взрывная электронная эмиссия

Для получения В. э. э. необходимо создать на поверхности эмиттера первонач. фазовый переход металл- плазма, к-рый бы обеспечил ток электронов, способный затем поддерживать этот переход. Такой переход создаётся посредством концентрации большой энергии в микрообъёме эмиттера, достаточной для взрыва этого объёма. Большая концентрация энергии в микрообъёме может осуществляться разл. способами, напр. ударом быстрой макрочастицы о катод, с помощью сфо-кусир. луча лазера и т. д. Наиб. часто для инициирования В. э. э. используется автоэлектронная эмиссия. Ток автоэлектронной эмиссии разогревает микрообъём эмиттера за счёт джоулева тепла и Ноттингема эффекта. Оба эти эффекта приводят к повышению электронной темп-ры Т_е (к "разогреву" электронов; см. Горячие электроны ).Темп-pa кристаллич. решётки повышается в результате электронно-фононного взаимодействия. Время запаздывания t₃ взрыва кончика острия относительно подачи импульса напряжения определяется скоростью передачи энергии от электронного газа к решётке. Это создаёт возможность для получения мощных кратковременных импульсов электронного тока без разрушения эмиттера.

Время запаздывания t_з связано с плотностью электронного тока j соотношением

где А - постоянная (в широком интервале /), характерная для материала эмиттера, напр. для W А =4*10⁹ А² с/см⁴. Поэтому при j=10⁹ А/см² t₃ = 10^-9 с, что достигается при электрич. поле Е~10⁸ В/см. Поле такой величины можно получить вблизи поверхности очень тонкого металлич. острия. Однако В. э. э. возникает и на плоских эмиттерах и при меньших полях (E ~ ~10⁵ в/см) из-за того, что на их поверхности обычно имеются диэлектрич. включения, плёнки и микроско-пич. выступы. В результате в отд. точках поверхности поле увеличивается в неск. раз, и работа выхода электронов снижается.

После взрыва микрообъёма эмиттера образуется т. н. катодный факел, состоящий из плазмы и паров материала эмиттера. Распределение концентрации частиц в плазме в катодном факеле неоднородно (у поверхности превышает 10²⁰ см^-3 и уменьшается по мере удаления от неё). Плазма расширяется, заполняя вакуумный промежуток. В нач. период (t<10^-7 с) скорость разлёта плазмы для большинства металлов составляет (1-3)*10⁶ см/с, а затем уменьшается больше чем на порядок. Расширение факела сопровождается интенсивной электронной эмиссией из плазмы. Электроны покидают факел, пересекают вакуумный промежуток и попадают на анод.

Расчёт тока В. э. э. (без учёта релятивистских эффектов и магн. поля, создаваемого пучком) приводит к ф-ле:

где В - константа, U - разность потенциалов между фронтом плазмы и анодом, F - ф-ция аргумента , где d - расстояние между электродами, - радиус плазменного сгустка, t - время. Ф-ция F определяется геометрией вакуумного промежутка. Для случая, когда факел образуется на кончике острия эмиттера при ф-ция , где С=37*10^-6 ab^3/2 (а и b - радиусы анода и острия). В процессе разлёта плазмы её концентрация снижается (ср. концентрация частиц в плазме при токе ~100 А за время от 5 до 20 нc от начала В. э. э. уменьшается с 10¹⁷ до 5*l0¹⁵ см^-3). Когда она снизится настолько, что пропускаемый ею ток сравняется с током, определяемым Ленгмюра формулой, скорость движения её границы замедлится. Это приведёт к замедлению роста тока по сравнению с ф-лой Ленгмюра. В этом случае электронный ток будет равен термоэлектронному току плазмы (режим насыщения).

По истечении нек-рого времени с момента образования факела, когда плотность тока, отбираемого из плазмы, достигает величины ~10² А/см², насыщение сменяется неустойчивым режимом, для к-рого характерно появление хаотич. всплесков тока [их амплитуда в 2-3 раза превосходит ток, определяемый ф-лой (2), а длительность 10^-8 с]. Выход электронов из эмиттера в плазму обусловлен термоавтоэлектронной эмиссией под действием электрич. поля, возникающего на границе эмиттер - плазма. Когда это поле достигает (0,6-1)*10⁸ В/см, это приводит к новому акту взрыва. Описанная выше картина имеет место, если ток насыщения ~10 А. При меньших токах (~1-2А) фаза насыщения может завершиться обрывом тока, т. к. процессы отбора тока электронов с катода при В. э. э. и генерации плазмы на катоде, создающие условия для В. э. э., взаимосвязаны: чем меньше ток, тем меньше генерируется плазмы. Существует пороговый ток, ниже к-рого В. э. э. не развивается.

На базе В. э. э. созданы т. н. сильноточные вакуумные диоды, генерирующие мощные импульсы электронного тока. Предельная длительность импульса тока ограничена временем, в течение к-рого происходит замыкание вакуумного промежутка плазмой. Обычно это 10^-7 с. Плотность тока достигает 10⁷ А/см². Такие диоды применяются для исследования плазмы, радиац. дефектов в кристаллах для генерации

СВЧ-, рентг. и ИК-излучений, для накачки газовых лазеров. В генераторах электронных пучков электроны через полый анод выводятся за пределы диода. В генераторах рентг. импульсов они направляются на установленную на аноде мишень.

Лит.: Mесяц Г. А., Фурсеq Г. H., Взрывная электронная эмиссия начальных стадий вакуумных разрядов, в кн.: Ненакаливаемые катоды, под ред. M. И. Елинсона, M., 1974; Бугаев С. П. и др., Взрывная эмиссия электронов, "УФН", 1975, т. 115, с. 101; Месяц Г. А., Первичные и вторичные процессы взрывной электронной эмиссии, "Ж. прикл. мех. и техн. физ.", 1980, № 5, с. 138. Г. А. Месяц.

   <<      Предметный указатель      >>