Способ определения концентрации электронов в плазме, генерируемой в пучково-плазменных приборах

 

Использование: электрофизика, техника СВЧ приборов. Сущность изобретения: для обеспечения контроля и регулирования концентрации электронов в плазме пучково-призменного СВЧ усилителя потенциал коллектора электронного пучка задают отрицательным относительно корпуса замедляющей СВЧ структуры. Измеряют ток электронного пучка и ток, протекающий через коллектор, и изменяют потенциал коллектора. При превышении величиной тока коллекторы величины тока пучка определяют концентрацию электронов по результатам измерений в зависимости от параметров пучковых и плазменных электронов. 1 ил.

Изобретение относится к области электрофизики и может применяться для создания пучково-плазменных приборов. Целью изобретения является упрощение определения концентрации электронов в пучково-плазменных СВЧ приборах с протяженным плазменным шнуром, обеспечение контроля концентрации электронов в процессе работы данного типа приборов и регулирование величины концентрации электронов. Согласно изобретению поставленная цель достигается тем, что в способе определения концентрации электронов в плазме, генерируемой в пучково-плазменных приборах, включающем изменение величины тока I_к, текущего через электрический зонд, помещенный в плазму пучково-плазменного разряда, измерение величины потенциала U_к зонда и определение по результатам измерений концентрации электронов, в качестве электрического зонда используют коллектор электронного пучка, потенциал которого U_к задают отрицательным относительно корпуса замедляющей СВЧ структуры, размещенной коаксиально плазменному шнуру, дополнительно изменяют величину тока I_b электронного пучка, изменяют величину концентрации электронов из соотношения n_e = n_b · · , где n_b - концентрация электронов в электронном пучке; V_b - скорость электронов пучка; V_zе - средняя продольная скорость плазменных электронов; ε _o- энергия электронов пучка; ε _н - минимальная энергия в энергетическом спектре плазменных электронов. На чертеже показан качественно энергетический спектр плазменных электронов. Суть изобретения заключается в следующем. Плазма в пучково-плазменных СВЧ приборах представляет собой замагниченный длинный тонкий шнур, боковая поверхность которого в 10²-10³ раз больше его торцевой поверхности. Плазма расположена коаксиально в замедляющей структуре и заполняет весь пролетный канал, изолируясь от металлических стенок замедляющей структуры на величину дебаевского радиуса. Это определяет следующие особенности поведения плазмы. Электроны неравновесной плазмы, движущиеся в сторону коллектора, попадают на него и выбывают из плазменного канала, а электроны, движущиеся в сторону пушки, отражаются ускоряющим отрицательным потенциалом катода, движутся обратно по каналу и также попадают на коллектор. Ионы плазмы, движущиеся с меньшими скоростями, не успевают компенсировать поток электронов на коллектор. Плазма приобретает положительный потенциал, который приводит к кулоновскому расталкиванию ионов поперек магнитного поля. Ввиду большой площади боковой поверхности плазменного шнура и его близости к металлическим стенкам уже при малом положительном потенциале плазмы в доли вольта ток ионов с боковой поверхности уравновешивает ток плазменных электронов через торцевую поверхность на коллектор и дальнейший рост потенциала плазмы прекращается. Малый потенциал плазмы незначительно изменяет скорость продольного ухода электронов. Таким образом, происходит трехмерный разлет плазменных компонент с разделением зарядов. Плазменные электроны, проходящие на коллектор увеличивают сигнал на коллекторе от пучковых электронов. Сравнивая сигнал от плазменных электронов с сигналом от пучковых электронов, концентрация n_о которых известна, можно определить концентрацию электронов плазмы n_е. Если на коллектор подан отрицательный потенциал U_к относительно замедляющей структуры, то часть плазменных электронов, имеющих энергию больше величины ε_к = еU_к, будет проходить на коллектор (заштрихованная часть спектра на чертеже), а электроны с меньшими энергиями будут отражаться от коллектора и возвращаться в канал, увеличивая степени ионизации газа. Потенциал U_к может быть подан от отдельного источника напряжения или его можно создать с помощью коллекторного резистора R_к, через который коллектор замыкается на корпус прибора и на котором ток пучка создает падение напряжения U_к=I_кR_к. При малой величине U_к на коллектор проходит значительная доля плазменных электронов, которая вызывает увеличение сигнала на коллекторном резисторе (I_к) по сравнению с сигналом I_b, то есть I_к>I_b. В этом случае концентрацию электронов n_е плазмы можно определить по соотношению n_e = n_b · · (1) где ε _o- энергия электронов пучка, ε_н - минимальная энергия спектра плазменных электронов, V_b - скорость электронов пучка, V_zе - средняя продольная скорость плазменных электронов. Отношение интегралов учитывает долю отраженных от коллектора электронов. Спектр плазменных электронов можно приближенно представить в виде функции n_е(ε) ≈ ne(ε) ~ . Тогда (1) принимает вид n_e = n_b · · (2)
При энергии пучковых электронов ε _b=10-50 кэВ средняя энергия плазменных электронов составляет ε_e =10-20 эВ и соответственно их средняя скорость равна V_е≈ (2-3)10⁸ см/с, а с учетом углового распределения средняя продольная скорость движения плазменных электронов вдоль магнитных
силовых линий составляет V_zе ≈ 10⁸ см/с. Минимальная энергия спектра может быть выбрана равной ε_н ≈ 1 эВ. Соотношение (2) для определения n_е дает удовлетворительную точность (≅50 % ) при значениях запирающего потенциала U_к=(1-5)В. При более высоких U_к от коллектора отражается значительная часть высокоэнергетических плазменных электронов, которые производят дополнительную ионизацию газа в канале, а также становится заметным поток ионов на коллектор, который дополнительно уменьшает сигнал от тока плазменных электронов, поэтому точность определения n_е данным способом уменьшается. Согласно предложенному способу для определения n_е не требуется введение каких-либо зондов в конструкцию пучково-плазменных приборов, поскольку роль измерительного зонда выполняет коллектор, поэтому измерение n_е упрощается. Отсутствие специальных зондов позволяет проводить контроль n_е в приборах без нарушения штатных режимов их работы. При регулировании запирающего потенциала на коллекторе изменяется доля плазменных электронов спектра, уходящих из канала, что приводит к изменению концентрации плазмы в канале, то есть осуществляется быстрое электронное регулирование концентрации плазмы.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ В ПЛАЗМЕ, ГЕНЕРИРУЕМОЙ В ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ ПРИБОРАХ, включающий измерение величины тока I_к, текущего через электрический зонд, помещенный в плазму пучково-плазменного разряда, измерение величины потенциала U_к зонда и определение по результатам измерений концентрации электронов, отличающийся тем, что, с целью упрощения определения концентрации электронов в пучково-плазменных СВЧ-усилителях с протяженным плазменным шпуром, обеспечения контроля концентрации электронов в процессе работы данного типа приборов и регулирования величины концентрации электронов, в качестве электрического зонда используют коллектор электронного пучка, потенциал которого U_к задают отрицательным относительно корпуса замедляющей СВЧ-структуры, размещенной коаксиально плазменному шнуру, дополнительно измеряют величину тока I_b электронного пучка, изменяют величину потенциала коллектора, и при I_k > I_b определяют величину концентрации электронов из соотношения

где n_b - концентрация электронов в электронном пучке;
V_b - скорость электронов пучка;
V_ze - средняя продольная скорость плазменных электронов;
E_b - энергия электронов пучка;
E_h - минимальная энергия в энергетическом спектре плазменных электронов.

РИСУНКИ

Рисунок 1