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 32

Конструкция ПИЭЛ с полым анодом, управляющим электродом и магнитной линзой приведена на рис. 42. Разрядная система источника образована алюминиевым катодом со сферическим углублением в центре и полым медным анодом, охватывающим катод. За анодом помещен цилиндрический управляющий электрод, который при постоянных напряжении разряда и давлении газа позволяет изменять ток пучка в 3-5 раз. Рабочее давление при заданных токе и напряжении зависит от вида рабочего газа, в качестве которого использовали воздух, азот, аргон, водород, гелий. При напряжении 20—30 кВ вид газа оказывает слабое влияние на к. п. д. ПИЭЛ, который достигает 85—90%. Катод источника, на котором выделяется 8—10% подводимой мощности, имеет принудительное воздушное охлаждение. ПИЭЛ обеспечивает пучок с током до 0,1 А при напряжении 30 кВ с удельной мощностью в фокальном пятне 5∙10⁵ Вт/см².

Так как в ПИЭЛ с высоковольтным разрядом ускоренные электроны имеют относительно малый разброс по скоростям, эти источники можно использовать для получения пучков с большой яркостью и высокой плотностью мощности. Схема ПИЭЛ, в которой реализована эта возможность, приведена на рис. 43. Основными особенностями источника являются:

1)  применение катода с малой эмигрирующей поверхностью, которая обеспечивается малой анодной апертурой диаметром 3,2 мм;

2)  использование вблизи катода сетчатого электрода, имеющего потенциал катода.

Изменяя расстояние между катодом и этим электродом, можно управлять конфигурацией электрического поля в прикатодной области, от которой зависит расходимость электронного пучка;

3)  снабжение катода вращающим устройством;

4)  питание разряда выпрямленным напряжением с малыми пульсациями (0,3%), что уменьшает аберрации при фокусировке пучка магнитной линзой.

В источнике использована дифференциальная откачка газа из разрядной камеры и электронно-оптического тракта, которые разделены диафрагмой диаметром 2 и длиной 20 мм. Для уменьшения рабочего давления при малой анодной апертуре плотность анодной плазмы повышается с помощью полого вспомогательного электрода, который служит также для управления током пучка. Давление в разряде составляет 3×10^-2 мм рт. ст. на воздухе и 1,5×10^-1 мм рт. ст. на водороде.

При токе пучка 0,5 мА, проходящего через диафрагму, и напряжении 30 кВ около 120 мкА сфокусированного тока сосредоточено в пятне диаметром 25 мкм, остальные 360 мкА— в области диаметром около 240 мкм. Яркость пучка была достигнута 10⁵ А/(см²∙стер). Плотность мощности в фокальном пятне составляет 10⁶∙Вт/см². Однако при этом к. п. д. источника не превышает 45%. Ограничения в плотности мощности и яркости связаны с пробоями и оплавлением рабочей зоны катода в результате ионной бомбардировки. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности создания ПИЭЛ с яркостью 10⁶ А/(см²∙стер) и плотностью мощности в пучке 10⁷ Вт/см².

Одна из отличительных особенностей высоковольтного тлеющего разряда— возможность получения с его помощью электронных пучков различной конфигурации, в том числе кольцевых и ленточных. Для этого на основе элементарной электродной системы (см. рис. 35, б) можно сформировать более сложные системы, электрическое поле в которых поддерживает разряд в области, определяющей форму поперечного сечения и сходимости пучка. Схемы электродных систем для формирования ленточного и кольцевого пучков даны на рис. 44, а конструкция газоразрядной электронной пушки с трубчатым пучком— на рис. 45.