WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 1 04;12 Особенности аксиальной эволюции энергетических спектров электронных пучков, эжектируемых из пеннинговского разряда 2 © В.Н. Бориско,1 А.А. Петрушеня 1 Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, 61108 Харьков, Украина 2 Институт физики плазмы Национального научного центра „Харьковский физико-технический институт“, 61108 Харьков, Украина e-mail: a.petrushenya@kipt.kharkov.ua (Поступило в Редакцию 11 апреля 2006 г.) Представлены результаты экспериментального исследования формирования энергетических спектров электронных пучков, эжектируемых из пеннинговского разряда в аксиальном направлении. Установлены основные закономерности аксиальной эволюции усредненных во времени энергетических спектров аномально быстрых электронов. Обнаружено и объяснено существование в энергетических спектрах нескольких групп электронов с различной энергией. Определено влияние геометрии разрядных электродов, электрической асимметрии между катодами, а также массового числа рабочего газа на энергетические спектры эжектируемого электронного пучка. Предложена физическая модель, объясняющая процесс формирования энергетических спектров аномально быстрых электронов в газоразрядных системах пеннинговского типа.

PACS: 52.80.Sm Введение рядном промежутке, а также механизм формирования их энергетических спектров в аксиальном направлении.

В настоящей работе представлены результаты экспеВ работе [1] была показана возможность создания риментального изучения процесса формирования энерэффективного плазменного пеннинговского источника гетических спектров электронных пучков, эжектируенизкоэнергетичных электронных пучков, в котором измых из пеннинговского разряда в аксиальном направлевлечение электронов происходит без использования вынии.

тягивающих напряжений. Эмиссия электронов из плазмы данного источника осуществляется за счет энергии, Экспериментальная установка которую электроны набирают при взаимодействии с интенсивными высокочастотными колебаниями отрица- и основные методики измерений тельного пространственного заряда [2–4]. Данные коВ экспериментах использовались две конфигурации лебания вызваны дрейфовым движением азимутальной разрядных электродов пеннинговского типа. Конструкнеоднородности заряженной плазмы в области анодного ции и электрические схемы включений систем разслоя пеннинговского разряда. Выброс аномально бырядных электродов подробно описаны в работе [1].

стрых электронов происходит из азимутальной области В первой конфигурации все электроды были цилинразряда, где в данный момент находится азимутальная дрическими, во второй один из катодов был плоснеоднородность. Энергетические спектры аномально быким. В исследованиях применялись системы разрядстрых электронов на выходе из разряда имеют немаксных электродов различного диаметра D = 18, 80 mm.

велловское распределение и расширяются в область Межэлектродные расстояния катод–анод и длина цибольших знергий при увеличении величин анодного налиндрических катодов во всех случаях были равны пряжения и магнитного поля. Наиболее вероятная энеррадиусу электродов. В системах разрядных электрогия аномально быстрых электронов зависит от потенцидов диаметром 18 mm длина анода равнялась La = D.

ала, приложенного к катодам [5]. В работах [6,7] было В системах разрядных электродов диаметром 80 mm показано, что наиболее вероятная энергия аномально применялись аноды длиной La = 1, 1.5, 1.75D. Испольбыстрых электронов также зависит от напряженности зовалось как электрически симметричное, так и несиммагнитного поля и длины разрядного промежутка. Суметричное включение катодов. Разность потенциалов ществуют различные предположения относительно мемежду катодами изменялась в диапазоне U от -ханизма образования электронов с аномально большой до +500 V. Эксперименты проводились в стационарном энергией [8,9], однако удовлетворительного объяснения режиме горения разряда при давлении рабочего гавсех наблюдаемых явлений до сих пор не существует.

за (воздух, водород) P =(0.01-1) · 10-3 Torr, индукции Остается невыясненной динамика набора аномально магнитного поля B = 0.01-0.1 T, анодном напряжении быстрыми электронами дополнительной энергии в раз- Ua = 0.1-3.5 kV и разрядных токах Ia = 0.1-100 mA.

Особенности аксиальной эволюции энергетических спектров электронных пучков... Исследование усредненных во времени энергетических спектров аномально быстрых электронов осуществлялось с помощью передвижного четырехсеточного электростатического энергоанализатора. Энергоанализатор располагался со стороны цилиндрического катода, который во время экспериментов всегда находился под потенциалом земли. Внешний диаметр энергоанализатора равнялся 12 mm. Отбор заряженных частиц из разряда осуществлялся через торцевое отверстие в энергоанализаторе диаметром 2 mm, затянутое металлической сеткой. Потенциал входной сетки устанавливался равным потенциалу земли.

Экспериментальные результаты и их обсуждение Рис. 1. Продольные энергетические спектры электронов на разных расстояниях от анода. Цилиндрические элекЭволюция энергетических спектров аномально троды, D = 80 mm, La = 1.75D, рабочий газ — воздух, быстрых электронов в аксиальном направлении P = 3 · 10-5 Torr, B = 0.06 T, Ua = 1.5kV, U = 0V.

Изучение энергетических спектров аномально быстрых электронов проводилось в режимах, когда наблюдалась эжекция электронных пучков из плазмы пентроны набирают в межэлектродном промежутке анод– нинговского разряда в аксиальном направлении. Энервнешний срез катода. Необходимо также отметить, что гоанализатором регистрировались аномально быстрые набор электронами дополнительной энергии в аксиальэлектроны, продольная энергия которых превышала веном направлении происходит за время, не превышаюличину потенциального барьера между плазмой и заземщее время жизни аномально быстрых электронов на ленной входной сеткой энергоанализатора.

силовых линиях магнитного поля перед энергоанализаНа рис. 1 показана эволюция продольных энергетором.

тических спектров электронов в аксиальном направлении на радиусе, где находится максимум плотноОбрезание энергетических спектров в низкоэнергести тока эжектируемого электронного пучка. Как видтичной области (рис. 1, кривые 2 и 3) указывает на но из рисунка, в энергетических спектрах наблюдасуществование потенциальных барьеров для электронов ется несколько групп электронов с разной энергией.

в области катодов. Наличие потенциальных барьеров По мере удаления от анода в аксиальном направлеприводит к тому, что группа аномально быстрых элекнии происходит обрезание энергетических спектров в тронов с наиболее вероятной энергией E = 40-45 eV низкоэнергетичной области. В области бокового среза оказывается запертой в разряде. Величину потенциальанода (кривая 1) наблюдаются две основные группы ного барьера перед входной сеткой энергоанализатора электронов. Наиболее вероятная энергия менее энерможно оценить по потенциалу отсечки низкоэнергегетичной группы составляет E = 15 eV. Более энертичной компоненты эжектируемого электронного пучка.

гетичная группа имеет наиболее вероятную энергию В области бокового среза анода (кривая 1) потенE = 40-45 eV. В области внутреннего среза цилиндрициальный барьер для аномально быстрых электронов ческого катода (кривая 2) в энергетическом спектре отсутствует, поскольку в этой области в энергетических также наблюдается группа электронов с наиболее вероспектрах присутствуют электроны с энергиями вплоть ятной энергией E = 40-45 eV. Однако менее энергетичдо нулевых значений анализируемых энергий. В области ная группа электронов с наиболее вероятной энергией внутреннего края цилиндрического катода (кривая 2) E = 15 eV исчезает из энергетического спектра, а в значение потенциального барьера составляет порядка спектре появляются новые группы электронов с более -20 eV. Из энергетического спектра в этом случае исвысокой наиболее вероятной энергией E = 75-90 eV.

чезают электроны с энергией, меньшей 20 eV. В области При дальнейшем удалении от анода к внешнему срезу за цилиндрическим катодом (кривая 3) потенциальный цилиндрического катода (кривая 3) группа электронов барьер достигает -50 eV, так как из спектра исчезают с наиболее вероятной энергией E = 40-45 eV исчезает электроны с энергией, меньшей 50 eV. Таким образом, из энергетического спектра. В этой области разряда формирование энергетических спектров эжектируемого в спектре наблюдаются только группы электронов с наиболее вероятной энергией E = 75-95 eV. Из пред- электронного пучка связано с его прохождением через ставленных зависимостей можно сделать вывод о том, потенциальные барьеры, которые возникают в области что максимальную энергию аномально быстрые элек- катодов самосогласованно.

4 Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 52 В.Н. Бориско, А.А. Петрушеня Влияние внешних параметров пеннинговского появления в энергетических спектрах может быть измеразряда на энергетические спектры аномально нение наиболее вероятной энергии аномально быстрых быстрых электронов электронов при периодических выбросах электронов, обусловленных нестационарностью амплитуды колебаИсследование энергетических спектров аномально быний отрицательного пространственного заряда и тока стрых электронов на радиусе максимума плотности эжектируемого электронного пучка [2–4].

электронного тока за цилиндрическим катодом при При использовании более легкого рабочего газа воразличных анодных напряжениях показало, что при уведорода наиболее вероятная энергия аномально быстрых личении анодного напряжения энергетические спектры электронов имеет более низкие значения E = 5-20 eV электронов расширяются в область больших энергий (рис. 2, b; 3, e), чем для воздуха E = 20-100 eV (рис. 2, a;

(рис. 2). Кроме основной группы электронов в спек3, a, c). Похожие зависимости наблюдаются для всех трах наблюдаются ступенчатые структуры из менее систем разрядных электродов. Анализ энергетических выраженных подгрупп электронов. Данные особенности спектров указывает на то, что данные особенности, поэнергетических спектров характерны для всех систем видимому, обусловлены более низкими потенциальными разрядных электродов при различных внешних параметбарьерами в области катодов в случае использования рах разряда. Энергетический интервал между подгрупболее легкого рабочего газа водорода.

пами электронов возрастает при увеличении анодноВ ходе экспериментов также было определено влиго напряжения. Механизм возникновения ступенчатых яние электрической асимметрии между катодами на структур остается невыясненным. Одной из причин их энергетические спектры эжектируемого электронного пучка. Как видно из рис. 3, при отрицательном смещении потенциала катода 1 ([1], рис. 1) наиболее вероятная энергия электронного пучка за цилиндрическим катодом 3 существенно не изменяется для всех конфигураций разрядных электродов. Однако сами энергетические спектры расширяются в область больших энергий. Расширение энергетических спектров связано с понижением потенциала плазмы в области эжекции электронного пучка [1]. О понижении потенциала плазмы в этом случае также свидетельствует уменьшение E с 200 до 110-150 eV наиболее вероятной энергии положительных ионов, которые поступают в энергоанализатор из центральной области пеннинговского разряда (рис. 4).

Для систем разрядных электродов с плоским катодом (рис. 3, d, f) в энергетических спектрах появляется группа электронов с наиболее вероятной энергией, примерно соответствующей разности потенциалов между катодами. Появление данной группы электронов обусловлено вторичной электронной эмиссией с поверхности плоского катода.

Обсуждение экспериментальных результатов На основе анализа экспериментальных данных, полученных для систем разрядных электродов диаметром D = 80 mm можно предположить, что одной из основных причин набора электронами дополнительной энергии в аксиальном направлении являются колебания глубины аксиальной потенциальной ямы для электронов.

Данные колебания наблюдаются во время прохождения азимутальной неоднородности пространственного заряда анодного слоя через азимутальную область разряда, где в данный момент происходит выброс электронов.

Рис. 2. Продольные энергетические спектры электронов при Дополнительную энергию получают те электроны, коразличных анодных напряжениях (1 — Ua = 1, 2 —1.5, 3 —2, торые влетают в аксиальную потенциальную яму пе4 —2.5 kV). a) рабочий газ — воздух, цилиндрические элекред прохождением азимутальной неоднородности. При троды, D = 80 mm, La = 1.5D, P = 3 · 10-5 Torr, B = 0.06 T, пролете таких электронов через центральную область U = 0V; b) рабочий газ — водород, остальные параметры те же, что для (a). разряда глубина аксиальной потенциальной ямы для Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. Особенности аксиальной эволюции энергетических спектров электронных пучков... Рис. 3. Продольные энергетические спектры электронов при различных включениях отражательных катодов D = 18 mm, P = 9 · 10-5 Torr, Ua = 1.5kV, B = 0.08 T; a, b) рабочий газ — воздух, цилиндрические электроды, U = 0-400 V; c, d) рабочий газ — воздух, электроды с плоским катодом, U = 0-500 V; e, f) рабочий газ — водород, электроды с плоским катодом, U = 0-400 V.

электронов уменьшается из-за прохождения азимуталь- лирующих между катодами, время их пролета через ной неоднородности. Поэтому на выходе из аксиаль- разрядный промежуток по порядку величины близко ной потенциальной ямы эти электроны приобретают к полупериоду наиболее интенсивных высокочастотных колебаний потенциала плазмы T /2 = 2 · 10-8 s.

дополнительную энергию, равную амплитуде колебания потенциала плазмы на дне аксиальной потенциальной В рамках данной модели существование в энергеямы. При каждом последующем колебании потенциала тических спектрах ступенчатых структур из подгрупп плазмы энергия таких электронов продолжает возрас- электронов объясняется дискретным характером наботать дискретно. В пользу представленного механизма ра электронами дополнительной энергии. Увеличение свидетельствует тот факт, что для электронов, осцил- энергетического интервала между ними при повышении Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 54 В.Н. Бориско, А.А. Петрушеня Рис. 4. Продольные энергетические спектры ионов. Параметры те же, что для рис. 3.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.