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 6

Повышение плотности эмиттируемого плазмой электронного тока под действием ионной бомбардировки внешне выглядит как ионно-электронная эмиссия. Для количественной характеристики этого эффекта можно по аналогии с твердыми эмиттерами ввести коэффициент ионно-электронной эмиссии плазмы γ_р, который выражается количеством электронов, дополнительно эмиттируемых плазменной поверхностью при поступлении через нее в плазму одного иона

,                                                                                                                                               (17)

где  – прирост плотности электронного эмиссионного тока при поступлении в плазму ионного потока с плотностью j_i.

Выражая  через параметры плазмы из (16) и полагая, что n_e ≈ n_i, (17) можно представить в виде

,                                                                                                                                               (18)

где = – прирост концентрации заряженных частиц в плазме у поверхности токоотбора;  – тепловая скорость электронов в плазме. В общем случае  зависит от параметров ионного потока, упругих и неупругих взаимодействий ионов с плазмой, а также от электромагнитного поля в плазме.

1. Значение γ_р минимально, если пренебрегать столкновениями ионов с частицами плазмы, т. е. при Q_i0pL<<1, где Q_i0 – полное сечение взаимодействия иона с плазмой; р – давление газа в плазме; L – характерный размер плазмы в направлении ионного потока.

В этих условиях добавочную концентрацию ионов  можно выразить соотношением

,                                                                                                                                               (19)

где  – средняя скорость ионов, поступающих из ускоряющего промежутка в плазму. Скорость эта зависит от распределения электрического поля и плотности газа в ускоряющем промежутке. Подставляя (19) в (18), получаем выражение для минимального коэффициента ионно-электронной эмиссии

                                                                                                                                               (20)

Для ПИЭЛ, работающего на аргоне с ускоряющим напряжением U ≈ 10⁴В при T_e = 6 – 10⁴К, расчетное значение  составляет ≈ 0,5. Учитывая, что j _i≈ (10^-4– 10^-3)j_e, при низких давлениях в плазменной камере влиянием ионизации в ускоряющем промежутке на ток пучка можно пренебречь.

2. Значение γ_р максимально при отсутствии полей в плазме при Q_i0pL>>1. Значительная часть ионов перезаряжается вблизи границы токоотбора и за счет диффузии уходит из этой области. Баланс перезарядившихся ионов для элементарного слоя плазмы на расстоянии z от ее границы можно представить в виде

                                                                                                                                               (21)

где Q_uo – сечение перезарядки; D_i = , – сечение передачи импульса иона; – средняя скорость перезарядившихся ионов. Дважды интегрируя (21) при условии, что D_i(dni/dz) = 0 при z=0, n_i = n_i0 при j_i = 0, получаем

                                                                                                                                               (22)

Полагая, что  =, n_i0 = n_e0, прирост концентрации электронов на границе плазмы (z = 0), вызванный поступлением в плазму ионов, можно выразить следующим соотношением:

                                                                                                                                              (23)

После подстановки  =  из (23) в (18) для максимального коэффициента ионно-электронной эмиссии плазмы имеем

                                                                                                                                              (24)

При оценке не учитывалось приращение плотности плазмы за счет быстрых ионов, поскольку обычно >>. Если использовать в качестве рабочего газа аргон, то, как следует из (24), ≈ 4,5·10³, что на три порядка больше коэффициента ионно-электронной эмиссии твердых катодов. Во всех реальных случаях  находится в области