Моделирование генерации плазмы и электронного пучка в источниках с плазменным катодом

1. Получено условие горения тлеющего разряда в полом катоде большой
площади в несамостоятельном режиме горения. Теоретически с применением
численного моделирования показано, что в полом катоде управление основными
характеристиками тлеющего разряда (напряжением горения разряда, его током и
концентрацией плазмы) при изменении соотношений площадей анода, катода и
деталей, находящихся под потенциалом катода, осуществляется током
дополнительной инжекции электронов в катодную полость. В несамостоятельном
режиме горения тлеющего разряда при удержании плотности ионного тока
напряжение горения снижается с 980÷600 В до 385÷290 В в аргоновой плазме
(δ = 0,07) и c 770÷650 В до 515÷370 В в азотной плазме (δ = 0,11) при и давлении
р = 0,35÷1 Па, обеспечивая плотности генерируемой плазмы 3 × 1011 см-3 (азот) и
6 × 1011 см-3(аргон). Численным моделированием показано, что активный экран,
окружающий детали, обеспечивая дополнительный нагрев деталей, уменьшает
время нагрева деталей до 1 часа.
2. Теоретически показано, что в электронном источнике с сеточным
плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления взаимосвязь
процессов генерации пучковой плазмы в плазменном аноде, созданным
электронным пучком, и разрядной плазмы в плазменном катоде, определяется
влиянием потока ионов из плазменного анода и ускоряющим напряжением. В
режиме эмиссии электронов происходит смена полярности напряжения между
катодом и эмиссионным электродом, что связано с влиянием ускоряющего
напряжения на потенциал плазмы (относительно эмиссионного электрода) и его
сильной зависимостью от давления газа.
3. Теоретически показано, что в электронном источнике амплитуда и форма
импульса тока пучка определяются импульсом тока разряда, а также процессами в
плазменном аноде. Эти процессы связаны с объемной ионизацией газа
электронами пучка и плазмы, а также с ионно-электронной эмиссией на
поверхности эмиссионного электрода и границы разрядной плазмы,
ответственной за усиление тока эмиссии в ускоряющем промежутке.
4. Теоретически показано, что в электронных источниках с плазменным
катодом на основе дугового разряда с сеточной стабилизацией эмиссионной
границы плазмы в режиме усиления тока эмиссии определяющим фактором
пробоя ускоряющего промежутка является превышение потенциала плазмы выше
критического, при котором происходит пробой слоя плазма – сеточный электрод.
В диапазоне рабочих давлений газа (аргон) (0,035÷0,1 Па) в электронных
источниках с плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления
максимальное значение потенциала плазмы, при котором отсутствует пробой
ускоряющего промежутка, соответствует 270÷170 В.
5. Численно получено, что в многоапертурном плазменном эмиттере при
увеличении сопротивления в цепи анода (до 10 Ом) и относительной площади
маски (до 50 % площади эмиссионной сетки), уменьшающей геометрическую
прозрачность эмиссионной поверхности, увеличивается концентрация разрядной
плазмы (более 30 %) за счет дополнительной ионизации газа отраженными
электронами от стенок разрядной полости области.
6. Теоретически с применением численного моделирования показано, что
основные потери тока пучка в многоапертурном электронном источнике с
плазменным катодом происходят на выпускной фольге за счет отражения и
поглощения электронов (более 12 %); потери на опорной решетке, обусловлены
расширением поперечного сечения элементарных электронных пучков в
ускоряющем промежутке и затеканием плазмы маски при неплотном ее
прилегании к сетке (7 %); потери счет ионного тока менее 1 % (при плотности
тока 0,1 А/см2 и при давлении газа 0,04 Ра, диаметры отверстий маски и решетки
8 и 15 мм, длина ускоряющего промежутка 12 см). При точной юстировке
отверстий в маске эмиссионной структуры и опорной решетке уменьшить потери
тока пучка на опорной решетке выпускного фольгового окна можно за счет
снижения краевых эффектов отверстий маски.