в плазменном источнике заряженных частиц

Электронные и ионные пучки, получаемые из плазменных источников, транспортируются в остаточной газовой среде. Натекание газа в ускоряющий зазор и дрейфовое пространство пучка происходит из самого источника. При формировании сильноточных пучков заряженных частиц в фокусирующих устройствах с магнитооптикой и при транспортировке на большое расстояние применяют принудительный напуск газа с целью уменьшения влияния объемного заряда на динамику быстрых частиц. В этих условиях за ускоряющим электродом в результате ионизации пучком атомов газа образуется плазма, которая и компенсирует объемный заряд ускоренных частиц. Плотность плазмы может значительно превышать плотность частиц пучка. Из пучковой плазмы в ускоряющий промежуток отбираются заряженные частицы противоположного знака по отношению к пучку, вытягиваемому из плазменного источника.

Электрический пробой ускоряющего промежутка ограничивает предельные режимы работы плазменных источников. Условия пробоя определяются свойствами плазмы в источнике и за ускоряющим электродом, а также характеристиками самого промежутка. Длина ускоряющего промежутка в свою очередь зависит от свойств пучковой плазмы и плазмы источника.

Основное отличие плазменных эмиттеров от термоэлектронных пушек заключается в том, что при отборе электронов или ионов из плазмы ограничения тока объемным зарядом быть не может. Ток, протекающий в ускоряющем промежутке, является током насыщения и определяется плотностью и температурой плазмы источника. Изменение этих параметров при постоянном ускоряющем напряжении приводит к перемещению эмитирующей плазменной поверхности, при котором на этой поверхности восстанавливается нулевая напряженность электрического поля.

Обратный электронный ток, поступающий из пучковой плазмы, может значительно превышать ток из ионного источника и приводить к повышенному выделению мощности на плазменном электроде. Поэтому для формирования ионного пучка используют, сначала ускоряющий, а потом замедляющий электрод, при этом электроны из пучковой плазмы не могут попасть в источник. Уменьшить обратный электронный ток из пучковой плазмы в источник можно с помощью поперечного магнитного поля в ускоряющем промежутке. В ионном источнике с замкнутым дрейфом электронов, когда электронный ларморовский радиус равен длине промежутка, обеспечивается компенсация объемного заряда и значительное увеличение тока ионного пучка. Однако поперечное магнитное поле искажает траектории ускоренных ионов. При формировании прецизионных ионных пучков возникает необходимость скомпенсировать их объемный заряд с помощью обратного электронного тока в отсутствие внешнего магнитного поля. Это позволяет снизить влияние объемного заряда на динамику ионного пучка и свести к минимуму нелинейные искажения его фазовых характеристик.

Представим плазменный источник электронов в виде плоского плазменного диода, который состоит из эмитирующей электроны плазменной поверхности, ускоряющего промежутка длиной x_A между эмитирующей поверхностью и электродом под потенциалом j_A; поверхности пучковой плазмы, совпадающее или не совпадающей с поверхностью электрода. В слое объемного заряда между двумя поверхностями плазмы протекают электронный ток с плотностью j_e и обратный ионный ток с плотностью j_i.

Положение эмитирующей поверхности в источнике связано с эмиссионной способностью самой плазмы. Повышение эмиссионной способности плазмы источника происходит за счет поступающего в нее из ускоряющего промежутка ионного тока. Попадающие в плазму ионы вызывают локальное повышение плотности положительного заряда, что при сохранении квазинейтральности плазмы приводит к соответствующему повышению плотности электронов, а следовательно, и к росту электронного тока эмиссии. Результирующая плотность ионов плазмы определяется из уравнения диффузии с учетом уравнения баланса частиц ионного пучка. В отсутствие обратного ионного тока граница плазмы источника занимает начальное положение

В условиях повышенного эмиссионного тока граница плазмы источника сдвигается вглубь ускоряющего промежутка.

Электронную плотность тока эмиссии из плазмы источника можно представить в виде: j_eo ^* = j_eo ¢ + g_e j_i, где g_e» (T_is m_i /T_es m_e)^1/2 /2 – коэффициент ионно-электронной эмиссии плазмы; температура электронов в источнике значительно больше температуры ионов,

T_es >> T_is; j_i = a_e j_e (m_e / m_i)^1/2; j_eo ¢ - вакуумная составляющая плотности тока в ускоряющем промежутке длинной z₁ до изменения положения границы плазмы источника. Полный ток в заряженном слое складывается из вакуумной составляющей и тока, связанного с компенсацией объемного заряда электронного пучка. Полагая, что характер распределения потенциала в слое в присутствии обратного ионного тока не изменяется, вакуумную составляющую плотности тока можно представить: j_eo ¢ = j_eo / z₁²; j_eo ^* = j_eo / (z₁ – z_o)², где j_eo – вакуумная плотность тока в зазоре длиною z = 1, можно получить условие:

,

при котором происходят перезамыкание плазменного разряда источника с пучковой плазмой (z₁ = z_o) и срыв электронного тока в ускоряющем промежутке.

При замене потенциала j_A на - j_A на ускоряющем электроде плазменный источник электронов становится ионным источником.

Зажигание разряда вследствие ионизации газа в ускоряющем зазоре происходит, если плотность газа превысит критическую величину

.

С понижением давления газа электрическая прочность промежутка должна возрастать. Однако и в биполярном режиме, когда ионизацией газа можно пренебречь, электрическая прочность ускоряющего зазора остается низкой из-за возможности перезамыкания плазменного разряда источника с пучковой плазмой за ускоряющим промежутком. С ростом давления в газоразрядной камере (когда g_i / g_e > m_e / m_i) такой пробой в ионном источнике наступает при меньшем давлении газа в ускоряющем промежутке, чем пробой в электронном источнике.

Отметим важное обстоятельство, отличающее работу плазменного эмиттера от термоэмиттера. В плазменных источниках заряженных частиц с повышенной эмиссионной способностью при увеличении давления газа в ускоряющем промежутке перезамыкание плазмы источника с пучковой плазмой может наступать раньше, чем зажигание разряда вследствие ионизации газа.