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 25

При подаче напряжения в трубке Пеннинга зажигается разряд, переходящий в дугу с катодным пятном, свойства которой рассмотрены в гл. 3. Ток на аноде 2 ограничивается сопротивлением, включенным между этим электродом и главным анодом 4, что приводит к перебрасыванию разряда на главный анод. В результате возникает дуговой контрагированный разряд с холодными катодами в магнитном поле. Хаотически перемещающиеся катодные пятна и связанный с ними светящийся шнур, которые наблюдаются в дуговом отражательном разряде, существуют и в контрагированном разряде. Чтобы исключить отклонение анодной части разряда от оси отверстий в анодах, магнитное поле в области контрагирования деформировано с помощью ферромагнитной вставки 6 в крышке 3 промежуточного анода. Вставка устраняет поперечную составляющую магнитного поля в области контрагирования и вызывает появление составляющей, совпадающей с направлением извлечения электронов, что облегчает зажигание основного разряда и дополнительно контрагирует разряд. Структура такого разряда в области контрагирования аналогична рассмотренной выше структуре контрагированного разряда с термокатодом.

Через отверстие в главном аноде плазма проникает в экспандер 7. Вследствие фиксации анодной части разряда отверстием в промежуточном аноде и магнитным полем параметры проникающей в вакуум плазмы не зависят от положения катодных пятен. Электроны извлекаются с развитой границы плазмы с помощью электрода 8. Повышение эффективности извлечения электронов достигается увеличением отношения К=d_а/d_кдиаметров отверстий в главном и промежуточном анодах. При этом снижается давление в разряде вблизи главного анода, что уменьшает предельный устойчивый ток разряда согласно (39) и (40). Влияние разгерметизации анодной части разряда на устойчивость его горения можно скомпенсировать в определенной степени в соответствии с (46), используя тяжелые рабочие газы. При работе с аргоном и воздухом в ПИЭЛ обеспечивается стабильный разрядный ток до 50 А при расходе газа менее 40 см³/ч и К=1,5, в то время как для работы с гелием отверстие в главном аноде необходимо было уменьшить до К=0,8. Использование водорода при К=0,8 и Q=60 см³/ч не позволяет получить стабильный ток I_р/0,5 А, превышение которого приводит к периодическим обрывам разряда. Эффективность извлечения электронов при К/1 достигает a=30—40% и существенно снижается при К ниже единицы.

Влияние ферромагнитной анодной вставки и размеров отверстий в анодах на эффективность извлечения иллюстрируется рис. 31. Как и в других ПИЭЛ с дуговым контрагированным разрядом, в источнике с холодными катодами ток пучка имеет ВЧ-составляющую (рис. 32, а, б и в), отсутствующую при извлечении ионов (см. рис. 32, е). Степень модуляции тока в зависимости от условий извлечения составляет от 5 до 100%. ВЧ-модуляцию электронного тока можно уменьшить (см. рис. 32,д), если между главным анодом и извлекающим электродом поместить сетку, электрически соединенную с главным анодом. Такой эффект, очевидно, связан с экранированием сеткой области относительно высокого давления вблизи эмиссионного отверстия от извлекающего электрического поля. Сетка несколько уменьшает эффективность извлечения электронов, но позволяет работать при К/1. На рис. 33 приведены зависимости среднего значения тока электронного пучка в импульсе от извлекающего напряжения при использовании сетки с прозрачностью 0,8 при К=1,5 и расходе воздуха 40 см³/ч. При токе пучка 5 А плотность тока в отверстии эмиссии превышает 500 А/см². Размах ВЧ-колебаний тока, не устраненных сеткой, показан в экспериментальных точках вертикальной чертой. Характер зависимости амплитуды колебаний тока от напряжения согласуется с представлениями о режимах извлечения, обусловленных неустойчивостью плазменной границы токоотбора. На основе дугового разряда с холодным катодом в магнитном поле созданы ПИЭЛ с током 15 А при

длительности импульсов до 150 мкс и ускоряющем напряжении до 270 кВ.