Эмиссия электронов из тлеющих разрядов с осциллирующими электронами

Глава 6

Эмиссия электронов из тлеющих разрядов

с осциллирующими электронами

Введение

В предыдущей главе обсуждалась возможность получения однородной плазмы, что является актуальной проблемой при использовании газоразрядных систем в качестве эмиттера заряженных частиц. К сожалению эта проблема не является единственной. На основе разряда с полым катодом разработано большое число источников [112-122], и при этом часто возникают сложности, связанные с тем, что отбор части заряженных частиц (а, как правило, при разработке ионных и электронных источников стремятся к повышению эффективности извлечения) в ускоряющий промежуток для формирования пучка может привести к существенному изменению условий горения разряда. В настоящей главе будет проанализировано изменение характеристик разрядов с осциллирующими электронами при электронной эмиссии, что может привести к ослаблению интенсивности ионизационных процессов в промежутке и затруднить поддержание разряда. В связи с этим актуальной представляется задача определения некоторых оптимальных условий отбора заряженных частиц, при которых будет
обеспечена достаточно высокая эффективность извлечения без нарушения устойчивости разряда.

Поскольку основной вклад в ионизацию газа в рассматриваемых разрядах с осциллирующими электронами вносят быстрые частицы, а вклад плазменных электронов невелик, то их отбор из разряда даже в большом количестве вряд ли окажет негативное влияние на устойчивость разряда. Это подтверждается результатами измерений, выполненных с использованием экспериментального макета, описанного в разделе 2.3. При увеличении потенциала зонда, расположенного напротив выходной апертуры катодной полости, от плавающего до потенциала анода происходил рост электронного тока на зонд и эффективность извлечения при использовании зонда с большими размерами могла достигать значений близких к 100%, но при этом ни напряжение горения разряда, ни нижняя граница рабочего диапазона давлений не возрастали, в то время как при увеличении потенциала зонда от значения потенциала катода до плавающего, когда на него уходят быстрые частицы, негативное влияние было весьма существенным. Таким образом желательно при отборе электронов создать такие условия, чтобы происходила эффективная эмиссия плазменных электронов и был бы исключен или хотя бы уменьшен уход быстрых ионизующих частиц. Однако вряд ли такое возможно в разряде с полым катодом без магнитного поля, в котором как медленные, так и быстрые частицы свободно осциллируют по всему объему полости и вблизи любого участка поверхности газоразрядной камеры распределение электронов по энергиям является одинаковым. Поэтому, по-видимому, оптимальные условия для поддержания разряда с полым катодом в режиме электронной эмиссии достигаются при выполнении условия

 ~ ,                                                  (6.1)

где , ,  - площади эмиссионного отверстия (отверстий), анода и катода, соответственно. Если суммарная площадь эмиссионного отверстия и анода больше, чем определяемая соотношением (6.1), то следует ожидать увеличения трудностей, связанных с поддержанием разряда и с обеспечением устойчивого токоотбора [123,124], а если меньше, то затрудняется уход из разряда плазменных электронов, что может привести к переходу разряда в высоковольтную форму.

Для разряда в магнитном поле ситуация несколько иная, так как магнитное поле препятствует свободному движению электронов в поперечном направлении и в этих услових пространственные распределения быстрых и медленных частиц могут существенно отличаться друг от друга причем не только количественно, но и качественно. Анализ полученных в главе 4 выражений для концентрации быстрых электронов и плазмы показывает, что в разряде с магнитным полем концентрация быстрых частиц спадает в направлении от катода к аноду, в то время как концентрация плазмы, а значит и концентрация медленных электронов в слабом магнитном поле в этом направлении увеличивается. В связи с этим представляется возможным осуществить эффективный отбор плазменных электронов при сравнительно небольшой скорости ухода быстрых частиц и избежать таким образом существенного ослабления ионизационных процессов. Учитывая вышесказанное основное внимание в настоящей главе будет уделено экспериментальному и теоретическому исследованию эмиссии электронов из разрядов с магнитным полем.

Еще одна проблема, возникающая при эмиссии заряженных частиц из тлеющих разрядов, заключается в том, что при использовании в качестве эмиттерного электрода катода газоразрядной системы, эмиссия идет из плазмы, ограниченной областью катодного падения, протяженность которой вследствие высокой величины разрядного напряжения существенно больше, чем длина слоя вблизи электрода, находящегося под плавающим потенциалом или под потенциалом катода дугового разряда. Соответственно, при использовании тлеющих разрядов возможно существенное влияние этого фактора на эмиссионные характеристики, особенно в том случае, когда протяженность слоя сравнима с размерами эмиссионного отверстия. Анализ этого влияния также будет проведен в настоящей главе.