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 3

где I_р – ток разряда.

При извлечении электронов через отверстие в аноде разрядной камеры (см. рис. 1, а – в), пренебрегая ионной составляющей анодного тока, можно считать, что и характеризует долю образующихся в разряде электронов, которые сформированы в пучок. Возможны три пути повышения эффективности извлечения электронов из газоразрядной плазмы:

1)  создание неоднородной плазмы с повышенной плотностью в области токоотбора, чтобы выполнялось соотношение [1]:

                                                                                                                                                 (5)

где j_а и j_э – плотности анодного и эмиссионного токов; S₀, S_a, S_э – площади эмиссионного отверстия, токоприемной поверхности анода и плазменной эмиссионной поверхности;

2)   увеличение отношения S₀/S_a уменьшением размеров разрядной камеры при постоянных значениях j_э и S₀;

3)    увеличение отношения S_э/S_а расширением эмиссионной поверхности S_э при постоянных значениях j_э и S_а.

Неоднородная плазма с высокой локальной плотностью теплового тока создается:

·  контрагированием разряда, т. е. сжатием его анодной части, чтобы диаметр канала разряда вблизи эмиссионного отверстия был соизмерим с диаметром этого отверстия. Возможно контрагирование отверстием в специальном электроде, помещенном в разрядный промежуток, сужением в разрядной трубке однородным и неоднородным магнитными полями, а также ионным потоком, поступающим в разрядную камеру из ускоряющего промежутка;

·  использованием в разрядной камере катода специфичной формы или с неоднородной эмиссией, обеспечивающими неравномерность распределения плотности анодного тока. Примером такого катода может служить плоский катод с центральной цилиндрической полостью, вдоль оси которой в разряде образуется плотный плазменный столб;

·  использованием в разрядной камере анода рациональной формы, которая обеспечивает неравномерное распределение плотности анодного тока.

При уменьшении размеров разрядной камеры эффективность извлечения электронов повышается, но она ограничивается ухудшением условий зажигания и горения разряда. Увеличение эмиссионного отверстия приводит к недопустимому снижению давления в разрядной камере при постоянном напуске газа или недопустимому повышению давления в ускоряющем промежутке при постоянном давлении в разряде. Кроме того, увеличение этого отверстия усиливает связь между областью разряда и ускоряющим промежутком, что может вызвать нестабильность горения разряда и даже его погасание при высоком напряжении. Обычно эмиссионные отверстия в ПИЭЛ, как и в ионных источниках, имеют диаметр порядка 1 мм и возможности его изменения для увеличения эмиссионного тока довольно ограничены.

Энергетическая эффективность характеризует экономичность эмиттера и выражается как

H=I/P_э(6)

где I–ток электронной эмиссии; Р_э – мощность, затраченная на его получение.

При отборе электронов из плазмы (см. рис. 1, а – г, е) Р_э – мощность, расходуемая на ее возбуждение. При использовании ионно-электронной эмиссии (см. рис. 1, д) Р_э = P₁+P₂, где Р₁ – мощность, выделяемая на катоде ионами; Р₂–мощность, которая затрачена на возбуждение прианодной плазмы, служащей источником ионов. Энергетическая эффективность термокатодов также выражается соотношением (6). В этом случае Р_э – мощность накала катода.

Пути повышения энергетической эффективности зависят от типа ПИЭЛ. Для ПИЭЛ на основе извлечения электронов из газоразрядной плазмы энергетическую эффективность с учетом (4) и (6) можно выразить как H=α/U_p, где U_p – напряжение горения разряда. Таким образом, повышение H достигается снижением напряжения горения разряда при постоянной эффективности извлечения.