RU2012945C1 - Method of control over current of plasma emitter of large area - Google Patents
Method of control over current of plasma emitter of large area Download PDFInfo
- Publication number
- RU2012945C1 RU2012945C1 SU5005476A RU2012945C1 RU 2012945 C1 RU2012945 C1 RU 2012945C1 SU 5005476 A SU5005476 A SU 5005476A RU 2012945 C1 RU2012945 C1 RU 2012945C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- electrode
- auxiliary discharge
- emitting
- potential
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
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. The invention relates to methods for controlling the current of large-area plasma emitters and can be used in electronic and ion sources generating beams with a large cross section.
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. A known method of controlling the current of a large-area plasma emitter [1], based on the creation of an auxiliary discharge generating an emitting plasma, including a change in the current of the auxiliary discharge, leading to a change in the parameters of the emitting plasma.
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. The disadvantages of this control method are the change in the nature of the radial distribution of the concentration of the emitting plasma and, therefore, the uniformity of the distribution of current density over the surface of the emitter in the current control process, as well as the difficulty in obtaining low emission currents due to the instability of the auxiliary discharge plasma at its low concentration.
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. Closest to the proposed one is a method for controlling the current of a large-area plasma emitter [2], based on the fact that the emitting plasma is created in the expander electrode filled with working gas as a result of injection of electrons into it from the auxiliary discharge plasma, and the emission current is controlled by changing parameters of the emitting plasma by changing the potential of the expander electrode.
Недостатками указанного способа являются увеличение неоднородности распределения плотности тока по поверхности эмиттера по мере увеличения тока эмиссии и низкая энергетическая эффективность эмиттера H= (Iэ- ток эмиссии, Р - мощность, затрачиваемая на его получение.The disadvantages of this method are the increase in the heterogeneity of the distribution of current density over the surface of the emitter with increasing emission current and low energy efficiency of the emitter H = (I e is the emission current, P is the power spent to obtain it.
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. The first drawback is due to the fact that with an increase in the potential of the expander electrode, the shape of the space charge layer changes, in which the electrons injected into the expander electrode are accelerated. In this case, the divergence of the injected electron flux decreases, which leads to an increase in the emission current density in the center of the emitter and to a decrease at the periphery.
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. The second drawback is that the control of the emission current is carried out at relatively high (up to a thousand volts) control potentials, which increases the power consumed from the control source and, accordingly, reduces the energy efficiency of the emitter.
Целью изобретения является сохранение однородности распределения плотности тока по поверхности эмиттера и увеличение энергетической эффективности эмиттера при управлении током. The aim of the invention is to preserve the uniformity of the distribution of current density over the surface of the emitter and increase the energy efficiency of the emitter when controlling current.
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·Tе·ln() до 8,8·10-8·n
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. A positive effect is achieved due to the fact that the current control by the proposed method is carried out not by changing the shape of the space charge layer, in which the electrons injected into the expander electrode are accelerated, and the voltage drop across the layer, but by adjusting the magnitude of the electron flow injected from the auxiliary discharge into the electrode expander.
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 nв/nэ > 1, где nэ и nв соответственно концентрация эмитирующей плазмы и плазмы вспомогательного разряда, и потенциале эмитирующей плазмы Uэ, превышающем потенциал плазмы вспомогательного разряда Uв. При этом в электрод-расширитель инжектируется расходящийся поток электронов, генерирующий в нем однородную эмитирующую плазму.In the emitters of this type, the emission current is provided by two groups of electrons: high-energy electrons of the stream injected into the expander electrode from the auxiliary discharge, and low-energy electrons, mainly formed at the peripheral sections of the emitter as a result of secondary electron emission from the walls of the expander electrode. Setting the potential of the emission electrode equal to the potential of the emitting plasma removes the potential barrier for electrons near this electrode, which can significantly increase the contribution to the emission current of low-energy electrons in the peripheral parts of the emitter and thereby increase the energy efficiency of the emitter. In addition, this excludes one of the factors affecting the uniformity of emission during current control. Uniform distribution of current density over the surface of the emitter is provided under the condition in n / n e> 1, where n e and n, respectively, in the emitting plasma concentration and auxiliary discharge plasma, and the plasma potential emitting U e exceeding the potential of the auxiliary discharge plasma in U. In this case, a diverging stream of electrons is injected into the electrode expander, generating a uniform emitting plasma in it.
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. In the proposed method, the emission current is controlled by changing the magnitude of the electron flux injected into the electrode expander. To fulfill the above conditions, ensuring the uniformity of emission, the concentration of the auxiliary discharge plasma is kept constant, and the electron flux is regulated by a change in the potential difference between the auxiliary discharge plasma and the electrode electrically isolated from the expander electrode and separating this plasma from the emitting plasma. When the potential difference changes, the length of the ion layer at the wall of the hole in the electrode, which separates the auxiliary discharge plasma from the emitting plasma, changes, which allows controlling the area of the auxiliary discharge plasma from which electrons injected into the expander electrode are selected. The proposed method allows to control the emission current without compromising the uniformity of the emission.
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·Tе·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 ˙nв 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).The purpose of the invention is achieved by providing a certain range of variation of the potential difference between the auxiliary discharge plasma and the separating electrode. The minimum potential difference corresponding to the largest current of electrons injected from the auxiliary discharge is equal to the potential difference between the plasma and the "floating" electrode in the plasma. This potential difference depends on the kind of plasma-forming gas and the electron temperature and is equal to 4.31 · 10 -5 · T е · ln ( ) With a smaller potential difference, the electron current to the electrode sharply increases, which leads to a significant change in the concentration distribution of the emitting plasma, and in some cases to the extinction of the auxiliary discharge. An increase in the potential difference causes an increase in the length of the near-wall ion layer in the hole of the separating electrode and a decrease in the plasma surface area, which determines the magnitude of the electron flux injected into the expander. With a potential difference of 8.8 ˙ 10 -8 ˙n in 2/3 Te 1/3 ˙r 4/3 , the length of the near-wall ion layer in the channel of the separating electrode becomes such that the plasma from the auxiliary discharge does not penetrate the hole of the separating electrode . Under these conditions, the escape of electrons from the auxiliary discharge into the expander electrode is possible only through the potential barrier, which sharply reduces the injected electron flux and, accordingly, the emission current, therefore, a further increase in the potential difference leads to a significant decrease in the energy efficiency of the emitter. In addition, when a potential barrier is formed, electrons are injected from the auxiliary discharge in the form of a narrow beam, which leads to the appearance of a significant inhomogeneity of emission (maximum current density at the center of the emitter).
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. Using the proposed method in comparison with the prototype method increases the energy efficiency of the emitter, since with a decrease in the emission current the power spent on its production is reduced. This is because when controlling the proposed method, in contrast to the regulation by the prototype method, when the emission current decreases, the current of electrons injected into the expander decreases. In addition, control is carried out at lower voltages.
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. An example of practical implementation. The proposed method changes the current of the large area electron emitter based on the injection of electrons into the expander electrode from a low-voltage reflective discharge with a cold hollow cathode.
На чертеже представлена схема эмиттера. The drawing shows a diagram of the emitter.
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 Uуск 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.The emitter contains an auxiliary discharge chamber, including a hollow cathode 1,
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 nэ и плазмы вспомогательного разряда nв, устанавливая путем соответствующей регулировки тока вспомогательного разряда источником 6 nв/nэ > 1.To obtain a uniform distribution of current density over the surface of the emitter by appropriately adjusting the voltage of
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 Iм (для рассматриваемого случая Iм = 1 А). Так как плазмообразующего газа He Те≈105 К, а концентрация плазмы вспомогательного разряда nв ≈ 1˙ 1018м-3. Подставляя nв, Те, 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 Iэ от 200 до 2 мА.To implement the proposed method, the potential of the emission electrode is set equal to the potential of the emitting plasma, and the potential difference between the auxiliary discharge plasma and the separating electrode is changed. The first condition for the emitter of the type in question is fulfilled when the emission electrode is connected to the expander electrode. To determine the plasma concentration of the auxiliary discharge and the electron temperature, the probe characteristic of the Langmuir
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. When the potential difference is lower than the lower limit, the auxiliary discharge is extinguished, and when the upper limit is exceeded, the emission current decreases to almost zero. The latter is due to the locking of the holes in the separating electrode by the parietal ionic layer. When changing the emission current within the specified limits, the heterogeneity of the distribution of current density over the surface of the emitter increased no more than 1.3 times, while when using the prototype method no less than 4 times. Tests have shown that the energy efficiency of the emitter N in comparison with the prototype method increases by 1.35-1.50 times.
Claims (1)
4,3·10-5·Tе·ln() . . . 8,8·10-8·n
где Tе и nв - соответственно температура и концентрация электронов плазмы вспомогательного разряда;
mе и Mi - соответственно масса электрона и иона плазмообразующего газа;
r - радиус эмиссионного отверстия в электроде, отделяющем плазму вспомогательного разряда от эмитирующей плазмы.METHOD OF CONTROL THE CURRENT PLASMA EMITTER LARGE AREA, including the creation of an emitting plasma by injecting electrons into an expander electrode filled with a working gas from an auxiliary discharge plasma and changing the parameters of the emitting plasma bounded by the emission electrode, characterized in that the potential of the emitting electrode is chosen to be equal to the emitting electrode and a change in the parameters of the emitting plasma is carried out at a constant concentration of electrons of the plasma of the auxiliary discharge by changing potential difference between the auxiliary discharge plasma and the electrode electrically isolated from the expander electrode and separating the auxiliary discharge plasma from the emitting plasma, in the range
4.3 · 10 -5 · T e · ln ( ) . . 8.8 · 10 -8 · n
where T e and n in - respectively, the temperature and concentration of electrons in the plasma of the auxiliary discharge;
m e and M i are the mass of the electron and ion of the plasma-forming gas, respectively;
r is the radius of the emission hole in the electrode separating the auxiliary discharge plasma from the emitting plasma.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5005476 RU2012945C1 (en) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | Method of control over current of plasma emitter of large area |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5005476 RU2012945C1 (en) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | Method of control over current of plasma emitter of large area |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012945C1 true RU2012945C1 (en) | 1994-05-15 |
Family
ID=21586908
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5005476 RU2012945C1 (en) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | Method of control over current of plasma emitter of large area |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2012945C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU196898U1 (en) * | 2019-11-19 | 2020-03-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ПИЯФ) | DEVICE FOR APPLICATION OF MULTI-LAYER COATINGS |
-
1991
- 1991-07-12 RU SU5005476 patent/RU2012945C1/en active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU196898U1 (en) * | 2019-11-19 | 2020-03-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ПИЯФ) | DEVICE FOR APPLICATION OF MULTI-LAYER COATINGS |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Akishev et al. | Negative corona, glow and spark discharges in ambient air and transitions between them | |
Schoenbach et al. | Microhollow cathode discharges | |
US8288950B2 (en) | Apparatus and method for regulating the output of a plasma electron beam source | |
Gushenets et al. | Electrostatic plasma lens focusing of an intense electron beam in an electron source with a vacuum arc plasma cathode | |
Davis et al. | DuoPIGatron II ion source | |
Humphries Jr et al. | Grid‐controlled extraction of pulsed ion beams | |
JPH06176725A (en) | Ion source | |
RU2012945C1 (en) | Method of control over current of plasma emitter of large area | |
Tsai et al. | Plasma studies on a duoPIGatron ion source | |
Ramirez et al. | A study of low‐current‐density microsecond electron beam diodes | |
Lejeune | Theoretical and experimental study of the duoplasmatron ion source: Part II: Emisive properties of the source | |
RU2395866C1 (en) | Pulsed electron beam source (versions) | |
Yushkov et al. | Mevva ion source operated in purely gaseous mode | |
US5030885A (en) | Charged particle control device | |
Ryabchikov et al. | Sources and methods of repetitively pulsed ion/plasma material treatment | |
Dewald et al. | Plasma development in the low-pressure channel spark for pulsed intense electron beam generation | |
US5569976A (en) | Ion emmiter based on cold cathode discharge | |
Gushenets et al. | Nanosecond high current and high repetition rate electron source | |
Gleizer et al. | Optimization of a low-pressure hollow-anode electrical discharge for generation of high-current electron beams | |
RU2150156C1 (en) | Plasma ion emitter | |
Krokhmal et al. | Electron beam generation in a diode with a gaseous plasma electron source II: Plasma source based on a hollow anode ignited by a hollow-cathode source | |
Gavrilov et al. | Plasma cathode for a broad-beam electron accelerator | |
Chepusov et al. | Investigation of Annular Explosive-Emission Cathodes of the Conductor–Insulator Structure | |
RU170029U1 (en) | DEVICE FOR CREATING A METAL PLASMA FLOW | |
RU2229754C2 (en) | Plasma ion emitter |