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

ГЛАВА 1

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ПЛАЗМЕННЫХ

 ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОНОВ

1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

К плазменным источникам электронов (ПИЭЛ) будем относить устройства, в которых для получения электронных пучков используется плазма (рис. 1). Во многих случаях отбор электронов производится с границы плазмы, образованной в локализованном объеме (см. рис. 1, a – г, е). Уход электронов из плазмы восполняется электронной эмиссией с катода и ионизацией газа. Плазма, из которой можно извлекать электроны, создается с помощью газовых разрядов (см. рис. 1,а – г),при взрыве проводников, в частности, катодных микровыступов (см. рис. 1, е), в результате поверхностной ионизации атомов, например цезия на вольфраме, и другими способами. Существуют ПИЭЛ, в которых пучок образуется из электронов, эмиттированных холодным катодом под действием бомбардировки его ионами плазмы (см. рис. 1, д). Кроме того, высокоэнергетичные электронные пучки создаются в плазме при протекании в ней тока за счет возникновения неустойчивостей определенного типа.

Плазма в ПИЭЛ служит: 1) для возбуждения электронной эмиссии из холодного катода; 2) для защиты расположенного определенным образом в разрядной камере катода от бомбардировки высокоэнергетичными ионами, поступающими из ускоряющего промежутка и, запыления парами обрабатываемого материала (см. рис. 1, б, в); 3) для перехода от плотности эмиссионного тока катода к плотности тока пучка (увеличение плотности тока может быть достигнуто за счет сжатия столба разряда и размножения электронов в результате ионизации газа, а уменьшение плотности тока и увеличение эмигрирующей поверхности – за счет расширения плазмы в экспандере): 4) для устранения зависимости электронно-оптических свойств ПИЭЛ от степени эрозии катода (см. рис. 1, а–г, е) и осуществления эмигрирующей поверхностью плазменной фокусировки пучка (см. рис. 1,б–г); 5) для получения наряду с электронным пучком ионного потока при смене полярности ускоряющего напряжения (см. рис. 1, а–б)

Рис. 1. Схемы плазменных источников электронов (ПИЭЛ):1 – катод; 2 – плазма; 3 – анод разрядной камеры: 4 – эмиттирующая граница плазмы; 5 – пучок; 6 – извлекающий (ускоряющий) электрод; 7 – экспандер

В ПИЭЛ плазма выполняет несколько из перечисленных функций, хотя одна из них, как правило, является основной. Так, в источниках с взрывной эмиссией электронов (см. рис. 1, е) и в источниках с высоковольтным тлеющим разрядом (см. рис. 1, д) плазма в основном стимулирует электронную эмиссию из холодного катода.

По аналогии с ионными источниками целесообразно классификацию ПИЭЛ проводить по способу получения плазмы и ее особенности (табл. 1).

2. ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОНОВ

Параметры ПИЭЛ целесообразно разделить на две группы: 1) эксплуатационные, которые позволяют определять практическое применение ПИЭЛ, характеризуют их как электронно-лучевые устройства и позволяют сравнивать ПИЭЛ с другими электронными источниками и 2) физико-технологические, которые описывают особенности ПИЭЛ как плазменных устройств и позволяют сравнивать ПИЭЛ различных типов.

Эксплуатационные параметры. Номинальный ток электронного пучка I. При отборе электронов с границы стационарной плазмы, созданной с помощью газового разряда (см. рис. 1, а – г) или за счет поверхностной ионизации, ток пучка.

,                                                                                                                                                 (1)

где j – плотность электронного теплового тока в плазме вблизи: эмиссионного отверстия; S₀ – площадь эмиссионного отверстия; f₁ – коэффициент токопрохождения, учитывающий потери пучка на ускоряющем и других электродах; f₂– коэффициент порядка единицы, зависящей от положения плазменной эмиссионной поверхности.

Для варианта ПИЭЛ рис. 1, af₂≈1; для ПИЭЛ рис. 1, б, в f₂<1 вследствие потерь электронов на стенках экспандера; для ПИЭЛ рис. 1, г f₂<1, поскольку площадь плазменной эмиссионной поверхности превышает площадь эмиссионного отверстия.

Стартовый ток пучка I_ст. В отдельных случаях ПИЭЛ должны при значительном номинальном токе пучка обеспечивать и работу при малых токах. Малый ток применяется, например, при технологическом использовании ПИЭЛ для совмещения сфокусированного пучка с местом обработки.

В пушках с термокатодом ток пучка уменьшается специальным управляющим электродом при постоянной эмиссии катода или изменением эмиссии при уменьшении тока накала катода. Первый способ усложняет конструкцию пушек и требует отдельного источника питания, находящегося под высоким напряжением, а второй обладает большой инерционностью.

В ПИЭЛ, имеющих разрядную камеру (см. рис. 1, а – в), возможно эффективное управление током пучка за счет изменения эмиссионной способности плазмы регулировкой тока разряда. Однако каждая разрядная камера характеризуется минимальным током, при котором еще не гаснет разряд, причем ток зависит от формы разряда, давления газа, материала катода и других факторов.