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 45

22. ФОРМИРОВАНИЕ СИЛЬНОТОЧНЫХ ПУЧКОВ В ПРЯМОМ РАЗРЯДЕ

В последние годы наряду с расширением исследований и применения рассмотренных выше известных способов формирования электронных пучков с помощью плазмы значительное внимание обращается на получение интенсивных электронных пучков в результате возникновения неустойчивостей в плотной плазме при протекании в ней тока.

Теоретически и экспериментально показано, что в плазме, которая помещена в электрическое поле, приближающееся к полю Драйсера или превышающее его, возникает неустойчивость тока типа срывов. В момент срыва тока приложенное напряжение сосредотачивается в небольшой части плазменного столба, что приводит к возникновению ускоренного электронного пучка с током, сравнимым с током разряда в момент наступления неустойчивости. При этом значительная часть энергии внешней цепи расходуется на ускорение электронов. Область, в которой происходит основное падение напряжения, может перемешаться вдоль плазменного столба. Чтобы получить электронные пучки за счет такой неустойчивости, необходимо использовать протекание тока в ускоряющем промежутке, предварительно заполненном плазмой. Схема ПИЭЛ, в котором реализован этот способ, приведена на рис. 68. При срабатывании разрядника Р₁ происходит пробой искрового промежутка 1. Плазма искры проникает в ускоряющий промежуток 2. В результате срабатывания разрядника Р₂ в промежутке 2, заполненном плазмой концентрацией 10¹⁸—10¹⁹ м^-3, возникает ускоряющее поле и начинает протекать ток. В отличие от ранее рассмотренных ПИЭЛ в этом источнике в начальной стадии ускоряющий промежуток закорочен плазмой и напряжение на нем мало. Однако при достижении током некоторого критического значения происходит его срыв, сопровождающийся резким повышением напряжения до значения, превышающего начальное напряжение источника питания. При этом в ускоряющем промежутке формируется электронный пучок, до 50% которого проходит через сетку в аноде промежутка на цилиндр Фарадея. Осциллограммы тока приведены на рис. 69. Критический ток возрастает с повышением концентрации плазмы и достигает 2∙10⁴ А. При напряжении 30 кВ ток электронного пучка длительностью 3∙10^-7 с составляет 10⁴ А. Как показали зондовые измерения, при достижении критического тока ускоряющая разность потенциалов сосредоточивается в слое объемного заряда вблизи отрицательного электрода, с обеих сторон которого имеется плазма. При прохождении в плазме ускоренного пучка происходит ионная фокусировка, в результате чего плотность электронного тока на оси возрастает до 2∙10⁶ А/см². Предполагается, что при увеличении ускоряющего напряжения и концентрации плазмы этот метод позволит формировать пучки с током 10⁵—10⁶ А.

Аналогичные результаты получены на установке «Аспа». Электронный пучок генерируется при разряде конденсатора емкостью 0,2 мкФ на промежуток, заполненный водородной плазмой концентрацией (1÷7) 10¹⁹ м^-3 и электронной температурой Т_е≈2∙10⁴ К. Плазма поступает в ускоряющий промежуток из коаксиального инжектора. Промежуток находится в продольном магнитном поле с индукцией 0,25 Тл. В результате развития в плазме неустойчивости типа обрыва тока возникает электронный пучок, который через сетку выходит из промежутка. Ток пучка сравним с током в плазме в момент его обрыва и достигает 10—15 кА со средней энергией электронов в пучке 5—20 кэВ при длительности 0,4—0,6 с. Плотность тока в пучке составляет ~70 А/см². При увеличении начальной плотности плазмы в промежутке, как и в описанном выше ПИЭЛ, срыв тока происходит при большем его значении, и длительность пучка уменьшается. Ранее на той же установке при использовании плазмы с меньшей плотностью (n≈2∙10¹⁸ м³) и напряжении 3 кВ получен электронный пучок с током порядка 10²А при длительности ~1,5∙10^-5 с. Область основного падения потенциала, в котором происходило ускорение пучка, имеет протяженность ~200 мм и локализуется от разряда к разряду в различных частях установки. Ток пучка составляет (50—100)% тока, протекающего в ускоряющем промежутке в момент возникновения неустойчивости. С повышением начального давления от (1÷1,5)∙10^-5 до 5∙10^-5—2∙10^-4 мм рт. ст. обрывы тока прекращаются и электронный пучок не возникает. Условия возбуждения срывов тока при использовании водородной, аргонной или ксеноновой плазмы аналогичны.