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 46

Плазма поступает в ускоряющий промежуток из искрового источника через осевое отверстие в отрицательном электроде этого промежутка. Плотность тока на оси пучка оценивается по току пучка I, проходящего через малое отверстие в ускоряющем электроде на цилиндр Фарадея. Бомбардировка высокоэнергетичным электронным пучком ускоряющего электрода приводит к его эрозии и образованию кратера. Изменение геометрии ускоряющего электрода путем нарушения его осевой симметрии и связанное с ним значительное изменение конфигурации поля в вакууме не влияют на положение кратера. Это позволяет заключить, что сформированный в промежутке электронный пучок ускоряется напряжением, сосредоточенным в катодной части промежутка. При длине промежутка l₀=10 мм, амплитуде напряжения U₀=30 кВ, емкости конденсатора, разряжающегося на промежуток, С=5∙10^-3 мкФ максимальный ток пучка, проходящего через отверстие диаметром d₀=l мм, составляет I=45 А, что соответствует плотности j=5,7∙10³ А/см². Это значение приосевой плотности тока пучка по порядку величины близко к плотности тока. С увеличением длины промежутка плотность тока на оси уменьшается почти линейно. При U₀=42 кВ, l₀=12 мм, d₀=12 мм ток пучка на цилиндр Фарадея достигал I=4 кА при длительности (2—5)∙10^-8 с. От импульса к импульсу пучок изменяется по длительности и по току.

Улучшение методики исследования формирования электронных пучков в прямом разряде позволяет выявить важные особенности этого явления (рис. 70). Прямой разряд возбуждается в заполненной плазмой стеклянной трубке 4 (диаметр 8, длина 60 см) между сетчатыми катодом 2 и анодом 5. Плазма создается электронным пучком с током 4 А, энергией 10 кэВ, длительностью 1,6∙10^-4 с, который инжектируется от источника 1 в различные газы при давлении (2—5)∙10^-5 мм рт. ст. Трубка помещается в магнитное поле (2—5)10^-1 Тл. Степень ионизации плазмы близка к 100%. Разрядное напряжение до 30 кВ от конденсаторной батареи С=0,4 мкФ прикладывается к промежутку с задержкой 10—100 мкс после окончания инжекции электронного пучка. Ток пучка, сформированного в разряде, проходит через сетчатый анод на коллектор и измеряется поясом Роговского 6. Ток разряда регистрируется поясом 3. Для измерения распределения потенциала вдоль столба разряда используются емкостные зонды 7.

Эксперименты показали, что при концентрации плазмы 10¹⁷—10¹⁹ м^-3 в начальной стадии разряда приложенное напряжение сосредоточивается в прикатодном слое, что согласуется с результатами работ. Протяженность слоя составляет 2—5 см. Такое перераспределение напряжения вызывается образованием вблизи катода слоя положительного объемного заряда вследствие ограниченной электронной эмиссии с сетчатого холодного катода. Зависимость тока в начальной стадии от концентрации плазмы (рис. 71) свидетельствует о возможности существования трех форм разряда, отличающихся величиной и характером изменения разрядного тока. Осциллограммы, соответствующие этим формам разряда, приведены, на рис. 72. Возможны также условия, в которых все три формы наблюдаются последовательно, как стадии развития прямого разряда. В первых двух формах в промежутке образуется электронный пучок, которым переносится весь ток разряда. Максимальная энергия электронов в пучке, поступающем на коллектор, соответствует приложенному к промежутку напряжению.

Во второй форме разряда всплески тока пучка до 10³ А длительностью (1—2)∙10^-6 с при постоянном напряжении сменяются паузами продолжительностью (1—2)∙10^-6 с, во время которых ток составляет 20—40 А. С повышением напряжения ток первого всплеска возрастает, его длительность сокращается и одновременно уменьшаются паузы между всплесками. При U>30 кВ всплески токов слипаются, образуя один импульс тока длительностью 5 мкс с амплитудой более 10³ А и колебаниями тока в пределах импульса 300—400 А. Рост начальной концентрации плазмы вызывает увеличение тока пучка. Тренировка катода разрядами и обезгаживание приводят к уменьшению тока и возбуждению вместо второй формы разряда первой при постоянной начальной концентраций плазмы.