Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет

"ЛЭТИ"

кафедра ЭПУ

Реферат на тему:

"Формирование потока заряженных частиц в системах плазменными эмиттерами"

Группа: 8203

Студент: Досов Т.М.

Преподаватель: Барченко В.Т.

Санкт-Петербург, 2012

1.      Введение

Общие свойства эмиссии электронов из плазмы

При общем рассмотрении процессы эмиссии из плазмы заряженных частиц ионов или электронов не должны отличаться друг от друга и обоим процессам должны быть свойственны одинаковые явления и характеристики. Однако для каждой конкретной газоразрядной системы, генерирующей плазму, условия замыкания тока на эмиссионный (плазменный) электрод, а, следовательно, и условия ухода электронов и ионов из плазмы через эмиссионные отверстия  в этом электроде всегда различны. Если, например, ионы, покидающие плазму, ускоряются в приэлектродном слое, то в этих же условиях электроны в нем тормозятся. С точки зрения эмиссионных свойств плазмы это означает, что для данного случая ионы эмитируются с так называемой открытой плазменной поверхности, а электроны для выхода из плазмы в область ускорения должны преодолевать потенциальный барьер. Поэтому по сравнению с отбором ионов из плазмы процесс эмиссии электронов имеет гораздо больше отличий, чем сходств.

 

2.      Формирование потока заряженных частиц в системах плазменными эмиттерами

2.1. Отбор  ионов из плазмы

Рассмотрение ограничим случаем, который наиболее часто встречается в источниках заряженных частиц, а именно, когда вследствие более высокой подвижности электронов плазма заряжена положительно относительно стенок и электродов разрядной камеры. Примем для определенности, что отбор ионов осуществляется из плазмы вблизи анода разрядной системы на коллектор площадью S_e (см. рис. 2.1). На коллектор относительно анода подается разность потенциалов U_a, ускоряющая ионы.

            При равенстве потенциалов коллектора и анода (U_a = 0) коллектор является частью анода разрядной камеры и вблизи него образуется такой же, как и у анода, слой положительного пространственного заряда, тормозящий электроны и ускоряющий ионы. Плотность тока на коллектор j_i определяется известным соотношением Бома [1]:

j_i= 0.4 е n_i(2kT_e/М)^1/2 (1.1)

Здесь  n_i – концентрация плазмы, Т_e –  температура электронов в плазме, М_i – масса иона, е – заряд электрона, k – постоянная Больцмана.

При подаче на коллектор отрицательного смещения относительно анода, плазма будет реагировать на внешнее электрическое поле, экранируясь от него открывающимся слоем пространственного заряда. Чем больше разность потенциалов между коллектором и анодом, тем дальше будет отодвигаться плазма от коллектора и тем более широким будет ионный слой. При этом, поскольку потенциал коллектора всегда остается ниже потенциала плазмы  плотность ионного тока на коллектор будет определяется соотношением Бома, или концентрацией плазмы и температурой электронов.

Обычно отбор ионов из плазмы осуществляется через одно или несколько отверстий в аноде разрядной камеры. В зависимости от соотношений между концентрацией и температурой электронов в плазме, с одной стороны, и напряженностью внешнего ускоряющего ионы электрического поля, с другой стороны, возможны три различных положения установившейся плазменной границы (рис.2):

а) плотная плазма и (или) слабое поле. В этом случае протяженность ионного слоя мала, плазма выходит из анодного отверстия и плазменная граница формируется в ускоряющем промежутке (рис.2, а). Это, как видно из рисунка, приводит к расфокусировке ионного пучка;

б) оптимальные для данной геометрии ускоряющего промежутка параметры плазмы и ускоряющего поля. По отношению к первому случаю (а) условия оптимума достигаются при повышении напряженности поля или снижении плотности плазмы. При этом плазменная граница отодвигается к анодному эмиссионному отверстию и фиксируется в его плоскости, что обуславливает формирование плоскопараллельного ионного пучка (рис.2, б);

в) редкая плазма и (или) сильное поле. Дальнейшее повышение напряженности ускоряющего поля или снижение концентрации заряженных частиц в плазме отодвигает плазму за эмиссионное отверстие в аноде. Ускоряющее поле проникает в анодную область, и плазменная граница устанавливается за анодным отверстием (рис.2, в). Это приводит к фокусировке ионного пучка.

При отборе ионов из плазмы, положительно заряженной относительно эмиссионного электрода, ускоряющее поле коллектора совпадает с полем слоя, что обеспечивает простое доускорение ионов. Плотность ионного тока, эмитированного плазмой, есть бомовская плотность, и она совпадает с плотностью тока на анод и на другие электроды разрядной камеры, находящиеся под отрицательным относительно плазмы потенциалам. Поэтому в случае однородного распределения параметров плазмы, рожденные в плазме ионы распределятся между электродами разрядной камеры и коллектором пропорционально их площадям. Но такая же ситуация имела место и в исходном состоянии при нулевой разности потенциалов между коллектором и анодом. Обратим внимание на тот факт, что приложение извлекающего ионы напряжения не изменяет условия ухода ионов из разрядного промежутка.  На основании этого можно сделать вывод о том, что в наиболее часто встречающемся случае отрицательного падения потенциала вблизи электрода, через отверстия в котором происходит отбор ионов из плазмы,  эмиссия ионов приводит к изменению (возмущению)  параметров плазмы.

2.2. Процессы, связанные с отбором электронов из плазмы.

Под термином “плазменный эмиттер электронов” или “плазменный катод” понимается электроразрядное устройство, формирующее плазму, с границы которой осуществляется эмиссия электронов. Простейшая схема плазменного катода представлена на рисунке 3.

Устройство включает в себя генератор плазмы, плазменную эмиссионную поверхность и ускоряющий электрод – коллектор, к которому относительно одного из электродов разрядной системы (катоду или аноду) приложено ускоряющее электроны напряжение U_a.Именно различные условия ухода ионов и электронов из плазмы и обуславливают основное отличие эмиссии электронов от эмиссии ионов. В общем случае для ускорения заряженных частиц внешним полем необходимо, чтобы увеличение приложенного напряжения U_a приводило к соответствующему росту скорости v и энергии W частиц. При отборе ионов из плазмы, положительно заряженной относительно анода (эмиссионного электрода), это условие выполняется автоматически, поскольку ионы лишь доускоряются внешним электрическим полем. При нулевой разности потенциалов между анодом и коллектором плотность электронного тока на коллектор совпадает с плотностью электронного тока на анод. Заметим также, что электроны в приэлектродном слое заряда тормозятся, а не  ускоряются, как это было при извлечении ионов.

Предположим для простоты, что плазма однородна по всему объему, а распределение электронов по энергиям является Максвелловским.   Плотность электронного тока j_e через потенциальный барьер и полный ток эмиссии I_e определяются соотношением Больцмана,

I_e = j_e S_e =  j_ex exp[ –e(φ_p – φ_c.)/kT_e ] S_e ,     (1.2)

где j_ex = en_en_e/4 – плотность хаотического тока электронов из плазмы. Из (2.4) видно, что снижение барьера приводит к соответствующему повышению плотности тока электронов на коллектор. При установившемся балансе генерации и потерь заряженных частиц в плазме такое возрастание тока эмиссии электронов, возможно лишь в результате перераспределения тока между анодом и коллектором. Поскольку плотность анодного тока j_aи полный ток I_а  могут быть определены, как

I_а = j_аS_а =  j_exexp[–e(φ_p – φ_a)]S_а,                    (1.3)     

то наиболее вероятный путь уменьшения анодного тока связан с возрастанием потенциала плазмы и соответствующим повышением потенциального барьера для электронов, уходящих на анод. Таким образом, попытка извлечь и ускорить электроны, выходящие из плазмы, должно приводить к повышению потенциала плазмы. Повышение потенциала плазмы обусловлено, согласно (2.4) и (2.5), необходимостью сохранения баланса генерации и потерь электронов путем компенсации  возрастания тока эмиссии соответствующим уменьшением тока электронов на анод.

              В отличие от случая эмиссии ионов, плазма не остается инертной к отбору из нее электронов и реагирует на это повышением своего потенциала. Граничное условие возможности осуществления отбора и ускорения электронов из плазмы  состоит в достижении потенциалом коллектора потенциала плазмы при токе коллектора, равного току разряда. Важно отметить, что, в отличие от случая ионов диода, эмиссионный и анодный ток электронов не распределены пропорционально площадям S_e и S_а.

            Как показали эксперименты, влияние эмиссии электронов на параметры плазмы не ограничивается изменением ее потенциала. Отбор электронов из плазмы может также сопровождаться изменением концентрации плазмы, возрастанием или падением разрядного тока, появлением высокочастотных колебаний, в ряде случаев эмиссия электронов приводила к неустойчивому режиму горения разряда вплоть до его погасания. Поэтому, несмотря на возможность получения высоких эмиссионных параметров, эмиссия с открытой плазменной поверхности не нашла применения. В реальных источниках электронов с плазменным катодом эмиссионная поверхность плазмы ограничена размерами, сравнимыми с протяженностью слоя пространственного заряда, возникающего у электрода, в котором имеются одно или несколько эмиссионных отверстий. Один из способов реализации такого принципа связан с перекрытием эмиссионной поверхности плазмы мелкоструктурной металлической сеткой, размер ячейки которой сравним с протяженностью приэлектродного слоя. Поэтому такой метод получения электронного тока из плазмы получил название “метод слоевой (сеточной)

стабилизации”. Слоевая стабилизация  предполагает выбор размера эмиссионного отверстия (ячейки сетки) порядка размера протяженности слоя пространственного заряда, отделяющего плазму от эмиссионного электрода (анода). Это приводит к тому, что эмиссия электронов из плазмы осуществляется с так называемой частично открытой плазменной поверхности: в центре из-за не перекрытия слоев эмиссия осуществляется с открытой плазменной поверхности, по краям – через потенциальный барьер. При этом, как видно из рис.2.4,  увеличение протяженности слоя приводит к сокращению открытой плазменной поверхности. Поскольку в отсутствие барьера плотность эмиссионного тока намного выше плотности тока электронов, преодолевающих барьер, то и полный ток эмиссии электронов из плазмы через каждое эмиссионное отверстие определяется, в основном, площадью открытой поверхности плазмы.

В общем случае в зависимости от соотношения между размером эмиссионного отверстия (размером ячейки сетки)r_е  и протяженностью слоя l_l возможны три различных механизма эмиссии электронов из плазмы  ( см. также рис. 2.4).

а) если эмиссионное отверстие много меньше протяженности слоя (r_е<l), то слои полностью перекрывают эмиссионное отверстие и эмиссия электронов осуществляется через потенциальный барьер. В предельном случае величина этого барьера совпадает с потенциальным барьером для электронов, уходящих на анод и эмиссионная плотность тока j_e совпадает с плотностью тока на анод j_а. В этом случае эффективность извлечения электронов a (отношение эмиссионного тока к разрядному) определяется, точно также, как и при эмиссии ионов, отношением площади эмиссионной поверхности плазмы S_е к суммарной площади анода и других электродов разрядной системыS_a , на которые могут уходить электроны   

a  = S_e/(S_e + S_a).                           (1.4)

Поскольку для этого случая плотности эмиссионного и анодного токов равны и не происходит перераспределение электронного тока между коллектором и анодом при подаче ускоряющего потенциала, то очевидно, эмиссия электронов не возмущает параметры плазмы и разряда. Однако из-за малых размеров эмиссионного отверстия эффективность извлечения электронов не превышает нескольких процентов;

б) другим крайним случаем может считаться ситуация, когда r_е>>l_l, . В этом случае слой пространственного заряда настолько мал по сравнению с эмиссионным отверстием, что открытая плазменная поверхность занимает практически все эмиссионное отверстие. Плотность эмиссионного тока равна плотности хаотического тока из плазмы, которая значительно больше плотности анодного тока. Для этого случая  эффективности извлечения электронов

a  = S_e/(S_e + S_a) exp[e(φ_p – φ_a)].                                                                 (1.5)          

близка к своему максимальному значению, равному единице. Однако степень возмущения параметров плазмы оказаться достаточно высокой, что затрудняет получение электронного пучка со стабильными параметрами.

Для этих двух случаев эффект сеточной стабилизации не проявляется, поскольку протяженность слоя пространственного заряда несоизмерима с размером эмиссионного отверстия. Наиболее приемлемым является промежуточный между а) и б) случай;

в) r_е»l_l,для которого a»0,5. При достаточно большой эффективности извлечения электронов в полной мере проявляет себя сеточная стабилизация параметров плазмы, а изменение параметров плазмы, сопровождающее процесс эмиссии электронов, не столь уж и велико.

Установившееся отношение между величинами r_еиl_lопределяется  как параметрами  плазмы и разряда, так и величиной напряженности ускоряющего поля. Варьирование всеми этими параметрами  позволяет в одной разрядной системе все возможные режимы эмиссии электронов из плазмы. Экспериментальная демонстрации такой возможности осуществлена в [5].

            Необходимо отметить, что рассмотренные выше механизмы эмиссии заряженных частиц из плазмы основываются на максимально упрощенных моделях эмиттеров и дают лишь общие, элементарные представления о плазменных и эмиссионных процессах в газоразрядных системах. В реальных источниках заряженных частиц с плазменным эмиттером при анализе эмиссионных свойств необходимо учитывать множество факторов, таких как режим горения разряда, распределение параметров плазмы, форма и геометрические размеры электродов разрядной камеры, изменение свойств плазмы в канале (каналах) эмиссии и т.д. При этом учет факторов, влияющих на эмиссионные свойства электронных эмиттеров, невозможен без рассмотрения всей совокупности взаимосвязанных процессов рождения и ухода заряженных частиц в газовом разряде и в области эмиссии с учетом влияния на параметры эмиссии приэлектродных слоев. Это также позволяет выявить дополнительные эмиссионные процессы и механизмы влияния эмиссии заряженных частиц из плазмы на свойства газового разряда, которые не рассматриваются в рамках обобщенных моделей. Эмиссионные свойства конкретных разрядных систем будут рассмотрены в следующих разделах.

3. Плазменные источники аксиально-симметричных  электронных пучков.

            В процессе описания различных типов источников электронов с плазменным катодом было принято их разделение главным образом по форме (конфигурации) генерируемого электронного пучка, которая во многом обуславливает его функциональные возможности. Следует выделить аксиально–симметричные электронные  пучки: цилиндрические, включая сфокусированные, полые или трубчатые пучки, а также электронные пучки большого поперечного сечения и ленточные пучки. Для получения той или иной конфигурации электронного пучка могут быть использованы различные виды разрядов или даже их комбинация. При этом в зависимости от требуемых параметров электронного пучка разрядные системы могут быть реализованы как в импульсном, так и в непрерывном режимах.

3.1.  Источники цилиндрических электронных пучков на основе разряда с полым катодом.

                        Разрядные системы с полым катодом с отбором электронов вдоль оси катодной полости в наибольшей степени отвечают условиям, необходимым для генерации аксиально-симметричных электронных пучков. Привлекательность разряда с полым катодом обусловлена, прежде всего, высокой эффективностью генерации плазмы и аксиальной симметрией ее параметров. Развитая поверхность полого катода позволяет реализовать при относительно малой плотности катодного тока достаточно большой ток разряда в диффузной форме горения, т.е. без образования на поверхности катодных пятен и контракции разряда.

            Плазменный источник электронов на основе разряда с полым катодом рассчитан на ток электронов до 1 кА (рис.6.). Площадь активной поверхности полого катода (диаметром 30 см и длиной 40 см), на которую могут уходить из разряда ионы, превышает 10⁴ см². Сам же катод выполнен из молибдена высокой степени чистоты, выплавленного по специальной технологии. Тщательный выбор материала катода в сочетании с другими конструктивными компонентами, способными прогреваться до температуры более 300 С в ультравысоком вакууме, обеспечивают стабильное диффузное горение разряда с током более 2 кА при длительности импульса 100 мкс. Для отбора и ускорения электронов применялась двухэлектродная многоапертурная система извлечения.

            Другая группа представляет собой «необычные первичные электроны», обладающие начальной энергией, соответствующей  катодному падению потенциала и имеющие очень узкий энергетический спектр (не более 0.13 эВ). Этот электронный компонент доминирует в плазме в области низких рабочих давлений (меньших, чем 1.8*10^-5 Тор). Генерация и последующий отбор из плазмы таких  «холодных» электронов обеспечивают, с одной стороны характерную для плазменных катодов высокую плотность эмиссионного тока, с другой - экстремально низкую температуру электронов, и, соответственно малый эммитанс пучка, который свойственен термоэмиссионным катодам и который является важным условием для достижения высокой яркости электронного пучка при его фокусировке. Схематичное изображение источника электронов, использующего данную концепцию, представлено на рис. 7. [5].

Основной принцип данного источника состоит в генерации плазмы со значительной долей высокоэнергетичного электронного компонента и избирательном извлечении этих электронов. Разряд зажигается между полым катодом 1 и анодом 2. Катод выполнен из танталовой трубки диаметром 3 мм и толщиной 0.2 мм. Как видно из рисунка катод немного входит в растр анодного отверстия. За анодом расположен электрод 4, на который подается отрицательное относительно анода смещение для отсечки «горячих» плазменных электронов. Электрод 4 выполняет также роль эмиссионного электрода в системе извлечения, при этом конфигурация электродов ускоряющего промежутка, включающего также экстрактор 5, соответствуют классической пирсовской геометрии. При ускоряющем напряжении 1 кВ был получен ток электронов 9 А.

3.2. Источники стационарных сфокусированных электронных пучков.

            Для получения в системах с плазменным эмиттером электронных пучков с плотностью и яркостью, по крайней мере, не ниже обеспечиваемой термокатодом, в разряде должна формироваться плазма с плотностью эмиссионного тока порядка 10А/см².

            Электроды 1 и 4 выполнены из магнитной стали и поэтому они являются конечными полюсами магнитопровода, замыкая на себя магнитный поток и экранируя, таким образом, проникновение рассеянного магнитного поля, как в катодную полость, так и в ускоряющий промежуток. Электроны, выходящие из плазмы через эмиссионную поверхность, попадают в высоковольтное электрическое поле ускоряющего электрода 5, формируются в пучок, который в дальнейшем фокусируется магнитной линзой

3.3.  Источники трубчатых электронных пучков.

            Интерес к генерации полых цилиндрических или трубчатых электронных пучков связан,  прежде всего, с  генерацией СВЧ излучения, когда при прохождении электронного пучка с замедляющей структурой взаимодействует лишь небольшая часть периферийных электронов. Преимущества использования плазменных источников электронов для генерации электромагнитного излучения, в том числе и для решения задач релятивисткой СВЧ – электроники наиболее четко проявляется в микросекундном диапазоне деятельностей импульса тока пучка, когда ток взрывоэмиссионных катодов резко снижается, а использование термоэмиссионных катодов в таком диапазоне длительностей энергетически неэффективно. Для генерации трубчатого пучка в плазменном источнике электронов предпочтительно применение разряда, возбуждаемого в кольцевом зазоре.

            В области рабочих давлений плазменного источника электронов напряжения зажигания разряда в прямой (катод внутри анода) и обращенной (катод охватывает анод) существенно различаются. Если в первом случае напряжение инициирования разряда превышало 10 кВ, то в обращенной конфигурации электродов для устойчивого зажигания разряда было достаточно напряжения в несколько сотен вольт. Основная причина «диодных» свойств связана с асимметрией силовых линий магнитного поля. Поскольку соленоид устанавливался на внешнем электроде и силовые линии магнитного поля пересекают этот электрод, то в обращенной системе для электронов, эмитированных катодом, выполняются условия для их замкнутого дрейфа.

Как и для любого другого плазменного источника электронов, эмиссия электронов из плазмы магнетронного разряда оказывает существенное влияние на параметры плазмы и разряда. Характер влияния во многом определяется тем, относительно какого из электродов анода (положение переключателя а, рис.3.15) или катода (положение б) приложено ускоряющее напряжение. В связи с этим можно выделить два режима токоотбора электронов: с общим анодом (ускоряющее напряжение приложено относительно анода) или с общим катодом (ускоряющее напряжение приложено относительно анода).

Эмиссионные параметры источников электронов с плазменным катодом, определяются, прежде всего, параметрами плазмы и разряда. Поэтому при создании условий, обеспечивающих постоянство плотности плазмы, например, при соответствующей стабилизации тока разряда, стабильность эмиссионных параметров источника электронов с плазменным катодом не должна существенно отличаться от случая использования термоэмиссионного катода.

4. Генерация пучков большого сечения в системах с плазменным катодом.

            Электронные пучки большого поперечного сечения (ПБС) привлекательны для воздействия на протяженные плоские объекты или на объемные среды [1]. Поэтому они нашли применения в радиационной технологии, модификации поверхности конструкционных материалов, накачки активных сред газовых лазеров и других. В источниках с плазменным катодом получение таких пучков обеспечивается  в результате отбора электронов с развитой поверхности объемного плазменного образования.

            В источниках электронов, генерирующих пучки большого поперечного сечения, размеры  эмиссионной поверхности, как правило, соизмеримы с размерами пучка. Вследствие этого деление напряжения в области формирования и ускорения пучка затруднено и ускоряющий промежуток, как правило, представляет собой диодную систему с высоковольтными электродами, имеющими большую поверхность.  Из-за пониженной электрической прочности  ускоряющих промежутков с развитой поверхностью электродов,      верхний предел энергий электронов ограничен и обычно не превышает 250 – 300 кВ.  Возможность создания плотной однородной плазмы в больших объемах обуславливает относительную простоту создания на основе плазменных катодов источников электронных пучков большого сечения. Конфигурация таких пучков может быть не только прямоугольной. Возможна также генерация радиально сходящихся и радиально расходящихся электронных пучков. Площадь  поперечного сечения пучка определяется размерами требуемой области воздействия пучком и может составлять величины, лежащие в пределах  от 10 см²  до 10⁵ см².  Рассмотрим несколько примеров плазменных источников электронных пучков большого сечения.

4.1. Электронный источник с высокой плотностью энергии пучка в импульсе.

Высоковольтный электронный источник с плазменным катодом (рис.4.1) [3] был создан, главным образом, для определения  максимальных удельных  параметров устройств такого типа, однако он также использовался в экспериментах по модификации поверхностных свойств различных материалов  электронным пучком с высокой плотностью энергии  пучка в импульсе. В вакуумной камере 1,  выполненной из нержавеющей стали, но полиэтиленовом проходном изоляторе 2, установлен плазменный эмиттер электронов 3.  Для генерации плазмы используется дуговой контрагированный разряд   [4]  или каскадная (вакуумная) дуга  [5,6]  . При транспортировки пучка в вакууме применена электронно-оптическая система с плазменным анодом (см. рис.4.1).  Для создания анодной плазмы использовались два плазмогенератора 7 на основе вакуумной дуги. Повышение однородности плазмы обеспечивалось принудительным распределением тока разряда на симметрично расположенные четыре анодных электрода этой разрядной системы.

4.2.  Импульсные источники электронов субмикросекундной длительности.

            Время формирования плазмы в анодной полости плазменного эмиттера зависит в сильной степени от давления фонового или плазмообразующего газа и при очень низких давлениях определяется скоростью распространения плазмы, приблизительно равной 10⁶ см/с. В связи с этим, в эмиттерах электронов, предназначенных для получения электронных пучков с поперечным сечением в десятки сантиметров, время нарастания тока эмиссии может составлять  десятки микросекунд.

На рис.4.13 приведена конструкция плазменного эмиттера электронов с сеточным управлением [27], в котором, как и в выше описанных эмиттерах, формирование эмитирующей плазмы происходит за счет горения дугового разряда между катодом 1 и полым анодом 5 как в парах материала катода, так и в газе, напускаемом в анодную полость через регулируемый натекатель. Наиболее оптимальное давление напускаемого газа лежит в пределах от 10^-2 Па до 3´10^-2 Па. С целью повышения срока службы и улучшения однородности использовались 7 инициирующих систем, соответственно имеющих семь катодов и семь поджигающих электродов. Каждый из катодов подключался к отдельной искусственной формирующей линии. Все поджигающие электроды соединены через резисторы номиналом 50-100 Ом к полому аноду. На сетчатый эмиссионный электрод 8, изолированный от полого анода, подавалось постоянное отрицательное напряжение величиной до 100 В, что практически предотвращало проникновение электронов плазмы в ускоряющий промежуток между эмиссионной сеткой и коллектором 9. Постоянное ускоряющее напряжение прикладывалось между эмиссионным электродом и коллектором. После заполнения плазмой полого анода на эмиссионную сетку подавались положительные импульсы от генератора наносекундных импульсов, что приводило к снижению потенциального барьера  вблизи сетки и появлению эмиссионного тока. С целью достижения лучших временных параметров импульсный трансформатор генератора был объединен в единый узел с плазменным эмиттером.

4.3. Импульсные источники электронов низких энергий.

Рис.15. а) Сверху вниз: осциллограммы тока пучка на коллектор  и полного тока эмиссии электронов из плазмы (20А/дел, 25 мкс/дел); б) отпечаток пучка на коллекторе из нержавеющей стали ( ~ 50 Дж/см²)

5. Некоторые применения источников электронов с плазменным катодом.

В начале своего развития приблизительно в 60 годах прошлого столетия, плазменные эмиттеры электронов рассматривались как одна из наиболее серьезных альтернатив термокатодам.  Однако и в настоящее время, как 50 лет назад,  потребность в электронных пучках в подавляющем большинстве случаев удовлетворяется источниками с катодом на  основе термоэлектронной эмиссии. Никакие другие альтернативные методы эмиссии электронов не нашли широкого применения. Несмотря на это интерес к источникам электронов с плазменным катодам продолжает оставаться достаточно  высоким. Такая ситуация во многом обусловлена рядом замечательных свойств плазменных эмиттеров электронов, обеспечивающим им существенные преимущества перед термокатодами. Как уже отмечалось, одним из главных достоинств источников электронов с плазменным катодом является их некритичность  к работе при повышенных давлениях или в агрессивных средах, там, где ресурс термокатода снижется до уровня, меньшего требуемого времени обработки электронным пучком. Эти преимущества существенно усиливаются  при генерации импульсных сильноточных электронных пучков, пучков большого сечения, а также при переходе в форвакуумную область давлений. Специфические свойства электронных источников с плазменным катодом  делает привлекательным их применения в таких областях как электронно-лучевая сварка и наплавка, модификации поверхностных свойств материалов, генерация электромагнитного излучения, радиационные и плазмохимические технологии и ряд других.

6. Список литературы

1. Бугаев С.П., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Электронные пучки большого сечения.  М.: Энергоатомиздат, 1984, 112 с.

2. Окс Е.М., Щанин П.М. Высоковольтный источник электронов с плазменным катодом и высокой плотностью энергии пучка в импульсе.// Приборы и техника эксперимента. 1988, вып.3. С.166-169

3. Эмиссионные свойства анодной плазмы дугового контрагированного разряда низкого давления./ В.Л.Галанский, Ю.Е.Крейндель, Е.М.Окс, А.Г. Рипп, П.М. Щанин // Журн. техн. физ. 1987. Т.57, вып.5. С.877-882.

4. Гаврилов Н.В., Крейндель Ю.Е., Окс Е.М., Щанин П.М. Переход дугового разряда низкого давления из контрагированного в каскадный режим горения. //  Журн. Техн. физики, 1983, т.53, №10, сс. 1947-1951.

5. Крейндель Ю.Е., Окс.Е.М., Щанин П.М. Импульсный  источник электронов с плазменным эмиттером на основе каскадной дуги.// Приборы и техника эксперимента. 1984. Вып.4. С.127-130.