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 11

Переходная форма разряда. С увеличением давления газа при некоторых условиях возникает переходная от высоковольтного режима низкого давления к низковольтному режиму высокого давления форма разряда. В этой форме разряда еще сохраняется прианодная электронная оболочка с неравномерным азимутальным распределением заряда, но уже существует характерный для тлеющего разряда прикатодный ионный слой. Приложенное напряжение делится между этими двумя областями, разделенными плазмой. Напряжение горения разряда остается высоким, а ток достигает нескольких десятков миллиампер.

Тлеющий отражательный разряд. Повышение давления газа в разряде приводит обычно при р > 10^-3 мм рт. ст. к переходу в низковольтную форму. При токах I_P < 1А и отсутствии катодных пятен разряд во многом подобен аномальному тлеющему разряду с положительным столбом в магнитном поле. Основная часть напряжения сосредоточена в катодном падении потенциала. Ионный ток на катоде составляет 50–80%. При токах в несколько сот миллиампер и более напряжение горения разряда достигает 10³ В, что ограничивает применение такого разряда в ПИЭЛ из-за низкой энергетической эффективности, жестких требований к системе охлаждения разрядной камеры и интенсивной эрозии катодов за счет бомбардировки их высокоэнергетичными ионами. Ниже данные приведены для отражательного разряда при U_P < 700 В в магнитном поле с B < 10^-1 Тл.

Зависимости параметров отражательного разряда от давления водорода при постоянном разрядном токе i от разрядного тока при постоянном давлении приведены на рис. 5. С ростом тока и повышением давления происходит понижение электронной температуры плазмы вблизи центра анода. В обоих случаях доля анодной мощности Р_а стремится к постоянному значению, которое хорошо согласуется со значением, полученным для больших разрядных токов в аргоне при относительно высоких напряжениях.

Рис. 5. Зависимость параметров разряда От давления (а) и разрядного тока (б) Fe –Н₂, В = 6,8-Ю-² Тл

При работе ПИЭЛ обычно поддерживается постоянным поступление газа в разрядную камеру, а не давление. Вольт-амперные характеристики отражательного разряда, полученные при постоянном расходе газа в непрерывном режиме, а также зависимости давления в разрядной камере от тока даны на рис. 6. В качестве материала катода используется алюминий; рабочим газом служит воздух. Разрядная камера откачивается через отверстие диаметром 1,5 мм. Установлено, что снижение давления в камере, приводящее к резкому увеличению напряжения, вызывается в основном откачивающим действием разряда. Откачка газа происходит главным образом за счет адсорбции нейтралей распыленным материалом катодов, поскольку аналогичное падение давления наблюдалось и при разряде в химически инертных аргоне и гелии. При использовании катодов из материалов «низковольтной» группы, таких, как Al, Mg, Be, имеющих на поверхности окисную пленку, напряжение горения может быть увеличено также распылением этой пленки.

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики отражательного разряда для Fe – воздух, В = 4,5-10^-2 Тл:

1, 5 – Q = 72  см³/ч; 2, 6 – Q = 42 см³/ч; 3, 7 – Q = 30 см³/ч; 4, 8 – Q = 19 см³/ч

Дуговой отражательный разряд. С ростом тока тлеющий отражательный разряд может переходить в дугу с катодным пятном. Использовать плазму такого разряда для получения электронных пучков невозможно из-за нестабильности локальных параметров плазмы, которая образуется при перемещении катодных пятен, возникающих попеременно на обоих катодах. Однако, как будет показано в гл. 4, этот разряд применяется для инициирования других разрядов в ПИЭЛ.

Среди различных металлов (Fe, Mg, Al, Sn, Cu) наименьший ток перехода из отражательного тлеющего разряда в дугу (I_{р ≤} 1 А) при работе на аргоне и воздухе обеспечивают магниевые катоды. В тех случаях, когда поверхность катода покрыта диэлектрической пленкой, при переходе тлеющего разряда в дугу с катодным пятном возникают когерентные колебания потенциала на катодах. Колебания вызываются импульсным поступлением электронов в разрядный промежуток при пробое диэлектрического катодного покрытия.