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 57

Схема ПИЭЛ для инжекции электронного пучка в газовый лазер дана на рис. 82. Катод 1 включает 800 эмиттеров из медной фольги толщиной 25 мкм. Эмиттеры имеют радиусы закруглений вершин 5—30 мкм и располагаются на площади 4035 см² с шагом 5 мм. Ускоряющим электродом служит молибденовая сетка 2 с прозрачностью 90% или фольга из Al или Ti толщиной 50 мкм. Пучок электронов, извлеченных из плазмы катодных факелов, проходит через сетку или фольгу на графитовый коллектор 3. Ток пучка за фольгой достигает 1 кА при амплитуде ускоряющего напряжения до 500 кВ и длительности импульса 3∙10^-8 с. Стабильность амплитуды тока не хуже 5%, расходимость пучка составляет 16°. Исследование структуры пучка с помощью фотографирования свечения органической пленки, помещенной на фольге 2, показывает, что пучок состоит из множества колец, обусловленных эмиссией из отдельных острий. Ток пучка в два раза меньше, чем следует из закона «степени 3/2» для плоского диода, что может быть вызвано тем, что работает не вся поверхность катода.

Импульсный электроионизационный СО₂-лазер с рабочим объемом 10 л и энергией в импульсе 500 Дж. Несамостоятельный объемный разряд при атмосферном давлении в этом лазере возбуждается электронным пучком ПИЭЛ со взрывной эмиссией электронов.

Схема лазера, основными узлами которого являются ПИЭЛ и газовая лазерная кювета, приведена на рис. 83. ПИЭЛ имеет многоострийный катод 1 с остриями высотой 5 мм, расположенными с шагом 4 мм равномерно на площади 9838 см². Пучок с амплитудой тока 1,5 кА и длительностью импульса (0,5÷1,5)∙10⁶ с ускоряется в промежутке длиной 8 см напряжением 200 кВ и инжектируется в газ через окно площадью 100×12 см², закрытое титановой фольгой 2 толщиной 50 мкм. Отклонение плотности тока от среднего значения по всему сечению не превышает 10%.

В электроионизационных лазерах, предназначенных для работы на длинных импульсах и в непрерывном режиме, для получения пучков с большим поперечным сечением могут использоваться ПИЭЛ с извлечением электронов из низковольтных разрядов с холодным катодом, а также ПИЭЛ с высоковольтным тлеющим разрядом.

В гл. 1 рассмотрены три способа получения пучков с большим поперечным сечением при помощи плазмы. Все эти способы находят в настоящее время применение. Для возбуждения объемного разряда высокого давления использована ускорительная трубка с ПИЭЛ, в которой формирование пучка, полученного при отборе электронов с малой эмиссионной поверхности, до требуемых размеров осуществляется с помощью электростатических линз. ПИЭЛ основан на извлечении электронов из прианодной плазмы отражательного разряда с холодным полым катодом (см. гл. 3) и обеспечивает инжекцию электронов с энергией 20 кэВ в тракт ускорения и формирования пучка. Изменение размеров сечения пучка на выходе ускорителя осуществляется регулировкой напряжения инжекции. Узел вывода, состоящий из титановой фольги толщиной 30 мкм и решетки с коэффициентом прозрачности 0,8 из охлаждаемых водой медных трубок, позволяет вывести при ускоряющем напряжении 250 кВ в атмосферу около 50% тока пучка. Ток пучка, который связан с током разряда линейной зависимостью, регулируется включением последовательно с разрядной камерой, резистора. При ускоряющем напряжении 250 кВ ускоритель обеспечивает в непрерывном режиме в атмосфере пучок с поперечным сечением 100 см² и током до 10 мА, величина которого ограничивается прочностью титановой фольги в условиях одновременного воздействия на нее перепада давления и электронного пучка.

Подобный способ формирования пучка с большим поперечным сечением использован также в установке для исследования объемного разряда длительностью 10^-5—10⁴ с в качестве активной лазерной среды. Электронный пучок получается с помощью секционированного высоковольтного ускорителя с ПИЭЛ на основе дугового контрагированного разряда с холодным катодом в магнитном поле. Извлечение электронов в ПИЭЛ производится из плазмы, проникающей через отверстие диаметром 1 мм в закрытый сеткой цилиндрический экспандер диаметром и глубиной 7 мм. ПИЭЛ не требует отдельной цепи питания, находящейся под высоким напряжением, и может питаться от общего активного делителя, распределяющего напряжение по длине ускорительной колонки. Ускоряющее напряжение с амплитудой 250 кВ подается на делитель напряжения от генератора импульсных напряжений Аркадьева— Маркса. Пучок электронов плотностью до 30 мА/см² вводится в газовый зазор через окно площадью 8×4 см² из лавсановой пленки толщиной 125 мкм, армированной сеткой.