Взрывная эмиссия электронов

Специфическим видом туннелирования электронов из металлов и полупроводников в вакуум является взрывная эмиссия электронов. Этот вид эмиссии впервые был обнаружен при исследовании вакуумного пробоя в наносекундном диапазоне длительностей импульсов высокого напряжения, а также в экспериментах по автоэлектронной эмиссии при предельно высоких плотностях тока в микросекундном диапазоне (Г.А. Месяц, Г.Н. Фурсей и другие, 1971). Было обнаружено, что в определенный момент t_з происходит разрушение автоэлектронного острийного эмиттера собственным автоэмиссионным током, сопровождающееся резким (на 2¸3 порядка) возрастанием тока через вакуумный промежуток (рис. 10.11).

Интервал времени t_з между подачей импульса напряжения (применялись импульсы с фронтами порядка 1 нс) и взрывом острия зависит от плотности автоэмиссионного тока j_A и напряженности электрического поля Е (рис. 10.12). С возрастанием напряженности Е время задержки t_з в появлении тока взрывной эмиссии резко падает, причем произведение j_A²·t_з остается приблизительно постоянной величиной, равной ~4·10⁹ (А²·с)/см⁴. Как видно из рис. 10.11, временная зависимость изменения электронного тока при взрыве острия состоит из нескольких этапов: 1– медленное возрастание тока; 2–быстрое возрастание тока; 3–квазистационарное состояние; 4–переход к вакуумной дуге – резкое увеличение проводимости промежутка катод–анод. Ток взрывной эмиссии i_ВЭ в квазистационарной области 3 сильно (по некоторым данным экспоненциально) зависит от плотности взрывающего автоэмиссионного тока j_A. Действительно, чем больше j_A, тем больше может взорваться микровыступов и тем большую интенсивность будут иметь взрывы.

Механизм взрывной эмиссии состоит в следующем: взрыв острийного эмиттера (или микровыступов на плоском катоде вакуумного промежутка) сопровождается возникновением у поверхности катода плотного плазменного сгустка, который вследствие быстрого разделения в нем зарядов создает у поверхности катода большой положительный объемный заряд, являющийся в свою очередь источником дополнительного поля. Таким образом, возрастание тока на участке 2 (при t>t_з) связано с автоэлектронной эмиссией в поле объемного заряда. Предельная длительность импульса тока взрывной эмиссии τ_ВЭ определяется скоростью разлета плазмы v_пл и расстоянием d между катодом и анодом: τ_ВЭ≈d/v_пл. При v_пл≈(2¸3)·10⁴ м·с^‑1 и d порядка десятых долей сантиметра величина τ_ВЭ соответствует десятым долям микросекунды.

В ряде опытов при помощи сверхскоростных осциллографов и электронно-оптической аппаратуры с временным разрешением до 10^‑12 удалось установить, что момент t_з возрастания тока на участке 2 совпадает с появлением у поверхности катода светящихся плазменных сгустков («катодных факелов»), расширяющихся со скоростью ~2·10⁴ м/с. Прежде чем «катодный факел» достигнет анода, ему навстречу начинает двигаться «анодный факел», возникающий за счет бомбардировки анода мощным потоком быстрых электронов.

Взрыв острия связан с расходованием материала катода, т.е. с необратимым изменением его состояния. Несмотря на это, значения токов взрывной эмиссии достаточно хорошо повторяются от импульса к импульсу за счет того, что при каждом взрыве расходуется лишь очень небольшое количество материала, и в условиях наличия сильного поля у поверхности катода происходит самовоспроизведение эмиттирующих центров. Такие центры представляют собой субмикроскопические острия, которые возникают на поверхности при конденсации материала после взрыва либо вытягиваются полем из жидкой фазы эмиттера, расплавленного собственным эмиссионным током.

С увеличением числа включений происходит возрастание радиуса острия r. При каждом новом взрыве на поверхности катода появляется новая система микробугорков. Зависимость количества материала, потерянного катодом за один импульс ΔΜ_l, от числа включений N приведена на рис. 10.14 (кривая 1 относится к меди, кривая 2 – к молибдену). Видно, что эрозия катода меньше в случае материала с более высокой проводимостью и что основное уменьшение массы ΔΜ_l происходит при малых значениях N (область I), а затем наступает стабилизация этой величины (область II). Радиус вершины катода r при этом возрастает до величины порядка 10 мкм. В области II ΔM_l близка к массе, расходуемой за один взрыв в случае вакуумного пробоя между плоскими электродами. При плотности тока j_ВЭ=3·10⁷–4·10⁸ А/см² и d=0,3–1 мм с молибденового катода уносится (2–6)·10^‑8 кг/Кл. Масса ΔΜ_l не превышает 10^‑14 кг. Для вольфрамового острия при j_ВЭ≈10⁹ А/см² и длительности импульса анодного напряжения порядка 10^‑8 с средние значения массы ΔΜ_l лежат в интервале 10^‑13–10^‑11 кг в зависимости от радиуса острия и условий взрыва.

При взрывной эмиссии напряженность поля у катода достигает величины не менее 5·10⁸ В/м, а плотность тока j_ВЭ – порядка 10⁷ А/см², что меньше предельного значения плотности автоэмиссионного тока (j_Am≈10⁹ А/см²). Однако полное значение тока j_ВЭ отбираемое с катода при взрывной эмиссии, может на два порядка превышать ток при автоэлектронной эмиссии. Это объясняется большей эмиттируемой площадью, которая определяется областью катода, граничащей со слоем плазмы. Энергетический спектр электронов при взрывной эмиссии шире, чем при автоэлектронной эмиссии, за счет взаимодействия автоэлектронов со слоем плотной плазмы. Источником взрывной эмиссии могут быть не только металлические, но и полупроводниковые острия (Ge, Si и др.), а также жидкие металлические катоды. В последнем случае можно искусственно создавать на поверхности жидкого металла (например, галлия) микрооднородности контролируемого размера. Это осуществляется возбуждением на поверхности жидкости стоячих волн с помощью пьезокристалла, колеблющегося с частотой порядка 10 МГц. С жидкого катода были получены токи взрывной эмиссии до 10³ А при воспроизводимости не хуже 5%. Применяются также катоды, в которых разряд, инициирующий взрывную эмиссию, распространяется по поверхности диэлектрика, покрытого металлической сеткой.

Поскольку взрывная эмиссия – это импульсное испускание автоэлектронов сквозь обволакивающее катод облако плазмы, для создания которой необходимы взрывы микроострий собственным автоэмиссионным током, то механизм взрывной эмиссии включает в себя автоэлектронную эмиссию на двух этапах ее развития – начальном и завершающем. Если анодное напряжение неограниченно возрастает, то автоэлектронная эмиссия всегда переходит во взрывную эмиссию. Взрывные катоды обычно работают при напряжениях от десятков киловольт до десятков мегавольт и длительностях импульсов, лежащих в наносекундном диапазоне. Так как для деионизации плазмы и образования новых микровыступов требуется определенное время, то катоды со взрывной эмиссией могут работать только в режиме однократных включений или малой частоты повторения. Их используют обычно в виде многоострийных катодов для получения больших токов в импульных электронных ускорителях и рентгеновских трубках, в мощных газовых лазерах, а также для получения мощных электронных пучков в установках для управляемого термоядерного синтеза.

Раздел 2. Электровакуумные приборы

Лекция №3. Двухэлектродные лампы

Дата добавления: 2014-01-05