Свойство, общее для всех конструкций полых катодов,— замкнутая структура — означает прежде всего то, что для работы таких катодов требуется меньшая мощность, чем в случае, когда поверхности эмиттера обращены к сравнительно холодным поверхностям газоразрядной камеры. Другим важным преимуществом является то, что, испаряясь с эмитирующей поверхности, активный материал движется большей частью к эмитирующей поверхности, и лишь малая часть испарившегося материала покидает катод через выходную апертуру. Еще одно преимущество состоит в том, что при подаче газа через катод внутри катода создается плазма значительно большей плотности, чем в разрядной области.
Исследуем качественно преимущество, вытекающее из существования внутри полого катода плазмы с высокой плотностью. Плотность ионного тока из плазмы согласно (3.69) равна
Как упоминалось в разд. 3.9 и 7.4, величина плотности тока электронной эмиссии ограничена значением
Откуда
При типичной для сильноточных ионных источников плотности плазмы 1018 электрон/м3 (соответствующие объяснения содержатся в разд. 8.1) и температуре электронов 5 эВ получим
Je< 1,83 А/см2.
Чтобы достичь величины плотности тока эмиссии, которую способен дать катод из гексаборида лантана (20 А/см2), необходима плотность плазмы 1019 м-3. Эту величину плотности несложно получить внутри полого катода, уменьшив эмиссионную площадь до 0,1 площади, которая необходима в случае эмиттера, обращенного эмиссионной поверхностью к основной плазме.
При работе с полым катодом мы наблюдали интересное явление. При испытании катода (см. рис. 7.19, д) электроны с него поступали на плоскую пластину, служившую анодом (рис. 7.22), что позволяло визуально следить за работой катода.
Рис. 7.22. Система испытания полого катода.
При больших токах с катода ,(до 500 А) пучок сжимался в плотный слой, который обычно имел вид дуги или спирали, направленной к аноду, часто перехлестывавшейся из-за обычной неустойчивости извивания или изгиба, что характерно для неста-
Рис. 7.23. Схематическое изображение линий тока в разряде ионного источника.
билизированного пинча. При использовании полого катода в газоразрядных ионных источниках измерения плотности плазмы не показывают ее существенного изменения в поперечном направлении. Эту особенность понять нетрудно: в ионном источнике (рис. 7.23) эмиссионный электрод обычно находится под плавающим потенциалом по отношению к плазме, так что ток на электроде отсутствует. Магнитное поле определенной конфигурации служит препятствием для направленного тока электронов на анод, понуждая электроны двигаться вокруг анода и существенно затрудняя их попадание на анодную поверхность (рис. 7.23). Линии тока показывают (рис. 7.23), что возникновение эффектов пинчевания невозможно нигде, кроме как на правом крае катодной апертуры, где это наиболее важно. Сжатие тока в отверстии катода, вероятно, и обусловливает максимальный разогрев на некотором расстоянии от катодной апертуры, как указывалось при описании катода Лидски.
Рис. 7.24. Двойной полый катод [159].
Анализ работы полых катодов с малыми выходными отверстиями весьма затруднителен. Плазма высокой плотности, существующая, например, внутри вольфрамового экрана (см. рис. 7.19, д), соединяется с плазмой малой плотности, создаваемой в ионном источнике, через плазму еще большей плотности в области апертуры. Потенциал в области апертуры, по-видимому, выше потенциала с каждой из сторон эмиссионного отверстия. Три плазменные области связаны двумя двойными переходными слоями. Анализ этой области — весьма интересная, хотя и сложная проблема.
В некоторых источниках [159] (рис. 7.24) полый катод располагается внутри полости, связанной с основной плазмой источника малым отверстием. При измерении потенциала внутри полости, где находится полый катод [159], была получена величина 12 В, в то время как потенциал плазмы источника был равен -~45 В. В результате скорость распыления материала катода снизилась по сравнению с тем случаем, когда ионы с энергией 45 эВ непосредственно бомбардируют полый катод.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.