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 31

                            (43)

Анализ экспериментальных данных, которые относятся к разряду с полым цилиндрическим катодом, закрытым с торца сеткой, показал, что при малых проницаемостях сетки (D£30%) ∆j_i/j_i≪1 и увеличение тока с ростом проницаемости происходит в основном за счет роста величины γ_p. Для медного катода при работе с Не, Ne, Аr значения γ_р в 5—20 раз превышают значения γ для меди. При этом увеличение ионного тока составляет ∆j_i/j_i=10—20% при D=30%. Установлено, что плотность плазмы в катодной полости возрастает с увеличением проницаемости сетки при постоянных значениях напряжения и давления газа. Рост степени ионизации и коэффициента ионно-электронной эмиссии плазмы происходит значительно быстрее, чем увеличение проницаемости сетки. Изменение проницаемости с 38 до 47% вызывает увеличение плотности плазмы на 70%.

16. ПИЭЛ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО РАЗРЯДА С АНОДНОЙ ПЛАЗМОЙ

Среди ПИЭЛ с высоковольтным тлеющим разрядом наибольшее распространение получили источники, в которых электроны, образующие пучок, эмиттируются холодным катодом, ускоряются и фокусируются в области катодного падения, а ионы, вызывающие ионно-электронную эмиссию катода, поступают в область катодного падения из прианодной плазмы. Поскольку зажигание и локализация разряда во многих ПИЭЛ с анодной плазмой происходит благодаря провисанию электрического поля в апертуру плоского анода или в анодную полость, их часто называют электронными источниками с полым анодом.

ПИЭЛ с анодной плазмой служили первыми источниками электронов в катодно-лучевых трубках, широко применявшихся в экспериментальной физике со второй половины прошлого пека. Значительно усовершенствованные ПИЭЛ с высоковольтным разрядом использовались до 30-х годов в рентгеновских и осциллографических трубках. С 60-х годов источники этого типа разрабатываются в основном применительно к задачам электронно-лучевой технологии.

Схема электродов ПИЭЛ для получения импульсного электронного пучка большой мощности приведена на рис. 40. В источнике использован неохлаждаемый дисковый катод диаметром 50 мм с вогнутой сферической поверхностью, имеющей радиус кривизны 75 мм. Анод охватывает катод и имеет апертуру диаметром 33 мм. Внешние зазоры длиной 5 мм между электродами достаточно малы, чтобы избежать зажигания в них разряда, но достаточно велики, чтобы предотвратить вакуумный пробой. В качестве рабочего газа использовался водород при давлении 0,1 мм рт. ст. Источник испытывался на импульсах длительностью (1÷3)10^-4 с с частотой повторения 5 Гц. При напряжении 20 кВ ток пучка составлял 2 А.

Вогнутый катод обеспечивает необходимую сходимость электронного пучка. Поскольку протяженность области катодного падения значительно меньше радиуса кривизны катода, большинство ускоренных электронов проходит вблизи центра кривизны, образуя сфокусированное пятно диаметром около 1 мм. Положение фокального пятна не зависит от напряжения в диапазоне 5—27 кВ и тока в пределах 0,2—2 А. Доля потребляемой разрядом мощности, которая переносится на мишень электронным пучком, зависит от эффективного коэффициента ионно-электронной эмиссии катода γ. При алюминиевом катоде (γ≈10) мощность пучка составляет 75% мощности разряда, а при медном (γ≈2,5)—50%.

Управление током пучка в ПИЭЛ с высоковольтным тлеющим разрядом при постоянном разрядном напряжении осуществляется воздействием на плотность анодной плазмы с помощью изменения давления газа или потенциала управляющего электрода, помещенного в плазму. Вследствие инерционности первого способа часто используются источники с управляющим электродом. Типичная зависимость тока высоковольтного разряда от потенциала управляющего электрода относительно анода дана на рис. 41. При положительном потенциале между анодом и управляющим электродом может зажечься несамостоятельный разряд, который увеличивает плотность плазмы, а, следовательно, и поток ионов к катоду. При отрицательней полярности, которая обеспечивает обычно более эффективное управление, плотность плазмы растет за счет ионизации газа электронами, выбитыми ионами из управляющего электрода и колеблющимися вдоль оси относительно анода. Крутизна управляющей характеристики ПИЭЛ увеличивается при уменьшении апертуры управляющего электрода, приближении его к аноду и изготовления из материалов, которые эффективны в качестве катодов отражательного разряда, например алюминия. Мощность, затрачиваемая на управление, составляет 1% полной мощности.