Электронные пучки большого сечения - Бугаев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
88
Рис.4.12.. К расчету эффекта „мазка" в диоде с двумя эмиттирующими полуцилиндрами на плоскости:
э — схема диода {1 — катоды; 2 — анод; 3 — траектория электронов) ; б — распределение плотности тока на аноде
При короткой длительности импульсов тока структура потока образуется в результате суперпозиции множества потоков с отдельных эмиттеров. Электронный поток с острийного эмиттера из-за образования эмиттирующей плазменной среды на его вершине имеет ярко выраженную кольцевую структуру. Это было показано с помощью численных расчетов электронных траекторий в диоде с таким катодом (рис. 4.11) [98] и экспериментально подтверждено в [99].
Для электронных потоков в ПИЭЛ с ВЭЭ при длительности импульсов 10”8 — 10“7с характерно возникновение неоднородностей в структуре в виде страт, вытянутых перпендикулярно плоскости лезвийного катода. По мнению авторов [100], такие страты возникают вследствие нестабильности в токонесущей плазме. Эти нестабильности приводят к резким искажениям конфигурации эмиттирующей * плазменной поверхности, а затем и к разрыву токонесущего плазменного слоя.
Эксперименты, проведенные с двумя эмиттирующими остриями [101], показали, что эти вытянутые страты — „мазки" возникают в результате электрического взаимодействия электронных потоков с близлежащих катодных факелов. Это подтверждается и численным расчетом траекторий электронов [98] (рис. 4.12).
4.4. ГЕНЕРАЦИЯ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В ПИЭЛ CO ВЗРЫВНОЙ ЭМИССИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ
Как указывалось выше, длительность импульса тока в ПИЭЛ с ВЭЭ ограничивается возникновением пробоя ускоряющего промежутка, завершающегося^дуговой стадией. Очевидная причина этого—распространение в ускоряющий зазор катодной и анодной плазмы. Увеличение межэлектрод-ного зазора и уменьшение плотности тока на аноде [102] не приводят к существенному увеличению длительности импульса тока. Для реализации квазистационарного режима ПИЭЛ, работающего в режиме ВЭЭ, необходимо решить три задачи:
1. Установить условия, при которых плазменный катод с ВЭЭ работает в режиме насыщения и движение эмиссионной границы прекращается.
2. Разработать методы, позволяющие ограничить рост тока, а следовательно, и генерирование плазмы, поскольку основным отличием ПИЭЛ с ВЭЭ от ПИЭЛ со стационарной плазмой является отсутствие специальной разрядной цепи для генерирования плазмы.
89
3. Выяснить механизм пробоя, чтобы затруднить его формирование.
Целенаправленные исследования [103] эмиссионной способности плазмы катодных факелов в различных фазах ее продвижения к аноду позволили установить, что в начальный период разлета фронт плазмы движется со скоростью V3 % (4 -г 8) Ю6 см/с, т.е. со значительно боль-
шей, чем средняя скорость направленного разлета частиц плазмы от катода Vj % 2-Ю6 см/с (4.1). По-видимому, это связано с наличием виртуального катода перед фронтом КФ в начальной фазе.
В дальнейшем, по мере расширения плазмы, проводимость вакуумной части диода растет, а эмиссионная способность плазмы падает из-за уменьшения концентрации плазмы на границы эмиссии. При этом происходит „рассасывание" виртуального катода перед фронтом катодного факела, прекращается экранировка плазмы полем объемного заряда и уменьшается V3. Плазменный эмиттер переходит из режима неограниченной эмиссионной способности к режиму насыщения, т.е. от условия Je >Jb к условию Je =Jj3 , где Jе и /ь — плотность теплового тока электронов плазмы на границе эмиссии и плотность тока, ограниченная пространственным зарядом.
Скорость движения границы падает до V3, меньшей скорости разлета частиц плазмы Vj. Продолжающееся расширение плазмы в режиме насыщения происходит в результате нарастания концентрации плазмы на эмиссионной границе из-за ее притока от поверхности катода и отсутствия потерь на рекомбинацию. Напомним, что протекание тока связано с непрерывным испарением и ионизацией материала катода. В то же время в распространяющейся плазме доминирует бесстолкновительный режим и, вследствие этого, рекомбинация частиц мала.
Переход границы эмиссии в режим насыщения проявляется в виде резкого уменьшения скорости роста тока на начальном участке осциллограммы тока ВЭЭ. Поскольку граница эмиссии движется со скоростью V3 и внутренние слои плазмы, движущиеся с большей скоростью Vj , могут ее догонять, становится понятным механизм возникновения колебаний концентрации плазмы на границе эмиссии [104]. Если на поверхности катода возникают сгустки плазмы, например, за счет новых эмиссионных центров (ЭЦ), то при выходе их на границу эмиссии условие насыщения нарушается и граница может вновь ускориться до V3, что неизбежно приведет к возрастанию тока.
Зондовые исследования потенциала плазмы катодных факелов [105] показали, что если по мере возрастания тока плазма позади сгустка не способна пропустить возросший ток, то сгусток заряжается положительно, и в этом месте образуется двойной электрический слой. Диод превращается в триод с сеткой — плазменным сгустком. Падение напряжения на двойном слое, сравнимое с приложенным, приводит к тому, что электроны впрыскиваются в вакуумную область с большой начальной скоростью, что обусловливает увеличение проводимости вакуумной области диода и резкое нарастание тока. На осциллограммах электронного тока эта фаза проявляется резкими всплесками. Всплески меньшей амплитуды могут возникать также без зарядки плазменного сгустка, если он достаточно протяженный или его концентрация слабо отличается от концентрации на границе эмиссии. В этом случае бросок тока образуется только за счет ускоренного смещения эмиссионной границы.
