Электронные пучки большого сечения - Бугаев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
6 благодаря перепаду давления в отверстиях в анодах 3, 4 разрядной камеры и в результате расширения газа в анодной полости 5. При подаче на электроды 1, 3, 4 импульсного напряжения с амплитудой (1—3) -103 В в магнитном поле с индукцией 5-Ю" Тл между катодами 1 и анодом 3 возникает разряд Пеннинга, переходящий в дугу с катодным пятном, которая вследствие ограничения тока промежуточного анода 3 перебрасывается через отверстие в нем на главный анод 4. В результате возникает дуговой контрагированный разряд с холодным катодом в магнитном поле, свойства которого рассмотрены в работах [43—45]. Чтобы исклю-46
чить отклонение анодной части разряда от оси анодных отверстий, применена локальная деформация магнитного поля с помощью ферромагнитной вставки 2 в промежуточном аноде 3. При этом устраняется поперечная составляющая магнитного поля в области контрагирования и появляется осевое поле, облегчающее зажигание основного разряда и дополнительно его контрагирующее. Вследствие фиксации анодной части разряда контра-гирующим отверстием в промежуточном аноде 3 и магнитным полем, ее параметры не зависят от положения катодных пятен на катодах 7.
Структура дугового контрагированного разряда с холодным катодом в магнитном поле аналогична [44] хорошо изученной структуре контрагированного разряда с накаленным катодом, широко применяемого в дуо-плазматронах. С катодной стороны конрагирующего канала имеется плазменный сгусток, окруженный двойным электрическим слоем, ускоряющим и фокусирующим электроны. Напряжение на слое обычно составляет 50—80 В, что обеспечивает высокую ионизирующую способность ускоренных в этом слое электронов. Плотность плазмы в сгустке и в промежутке между анодами достигает 1014-1015 см"3, а плотность тока в контраги-рующем канале 103-IO4 А/см2.
Вследствие относительно низкого давления в прианодной части разряда и малого расстояния между анодами лишь часть электронов, ускоренных и сфокусированных двойным слоем, принимает участие в ионизации газа в контрагированном разряде. Поэтому в прианодной плазме электроны состоят из двух групп, одна из которых образована прошедшими двойной слой быстрыми электронами, не испытывавшими неупругих столкновений с атомами, а другая — медленными электронами, появившимися в результате ионизации газа. Эти же две группы имеются в потоке заряженных частиц, проникающих в анодную полость через отверстие в главном аноде. Кроме того, через отверстие в этом аноде в полость выходит газ, напускаемый в разрядную камеру. Таким образом, оказываются совмещенными в пространстве интенсивный поток электронов (около 103 А/см2 в области отверстия в главном аноде) и поток нейтралов. В результате их взаимодействия в анодной полости, имеющей значительные размеры, синтезируется плазма.
Часть потока электронов, поступающих в анодную полость, рассеивается на нейтралах и частично замедляется. Потенциальный барьер у стенок полости препятствует выходу из него этих электронов, которые таким образом вместе с электронами, образованными в процессе синтеза плазмы, оказываются уловленными внутри полости. Захваченные в полости электроны многократно отражаются от ее стенок, в результате чего их роль в ионизации газа возрастает. О присутствии в анодной полости быстрых электронов свидетельствуют энергетические спектры электронов, измеренные электростатическим анализатором [46].
Определяющая роль электронного потока в синтезе плазмы подтверждается несоответствием времени запаздывания эмиссионного тока и времени, необходимого для распространения плазмы в анодной полости от отверстия в главном аноде до сетки. Однако свойства плазмы в полости, в частности ее электрическая проводимость, в основном определяются медленными частицами. Аналогичным образом формируется плазма в других дуговых разрядах низкого давления с полым анодом [47].
На рис. 3.9 представлена зависимость тока на ускоряющий электрод от его потенциала относительно сетки анодной полости, полученная при
47
Рис. 3.9. Вольт-амперная характеристика ПИЭЛ
Рис. 3.8. Схема ПИЭЛ на основе назковольтного дугового разряда
относительно небольшом расходе напускаемого в разрядную камеру газа. В отсутствие ускоряющего напряжения непрерывность тока разряда обеспечивается попаданием на стенки полости и ускоряющий электрод быстрых электронов, способных преодолеть пристеночный потенциальный барьер. Появление электронов в вакууме за сеткой и ток на ускоряющий электрод рассматриваются как результат электронной эмиссии из плазмы анодной полости через ячейки сетки. При локальном понижении потенциального барьера путем повышения потенциала ускоряющего электрода или эмиттерной сетки из плазмы через сетку начиниют выходить более медленные электроны. Перегиб на электронной ветви вольт-амперной характеристики (рис. 3.9), очевидно, соответствует такому ускоряющему напряжению, при котором устраняется потенциальный барьер для электронов, идущих на ускоряющий электрод. Дальнейший рост эмиссионного тока вызывается перераспределением электронного тока между ускоряющим и остальными электродами, что вызывается изменением параметров анодной плазмы. В частности, как показали зондовые измерения, уменьшается концентрация заряженных частиц в анодной полости и возрастает потенциал плазмы. Так, при токе дугового разряда 20 А в случае использования цилиндрической полости диаметром 200 и длиной 100 мм, закрытой торцевой сеткой, потенциал плазмы в эквипотенциальной полости на расстоянии 70 мм от главного анода составляет около 40 В, а при напряжении на сетке 60 В возрастает до 55 В относительно стенок полости (главного анода).
