离子源工作原理

端部霍尔离子源工作原理

工作气体的中性原子或分子从气体分配器的孔进入阳极包围的放电区，从阴极发射的电子近似沿磁力线进入该放电区与工作气体的原子或分子发生碰撞。其中一些碰撞产生了离子，放电区的电子和离子的混合物构成了等离子体。从阳极到阴极方向中性原子或分子的密度是迅速下降的，所以大部分导致电离的碰撞发生在阳极包围的放电区内。

平行于磁场的电导远大于垂直于磁场的电导，磁力线就近似于等离子体的等势线，靠近对称轴的磁力线接近阴极电位，靠近阳极的磁力线接近阳极电位。这种径向的电位差用朗谬尔探针测量是存在的。同时发现沿磁力线也存在电势差，趋向于把离子从阳极向阴极加速。造成沿磁力线电势差的原因将在后面讨论。在放电室形成的离子起初既向阴极又向对称轴加速。因为动量的存在，向对称轴运动的离子不会停留在对称轴，而是会继续运动，通常会被对称轴另一侧的正电压反射。根据离子形成位置的不同，它可能在离开离子源之前多次穿越对称轴。

因为行进路径的多样性，使离子在离开离子源运动到阴极外面后形成宽束离子束。离子束中的正电荷将会被阴极产生的一部分电子中和。阴极产生的绝大部分电子回到阳极产生离子同时又形成了加速离子向阴极外部运动的电势差。发散型磁场和阳极-阴极之间的电势梯度使大多数离子向下游运动离开离子源。

阳极电流由原初电子和二次电子构成，二次电子电流等于总的离子产额，当阴极发射电流等于阳极电流时，从阴极发射的多余电子足够充当离子束的中和电流。

阴极发射电流I e可以认为是由回流到阳极的放电电流I d和对离子束起中和作用的中和电流I n构成I e=I d+I n(1) 由于离子受轴向和径向电场引导几乎都流入离子束，阳极电流I a主要来源于电子。这个电流由来自于阴极的放电电流和离化过程中的二次电子电流I s构成

I a=I d+I s(2)

由I e=I a 有

I n=I s。(3)

将电荷转换，离子束流I b等于二次电子电流I s，所以有

I n=I b。(4)

即在发射电流等于阳极电流条件下，可得到用于中和离子束的电子流等于离子束的束流。

由于发散型磁场的存在，主要有两种机理产生加速离子的电势差。其一是穿越磁力线减弱的等离子体电导。强场近似适用于具有几百高斯场强的端部霍尔源。平行于磁场和垂直于磁场的电导比可表示为

σ∥/σ⊥＝(ω/ν)2(5) ω是电子的回旋频率，ν是电子共振频率，在穿越强磁场时，电子碰撞频率由反常扩散的等离子体涨落决定。用波姆扩散估算此频率，可以表示为

σ∥/σ⊥＝256 (6) 因为波姆扩散只在内准确，6式的比值只能在一个数量级认为是正确的，可以表示为σ∥＞＞σ⊥(7) 从平行于磁场和垂直于磁场的电导差异，可以认为磁力线近似于等离子体的等势线。进一步讲，靠近阳极的磁力线会带有更高的正电压。用朗谬尔探针测量了径向的等离子体电势，测量显示，从对称轴到阳极边缘电势是上升的。但这个电势升高只占阳极-阴极电势差的一小部分，大部分阳极-阴极电势差出现在轴向方向上，也就是电势差的主要部分出现在平行于磁场的方向。

电子在离子源中以圆(环)形轨迹运动，非均匀磁场作用在电子上的随时间平均的力是我们所感兴趣的。场强在磁场的方向上发生变化，这个力就平行于磁场并指向磁场减弱的方向。假定电子速度是各方向同性分布的，垂直于磁力线方向的运动就占据了电子2/3的能量。在等离子体密度均匀的条件下，等离子体的电势差可以通过平衡磁场的电场积分计算得出

△V p=(kT e/e)ln(B/B0) (8) k是波尔兹曼常数，T e是电子温度，e是电子电荷，B和B0是两点的磁场场强，kT e/e 就是以eV表示的电子温度，假如B＞B0，B点的等离子体电势就高于B0点。

等离子体中平行于磁场方向的等离子体电势差是电子和磁场相互作用产生的，根据公式8，我们可以通过改变这一电势差来控制对离子的加速，因此公式8是很重要的。这一点和诸如聚变反应的高能应用不同，那里的磁场强到可以直接约束离子。后者称作“磁镜效应”，由不同的公式描述。