Электронные пучки большого сечения - Бугаев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
Подготовительный разряд с малым током создает условия для зажигания основного разряда между полым катодом 4 и сетчатым анодом 3. Поскольку выходная щель в полом катоде относительно велика, до зажигания разряда поле анода, расположенного в этой щели, эффективно проникает в катодную полость. Таким образом, в отличие от ПИЭЛ [35] с полым катодом с малой апертурой в рассматриваемой схеме перед зажиганием разряда полость неэквипотенциальна, что облегчает перебрасы-
42
вание разряда на анод 3. С другой стороны, форма полого катода такова, что после зажигания основного разряда, когда образуются узкие области катодного падения потенциала, значительная часть электронов, эмиттиру-емых катодом и ускоренных катодным падением потенциала, проходит через плазму, а затем отражается от противоположного участка катода, совершая в результате колебания внутри полости. Увеличению времени жизни электронов в катодной полости способствует также возникающее в таком разряде отрицательное анодное падение потенциала. При этом возрастает среднее число актов ионизации, приходящихся на каждый электрон, что обеспечивает условия горения основного разряда со значительным током при относительно низком давлении. Эмиссия электронов с полого катода происходит в результате ионной бомбардировки и поглощения излучения из разряда. Так как поверхность катода намного превышает поверхность анода и имеет специфичную форму, большая часть ионов и излучения попадает на катод, что также способствует снижению напряжения горения разряда и повышению плотности плазмы. В результате такая разрядная камера обеспечивает устойчивое горение разряда с достаточной для практических применений плотностью плазмы при относительно низком напряжении (300 — 500 В) и давлении гелия (2 —
5 Па).
Током ПБС можно управлять, изменяя разрядный ток [32], который определяет плотность эмиттирующей плазмы. Однако низковольтный разряд с полым катодом, как известно, может устойчиво гореть лишь при токе, превышающем некоторое критическое значение. Уменьшение разрядного тока приводит, в частности, к расширению области катодного падения потенциала, противоположные участки которого в конечном итоге могут перекрыться внутри полости. При этом обычно резко возрастает напряжение горения разряда или разряд гаснет. Это ограничивает возможности управления током ПБС по разрядному току. Более эффективно управление с помощью сетки 2, подача на которую небольшого отрицательного напряжения относительного анода 3 вызывает изменение тока ПБС от номинального значения до почти полного запирания при постоянном токе разряда. Кроме того, сетка 2 уменьшает влияние ускоряющего напряжения на разряд с полым катодом. Однако использование управляющей сетки приводит к перехвату ею части эмиссионного тока. Кроме того, при таком способе управления независимо от режима токоотбора разряд горит с номинальным током, а следовательно, разрядной камерой непрерывно потребляется мощность, и катод непрерывно распыляется под действием ионной бомбардировки.
Принцип получения ПБС был проверен на экспериментальном ПИЭЛ [33], рассмотрение которого целесообразно вследствие его наибольшей изученности по сравнению с другими ПИЭЛ этого типа. Полый прямоугольный катод 1 (рис. 3.4) из нержавеющей стали имеет поперечные размеры 3,6 х 13,7 см и глубину полости 5,9 см. Расстояние между сетчатым анодом 2 и управляющей сеткой 3 составляет 0,8 см. Прозрачность каждой сетки 44%. Ускоряющий электрод, служащий коллектором пучка (или фольга для выпуска пучка в атмосферу), расположен на расстоянии 2,5 см от сетки 3. В качестве поджигающих анодов использованы два проволочных электрода, выведенных через верхнюю катодную стенку. В гелии инициирующий разряд зажигается импульсами напряжения около 800 В длительностью 1 мкс. На рис. 3.5 представлены зависимости напряжения горения основного разряда от тока сетчатого анода площадью 11 см2 и давления гелия при равенстве потенциалов обеих сеток и коллектора. Рабочее давление, при котором в ускоряющем промежутке еще не происходит пашеновского пробоя, а разрядное напряжение не слишком велико, чтобы вызвать интенсивное распыление полого катода, составляет
43
Рис. 3.4. ПИЭЛ с пучком сечением Зх 10 см [33] :
1 — полый катод; 2 — управляющая сетка; 3 — анодная сетка; 4 — ускоряющий электрод; 5 — изолятор
о 2 Ip, А
Рис. 3.5. Характеристики разрядных камер ПИЭЛ [33] :
газ—гелий; 1,2 — вольт-амперные характеристики (1 — при р= 2,3 Па; 2 — при р=2,1 Па); 3 — зависимость напряжения от давления
1,5 — 3 Па. Ток ПБС при постоянном ускоряющем напряжении управляется в широких пределах изменением напряжения между анодной и управляющей сетками. Зависимость тока ПБС от ускоряющего напряжения близка к расчетной характеристике эквивалентного вакуумного триода, что Освидетельствует об отсутствии разряда между сетками. При длительности импульса 100 мкс плотность тока пучка достигает 1 А/см2, а в непрерывном режиме — более 0,7 мА/см2. На рис. 3.6 показано распределение плотности тока в пучке сечением 3x10см при ускоряющем напряжении 60 кВ. Измерения энергетического спектра электронов пучка при ускоряющем напряжении 50 кВ выявили, что высокоэнергетичные электроны составляют 90% полного тока пучка, а ширина пика этих электронов на его полувысоте составляет 1,4 кэВ. Коэффициент токопрохождения через титановую фольгу толщиной 13,8 мкм при напряжении 100 кВ составляет 50±6%, что в пределах погрешности эксперимента совпадает с теоретическим значением 54%.
