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 29

В системе с полым анодом с ростом тока (кривая 1, рис. 37) поле вследствие увеличения пространственного заряда еще сильнее стягивается к катоду. В результате прикатодная область с плоским полем расширяется в радиальном направлении и уменьшается провисание поля в анодную полость. Влияние пространственного заряда на электронный пучок определяется совокупным действием этих двух факторов: уменьшением дефокусирующего действия провисающего поля и расширением пучка за счет увеличения рабочей области катода. При этом в анодной полости образуется плазма, которая является эмиттером ионов. Эти ионы поддерживают разряд и определяют ток и рабочую область катода. Ток электронного пучка в общем случае определяется эмпирическим соотношением

,                                                                (41)

где В, m и n— постоянные, зависящие от материала катода, типа газа и геометрии.

Ha рис. 38 представлена типичная вольт-амперная характеристика разряда с полым анодом. Эта характеристика получена при условиях, когда на горение разряда оказывает существенное влияние искажение поля пространственным зарядом.

Если разрядный промежуток в радиальном направлении ограничен диэлектрическими стенками, это оказывает влияние на высоковольтный разряд аналогично металлическим стенкам полого анода, т. е. приводит к стягиванию разряда к оси за счет неоднородного ноля. Если при этом диэлектрический канал будет достаточно узким, т. е. его диаметр соизмерим с длиной свободного пробега частиц, увеличение потерь частиц в результате их ухода на стенки канала приведет к дополнительному стягиванию разряда и повышению напряжения его горения. Расположение канала в начале области отрицательного свечения также вызывает увеличение сопротивления разряда. При этом стянутый затрудненный разряд может существовать и генерировать высокоэнергетичный электронный пучок при более высоком давлении, чем высоковольтный тлеющий разряд без диэлектрического сужения.

15. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ РАЗРЯД С ПОЛЫМ КАТОДОМ

Высоковольтный тлеющий разряд с полым катодом реализуется в системе, изображенной на рис. 35, в, в которой большинство ионов, двигаясь по силовым линиям поля, попадает на боковую поверхность катода, а электроны, эмиттированные этой частью катода, образуют вблизи анода сходящийся электронный пучок. Электроны проходят путь, меньший наибольшего расстояния между электродами, в результате чего разряд не может развиваться вдоль оси. Это приводит к росту напряжения зажигания разряда в системе с полым катодом по сравнению с системой с полым анодом (см. рис. 36). Кроме того, высоковольтный разряд с плазменным катодом обладает большей склонностью к переходу в низковольтный режим, чем разряд с плазменным анодом. Однако, несмотря на указанные недостатки, специфические формы высоковольтного разряда с полым катодом, имеющим малую выходную апертуру, нашли применение в ПИЭЛ.

Выше были рассмотрены случаи использования в ПИЭЛ низковольтных разрядов с полыми катодами, которые обеспечивали плотность тока в апертуре катодной полости, значительно превышающую плотность тока эмиссии ее стенок. Возбуждение разрядов с полым катодом, имеющим малую выходную апертуру, обычно осуществляется предварительным созданием в катодной полости плазмы с помощью вспомогательного электронного пучка, внешнего ВЧ-поля или вспомогательного разряда между внешней стенкой полости и анодом. Во всех случаях самоподдерживающийся разряд с полым катодом может существовать лишь с током, при котором выполняется соотношение (31). Условия зажигания разряда облегчаются, а ток разряда возрастает, если вместо сплошной металлической полости с одним отверстием использовать сетчатую полость с ячейками, меньшими выходной катодной апертуры. Установлено, что тлеющий разряд с сетчатым полым катодом может существовать в высоковольтной форме, когда катодная полость заполнена плазмой. Сфокусированный электронный пучок с мощностью, составляющей существенную часть мощности разряда, образуется вдоль оси катодной апертуры, площадь которой значительно превосходит площадь ячеек сетки. Схема установки с таким разрядом и фотография свечения разряда приведены на рис. 39. Анодом разряда служат стенки камеры и обрабатываемая деталь.