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 49

На рис. 74 показана конструкция ПИЭЛ, предназначенного для работы при невысоких температурах катода (θ=θ_nна рис. 73) и низких давлениях паров цезия. Основные элементы ПИЭЛ— накаленный полый катод 3, извлекающий электрод 2 и коллектор электронов 1. Источником паров цезия является смесь хромата цезия и кремния, нагреваемая до температуры 700° С. Пары поступают в катодную полость через кольцевую щель между катодом и колпачком 4. Благодаря такой системе подачи паров они направляются вдоль поверхности, на которой происходит поверхностная ионизация. Выход паров цезия происходит через эмиссионное отверстие в катоде, а конденсация— на охлаждаемой части корпуса ПИЭЛ. Чтобы обеспечить работу катода и источника пара при различных независимо регулируемых температурах, в общем цилиндре катода и источника сделана проточка, обеспечивающая значительный перепад температур, а оба нагревателя расположены с разных сторон проточки. Получение с помощью этого ПИЭЛ электронных пучков с большой плотностью тока при высоких ускоряющих напряжениях затруднено вследствие проникновения в ускоряющий промежуток нейтральных атомов цезия, имеющих большое сечение ионизации электронным ударом. Ионизация этих атомов в промежутке

ускорения вызывает колебания тока и пробой промежутка.

Значительное (на два порядка) уменьшение потока нейтралов при сохранении высокой концентрации плазмы достигается в ПИЭЛ (рис. 75). Полый катод 3 в виде вольфрамового цилиндра с внутренним диаметром 4,75 мм и толщиной стенок 50 мкм подключен к источнику накала последовательно с цилиндрическим танталовым нагревателем 4. Нагрев катода происходит за счет теплового излучения нагревателя, на котором благодаря малой толщине стенок (25 мкм) и большему удельному сопротивлению тантала, по сравнению с вольфрамом, падает 75% напряжения источника накала. Остальное напряжение, распределенное по длине катодной полости, при положительной полярности ее торца с эмиссионным отверстием способствует движению электронов к отверстию. Однако, если напряженность поля превышает 100 В/см, неэквипотенциальность катодной полости вызывает перетекание электронного тока от одних участков катода к другим и уменьшает плотность плазмы в эмиссионном отверстии.

Пары цезия образуются в резервуаре 6, нагретом до температуры 420—470 К, и напускаются в катодную полость через кольцевую щель шириной 125 мкм между катодом и установленным внутри его цилиндром 2 длиной 6,35 мм. Благодаря такой системе подачи паров в полость поступает хорошо сколлимированный поток атомов цезия, направленный вдоль стенок в сторону, противоположную направлению извлечения электронов. Вблизи поверхности катода создается слой атомов, который подвергается ионизации на поверхности вольфрама. При этом необходимое давление 10^-4—10^-3 мм рт. ст. достигается на поверхности при значительно меньшем потоке пара, чем в отсутствие узкой щели. Нейтральные атомы цезия улавливаются конденсором 5. Чтобы ионы цезия не могли выйти из катодной полости через эмиссионное отверстие диаметром 0,76 мм, в этой: области создается электрическое поле, отражающее ионы. Расположение эмиттирующей плазменной поверхности внутри полости в соответствии с теоретическим анализом и рассмотренными выше экспериментальными данными должно также повысить устойчивость отбора электронов из плазмы.

Вольт-амперные характеристики ПИЭЛ с эквипотенциальным полым катодом, имеющим температуру 2425 К, приведены на рис. 76. При плотности тока в эмиссионном отверстии 800 А/см² и ускоряющем напряжении 1,2 кВ в отсутствие продольного магнитного поля 40% тока пучка достигает четвертого анода, расположенного на расстоянии 0,6 см от плоскости эмиссионного отверстия.