Электронные пучки большого сечения - Бугаев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
Подводя итоги рассмотрению ПИЭЛ с несамостоятельным ВТР, выделим их основные преимущества перед ПИЭЛ с самостоятельным ВТР:
1) возможность малоинерционного управления током ПБС при постоянном ускоряющем напряжении путем изменения плотности плазмы в низковольтной разрядной камере;
2) отсутствие обратной положительной связи между током ПБС и ионным потоком, вызывающим электронную эмиссию, что затрудняет переход BTP в низковольтную форму разряда;
3) пониженное рабочее давление благодаря использованию более эффективных способов создания анодной плазмы, обеспечивающей эмиссию ионов, определяющих ток ВТР.
Все эти особенности обусловлены применением вспомогательной разрядной камеры, находящейся на заземленной стороне ПИЭЛ. Такая камера усложняет конструкцию ПИЭЛ по сравнению с источниками на основе самостоятельного ВТР, однако с учетом перечисленных особенностей делает ПИЭЛ с несамостоятельным BTP одним из наиболее перспективных типов электронных источников для получения ПБС.
Глава 4
ИСТОЧНИКИ CO ВЗРЫВНОЙ ЭМИССИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ
4.1. ВЗРЫВНАЯ ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ
В основе взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ) лежит явление выхода электронов из металла в процессе взрывного фазового перехода материала катода из конденсированного состояния в плотную плазму. Такой фазовый переход может быть создан, если за короткий промежуток времени нагреть локальный участок катода до высокой температуры, при которой начнется его взрывообразное испарение и ионизация.
Эта ситуация реализуется, когда в результате подачи высокого напряжения на вакуумный промежуток происходит взрыв микроскопических острий на катоде под действием протекающего термоавтоэмиссионного тока. Образующиеся при этом на катоде локальные плазменные сгустки распространяются в вакуум. Электроны проводимости из металла через зону фазового перехода металл — плотная плазма поступают в катодный факел и эмиттируются с движущейся плазменной границы в вакуум. При достижении этой границей анода наступает переход в дугу.
Возбуждение взрывной эмиссии. Исследованиями возбуждения ВЭЭ автоэлектронным током большой плотности, проведенными на монокри-сталлических вольфрамовых остриях с типичной геометрией автоэмиттеров [74] и с макроскопическими электродами [75], установлены четыре стадии процесса (рис. 4.1). Фаза / —автоэмиссионная, характеризующаяся прямолинейностью характеристик Фаулера—Нордгейма, переходит в фазу //, связанную с резким ростом эмиссионного тока (di/dt = = 107 "г Ю8 А/с за время 10 с). Влед за этим броском тока эмиссии наступает фаза ///, в которой скорость роста тока на порядок меньше (di/dt = 106 А/с). Далее следует фаза/V, где скорость роста тока снова увеличивается.
С помощью методики однократных наносекундных импульсов, совмещенной с наблюдением изменения геометрии катода в электронном микроскопе, а хакже регистрации световых явлений, сопровождающих разрушение эмиттеров [76], было показано, что в начале фазы // происходит взрыв вершины острийного эмиттера или микроострий на плоском катоде, в результате которого образуются катодные факелы. Фазе /// соответствует рост тока в процессе распространения катодных факелов от катода к аноду. Достижение фронтом плазмы анода означает переход в дуговую стадию с увеличением проводимости промежутка (фаза IV).
Переход от термоавтоэлектронной эмиссии к режиму взрывной эмиссии сопровождается увеличением эмиссионного тока почти на,2 порядка. Поэтому важной характеристикой процесса является время запаздывания появления ВЭЭ, необходимое для формирования соответствующих условий на катоде. Используя острийные эмиттеры с различными радиусами закругления и изменяя амплитуду импульса напряжения, в [76] была найдена зависимость между временем запаздывания взрыва острия f3 и плотностью предвзрывного эмиссионного тока у (рис. 4.2). Из графика следует, что в большом диапазоне времени t3 (8 порядков) и плотности тока / (3 порядка) произведение квадрата плотности тока на время запаздывания до взрыва эмиттера j2t3 остается постоянным. Аналогичная зависимость, $i2(t)dt = const, получившая название интеграла действия, ранее была обнаружена при исследовании электрического
75
Рис. 4.1. Картина протекания тока (а) в стадии перехода от автоэмиссии (7) к взрывной эмиссии {И — IV) и осциллограммы тока при взрыве автоэмиттера без перенапряжения \б ~ г) и с перенапряжением (д)
із,не"
IO7 10s j,A/CM*
IO7
10s
W3
10' о
т —Г
V f
-Y *1
0,5 0,9 ?„ ,10' В/см
Рис. 4.2. Зависимость времени запаздывания взрыва эмиттера из вольфрама от напряженности электрического поля (7) и логарифма плотности тока (2)
взрыва тонких проводников в диапазоне у =106 -МО^А/см2 современдо взрыва t3 % 10"8-г 10"6 с [78]. Это соотношение определяет запас энергии в проводнике в предвзрывной период. Для большинства металлов значение этой величины находится в диапазоне IOs-MO9" A2 с/см4 [78]. Из рис. 4.2. следует, что для вольфрамового эмиттера i2t3 -= 4,5-IO9A2 - с/см4, что указывает на единую природу явлений в этих случаях.
