроны; ВД — выход ная диафрагма, определяющая входную апертуру анали затора; и — ионы; а.о.и. — активная область ионизации.
личины b и /и. В случае ленточных ионизирующих пуч ков, подобных изображенному на рис. 15, в, выгодно иметь дело со слабо сфокусированным пучком:
Исключая значение плотности тока из выражения (4.39), в котором для простоты положено /п = 0, и поль зуясь формулами (4.40) и (4.41), (4.42), можно получить соответственно для четырех рассматриваемых типов ионных источников (см. рис. 14, 15) соотношения, связы вающие основные геометрические размеры ионных источ-
$5
ников с ац, равной М $ В ; и 1( иускТ) |
',г: |
|
|
|
— -— < 1,76 -10-6 а,- |
при 1д — 1и = 1 |
и |
— = |
|
lig2y |
|
|
|
о |
— 2ml. = — (см. рис. 14); |
|
(4.43) |
||
яг2 |
г |
|
|
|
и < 2 ,5 -1 0~5«,- при |
— = 2 |
и |
/8 = |
|
(h—b) |
1 |
о |
|
|
Рис. 15. Схематическое изображение электродов и направления электронного ионизирующего и выходного ионного пучков в ионных источниках с поперечной ионизацией электронным ударом:
а — продольное расположение катода; б — поперечное расположение катода и
ленточная форма выходного ионного пучка; в — поперечное расположение ка тода и аксиальносимметричная форма выходного ионного пучка (обозначения
те же, что и на рис. 14).
36
— b (см. рис. 15, а); |
(4.44) |
= I (см. рис. 15, б); |
(4.45) |
||
5 |
a i |
А |
|
|
при — |
|
|
|
|
а |
|
(см. рис. 15, в). |
(4.46) |
||
Выражения (4.43) — (4.46) |
являются условиями |
реа |
|
лизации оптимального режима работы упомянутых ион ных источников, при котором в а. о. и. (заштрихованные места на рис. 14, 15) теоретически обеспечивается пол ная ионизация вещества в присутствии объемного заря
да, создаваемого электронным пучком. |
Анализ выра |
жений (4.43) — (4.46) свидетельствует |
о практической |
выполнимости найденных условий в достаточно широ ких диапазонах значений входящих в них величин. Энер гетический фактор также не может служить препятст вием при реализации оптимального режима работы ион ного источника. В этом легко убедиться.
Исключая из формулы Дэшмана — Ричардсона [42] для плотности тока термоэмиссии при насыщении и из формулы, характеризующей закон излучения Стефана — Больцмана [42], температуру катода, найдем зависи мость плотности тока эмиссии с катода от мощности излучения с единицы площади поверхности катода:
/к « Р/. = |
2,52107(Г/ц),/2 ехр {17,8Фд: (r]/W)tu}, |
(4.47) |
||||
где W — удельная |
мощность излучения с единицы |
пло |
||||
щади поверхности |
катода, вт/см2-,г\< 1 — полная излуча |
|||||
тельная способность |
материала |
катода [42]; ср^— рабо |
||||
та выхода, эв |
(для |
вольфрама |
ц = 0,347; |
tpfe= 4,5 |
эв); |
|
Р<1 — коэффициент |
пропорциональности. |
Сравнивая |
||||
выражение (4.47) с (4.40) — (4.42) при условии справед ливости (4.43) — (4.46), легко убедиться в справедливо сти сделанного предположения о роли энергетического фактора при реализации оптимального режима работы ионного источника.
Результаты предыдущих разделов данного параграфа показывают, что объемный заряд ионизирующего элект-
87
ронного потока в источнике, а также существование пре дела в эмиссионных характеристиках катодов не препят ствуют реализации предельной эффективности источника. Остается оценить влияние объемного заряда ионных пучков за пределами ионного источника на некотором расстоянии L от него. Полагая, что ионы покидают источник ламинарным потоком, летя параллельно друг другу, нетрудно, получив выражение для контуров акси
ально |
симметричного [43] |
и ленточного |
[41] пучков, |
||
рассчитать искомые предельные плотности ионных токов |
|||||
для обоих случаев. |
симметричных |
ионных пучков |
|||
1. |
Для |
аксиально |
|||
(рис. 14, 15, а и в): |
|
|
|
||
|
|
|
LM\U |
3 ,1 4 * |
|
|
|
|
|
||
ji = |
ho exp ■ |
In 1,11.10®. и 3и |
/ю |
(4.48) |
|
|
|
|
уск |
|
|
Зависимость ji от ji0 немонотонна. Экстремальное значение плотности тока
iiмакс = (/и)опт/е = 0,865-10-6 и ^ К ь т У 3). (4.49)
2. Для ленточных ионных пучков (см. рис. 15,6)
|
lio |
U3U |
1i |
lim ji — 0,41-10—6 уск |
|
+ |
/to // шакс |
аЬ*МУ‘ ’ |
|
|
(4.50) |
где jio — плотность ионного тока в апертуре выходной диафрагмы; а — ширина ленточного потока.
С помощью выражения (4.33) получим теоретически предельную плотность ионного тока на выходе источни ка:
/(т г = 1,125ЮМР 1/(аИ]^ТЛ4~), |
(4.51) |
* Выражение (4.48) получено благодаря введению аппрокси
мации табулированной функции [31]:
х
J exp (s2) dS |
exp (Д >275) — 1 для 0 < л: < 1,8. |
о
Существует более удачная аппроксимация указанного интеграла:
X
Jexp (s2) dS exp (х 1-*-0 •l77x) — 1 для 0 < x < 2 ,
о
которой не удалось воспользоваться из-за невозможности аналити чески разрешить полученное выражение относительно х,
88
где аи — площадь отверстия в выходной диафрагме, см2. Неравенство /»т. г ^ (/го)опт (см. выражение (4.49)) яв ляется условием реализуемости эффективности ионного источника, близкой к предельной (4.33).
Расчет показывает, что это условие выполняется лишь при очень низких давлениях Дг<Ю-10 тор. Это оз начает (почти всегда), что /гт.г^/г, и поэтому реально достижимая предельная эффективность ионных источни ков
“^/иред ~ <SfT.r//MaKc///T.r ~ /гмакс^и/^г прИ /; <7 //т.г- (4.52)
При этом нет необходимости создавать в а. о. и. рассчи танную выше для предельного случая полной ионизации вещества плотность электронного ионизирующего тока. Указанную плотность можно снизить для ионных источ
ников |
(см. |
рис. |
14, 15, а |
И в) |
В /гт.г//го)опт |
Раз |
и |
ДЛЯ |
|||||
источника (см. рис. |
15,6) |
В /гт. r/10/г макс раз. |
|
|
|
||||||||
Приведем в качестве иллюстрации результаты рас |
|||||||||||||
чета S{ пред для всех рассмотренных выше типов источни |
|||||||||||||
ков при |
17Уск=150 |
в; L = 20 см; |
Мг=40 |
а. е. м.; |
|
Р*= |
|||||||
= 10~6 тор и Т = 300° К. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Для |
|
источника, |
изображенного на рис. 14, при г— |
||||||||||
= 0,03 |
см; |
/э = 1,5 |
см; |
А /аи= (2 nrl3)/ (яг2) =2 U г=100 |
|||||||||
получим |
/гт. г” 0,01 |
Ct/cM2; |
/гм= 0,63 • 10~6 Cl/CM2; SiT.r = |
||||||||||
= 29 а/тор; S* п р е д = 1,83 • 10~3 а/тор. |
|
рис. |
15, а, |
при |
|||||||||
Для |
|
источника, |
представленного на |
||||||||||
г= 0,03 |
см; |
1Э= 0,06 |
см; |
/и= 1,5 см; |
А/оя= (2 1э1я)/(пг2) — |
||||||||
= 63,7 |
|
получим |
/гт. г= 0,00637 |
а/см2; |
/г макс= 0,63 X |
||||||||
X 10~6 |
а/см2; Sit г= 18,5 |
а/тор; |
Si пред= 1,83 • 10'3 |
а/тор. |
|||||||||
Для |
|
источника, |
изображенного |
на |
рис. |
15, в, |
|
при |
|||||
/и=0,01 |
|
см; |
6 = /э= 1,5 см; |
А/ая= [2 b (/э+ / и)]/(6/э) |
— 2 |
||||||||
получим |
/гт. г=2 • 1СИ |
а/см2; |
/гмакс= 0,63 • 10—6 |
а/см2; |
|||||||||
S^T. г~456 а/тор; |
S^ пред== 1,43 а/тор. |
|
|
|
|
|
|||||||
Для |
|
источника, |
изображенного |
на |
рис. |
15,6, |
при |
||||||
1и=1э— 0,06 |
см; |
6 = 1,5 |
см; А/ош=[2 |
1я{Ь + 1а)]/Ыа~ 2 |
|||||||||
получим |
jit. г = 2 '1 0 - 4 |
a/см2; |
/*макс= |
0,2 • 10-6 |
а/см2; |
||||||||
Six. г= 18,5 а/тор; |
S inpm= 0,185 а/тор. |
|
|
|
|
||||||||
Отметим, что формула (4.33) может служить исход ным расчетным соотношением для оценки предельной скорости откачки электроразрядных насосов.
В рассмотренных выше ионных источниках ионный поток выходил из источника пучком параллельно летя щих ионов, расходящимся под действием собственного пространственного заряда. Оценим преимущества вве
89