LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Фізика. Астрономія → Аберації в сильнострумовій плазмовій лінзі






НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ФІЗИКИ




Добровольський Андрій Миколайович



УДК 533.9.004.14

533.9.07



АБЕРАЦІЇ
В СИЛЬНОСТРУМОВІЙ ПЛАЗМОВІЙ ЛІНЗІ


Фізична електроніка 01.04.04




Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук








Київ – 1999




Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики НАН України.

Науковий керівник: доктор фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник Гончаров Олексій Антонович, Інститут фізики НАН України, провідний науковий співробітник.



Офіційні опоненти



Доктор фіз.-мат. наук, професор, Кириченко Георгій Сергійович
НЦ "ІЯД", зав. відділом фізики плазми



Кандидат фіз.-мат. наук, доцент, Черняк Валерій Якович
Кіївський Національний Університет
ім. Тараса Шевченко, доцент кафедри
фізичної електроніки



Провідна установа

ННЦ "Харківський фізико-технічний інститут" Інститут плазмової електроніки та нових методів прискорення, м. Харків



Захист відбудеться "24" 02 2000 р. о 14:30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 03650 МСП, 03039, Київ-22, проспект Науки, 46.



З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики НАН України, 03650 МСП, 03039, Київ-22, проспект Науки, 46.



Автореферат розісланий 24.01.2000.







Вчений секретар

спеціалізованої Іщук В.А.
вченої ради

Актуальність теми дисертації

Останнім часом існує стійкий інтерес до проблеми одержання та керування інтенсивними пучками іонів різних елементів. Такі пучки, і перш за все пучки важких іонів, як засіб доставки на значні відстані енергії, імпульсу та маси речовини, стають винятково важливим об'єктом фундаментальних наукових досліджень та, одночасно, невід'ємною частиною сучасних високих технологій, як то: високодозна іонна імплантація та іонна обробка матеріалів (очищення, полірування, нанесення покрить та модифікація властивостей поверхні). Вони знаходять застосування в програмах по дослідженню керованого термоядерного синтезу, в дослідженнях колективних методів прискорення, мас-сепарації ізотопів, прискорювачах заряджених часток та ін. В той же час, такі пучки, що мають значний радіальний перепад потенціалу jb (jb=Ib/Vb, де Ib- струм іонного пучка, а Vb- його швидкість), для самого свого існування вимагають створення достатньо щільного, компенсуючого їх об'ємний заряд плазмового середовища. Це середовище (іонно-пучкова плазма) екранує поля традиційних електростатичних вакуумних лінз, що робить їх застосування дуже неефективним. Одночасно, значна енергоємність та зменшення оптичної сили магнітних вакуумних лінз з збільшенням маси часток не дозволяє орієнтуватися на них як на заміну електростатичним.

Таким чином можна стверджувати, що сама поява плазмооптичних пристроїв була викликана труднощами, з якими зустрілися дослідники при спробі використання традиційних пристроїв вакуумної корпускулярної оптики для керування інтенсивними пучками заряджених часток. Хоча спроби використання для цих цілей об'ємного заряду робилися ще на в першій половині століття, лише після появи ідеї використання магнітної ізоляції електронів та еквіпотенціалізації магнітних силових ліній (О.І. Морозов, ДАН СРСР, 1965, 163, с. 1363) для введення об'ємних електричних та магнітних полів в плазмове середовище компенсованого іонного пучка, починається розвиток плазмооптики як самостійного напрямку у фізичній електроніці та фізиці плазми. Пристрої, що були побудовані з її використанням, виявились дуже ефективними. На сьогодні вони представлені великою родиною реалізованих експериментально пристроїв, що все частіше знаходять практичне застосування, і вона продовжує поповнюватися. Власне плазмова лінза (ПЛ) вирізняється серед них своєю відносною простотою, практичною значимістю та можливістю одночасного вивчення властивостей, що визначають плазмооптичні пристрої в цілому. Останнє можливо тому, що в ПЛ найбільш повно та послідовно реалізується головна плазмооптична ідея.

Другим суттєвим моментом є впровадження в наукову та технологічну практику пучків великого початкового діаметру. Відомо, що класична корпускулярна оптика оперує з параксіальними пучками, що відчувають дію прилеглої до вісі частини фокусуючого поля. Через це, використання їх з пучками великого діаметру, навіть за умови проникнення керуючого поля в об'єм пучка, пов'язано з значним впливом на результати фокусування та керування притаманних їм неусувних сферичних аберацій. Другий підхід - створення пристроїв дуже великого діаметру, пов'язаний з неприпустимим рівнем енергозатрат.

На відміну від всього згаданого вище, плазмова лінза дозволяє керувати сильнострумовими іонними пучками без порушення їх квазінейтральності. Крім того, можливо побудувати таку лінзу без сферичних аберацій і ефективно керувати широкими пучками. Водночас фокусування інтенсивних пучків великого діаметру плазмовими лінзами досі було майже не досліджено.

Таким чином, поява в останні десятиріччя добре сформованих іонних пучків великого початкового діаметру з амперними струмами, власні магнітні поля яких ще суттєво менше зовнішніх, поставило проблему розробки та дослідження плазмооптичних пристроїв нового покоління, що здатні керувати такими пучками. Одночасно, перехід на квазістаціонарні імпульсно-періодичні іонні пучки з великим радіальним перепадом потенціалу, обумовив автоматичний вихід в лабораторному експерименті на квазінейтральний режим роботи плазмової лінзи з повним дотриманням умов, що задовольняють теоретичним принципам статичної плазмооптики. Враховуючи також, що електростатичні плазмові лінзи на протязі багатьох років демонструють переконливі переваги у порівнянні з традиційними іонно-оптичними пристроями вакуумної оптики та їх використання все частіше переходить з галузі фундаментальних досліджень в площину практичного використання, актуальним стає детальне дослідження роботи лінзи в цих умовах.

Вивченню особливостей функціонування саме сильнострумової плазмової лінзи (СПЛ), тобто лінзи, для якої радіальний перепад потенціалу пучка, що крізь неї проходить, перевищує максимальний зовнішній потенціал, що прикладений до електродів лінзи, в умовах керування пучком великого початкового діаметру присвячено цю дисертацію. Головна увага приділялась вивченню впливу притаманних СПЛ аберацій (сферичних, моментних та динамічних) на її фокусуючі властивості. При цьому треба відзначити, що вийти на режим сильнострумової ПЛ в експериментах можливо як за рахунок досягнення великих струмів (до 2 А) при середніх (до 30 кеВ) енергіях пучка, так і за рахунок зменьшення енергії пучка (100-500 еВ) при малих струмах (до 50 мА). В роботі було використано обидві можливості. За допомогою джерела газових іонів без магнітного поля з багатоапертурною іонно-оптичною системою отримано пучок іонів водню з струмом до 2 А і