Способ управления током плазменного эмиттера большой площади

 

Использование: в технике электронных и ионных источников с плазменным эмиттером, в экспериментальной физике, электронно-ионной технологии, ускорительной технике. Сущность изобретения: для управления током плазменного эмиттера большой площади устанавливают потенциал эмиссионного электрода, равным потенциалу эмитирующей плазмы, при неизменной концентрации плазмы вспомогательного разряда изменяют разность потенциалов между плазмой вспомогательного разряда и электродом, отделяющим эту плазму от эмитирующей плазмы, в пределах от 4,3·10^-5·T_e·ln(Π/2·m_c/M_i) до 8,8·10^-8·n²_в^/3·T¹_e^/3·r^4/3, где T_e и n_в - температура и концентрация эмитронов плазмы вспомогательного разряда соответственно: m_e и M_i - соответственно масса электрона и иона плазмообразующего газа, r - радиус отверстия в электроде, отделяющим плазму вспомогательного разряда от эмитирующей плазмы. При установлении потенциала эмиссионного электрода, равным потенциалу эмитирующей плазмы, устраняется потенциальный барьер для электронов вблизи этого электрода, влияющий на энергетическую эффективность эмиттера и однородность эмиссии с периферийных участков эмиттера, а управление током эмиссии I_э плазменного эмиттера, сопровождающееся снижением затрачиваемой на получение I_э мощности, осуществляется регулировкой величины инжектируемого из вспомогательного разряда в расширитель потока электронов при изменении разности потенциалов между плазмой вспомогательного разряда и электродом, отделяющим эту плазму от эмитирующей плазмы. При изменении в указанных пределах разности потенциалов меняется протяженность ионного слоя у стенки отверстия в отделяющем электроде, что позволяет управлять площадью плазмы вспомогательного разряда, с которой происходит отбор инжектируемых в расширитель электронов, от максимального ее значения до нуля. 1 ил.

Изобретение относится к способам управления током плазменных эмиттеров большой площади и может быть использовано в электронных и ионных источниках, генерирующих пучки с большим поперечным сечением.

Известен способ управления током плазменного эмиттера большой площади [1] , основанный на создании вспомогательного разряда, генерирующего эмиттирующую плазму, включающий изменение тока вспомогательного разряда, приводящее к изменению параметров эмиттирующей плазмы.

Недостатками этого способа управления является изменение характера радиального распределения концентрации эмитирующей плазмы и, следовательно, однородности распределения плотности тока по поверхности эмиттера в процессе управления током, а также трудность получения малых токов эмиссии, обусловленная нестабильностью плазмы вспомогательного разряда при низкой ее концентрации.

Наиболее близким к предлагаемому является способ управления током плазменного эмиттера большой площади [2] , основанный на том, что эмитирующая плазма создается в заполненном рабочим газом электроде-расширителе в результате инжекции в него электронов из плазмы вспомогательного разряда, а управление током эмиссии производится за счет изменения параметров эмитирующей плазмы путем изменения потенциала электрода-расширителя.

Недостатками указанного способа являются увеличение неоднородности распределения плотности тока по поверхности эмиттера по мере увеличения тока эмиссии и низкая энергетическая эффективность эмиттера H= (I_э- ток эмиссии, Р - мощность, затрачиваемая на его получение.

Первый недостаток обусловлен тем, что при увеличении потенциала электрода-расширителя изменяется форма слоя пространственного заряда, в котором ускоряются электроны, инжектируемые в электрод-расширитель. При этом расходимость инжектируемого электронного потока уменьшается, что приводит к увеличению плотности тока эмиссии в центре эмиттера и уменьшению на периферии.

Второй недостаток связан с тем, что управление током эмиссии осуществляется при относительно высоких (до тысячи вольт) управляющих потенциалах, что повышает мощность, потребляемую от источника управления и, соответственно, снижает энергетическую эффективность эмиттера.

Целью изобретения является сохранение однородности распределения плотности тока по поверхности эмиттера и увеличение энергетической эффективности эмиттера при управлении током.

Цель достигается тем, что для управления током плазменного эмиттера большой площади потенциал эмиссионного электрода выбирают равным потенциалу эмитирующей плазмы, а изменение параметров эмитирующей плазмы осуществляют при постоянной концентрации электронов плазмы вспомогательного разряда путем изменения разности потенциалов между плазмой вспомогательного разряда и электродом, электроизолированным от электрода-расширителя и отделяющим плазму вспомогательного разряда от эмитирующей плазмы, в диапазоне от 4,3·10^-5·T_е·ln() до 8,8·10^-8·n²_в^/3·T¹_е^/3·r^4/3, где Т_е и n_в - температура электронов и концентрация плазмы вспомогательного разряда соответственно; m_e и M_i - масса электрона и иона плазмообразующего газа; r - радиус эмиссионного отверстия в электроде, отделяющем плазму вспомогательного разряда от эмитирующей плазмы.

Положительный эффект достигается за счет того, что управление током предлагаемым способом осуществляется не изменениями формы слоя пространственного заряда, в котором ускоряются инжектируемые в электрод-расширитель электроны, и падения напряжения на слое, а регулировкой величины инжектируемого из вспомогательного разряда в электрод-расширитель потока электронов.

В эмиттерах рассматриваемого типа ток эмиссии обеспечивается двумя группами электронов: высокоэнергетичными электронами потока, инжектируемого в электрод-расширитель из вспомогательного разряда, и низкоэнергетичными электронами, в основном образованными на периферийных участках эмиттера в результате вторичной электронной эмиссии со стенок электрода-расширителя. Установление потенциала эмиссионного электрода, равным потенциалу эмитирующей плазмы, устраняет потенциальный барьер для электронов вблизи этого электрода, что позволяет значительно увеличить вклад в ток эмиссии низкоэнергетичных электронов на периферийных участках эмиттера и тем самым повысить энергетическую эффективность эмиттера. Кроме того, при этом исключается один из факторов, влияющих на однородность эмиссии при управлении током. Однородное распределение плотности тока по поверхности эмиттера обеспечивается при выполнении условия n_в/n_э > 1, где n_э и n_в соответственно концентрация эмитирующей плазмы и плазмы вспомогательного разряда, и потенциале эмитирующей плазмы U_э, превышающем потенциал плазмы вспомогательного разряда U_в. При этом в электрод-расширитель инжектируется расходящийся поток электронов, генерирующий в нем однородную эмитирующую плазму.

В предлагаемом способе управление током эмиссии осуществляется за счет изменения величины инжектируемого в электрод-расширитель потока электронов. Для выполнения указанных выше условий, обеспечивающих сохранение однородности эмиссии, концентрация плазмы вспомогательного разряда поддерживается постоянной, а величина потока электронов регулируется изменением разности потенциалов между плазмой вспомогательного разряда и электродом, электроизолированным от электрода-расширителя и отделяющим эту плазму от эмитирующей плазмы. При изменении разности потенциалов меняется протяженность ионного слоя у стенки отверстия в электроде, отделяющем плазму вспомогательного разряда от эмитирующей плазмы, что позволяет управлять площадью плазмы вспомогательного разряда, с которой осуществляется отбор электронов, инжектируемых в электрод-расширитель. Предлагаемый способ позволяет производить управление током эмиссии без ухудшения однородности эмиссии.

Цель изобретения достигается при обеспечении определенного диапазона изменения разности потенциалов между плазмой вспомогательного разряда и отделяющим электродом. Минимальная разность потенциалов, соответствующая наибольшему току электронов, инжектируемых из вспомогательного разряда, равна разности потенциалов между плазмой и "плавающим" электродом в плазме. Эта разность потенциалов зависит от рода плазмообразующего газа и температуры электронов и равна 4,31·10^-5·T_е·ln() . При меньшей разности потенциалов резко возрастает электронный ток на электрод, что приводит к значительному изменению распределения концентрации эмитирующей плазмы, а в ряде случаев к погасанию вспомогательного разряда. Увеличение разности потенциалов вызывает рост протяженности пристеночного ионного слоя в отверстии отделяющего электрода и уменьшение площади плазменной поверхности, определяющей величину инжектируемого в расширитель потока электронов. При разности потенциалов, равной 8,8 ˙10^-8 ˙n_в ^2/3 Те ^1/3 ˙r ^4/3, протяженность пристеночного ионного слоя в канале отделяющего электрода становится такой, что плазма из вспомогательного разряда не проникает в отверстие отделяющего электрода. В этих условиях выход электронов из вспомогательного разряда в электрод-расширитель возможен только через потенциальный барьер, что резко снижает инжектируемый поток электронов и соответственно ток эмиссии, поэтому дальнейшее увеличение разности потенциалов приводит к существенному уменьшению энергетической эффективности эмиттера. Кроме того, при образовании потенциального барьера электроны инжектируются из вспомогательного разряда в виде узкого пучка, что обуславливает появление существенной неоднородности эмиссии (максимум плотности тока в центре эмиттера).

Использование предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом повышает энергетическую эффективность эмиттера, так как при уменьшении тока эмиссии снижается мощность, затрачиваемая на его получение. Это объясняется тем, что при управлении предлагаемым способом в отличие от регулирования по способу-прототипу при уменьшении тока эмиссии происходит уменьшение тока электронов, инжектируемых в расширитель. Кроме того, управление осуществляется при более низких напряжениях.

Пример практической реализации. Предлагаемым способом изменяется ток эмиттера электронов большой площади на основе инжекции электронов в электрод-расширитель из низковольтного отражательного разряда с холодным полым катодом.

На чертеже представлена схема эмиттера.

Эмиттеp содержит вспомогательную разрядную камеру, включающий полый катод 1, анод 2 и отделяющий электрод 3 с отверстием радиусом r = 1,7 мм для выхода электронов в электрод-расширитель 4 с эмиссионным электродом 5 на торце. Разрядное напряжение U₁ от источника 6 подается между анодом 2 и катодом 1. Потенциал разделяющего электрода U₂ задается с помощью источника 7, а потенциал расширителя U₃ - источником 8. Ускоряющее напряжение U_уск от источника питания 9 подается между эмиссионными электродом и коллектором 10. Соотношение концентраций эмитирующей плазмы и плазмы вспомогательного разряда, а также концентрацию последней измеряют двумя цилиндрическими зондами Ленгмюра 11 и 12. При подаче напряжений от источников питания 6,8 в разрядной камере зажигается разряд, электроны из плазмы разряда проникают в электрод-расширитель 4 через отверстие в отделяющем электроде 3, образуя в нем эмитирующую плазму.

Для получения равномерного распределения плотности тока по поверхности эмиттера путем соответствующей регулировки напряжения источников 6 и 8 устанавливают потенциал эмитирующей плазмы в 1,3-2,3 раза больше потенциала плазмы вспомогательного разряда. В эмиттерах рассматриваемого типа потенциал эмиттирующей плазмы равен потенциалу расширителя, а потенциал плазмы вспомогательного разряда 0,8˙ U₁. Далее, регистрируя приборами 13 и 14 токи на зонды, измеряют отношение концентраций эмитирующей плазмы n_э и плазмы вспомогательного разряда n_в, устанавливая путем соответствующей регулировки тока вспомогательного разряда источником 6 n_в/n_э > 1.

Для реализации предлагаемого способа устанавливают потенциал эмиссионного электрода, равным потенциалу эмитирующей плазмы, и изменяют разность потенциалов между плазмой вспомогательного разряда и отделяющим электродом. Первое условие для эмиттера рассматриваемого типа выполняется при подключении эмиссионного электрода к электроду-расширителю. Для определения концентрации плазмы вспомогательного разряда и температуры электронов используется зондовая характеристика зонда Лeнгмюра 11, измерение которой производится при максимально возможном токе вспомогательного разряда I_м (для рассматриваемого случая I_м = 1 А). Так как плазмообразующего газа He Т_е≈10⁵ К, а концентрация плазмы вспомогательного разряда n_в ≈ 1˙ 10¹⁸м^-3. Подставляя n_в, Т_е, r, найдем разность потенциалов между плазмой вспомогательного разряда и отделяющим электродом соответственно для нижнего 36,4 В и верхнего предела 826 В. Проведенные испытания показали, что изменение разности потенциалов в указанных пределах позволяет плавно и безынерционно регулировать ток эмиссии I_э от 200 до 2 мА.

При разности потенциалов меньшей нижнего предела происходит погасание вспомогательного разряда, а при превышении верхнего предела ток эмиссии уменьшается практически до нуля. Последнее обусловлено запиранием отверстия в отделяющем электроде пристеночным ионным слоем. При изменении тока эмиссии в указанных пределах неоднородность распределения плотности тока по поверхности эмиттера возрастала не более, чем в 1,3 раза, в то время как при использовании способа-прототипа не менее, чем в 4 раза. Испытания показали, что энергетическая эффективность эмиттера Н по сравнению со способом-прототипом увеличивается в 1,35-1,50 раза.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ПЛАЗМЕННОГО ЭМИТТЕРА БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ, включающий создание эмитирующей плазмы путем инжекции электронов в электрод-расширитель, заполненный рабочим газом, из плазмы вспомогательного разряда и изменение параметров эмитирующей плазмы, ограниченной эмиссионным электродом, отличающийся тем, что потенциал эмиссионного электрода выбирают равным потенциалу эмитирующей плазмы, а изменение параметров эмитирующей плазмы осуществляют при постоянной концентрации электронов плазмы вспомогательного разряда путем изменения разности потенциалов между плазмой вспомогательного разряда и электродом, электроизолированным от электрода-расширителя и отделяющим плазму вспомогательного разряда от эмитирующей плазмы, в диапазоне 4,3·10^-5·T_е·ln() . . . 8,8·10^-8·n²_в^/3·T¹_е^/3·r^4/3, где T_е и n_в - соответственно температура и концентрация электронов плазмы вспомогательного разряда; m_е и M_i - соответственно масса электрона и иона плазмообразующего газа; r - радиус эмиссионного отверстия в электроде, отделяющем плазму вспомогательного разряда от эмитирующей плазмы.

РИСУНКИ

Рисунок 1