Общие свойства плазменных источников электронов. Эмиссия электронов из плазмы и прохождение тока в диодах с плазменным катодом. Электронные источники на основе разрядов с холодным катодом в магнитном поле, страница 37

Кроме ПИЭЛ с ограниченной продолжительностью токоотбора вследствие несоответствия между эмиссионной способностью плазмы и пропускной способностью промежутка рассмотрим также ПИЭЛ, в которых длительность рабочего периода ограничивается временем развития в ускоряющем промежутке неустойчивостей других типов.

18. ПЛАЗМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМОЙ, ВОЗНИКАЮЩЕЙ ПРИ ВЗРЫВЕ КАТОДНЫХ ОСТРИЙ В СИЛЬНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Образование плазмы у катода вакуумного промежутка при достаточно высоком напряжении в промежутке и поступление электронов из этой плазмы на анод представляют одну из стадий развития вакуумного пробоя. Поэтому создание и совершенствование таких ПИЭЛ тесно связано с исследованием вакуумного пробоя. Решающий вклад в рассмотрение этого явления сделан Г. А. Месяцом и Г. Н. Фурсеем

Если к вакуумному промежутку между холодными металлическими электродами приложить высокое напряжение, то напряженность поля у кончика острия катода или у поверхности естественных микровыступов плоского катода будет настолько большой, что возникает интенсивная автоэлектронная эмиссия. Перегрузка катодного выступа собственным автоэмиссионным током, переходящим в ток термоавтоэлектронной эмиссии, приводит к взрывообразному разрушению.

После взрыва катодного выступа у места взрыва появляется плазменное образование, названное катодным факелом Степень ионизации плазмы в катодном факеле близка к 100%, непосредственно у острия концентрация частиц ne=1026÷1027 м−3, а в области 10−6—10−5 м в среднем ne=1024÷1025 м−3. Температура плазмы составляет Те≈Тi(104—105) К Наблюдения распространения фронта светящейся границы плазмы показали, что катодный факел расширяется и, таким образом, приближается к аноду. Скорость расширения катодного факела слабо зависит от приложенного напряжения и составляет для Al— 3,4∙104; Cu— 2,6∙104; Mo— 2,0; Pb— 1,1∙104 м/с

После взрыва острия и возникновения катодного факела электронный ток в промежутке возрастает на 2—3 порядка. Интенсивную эмиссию электронов из катода через фазовый переход от металла к плотной плазме называют взрывной эмиссией. Плотность тока взрывной эмиссии j=108 А/см2 и значительно превышает плотность тока автоэлектронной эмиссии, которая имеет место в отсутствие плазмы. Механизм выхода электронов из катода при взрывной эмиссии предполагается близким к механизму электронной эмиссии в катодных пятнах. Выходящие из плазмы в вакуум электроны ускоряются напряжением, приложенным к промежутку, и формируются в пучок.

В работе показано, что электроны в катодном факеле обладают свойствами идеального газа, подчиняющегося статистике Максвелла— Больцмана. Плотность тока электронной эмиссии из плазмы катодного факела определяется соотношением (16). В большинстве случаев электронный ток в диоде со взрывной эмиссией связан с приложенным напряжением законом «степени 3/2», что возможно лишь в отсутствие у эмиссионной поверхности поля, ускоряющего электроны. Эмиссионная способность плазмы катодного факела обычно превышает пропускную способность промежутка между фронтом факела и анодом Это обусловливает на границе плазма— вакуум поле, тормозящее электроны и ускоряющее ионы, а также минимум потенциала вблизи границы. Такое распределение поля наряду с первоначально запасенной в катодном факеле энергией являются причинами расширения факела. Увеличение при этом первеанса промежутка вызывает возрастание отбираемого из факела и протекающего в промежутке тока. Таким образом, в ПИЭЛ на основе взрывной эмиссии плазма, с одной стороны, обеспечивает в контакте с твердым телом интенсивную эмиссию электронов из катода, превышающую автоэлектронную эмиссию, а с другой— повышает пропускную способность диода благодаря частичному заполнению факелом межэлектродного промежутка. Максимальная длительность токоотбора ограничивается временем прохождения катодного факела до анода и во многих случаях не превышает 10−7 с. При значительных токах бомбардировка анода высокоэнергетичным электронным пучком с плотностью мощности на аноде до 10е Вт/см2 приводит к появлению на аноде плазменного образования, называемого анодным факелом. Расширение анодного факела сокращает длительность электронного пучка. После замыкания плазмой межэлектродного промежутка развивается низковольтная дуга.