Электронные пучки большого сечения - Бугаев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
Схемы рис. 3.1,а,5 в основных чертах соответствуют принципам действия источников сильноточных ионных пучков большого сечения [29,30],
40
которые используются в инжекторах быстрых атомов для экспериментов в области управляемого термоядерного синтеза и в технологических целях. При смене полярности ускоряющего напряжения эти источники в принципе могут генерировать электронные ПБС. Однако по ряду причин они для получения электронов не применяются, и техника электронных ПБС развивается в значительной степени самостоятельно.
На рис. 3.1, в показана схема ПИЭЛ на основе самостоятельного высоковольтного тлеющего разряда (BTP). Такой разряд, соответствующий левой ветви кривой Пашена, зажигается между электродами 2, 5 при вы-d _
полнении условия 7 J Qpdx = 1, где у — коэффициент ионно-электронной
- 0
эмиссии; Q — сечение ионизации газа. Электронная эмиссия холодного катода 2 обеспечивается в BTP бомбардировкой катода ионами, ускоренными в области катодного падения потенциала, и высокоэнергетичными нейтралами, образующимися при переразрядке ионов. Поступление ионов в область катодного падения потенциала происходит из прианодной плазмы, которая образуется в самостоятельном BTP в результате взаимодействия с газом электронов, ускоренных в катодном падении, отраженных от стенок и анода 5 и образовавшихся при ионизации. В случае инжекции в высоковольтный промежуток ионов из плазмы вспомогательного разряда в промежутке может развиться несамостоятельный ВТР. Схема ПИЭЛ с несамостоятельным BTP показана на рис. 3.1,г. В обоих случаях (рис. 3.1,в,г) эмиттированные катодом электроны после прохождения области катодного падения потенциала благодаря тому, что средняя длина их пробега значительно превышает протяженность этой области (и межэлектрод-ного промежутка в целом), приобретают в разряде энергию, практически соответствующую приложенному напряжению. В результате образуется электронный поток с относительно узким энергетическим спектром.
Каждая из приведенных схем ПИЭЛ для получения ПБС имеет свои достоинства и недостатки, которые в конкретных ситуациях делают предпочтительным использование того или иного ПИЭЛ. Однако не исключено, что дальнейшее развитие ПИЭЛ приведет к преимущественному применению электронного источника какого-либо одного типа.
3.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ИСТОЧНИКИ НА ОСНОВЕ ОБЪЕМНОГО НИЗКОВОЛЬТНОГО РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ
Способ получения ПБС, поясненный рис. 3.1,а, реализован в ПИЭЛ [31 — 34], использующих объемный тлеющий разряд с полым катодом и предназначенных для возбуждения электроионизационных лазеров (рис. 3.2). Источник состоит из трех основных узлов: разрядной камеры для генерации плазмы, системы потенциального управления током ПБС и ускоряющего промежутка, положительным электродом которого является фольга для выпуска ПБС в газ высокого давления.
Плазма образуется в тлеющем разряде между полым холодным катодом 4 и сетчатым (или перфорированным) плоским анодом 3. Электроны прианодной плазмы через отверстия в аноде 3 проходят в промежуток между анодом и управляющей сеткой 2, а затем через ячейки поступают в ускоряющий промежуток. Вследствие значительной геометрической прозрачности электродов 2,3 давление в ускоряющем промежутке оказывается равным давлению в разряде. Работоспособность ПИЭЛ в этих ус-
41
Рис. 3.2. ПИЭЛ с полым катодом [32]:
1 - ускоряющий электрод; 2 - управляющая сетка; 3 — анод; 4 — полый катод; 5 — поджигающий электрод
Рис. 3.3. Рабочая область ПИЭЛ [33]:
газ-гелий, 5 Па
ловиях обеспечивается благодаря тому, что ускоряющий промежуток делают достаточно длинным для предотвращения вакуумного пробоя и в то же время достаточно коротким, чтобы избежать зажигания в нем самостоятельного газового разряда. На рис. 3.3 представлены зависимость напряжения вакуумного пробоя от длины промежутка d и левая ветвь кривой Пашена для гелия при давлении 5 Па, полученные в [33] для одной из электродных систем. Заштрихованная площадь между кривыми характеризует рабочую область ПИЭЛ рассматриваемого типа. Положение характеристики вакуумного пробоя при низком давлении не зависит от него, а левая ветвь кривой Пашена с уменьшением давления сдвигается вправо так, что значение pd, соответствующее каждому значению пробивного напряжения, остается при этом неизменным. Таким образом, для повышения предельного ускоряющего напряжения и расширения диапазона возможной длины ускоряющего промежутка целесообразно снижать давление газа. Однако при этом затрудняются условия зажигания тлеющего разряда и возможность обеспечения им требуемой плотности плазмы.
Для зажигания разряда с полым катодом при относительно низком давлении, допускающем достаточно высокое ускоряющее напряжение, в катодную полость помещают дополнительный поджигающий электрод 5 (рис. 3.2) в виде тонкой проволоки. Благодаря малому диаметру поджигающего анода и нарушению осевой симметрии электрического поля электроны совершают несколько колебаний относительно этого анода, прежде чем попадают на него. Этим достигается значительное удлинение среднего пути электронов по сравнению с расстоянием между катодом и поджигающим электродом, что обеспечивает зажигание подготовительного разряда этого типа при низком давлении.
