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 26

Отметим возможность использования в ПИЭЛ непрерывной самостоятельной дуги с катодным пятном па холодном полом катоде. ПИЭЛ такого типа обеспечивает пучок с непрерывным током до 0,5 А при ускоряющем напряжении 40 кВ, расходе газа 60 см³/ч и разрядном токе 2,5 А. Ток пучка регулируется с помощью управляющего электрода от нуля до максимального значения.

Использование самостоятельных дуговых разрядов в ПИЭЛ непрерывного действия ограничивается эрозией катодов, которая приводит к их разрушению, закорачиванию разрядного промежутка и засорению эмиссионного канала. Влияние эрозии можно ослабить, применяя катоды такой формы, при которой материал, вынесенный из одной части катода, осаждается на другой его рабочей части. Однако степень такой регенерации обычно невелика из-за попадания катодного материала на другие электроды и нерабочие части катода, а также из-за недостаточного сцепления продуктов эрозии с поверхностью катода.

Стремление к созданию ПИЭЛ с эффективно регенерирующим катодом побудило к исследованию источников с жидким ртутным катодом, регенерация которого происходит при конденсации ртутных паров на охлаждаемой арматуре разрядной камеры и стенании ртути в катодный резервуар. Конструкция экспериментального источника показана на рис. 34. Дуга возбуждается между жидким ртутным катодом 1 и анодом 3. Для фиксации положения катодного пятна используется никелевый стержень 2 диаметром 1 мм, смачиваемый ртутью. Источник находится в продольном магнитном поле с индукцией до 0,4 Тл. Магнитное поле ограничивает столб дуги до диаметра, приблизительно равного диаметру фиксирующего электрода, и позволяет регулировать плотность плазмы. Малое расстояние между катодом и анодом, составляющее 2,5 мм, позволяет избежать положительного анодного падения в дуге, напряжение горения которой 10 В при токе 6 А. Электроны из плазмы, проникающей через анодное отверстие диаметром 0,33 мм в высоковольтную область, извлекаются с помощью электрода 5. Коллектор электронов 6 имеет потенциал извлекающего электрода, электрод 4, стабилизирующий извлечение,— потенциал анода или немного ниже. Электроды 7 и 8 с потенциалом на 20—40 В меньше, чем у извлекающего электрода и коллектора, образуют ионную ловушку. Давление паров в области разряда составляет 10^-1 мм рт. ст. Чтобы обеспечить низкое давление в области извлечения,

производится раздельная откачка паров из разрядной и ускоряющей камер.

Выявлено, что существует критическая плотность тока электронного пучка, извлеченного из плазмы, превышение которой приводит к ВЧ-модуляции тока вплоть до его обрывов. Измерения тока на пороге нестабильности показали, что этот ток связан с напряжением соотношением закона «степени 3/2», в которое входит расстояние между стабилизирующим и извлекающим электродами. Таким образом, интенсивные колебания тока пучка возникали в том случае, когда эмиттирующая граница плазмы оказывалась в ускоряющем промежутке.

При постоянно горящей дуге и импульсном извлекающем напряжении (t=50 мкс, f=40 Гц) до 1000 В источник обеспечивает устойчивый электронный ток до 26 мА при плотности тока в эмиссионном отверстии 30 А/см². Кроме низкой эффективности (a=0,5%; H=0,5 мА/Вт) к недостаткам этого источника следует отнести использование сильного магнитного поля и раздельной откачки разрядной и ускорительной камер.

Дальнейшие исследования позволили упростить конструкцию ПИЭЛ с жидким ртутным катодом и улучшить его параметры. Появилась возможность применения в ПИЭЛ изогнутых разрядных трубок, которые позволяют изменять направление извлечения электронов при фиксированном положении ртутного катода. Вместо контрагирования столба дуги однородным магнитным полем можно использовать рассмотренное выше контрагирование отверстием в промежуточном аноде, что позволяет отказаться от массивной магнитной системы и повысить эффективность извлечения электронов. Для увеличения электронного тока, отбираемого из прианодной плазмы дуги, предложено производить извлечение через несколько отверстий в аноде разрядной камеры. При извлечении через два отверстия получен пучок с током 2,2 А при a=44% и H=18 мА/Вт.