Ускорения плазмы в анодном слое, страница 3

Рассмотрим подробнее процесс ионизации в слое нейтральных атомов. Если атомы поступают со стороны анода, то вероятность их ионизации при прохождении сквозь слой равна

Здесь τ_a -  время полета атома сквозь слой; τ_ion - время, необходимое для ионизации атома за счет столкновений с электронами

Т_ан - температура анода.

Если вероятность ионизации атомов в слое достаточно велика, то ускоритель работает в плазменном режиме, когда

Здесь j_i – плотность ионного тока; S– сечение кольцевого зазора ускорителя

r₂и r₁– наружный и внутренний радиусы; h – высота зазора ; m^*– расход рабочего вещества.

Подставляя в выражение (5.16) , получаем

где

Подставляя величину Lиз (15), находим критическое значение расхода, начиная с которого вероятность ионизации P≥0,5.

Соответствующая величина плотности тока нейтральных атомов в токовых единицах составляет

Например, при А≈ 200, В ≈ 100 Гс, Т_ан = 10³ К, <v_eQ_e>≈ 10^-6см³/с, <v_eQ_i>≈ 3·10^-7см³/с,    получаем минимальную плотность тока атомов j_a≈ 150 мА/см². Начиная с соответствующих значений j_a и m^*, ускоритель будет функционировать в режиме  интенсивной ионизации рабочего вещества. Таким образом, разряд с анодным слоем при соблюдении условия (21) может быть использован как эффективный источник ионов.

Среднюю поперечную энергию W_e^ («температуру») электронов в слое можно оценить с помощью уравнения баланса энергии

Здесь j₀ – плотность разрядного тока; j_i – плотность ионного тока; j_eан – плотность тока электронов на анод; W_i–средняя энергия ионов; W_е⊥– средняя энергия электронов; ε_i – энергетическая «цена» акта ионизации. Поступление ионов извнешнего источник в формуле (22) предполагается несущественным.

Поскольку доля электронного тока в слое невелика, имеем

j₀≈ j₁≈j_еан,

отсюда

Для быстрых электронов ε_i≈≈50 эВ.

Величина

и всегда ниже φ₀ за исключением частного случая, когда ионизация нейтралов происходит непосредственно вблизи анода. Отсюда следует, что поперечная «температура» электронов W_e⊥по порядку величины близка к полной приложенной разности потенциалов

Функция распределения электронов по скоростям в условиях разряда с анодным слоем, по-видимому, отличается от максвелловской. При больших энергиях сечение кулоновских столкновений электронов между собой сильно падает и величина τ_ее оказывается большой. В результате максвеллизация электронов на столкновениях не происходит и их поперечная энергия значительно отличается от электронной температуры вдоль магнитного поля. На выходе ускорителя в области рассеянного магнитного поля электронная температура также невелика (10 эВ).