ФОКУСУВАННЯ ІНТЕНСИВНИХ ШИРОКО АПЕРТУРНИХ ЕЛЕКТРОННИХ ПУЧКІВ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОЮ ПЛАЗМОВОЮ ЛІНЗОЮ ПРОСТОРОВОГО ЗАРЯДУ

 

І. Літовко¹, А. Гончаров², А. Добровольський², В. Гушенец³, Е.Окс³

 

¹ Інститут ядерних досліджень НАНУ, Київ, Україна

² Інститут фізики НАНУ, Київ, Україна

³Інститут сильно-струмової електроніки СО РАН, Томськ, Росія

 

Розроблено чисельну модель процесу створення динамічної хмари об’ємного заряду у електростатичній плазмовій лінзі та фокусування пучків частинок з від'ємним знаком заряду хмарою просторового заряду, що дозволяє розраховувати процес накопичення просторового заряду у плазмовій лінзі та взаємодію створеної хмари просторового заряду з пучком заряджених часток, що проходить крізь апертуру лінзи з урахуванням процесу постійного надходження нових додатних іонів до хмари.

Проведено дослідження електростатичних характеристик плазмової лінзи, а також фокусування пучка електронів як малих, так і великих струмів електростатичною плазмовою лінзою. Чисельний експеримент підтвердив важливість врахування магнітного поля в об'ємі лінзи і критичність його величини для розділення електростатичного та магнітного фокусування та показав важливість дотримання правильного співвідношення між об'ємними зарядами лінзи та пучка, що фокусується. У випадку перевищення об'ємним зарядом пучка такого в лінзі, фокусуючий режим роботи плазмової лінзи порушується. Таким чином, для слабо струмових електронних пучків (І ≤ 1А) здійснюється електростатичне фокусування. Зазначмо, що фокусуючи властивості плазмової лінзи можна покращити підвищенням середньої енергії пучка додатних іонів, що створюють хмару об’ємного заряду, однак це можливо для пучків, струм яких не перевищує 5-10А. Чисельний експеримент, щодо фокусування сильнострумових (І ≥ 10А), широко апертурних електронних пучків плазмовою лінзою з об’ємним зарядом, показав, що у цьому випадку можливо лише магнітне фокусування, оскільки хмара швидко руйнується, тому необхідно вибрати оптимальне магнітне поле, щоб покращити фокусування і мінімізувати геометричні аберації. Однак, присутність плазмової лінзи дозволяє покращити транспорт електронного пучка, та зменшити його розходження за рахунок додаткового надходження позитивних іонів створених плазмовою лінзою, які компенсують об’ємний заряд пучка. Отримані результати добре узгоджуються з експериментальними даними.

Експериментально було встановлено: що плазма хмари об'ємного заряду стабілізує роботу джерела електронів та разом з фокусуючими можливостями лінзи дозволяє стиснути 100 амперний, широко апертурний (початковий діаметр 6 см) пучок до розміру 1 см. та отримати густину струму пучка більшу за 100 А/см2. Експериментально показано можливість побудови плазмової лінзи з динамічним просторовим зарядом, що не має провалу плаваючого потенціалу на вісі лінзи, обумовленого закруткою іонів хмари у магнітному полі лінзи;