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 30

Высоковольтный разряд с электронным пучком существует при тех же давлениях (10^-3—1 мм рт. ст.), что и обычный тлеющий разряд. Возникновение конкретной формы разряда зависит от начальных условий. Повышение в определенных пределах давления приводит к возрастанию тока пучка высоковольтного разряда. Однако при слишком высоких давлениях пучок начинает рассеиваться на газе, и разряд переходит в низковольтную форму. Высоковольтный лучевой разряд реализуется со сферическими сетчатыми катодами, с катодами и виде сетчатых цилиндров с осью, параллельной и перпендикулярной оси пучка, с катодами в виде полых цилиндров, имеющих сплошную цилиндрическую поверхность и сетчатые торцы, и т. д.

Зондовые измерения параметров плазмы внутри полости показали, что плазма имеет положительный потенциал U_п=(100—400) В относительно стенок катода. Плазма в полости поддерживается в основном за счет ионизации газа электронами, которые эмиттируются внутренней поверхностью холодных витков сетки и ускоряются в прикатодной области разностью потенциалов U_п. Выход электронов через малые ячейки сетки за пределы полости затруднен тем, что прикатодные оболочки объемного заряда смыкаются перед ячейками и отражают поступающие из плазмы электроны. Это приводит к значительному повышению плотности плазмы в катодной полости по сравнению с плотностью в промежутке между катодом и анодом.

Суммарная площадь ячеек сетки значительно превышает площадь апертуры катодной полости. Тем не менее, электронный пучок, выходящий через апертуру, переносит существенную часть тока разряда. Это объясняется тем, что радиус апертуры превышает протяженность прикатодного пространства в ней. Электроны, покидающие полость через ячейки сетки и выбитые ионами с ее внешней поверхности, ускоряются высоким напряжением и ионизируют газ в промежутке между катодом и камерой. Бомбардировка электронами стенок камеры вызывает ее нагрев и рентгеновское излучение. Образовавшиеся за катодом ионы ускоряются в направлении катодной полости и, проходя через ее ячейки, играют существенную роль в эмиссионном механизме полого катода. Определенный вклад в эмиссию катода вносит рентгеновское излучение со стенок камеры. Значительная плотность тока электронного пучка, выходящего через апертуру катодной полости, приводит к стягиванию поля к апертуре, что увеличивает длину свободного пробега электронов и повышает фокусирующую роль сетчатой поверхности вблизи апертуры.

Влияние проницаемости сетки полого катода на характеристики разряда исследовалось в работах. Выявлено, что с увеличением проницаемости разряд обеспечивает больший ток, но при меньшем давлении переходит в низковольтный режим. Вольт-амперные характеристики разряда со сферическим сетчатым катодом диаметром 5 см в отсутствие выходного отверстия описываются эмпирическим уравнением

мА,                                                  (42)

где U— напряжение, кВ; p— давление, мкм рт. ст.; b— коэффициент, зависящий от проницаемости сетки D. Значения b при разных проницаемостях представлены в табл. 5.

                                                                                                                                        Таблица 5

Ток разряда с сетчатым катодом увеличивается по сравнению с током разряда со сплошным сферическим катодом, несмотря на тормозящее действие прикатодных областей, за счет того, что электронная эмиссия из полости через ячейки сетки более интенсивна, чем ионно-электронная эмиссия с наружной поверхности витков сетки. Другими словами, коэффициент ионно-электронной эмиссии плазмы g_р (количество эмиттированных плазмой электронов, приходящихся на один ион, поступающий в полость) превышает коэффициент ионно-электронной эмиссии материала сетки g. Это можно объяснить большой ионизирующей способностью электронов, выбитых быстрыми ионами из сетки внутри полости. Кроме того, в результате роста электронного тока в промежутке между катодом и анодом плотность ионного тока увеличивается на величину ∆j_i по сравнению с плотностью j_i в разряде со сплошным катодом, что также приводит к росту тока разряда с сетчатым катодом. Учет этих двух факторов приводит к следующему выражению для относительного увеличения тока разряда с сетчатым катодом: