Биполярные системы с закатодным и анодным источниками плазмы | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/74

Биполярные системы с закатодным и анодным источниками плазмы

Использована одномерная модель электронно-ионного потока для оценки коэффициента усиления электронного тока при инжекции ионов из проницаемого катода (ионный фонтан), включая случай учета собственного магнитного поля при релятивистских скоростях электронов. Приведены оценки параметров нагрева катода ионами, эмитированными с анода, и ионами фонтана.

Bipolar systems with plasma sources ahead of cathode and at anode.pdf Введение В настоящее время в экспериментальной физике и технике, а также в теории интенсивных пучков заряженных частиц проводят исследования по созданию электронных и ионных приборов с биполярными оптическими системами различного научного и технологического применения [1]. Исследования биполярных диодов с дополнительной инжекцией ионов из закатодного пространства являются продолжением целого направления в электронной оптике и имеют помимо научного интереса практический аспект, связанный с разработками различных электронных источников, основанных на электронно-ионных оптических системах с плазменным анодом [1]. Полученные результаты дают возможность перейти к разработке источников заряженных частиц с более высокими параметрами по сравнению с традиционными системами. Ионные потоки в электронных диодах приводят к увеличению электронного тока и тем самым повышают мощность формируемых электронных пучков. Кроме того, ионные потоки могут быть использованы для эффективного нагрева термоэлектронных катодов. В этом процессе участвуют три потока ионов: ионы, генерируемые с «тыльной» стороны катода; ионы фонтана, возвращаемые от плоскости отражения; ионы, поступающие с анода. Электронная пушка Схема электронной пушки. Вариант предлагаемой электронной пушки с ионным нагревом катода и возможным ионным управлением током электронного пучка представлен на рис. 1. Рис. 1. Схема электронной пушки: 1 - перфорированный термоэмиссионный катод; 2 - анод; 3 - электронный пучок; 4 - коллектор; 5 - газоразрядный источник плазмы; 6 - ионный пучок; 7 - положение поверхности отражения ионов; - ускоряющее напряжение электронного пучка; - ускоряющее напряжение ионного потока; - напряжение горения газового разряда Катоду и аноду пушки, некоторой промежуточной поверхности отражения ионов и газоразрядному источнику ионов соответствуют символы С, А, В и D. Электронный пучок 3 формирует оптическая система, содержащая катод 1 и анод 2 пушки, между которыми приложено ускоряющее напряжение . Газоразрядный источник плазмы 5 обеспечивает инжекцию ионного пучка 6 за счет напряжения , приложенного между источником и перфорированным термокатодом. Газоразрядный источник плазмы может быть реализован как с открытой плазменной границей, так и с ее сеточной фиксацией. Часть ионного потока проходит в ускоряющий промежуток электронной пушки, другая часть бомбардирует «тыльную» часть термокатода, нагревая его. Соотношение этих потоков определяется «прозрачностью» термокатода. Ионы, проникающие в пространство катод - анод пушки, отражают тормозящее поле в некоторой плоскости, положение которой определяется отношением в нерелятивистском случае, и при релятивистских скоростях электронов. Управление разрядным током источника ионов, а также напряжением позволит модулировать ток электронной пушки. В источнике плазмы могут быть применены различные типы газовых разрядов: тлеющий разряд с холодным катодом, дуговой разряд низкого давления, разновидности магнетронных разрядов. Предлагаемая схема нагрева термокатода пушки отличается от известных систем, к которым относятся прямонакальные катоды, катоды с радиационным нагревом и нагревом электронной бомбардировкой. Разогрев термокатода диаметром 15 см инжектора электронов (350 кВ, 120 А) осуществлял управляемый электронный пучок мощностью 16 кВт, формируемый вспомогательной электронной пушкой [1]. Технология создания катода с вакуумным плазменным напылением гексаборида лантана на молибденовую подложку (керн) позволяет избежать эмиссии электронов с тыльной поверхности термокатода в сторону газоразрядного источника (рис. 1). При этом электронно-ионная эмиссия с подложки незначительна. Нагрев термокатода ионами в пушке с биполярной электронно-оптической системой с плазменным анодом описан в [2]. Анодная плазма генерировалась при помощи управляемого газоразрядного источника, встроенного в анод пушки. Оценка параметров нагрева катода. Проведем оценку основных параметров модели плоского диода с инжекцией ионов для нагрева катода. За основу возьмем данные наиболее распространенных электронных пушек для технологии и мощных электронных приборов [1, 2]: энергию электронов = 30 кэВ, ток пучка = 3.5 А, мощность пучка We  100 кВт, площадь катода  1 см2, плотность эмиссионного электронного тока = 3.5 А/см2. Схема модели приведена на рис. 2. Рис. 2. Схема плоской модели и распределение потенциала между электродами: С - катод диода; А - анод; В - плоскость отражения ионов; D - граница плазмы газоразрядного источника ионов; d - ширина диода; - ширина слоя объемного заряда ионов; - концентрация плазмы; и - электронная и ионная температуры плазмы; и - плотности электронного и ионного токов; - энергия электронов пучка; - энергия инжектируемых ионов Практический опыт эксплуатации таких пушек с реальными конструкциями катодно-подогревательных узлов показывает, что для нагрева катода из вольфрама необходима мощность = 500-600 Вт (температура катода = 2500-2600 С, 3.5 А/см2), а для катода - мощность = 100-120 Вт ( 1600 С). С учетом «закона 3/2» ширина d униполярного электронного диода СА для указанных параметров пушки составляет 1.8 см (без учета ионной компоненты). Основные параметры ионного диода DC определим из равенства плотности ионного тока, поступающего на границу плазмы (формула Бома), и плотности ионного пучка в ионном диоде: (1) где - плотность ионного тока; - концентрация плазмы; - электронная температура; - масса иона; - ускоряющее напряжение; - ширина слоя (ионного диода). Для оценки зададим значение кВ, UCA= 30 кВ. Тогда для нагрева -катода необходима плотность ионного тока 20 мА/см2. Для типичной электронной температуры газовых разрядов 10 эВ и ионов водорода согласно формуле Бома требуется концентрация плазмы см-3. Соответствующее значение минимального давления газа в ионном источнике при полной его ионизации составит мм рт. ст., а при 1 %-й ионизации газа мм рт. ст. Из соотношения (1) можно оценить ширину ионного диода см. Для катода из вольфрама имеем см-3,   0.5 см. Данные параметры могут быть откорректированы для конкретной «прозрачности» термокатода. Полученные значения давления рабочего газа и концентрации плазмы вполне реализуемы для газовых разрядов, а расстояния между электродами допустимы для вакуумных высоковольтных ускорительных систем. Уравнения биполярного пучка В релятивистской нормировке, устраняющей все физические постоянные используемой системы единиц (потенциал при этом нормируется на 511 кВ), биполярный пучок в режиме ионного фонтана описывается уравнениями (2) Анод , плоскость отражения ионов и катод обозначим символами А, В, С; , , - плотности токов электронов, ионов, эмитированных с анода, и ионов фонтана соответственно; тильдой отмечены члены, исчезающие в нерелятивистском пределе; - удельный заряд частицы. Первые интегралы уравнений (2) имеют вид (3) Выражения (3) удовлетворяют условиям -режима на катоде ( , ) и сопряжены в плоскости отражения ионов, где поле принимает значение . В сечениях В, А для квадрата поля из (3) имеем (4) Повторное интегрирование после дополнительной нормировки потенциала на потенциал анода приводит к появлению интегралов, которые мы обозначим через , : (5) Параметры решения и характеристики диода Плотность электронного тока, координата плоскости отражения ионов фонтана и коэффициент усиления электронного тока на основании (5) определены выражениями (6) Плотность тока в униполярных нерелятивистском и релятивистском диодах описывается формулами (7) Случай , соответствующий -режиму на аноде и нулевому полю в плоскости отражения ионов фонтана, исследован в монографии [1]. Параметры , при этом принимают значения (8) Оказалось, что для энергии инжекции ионов фонтана существует оптимальное значение, обеспечивающее максимальную величину коэффициента . В нерелятивистском и релятивистском (при ) случаях соответствующие наборы параметров имеют следующий вид [1]: (9) Ненулевое поле в плоскости отражения ионов фонтана отвечает случаю недостаточной мощности ионного источника перед катодом или описывает один из возможных промежуточных режимов при достижении предельных значений (9). Условие задает связь между параметрами , : (10) Ионные токи определены формулами (11) Режим , биполярного диода (ненулевое поле в плоскости отражения ионов, Т-режим; эмиссия, ограниченная пространственным зарядом на аноде, -режим) в нерелятивистском случае представлен на рис. 3. В исходном состоянии ионный фонтан отсутствует. Увеличение тока с анода в полтора раза от при росте тока фонтана от нуля до приводит к повышению коэффициента усиления в 4.2 раза. Энергия ионов фонтана соответствует из (9). Рис. 3. Параметры нерелятивистского биполярного диода с ионным фонтаном в режиме , Учет собственного магнитного поля Потенциал в плоском диоде с релятивистскими электронами удовлетворяет уравнению: (12) При рассмотрении электронных потоков, описываемых трехмерной параксиальной теорией В.Н. Данилова [3], обнаружено, что требование постоянства сечения пучка приводит к распределению потенциала на оси, отличному от (12), благодаря учету собственного магнитного поля, для которого справедливо уравнение Максвелла : (13) Аналогичный вид имеет член с плотностью тока эмиссии как в приближенной теории узких эллиптических пучков, так и в точном соотношении на осесимметричной трубке тока геометризованной теории [3]. Рассмотрение последнего показывает, что действие собственного магнитного поля проявляется, помимо упомянутого уравнения Максвелла, в появлении фокусирующей силы (N - азимутальное магнитное поле), которая существует и для внешних полей и обязана своим возникновением фрагменту силы Лоренца, в котором учтен шир продольной скорости, пропорциональный N. Дефокусирующий член с квадратом нормального электрического поля , порождающий слагаемое, также пропорциональное , имеет исключительно релятивистский характер. Таким образом, в модели (13) при учете поперечных градиентов напряженности магнитного поля опускаются два последних эффекта пинча и антипинча. Из теории сплошных релятивистских пучков в геометризованной постановке [3] следует, что при распределении потенциала в соответствии с (13) вторая производная плотности тока эмиссии на оси равна нулю, что является аргументом в пользу одномерной модели. На рис. 4 приведены результаты расчетов коэффициента усиления для модели (13) при различных значениях потенциала анода в зависимости от энергии инжектируемых ионов. Максимальный коэффициент усиления при составляет 19.06, увеличившись в 2.88 раза по сравнению с (9). Рис. 4. Коэффициент усиления электронного тока в релятивистском биполярном диоде при учете собственного магнитного поля для разных значений потенциала анода: кр. 1-5 соответствуют 2, 1, 0.5, 0.2 и 0.1 Заключение Результаты монографий [1, 2], дополненные приведенными выше данными, позволяют составить полное представление об одномерных режимах плоского биполярного диода, начиная с нулевого тока фонтана и кончая вариантом с максимальным значением этого параметра, приводящим к условиям -режима в плоскости отражения ионов и на аноде и обеспечивающим наибольший коэффициент усиления электронного тока. Учет собственного магнитного поля пучка приводит к новой модели одномерного движения и существенному увеличению .

Ключевые слова

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Завьялов Михаил АлександровичВсероссийский электротехнический институт - филиал ФГУП «РФЯЦ - ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина»д.т.н., профессор, ведущ. науч. сотр. ВЭИ - филиала ФГУП «РФЯЦ - ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина»
Сапронова Татьяна МихайловнаВсероссийский электротехнический институт - филиал ФГУП «РФЯЦ - ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина»науч. сотр. ВЭИ - филиала ФГУП «РФЯЦ - ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина»
Сыровой Валерий АлександровичВсероссийский электротехнический институт - филиал ФГУП «РФЯЦ - ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина»д.ф.-м.н., гл. науч. сотр. ВЭИ - филиала ФГУП «РФЯЦ - ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина»
Всего: 3

Ссылки

Завьялов М.А., Сыровой В.А. Биполярные потоки заряженных частиц: эксперимент, теория и технические приложения. - Снежинск: ФГУП «РФЯЦ - ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина», 2019.
Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е., Новиков А.А., Шантурин Л.П. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. - M.: Энергоатомиздат, 1989.
Syrovoy V.A. Theory of Intense Beams of Charged Particles. - N.Y.: Elsevier, 2011.
 Биполярные системы с закатодным и анодным источниками плазмы | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/74

Биполярные системы с закатодным и анодным источниками плазмы | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/74