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 12

Рис. 7. Характеристики дугового отражательного разряда: 1 – U_Д =f(B), р= 2·10^-2 мм рт. ст.l = 10 мм; 2 – U_д = f(Р): В = 0,1 Тл, l = 10 мм; 3 – U_д = f(С): В = 0,1 Тл, p = 5·10^-2 мм рт. ст.

Зависимости напряжения горения импульсной отражательной дуги от магнитного поля, давления воздуха и расстояния между катодами приведены на рис. 7. Уменьшение отношения l/R от 1 до 0,3 (R–радиус катода, l – расстояние между катодами) приводит к росту требуемой напряженности магнитного поля. Увеличение В до 10-' Тл вызывает некоторое уменьшение времени запаздывания разряда, которое остается неизменным (~ 10-⁶ с) при дальнейшем усилении поля. Подсоединение одного из катодов к аноду требует для зажигания разряда более высокого давления pS*8- 10~² мм рт. ст. и увеличивает время запаздывания разряда.

7. ЭФФЕКТ ПОЛОГО КАТОДА В ОТРАЖАТЕЛЬНОМ РАЗРЯДЕ

Отражательный разряд с холодными катодами может существовать в форме, подобной тлеющему разряду, при более "низком давлении, чем требуется для горения обычного тлеющего разряда. Это позволяет использовать отражательный разряд в ПИЭЛ. Однако в стационарном отражательном разряде получение плотной плазмы затруднено откачивающим действием разряда, которое приводит к тому, что при малых потоках газа разряд становится или неустойчивым, или высоковольтным.

Скорость откачки и интенсивность эрозии катодов можно снизить, используя пеннинговскую электродную систему с полым катодом, впервые примененную в ионном источнике [30]. Возбуждение отражательного разряда с полым катодом и его характеристики исследованы в работах [27, 31].

Рис. 8. Вольт-амперные характеристики отражательного разряда [31]: 1 - с плоскими катодами; 2 - с полым катодом

Возбуждение эффекта полого катода.Вольт-амперная характеристика отражательного разряда с полым катодом, картины свечения и распределение плотности тока по длине катодной полости, соответствующие разным точкам характеристики, приведены на рис. 8. Здесь же для сравнения представлена вольт-амперная характеристика, полученная при отсутствии катодной полости. При малых разрядных токах в пределах участка АБ в системе с полым катодом возбуждается обычный отражательный разряд, на который эта полость не оказывает влияния. Отсутствие эффекта полого катода при малых токах обусловлено тем, что в этих условиях электрическое поле и заряженные частицы не проникают из пеннинговской системы в катодную полость. Проникновению плазмы и электронов препятствует катодное падение U_к перед апертурой катодной полости, а попадание ионов в нее затрудняется их рассеянием перед апертурой вследствие специфической формы границы темного катодного пространства (см. рис. 8, а и б).

С увеличением тока протяженность l_к области катодного падения потенциала уменьшается. При некоторых критических параметрах отражательного разряда, соответствующих точке Б (см. рис. 8,б), темное катодное пространство в области апертуры полости уменьшается настолько, что происходит разрыв ионной оболочки перед апертурой полости и плазма проникает в катодную полость. Условие проникновения плазмы

l_к≤r_п,                                                  (31)

где r_п - радиус катодной полости. Поскольку проникающая в катодную полость плазма является источником ионов и ультрафиолетового излучения, а также имея потенциал близкий к анодному, обеспечивает радиальное электрическое поле в этой полости, катодные процессы распространяются на ее стенки. Распределение поля в катодной полости создает условия для радиальных колебаний электронов, которые повышают степень ионизации газа в полости. При этом происходит перестройка разряда (участок БВ), сопровождаемая увеличением тока, снижением напряжения горения, появлением тока в катодной полости и ярко светящегося плазменного шнура в промежутке против ее апертуры. Возникает эффект полого катода, существованию которого соответствует участок ВГ вольт-амперной характеристики. Ток полого катода в этом режиме превышает в четыре раза ток плоского катода.