Ионный пучок. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Впервые ионный пучок наблюдал Э. Гольдштейн (Е. Goldstein) в 1886; в катоде газоразрядной трубки были проделаны отверстия, через к-рые проходили ионы, ускоренные в межэлектродном промежутке, и создавали за катодом слабое свечение (т. н. каналовые лучи). В настоящее время ионный пучок получают с помощью различных ионных источников и формируют системами электрической и магнитной фокусировки. Ионные пучки могут иметь вид цилиндра, конуса, ленты и т. п. Поведение ионных пучков зависит от нач. направленной скорости ионов, их тепловых скоростей, внеш. электрич. и магн. полей, парных столкновений ионов с частицами среды, а также от собственного объёмного заряда пучка и магн. поля его тока. Важным параметром И. п., характеризующим влияние объёмного заряда на его свойства, является первеанс P=I/U^3/2, где I - ток пучка, a U - ускоряющая ионы разность потенциалов. Пучки с пост, первеансом при одинаковых размерах подобны друг другу. Хотя разброс тепловых (хаотич.) скоростей ионов может быть мал по сравнению с их направленной скоростью, часто именно тепловые скорости ограничивают возможную фокусировку И. п., искажая его форму. Это качество пучка характеризуется т. н. эмиттансом ,связанным с проекцией фазового объёма пучка на плоскость, к-рый приближённо вычисляют по ф-ле: V_ф=2R₀(2T_i/Mc²)^l/2, где R₀ - радиус плазмы, служащей источником ионов с температурой Т_i, выраженной в единицах энергии, М - масса иона. В отсутствие частиц противоположного знака осесимметричный И. п. расширяется вдоль оси z под действием собственного заряда и профиль И. п. описывается ф-лой:

где f(x) - известная табулированная функция:

Для сохранения формы И. п. их объёмный заряд должен быть скомпенсирован зарядом частиц противоположного знака. Наиб, распространена "газовая" компенсация объёмного заряда в И. п. При столкновении нек-рых положит, ионов пучка с атомами остаточного газа образуются электроны и относительно медленные положит, ионы. Последние выталкиваются из пучка электрич. полем, а электроны накапливаются в нём, несмотря на то, что этому препятствуют кулоновские столкновения их с первичными ионами. Так достигается не полная, но значит, компенсация объёмного заряда в пучке положит, ионов (рис. 1, а). Иначе происходит газовая

Рис. 1. Радиальное распределение потенциала: а - в пучке положительных ионов до компенсации (Dj₀) и после неё (Dj_к); б - в пучке отрицательных ионов при различных давлениях газа: 1 - в высоком вакууме; 2 - при большом давлении, когда пучок в значительной мере компенсирован; 3 - при большом давлении, когда произошло обращение знака потенциала.

компенсация объёмного заряда в пучке отрицат. ионов (рис. 1, б). В этом случае при малом давлении газа накапливаемые медленные положит, ионы также лишь частично компенсируют объёмный заряд И. и. Однако при достаточно большом давлении газа происходит перекомпенсация объёмного заряда: за счёт накопления большого числа медленных положит, ионов потенциал в пучке изменяет свой знак и происходит "газовая фокусировка" пучка отрицательных ионов. Др. способ компенсации объёмного заряда И. п. состоит в "принудительном" введении в И. п. пучков зарядов противоположного знака, т. е. в совмещении пучков. Так получают синтезированные ион-электронные или ион-ионные пучки с компенсированным объёмным зарядом; при этом одновременно с компенсацией объёмного заряда часто осуществляется необходимая токовая компенсация. В результате происходит переход к плазм, потокам, называемым в плотных И. п. ионно-пучковой плазмой. Из-за немаксвелловского распределения скоростей возникают коллективные явления - электронные и ионные колебания. Коллективные эффекты, приводя к изменению фазового объёма, также влияют на транспортировку И. п. Для получения И. п. часто используют ионные источники с газоразрядными ионизац. камерами и тогда отбор ионов осуществляется не с фиксированной поверхности твёрдого тела, а с границы плазмы, перемещающейся при изменении внеш. условий или режима работы источника (рис. 2). В этом случае первичное

Рис. 2. Система первичного формирования ускоренного пучка ионов, извлекаемых из плазменного источника: 1, 2, 3 - электроды. I - вогнутая граница плазмы, II-плоская, III - выпуклая.

формирование И. п. связано с т. н. плазм. фокусировкой. При увеличении ускоряющей разности потенциалов U граница плазмы из выпуклой (III) становится вогнутой (I), создаются условия для фокусировки пучка. Электрод 2 с отверстием для пучка, имеющий потенциал ниже потенциала заземлённого электрода 3, удерживает электроны, компенсирующие ионный пучок, и ускоряет сам ионный пучок. В дальнейшем И. п. могут фокусироваться с помощью эл--статич. и магн. линз (см. Электронные линзы ).Сжатие И. п. связано с их "охлаждением" - уменьшением фазового объёма. Одним из методов охлаждения "горячего" И. п. является совмещение его с "холодным" электронным пучком. В 80-е гг. получают квазистационарные И. п. с током до 100 А, импульсные - с током до сотен тысяч А. Важной проблемой остаётся транспортировка таких пучков. И. п. широко применяются в самых разл. областях пауки и техники: в ускорителях, установках по осуществлению управляемого ионного термоядерного синтеза, в разнообразных технол. установках, масс-спектрометрии, установках для разделения изотопов, для исследования поверхности твёрдых тел, для т. н. сухого травления в технологии микроэлектроники и т. д.

Литература по ионным пучокам

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.