ELECTRONIC CURRENT FLOW IN THE PLASMA SOURCE WITH EMITTER IN THE ABSENCE OF COLLECTOR’S BRAKING POTENTIAL

Ле Ху Зунг¹, Фам Тхань Конг²

¹Аспирант, Национальный Исследовательский Томский Политехнический Университет; ²Старший преподаватель, Народная Академия безопасности (Вьетнам)

ТОКОПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ИСТОЧНИКЕ С ПЛАЗМЕННЫМ ЭМИТТЕРОМ ПРИ ОТСУТСТВИИ ТОРМОЗЯЩЕГО ПОТЕНЦИАЛА КОЛЛЕКТОРА

Аннотация

В статье исследовано токопрохождение пучка электронов в плазме с эмиттером, и построить зависимости токов от внешних факторов.

Ключевые слова: плазма, электрон, токопрохождение.

Le Huy Dung¹, Pham Thanh Cong²

¹Postgraduate student, Tomsk Polytechnic University; ²Teacher, People’s Academy of Security (Vietnam)

ELECTRONIC CURRENT FLOW IN THE PLASMA SOURCE WITH EMITTER IN THE ABSENCE OF COLLECTOR’S BRAKING POTENTIAL

Abstract

In this article the electron beam’s transportation in plasma source with emitter is investigated, and dependences of currents on external factors are constructed.

Keywords: plasma, electron, current flow.

В источнике электронов с плазменным эмиттером ток эмиссии определяется током разряда I_р. Форма импульса тока пучка зависит от формы тока разряда и условий формирования плазменного канала. В эксперименте эмиссионная сетка имеет прозрачность a=50%, размеры ячейки сетки существенно влияют на эффективность извлечения электронов a=I_р/I_э, I_э - ток эмиссии. При I_р ®I_э величина a  достигает максимального значения 1.  На рис.1 показана схема канала транспортировки:

Рис. 1 - Схема канала транспортировки, 1 – эмиссионная сетка, 2 – при сплошной катодный электрод, 3 – стека трубы дрейфа, 4 – коллектор

На рис. 2 показана электрическая цепь канала транспортировки (трубы дрейфа), который обозначен пунктирной линией. Здесь I₁ – ток коллектора (мишени), I₂ – ток трубы дрейфа, I – полный ток в цепи канала транспортировки.

Рис.2 - Электрическая цепь канала транспортировки

Ток в диодном промежутке записывается в виде: .          (1)

Здесь I_i – ток ионов на катодный электрод, g - коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии, I_b=aI_d - ток быстрых электронов пучка. Материал электрода, а также чистота его поверхности существенно могут существенно повлиять на ток в ускоряющем промежутке.

Ток коллектора и ток трубы дрейфа соответственно определяются соотношениями:     , где I_e – электронов плазмы, I_iс – ток ионов на коллектор, I_it – ток ионов на трубу дрейфа.

Из условия непрерывности тока в системе (рис. 1 и рис. 2) , следует равенство токов электронов плазмы и суммы ионного тока на торцы и стенку трубы дрейфа:       .

Условие установления стационарного состояния следует из энергетического баланса: .    (2)

Здесь выражение слева от знака равенства потери энергии электронов пучка и вторичных электронов, еV_i – энергия, которую тратят электроны на 1 акт ионизации с учетом потерь на возбуждение газа и упругих соударений; V_р - потенциал плазмы (относительно потенциала коллектора). Первое слагаемое справа – потери мощности из плазмы за счет ионного тока на торцы и стенку трубы дрейфа; второе слагаемое – мощность уносимая электронами плазмы на коллектор. Определим долю тока вторичной ионно-электронной эмиссии по отношению к току электронов через эмиссионную сетку: d=g I_i/I_b.

Уравнение (3) позволяет оценить потери энергии быстрых электронов ej_b от внутренних параметровV_i, g, kT_e и V_р:

           (3)

Процесс формирования плазменного канала и его динамика определяются из условия баланса между скоростью ионизации и скоростью потерь заряженных частиц (n_i/t_i): , где R- скорость реакции         (4)

и условия сохранения заряда .             (5)

Здесь e_b=e(V_p+V_c)/mc² и e_e=e_p=e(V_p+3kT_e/2e)/mc² – относительные энергии быстрых электронов и электронов плазмы, : основные потери частиц связаны с выходом заряженных частиц на торцы канала транспортировки и диффузионного движения на стенку канала (D_^Dn_i).

Уравнения непрерывности тока (1), баланса энергии (2), баланса заряженных частиц (4) и квазинейтральности плазмы (5) являются системой уравнений, описывающей процесс генерации объемной плазмы и токопрохождения электронов канала транспортировки.

Численные оценки

Для численных оценок были взяты экспериментальные параметры: импульс основного тока разряда, близкий к прямоугольному, длительность 150 мкс, передний и задний фронты по 25 мкс; ускоряющий потенциал – 10…15 кВ; геометрические размеры канала транспортировки: радиус эмиссионного окна – 2 см, радиус и длина трубы дрейфа – 4 см и 20 см); давление рабочего газа аргона – 0,015…0.045 Па; ведущее магнитное поле – 300 Гс; эмиссионный электрод – нержавеющая сталь. Зависимость коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии g при бомбардировке ионами аргона от ускоряющего напряжения U_ac показана на рис. 3 (при изменении энергии иона от 15 до 5 кэВ параметр g меняется от 1.5 до 0.7).

Рис.3 - Эффективный коэффициент ионно-электронной эмиссии для нержавеющей стали в зависимости от величины ускоряющего напряжения

Ионного тока на эмитирующий электрод:    (6)

Ток ионов на трубу дрейфа с учетом, что на границе плазма-слой концентрация плазмы определяется согласно соотношению Бома, при p>p₀ запишется в виде: .   (7)

S_b - площадь эмиссионной сетки, S_d  - общая площадь металлической области эмиссионной сетки и катодного электрода, S_t - площадь  боковой поверхности канала транспортировки, р₀ – давлении газа, при котором в результате диффузии плазмы формируется положительный столб плазмы (с радиусом, равным радиусу канала транспортировки) и избыточные ионы  начинают поступать  на боковые стенки канала транспортировки.

Коэффициент А как и диффузии, внутренним параметром, который оценивается из эксперимента: при р=р₀ ток трубы дрейфа равен нулю. Для параметров эксперимента А= 0,13, р₀=0.03 Па.

Выражения для токов (6) и (7) позволяют исследовать влияние на токопрохождение параметров системы: давления газа, ускоряющего напряжения, тока разряда, влияния падения, а также пространственного заряда в ускоряющем промежутке.

На рис. 4 -6 представлены расчетные зависимости тока в ускоряющем промежутке I, полного тока эмиссии (1+g)I_i,  тока коллектора  и тока трубы дрейфа от давления рабочего газа (U_ac =15 кВ, ток разряда I_d =100 A); от тока разряда (р=0,03 Па, U_ac =15 кВ); и от ускоряющего напряжения U_ac (р=0,03 Па, I_d =100 A).

Рис.4 – Зависимости тока коллектора (1), тока в ускоряющем промежутке (2), полного тока эмиссии (3), ионного тока (4) и тока трубы дрейфа (5)  от давления рабочего газа

Рис. 5 - Зависимости тока коллектора (1), тока в ускоряющем промежутке (2), полного тока эмиссии (3), ионного тока (4) и тока трубы дрейфа (5) от тока разряда

Рис. 6 - Зависимости тока коллектора (1), тока в ускоряющем промежутке (2), полного тока эмиссии (3), ионного тока (4) и тока трубы дрейфа (5) от ускоряющего напряжения