2 / 13
Управление формой пучка технологического ионного источника…
ISSN 1812-3368. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2017. № 3
25
Для технологических задач требуются различные профили ионного тока в
пучке. Например, для ионной очистки и активации поверхности, где требуется
максимальная зона обработки и для процесса равномерного съема материала при
ионно-лучевом формообразовании подходит традиционная кольцевая форма
пучка. Однако для локальной коррекции ошибок профиля поверхности оптиче-
ских деталей необходим ионный пучок небольшого диаметра с гауссовым распре-
делением плотности ионного тока по радиусу [4]. Существующие ионные источ-
ники имеют различные геометрию и размеры ускорительных каналов, удовлетво-
ряющие требованиям конкретного технологического процесса, и следовательно,
являются узкоспециализированными. В связи с этим представляет интерес разра-
ботка универсального ионного источника с азимутальным дрейфом электронов,
позволяющего управлять профилем распределения ионного тока в пучке.
Известно, что в ускорителях с замкнутым азимутальным дрейфом электро-
нов линии индукции магнитного поля являются электрическими эквипотенци-
алями, следовательно, электрические силовые линии в зоне ускорения перпен-
дикулярны магнитным [5, 6]. Поэтому, изменяя топологию магнитного поля в
ускорительном канале, можно управлять структурой электрического поля и
формой ионного пучка. Проще всего реализовать этот способ за счет придания
необходимой формы стенкам ускорительного канала, которые обычно являются
полюсами магнитной системы, или за счет использования магнитных шунтов,
изменяющих геометрию магнитного поля. Такой прием часто применяют при
проектировании электрических ракетных двигателей [7, 8].
Однако описанный прием позволяет лишь ограниченно управлять формой
ионного пучка. При ускорении в поперечном магнитном поле на ионы действу-
ет сила Лоренца, изменяющая траекторию их движения. Этот эффект приводит
к расхождению ионного пучка в ускорителях и двигателях с анодным слоем [9]
и снижению тягового КПД двигателей [10, 11]. При этом пучок принимает фор-
му однополостного гиперболоида, что не позволяет добиться гауссова распре-
деления плотности ионного пучка по радиусу приданием ускорительному кана-
лу конической формы [12].
Для фокусировки ионного пучка в пятно с гауссовым распределением плот-
ности ионного тока необходимо скорректировать траекторию ионов после того,
как они покинут ускорительный канал. Так, в работах [13, 14] для этой цели
предложено за срезом ионного источника устанавливать дополнительную маг-
нитную систему, создающую магнитное поле, вектор индукции которого
направлен противоположно вектору индукции в ускорительном канале. В маг-
нитном поле дополнительной магнитной системы ион возвращается на свою
первоначальную траекторию.
Изменяя параметры дополнительной магнитной системы, можно в широких
пределах управлять распределением плотности ионного тока по радиусу ионно-
го пучка. Цель настоящей работы — исследование влияния магнитного поля
дополнительной магнитной системы на форму пучка холловского ускорителя с
коническим каналом и распределение плотности тока по радиусу.