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 35

В работе исследовался ПИЭЛ с катодом, выполненным в виде сетчатого цилиндра, закрытого с торцов пластинами, в одной из которых имелось выходное отверстие. Проницаемость сетки такого катода не оказывает большого влияния на параметры пучка, но облегчает возбуждение высоковольтной формы разряда. Напряжение горения разряда составляет 15—20 кВ при давлении газа (5—10)∙10^-3 для аргона и (5—10)∙10^-2 мм рт. ст. для гелия и водорода. Ток пучка зависит от размеров катода и ограничивается разогревом кромок выходного отверстия при ионной бомбардировке. Наибольший из испытывавшихся катодов имеет диаметр 76, длину 10,2 мм, выходное отверстие диаметром 8 мм и обеспечивает в аргоне ток более 1 А. Для управления током пучка используется дополнительный сетчатый цилиндр с открытыми торцами, установленный внутри катодного цилиндра. Катод и управляющий электрод длиной 37 и 29 мм соответственно имеют диаметры 29 и 22 мм. Диаметр выходного отверстия составляет 6,4 мм. Проницаемость сетки— 30%. Зависимости тока пучка и тока управляющего электрода от разности потенциалов между управляющим электродом и катодом при напряжении горения разряда 10 кВ и давлении аргона 7∙10^-3 мм рт. ст. приведены на рис. 50. Как следует из характеристик, мощность управления не превышает 1 Вт. При отрицательном смещении более 10 В ток пучка становится минимальным, что можно объяснить отсечкой электронов, эмиттируемых внутренней поверхностью катода. Ток пучка при положительном потенциале управляющего электрода уменьшается в результате перехвата электронов плазмы этим электродом. Одним из недостатков такого метода управления является зависимость формы пучка от управляющего напряжения при больших токах. Для поддержания требуемой формы пучка в широком диапазоне токов было предложено использовать катод, состоящий из двух концентричных цилиндров со сплошными стенками и соосными выходными отверстиями.

Утечка электронов из разряда через ячейки обычного сетчатого катода вызывает значительные потери мощности и приводит к нагреву стенок камеры. Этот недостаток можно устранить, если полый катод делать со сплошными стенками с выходной апертурой и окружить заземленным металлическим экраном для подавления разряда на внешнюю часть катода (рис. 51, а). Вольт-амперные характеристики ПИЭЛ с экранированным катодом показаны на рис. 52. Увеличение сопротивления разряда с таким катодом достигается с помощью вспомогательных электродов, установленных внутри полого катода. Конструкции трех экранированных катодов со вспомогательными электродами показаны на рис, 51. При включении между катодом и вспомогательным электродом переменного сопротивления возможно плавное управление током пучка. Добавление к кольцевому управляющему электроду внутреннего сетчатого цилиндра (см. рис. 51, б) позволяет уменьшить управляющее напряжение, но повышает нелинейность характеристики управления, которая качественно подобна показанной на рис. 50. Поскольку максимальный ток пучка экранированного катода соответствует потенциалу управляющего электрода, близкому к катодному, для повышения стабильности высоковольтного разряда можно использовать вспомогательный электрод, соединенный электрически с катодом (см. рис. 51,

в).

Того же эффекта можно достигнуть с помощью эмиссионного капала длиной, равной расстоянию между выходным отверстием и вспомогательным кольцевым электродом. Кроме того, стабилизации разряда способствует включение последовательно с ПИЭЛ большого балластного сопротивления. Мощность пучка в источнике с сетчатым катодом диаметром 22 мм составляет 30—50% затрачиваемой мощности, а в источнике с экранированным катодом —60—70%. Эффективность катодов возрастает с увеличением их диаметра. На характеристики ПИЭЛ влияет расстояние от катода до стенок вакуумной камеры. Когда это расстояние становится меньше протяженности катодного падения потенциала, ток резко возрастает с увеличением напряжения и пучок становится нестабильным. Минимальные радиальное и осевое расстояния от стенок до выходного катодного отверстия возрастают с увеличением массы атомов рабочего газа. При работе в водороде и гелии диаметр стеклянной вакуумной камеры не превышает 10 см, тогда как для аргона требуется камера диаметром 25 см. То же относится и к осевым размерам. Диэлектрические камеры позволяют использовать меньшие промежутки, чем металлические.