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 33

Возможность использования для получения электронного пучка разряда, высокое сопротивление которого обусловлено не только малой протяженностью межэлектродного промежутка, но и ограничением канала разряда диэлектрическим сужением, реализована в ПИЭЛ, конструкция которого показана на рис. 46. Основными элементами источника являются плоский катод 1 из нержавеющей стали, армированный кварцевой трубкой, охлаждаемый анод. 2 с выходным отверстием диаметром 1,8 мм и кварцевый изолятор 3, имеющий на конце сужение, за счет которого происходит стягивание разряда. Источник обеспечивает пучок с током до 30 мкА при разрядном токе 20 мА, напряжении 20 кВ и давлении воздуха 5,7∙10^-2—2,6∙10^-1 мм рт. ст. Расходимость пучка на выходе из источника— менее 1°.

При использовании электродов, не вызывающих стягивания разряда, высоковольтный тлеющий разряд с анодной плазмой может служить для получения электронных пучков с большим поперечным сечением и относительно равномерным распределением плотности тока по сечению [106, 107]. Области применения таких пучков, выявившиеся в последние годы, рассмотрены в гл. 8.

Схемы электродов и источника питания ПИЭЛ с плоскими алюминиевыми электродами, расположенными на расстоянии 5—15 см в стеклянном цилиндре диаметром 250 мм, приведены на рис. 47. При пробое искрового разрядника Р между электродами ПИЭЛ зажигается высоковольтный тлеющий разряд, переходящий в дугу. Длительность стадии высоковольтного разряда зависит от напряжения и тока, определяемого давлением и видом газа. При давлении 10^-2 мм рт. ст., напряжении 150 кВ и плотности тока более 1 А/см² высоковольтный разряд существует не более 20 мкс, а при напряжении 120 кB переходит в дугу через 100 мкс. При этом ток разряда достигает 200 А. Время нарастания тока не превышает 1 мкс. Вольт-амперные характеристики разряда для разных газов и давлений даны на рис. 48. Измерения с помощью зондов, установленных за фольгой, через которую электронный пучок выпускался из разрядного промежутка, показали, что электроны пучка имеют энергию, приблизительно соответствующую разрядному напряжению.

Основными причинами, ограничивающими ресурс ПИЭЛ на основе высоковольтного тлеющего разряда с анодной плазмой, являются катодное распыление и возникновение пробоев. Эрозия катода в результате распыления приводит к расширению сфокусированного электронного пучка, которое происходит вследствие образования катодного кратера, вызывающего изменение конфигурации электрического поля так же, как это происходит в мощных пушках с термокатодом. Кроме того, в отличие от пушек с термокатодом, работающих в режиме ограничения тока пространственным зарядом, пучок ПИЭЛ расширяется за счет изменения рельефа вначале гладкой катодной поверхности, которая под действием ионной бомбардировки становится шероховатой. Уменьшение плотности мощности в пучке с точечным фокусом в некоторых случаях может ограничить ресурс ПИЭЛ до 10 мА∙ч. Эти ограничения уменьшаются с помощью катодов из материалов с малым коэффициентом катодного распыления, например, алюминия и легких рабочих газов. Вращение катодов применяют для замены сработанного участка новым. Скорость расширения пучка уменьшается во время работы пушки. Это позволяет стабилизировать его диаметр путем использования катодов, имеющих форму, близкую к той, которая образуется при длительной работе. Применение сферического катода с небольшим центральным углублением в 5 раз увеличивает ресурс ПИЭЛ, оцениваемый по времени, в течение которого диаметр пучка возрос на 10%.