Электронные пучки большого сечения - Бугаев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
Теоретический анализ нестационарной задачи процесса разогрева автоэмиттера собственным эмиссионным током [77], выполненный на основе решения уравнения теплового баланса с учетом джоулева нагрева и зависимости плотности тока автоэлектронной эмиссии от температуры, а также поверхностного источника тепла (эффект Ноттингама) и зависимости удельного сопротивления материала от температуры, приводит к соотношению
/213 = ББрс/к, (4.1)
где у — плотность предвзрывного тока; t3 — время запаздывания до взрыва; р — плотность материала эмиттера; с — удельная теплоемкость; к — температурный коэффициент изменения удельного сопротивления.
Согласно (4.1) для вольфрама у2 t3 = 4,5 -109 A2 - с/см4, что удовлетворительно согласуется с экспериментальными результатами.
Эрозия катода. Характерной особенностью ВЭЭ является постоянное поступление материала в виде паров и плазмы в катодный факел. Исследования эрозии острий при воздействии одиночными наносекундными импульсами напряжения [79] позволили определить закономерности этого процесса. С увеличением длительности импульса растет унос металла с катода (рис. 4.3). Таким образом, материал катода расходуется не только в момент взрыва исюОДных микровыступов, но и в последующие моменты времени. Это доказывает, что генерация плазмы при ВЭЭ происходит непрерывно в процессе протекания тока. Удельная эрозия катода
76
Рис. 4.3. Зависимость массы металла dMjdN, уноси- dM/di
мой с вершины эмиттера, от длительности токового 10'10
импульса для катода из меди
10~"
W4t 10
IV s ю » »IOOUt не
составляет 10"5-HCf 4 г/Кл. За один импульс уносится 10” 1 3-МСГ 12см3 металла, следовательно, линейный размер кратера составляет а < 1 мкм. Поскольку обычно используют острии с R3 ~ 10“3 см, то а « /?э, поэтому для эрозии вершина эмиттера представляется квазиплоской. Используя это обстоятельство, на практике можно применять эмиттер в виде проволочек диаметром 20—50 мкм, что обеспечивает ресурс работы эмиттера N > 107 имп.
Согласно модели эрозии, сформулированной в [79], при многократных включениях рост тока в импульсе обеспечивается как увеличением тока через единичный центр, так и размножением эмиссионных центров (ЭЦ) — областей стягивания тока с прлусферической геометрией. Для такой модели эрозия конических эмиттеров должна подчиняться закону Йэ ^ ~ /у1 /з где R3 — радиус эмиттера; N — число импульсов тока, а для цилиндрических эмиттеров G3 = idh/dN) — (i3lR6)lt3, где h — высота эмиттера, / — амплитуда тока. Экспериментальные з&висимостй совпадают с данными расчета.
Формирование микрорельефа поверхности катода. С помощью растрового электронного микроскопа установлено [80], что элементарными следами поражения поверхности катода являются микрократеры (рис. 4.4). Каждый кратер образован в результате вытеснения жидкого металла под действием давления, возникающего в зоне эмиссии. Вид, форма и расположение микрократеров позволили получить представление о процессах зарождения, функционирования, перемещения и гибели эмиссионных центров. Микрократеры обнаруживаются, начиная с длительности импульса ги w 5 не. С ростом ги от 5 до 100 не размеры кратеров увеличиваются до 3—5 мкм. Дальнейшее увеличение длительности импульса приводит к трму, что новые ЭЦ возникают на краях имеющихся кратеров. Прерывистый характер вытеснения металла из кратера (несколько наплывов на рис. 4.4) свидетельствует о том, что вблизи одного центра происходит несколько циклов рождения и гибели ЭЦ. Вытесняемый жидкий металл может вытягиваться в виде микроострий с радиусом менее 0,1 мкм. Новые ЭЦ возникают не только на краях кратеров, но и на расстоянии от них. Вследствие появления новых ЭЦ увеличивается их плотность и одновременно расширяется зона эмиссии за счет охвата дополнительной поверхности эмиттера. При ти = 20 не кратеры наблюдаются только на вершине эмиттера. При ти = 5 мкс зона эрозии простирается на 500 мкм от вершины. Средняя плотность кратеров 106-IO7 см“2 Вид микрорельефа катода при ВЭЭ тот же, что и при дуговом разряде.
Модель катодных процессов. В области формирования единичного кратера схема процессов представляется следующей [81]. При подаче
77
Рис. 4.4. Поверхность медного катода после однократного включения тока (d=0,3cM, U- 30 кВ, /0=75 Ом) :
3 ~ ^и = 20 не; б — = 300 не; в — tи = 5000 не (дуговая стадия)
импульса напряжения в результате нагрева термоавтоэмиссионным током взрываются исходные микроострия. Через время t ~ 10"9 с они разрушаются до основания, и в области стягивания тока под остриями образуется расплав — слой жидкого металла толщиной (1—2) • 10"4 см. Под действием давления в процессе вскипания этот слой вытесняется на периферию. За счет сил поверхностного натяжения и развития флуктуаций происходит распад гребня на отдельные стерженьки. Во время вытягивания микростерженьки распадаются на микроострия и микрокапли. Время роста стерженька и превращения его в микроострие высотой 10" см, по-видимому, не превышает единиц наносекунд. В процессе каплеобразо-вания возникают благоприятные условия для перескока эмиссионной зоны на новое место вследствие пробоя между концом микроострия и каплей, приобретающей потенциал плазмы (d ~ 10"7 см; E 108 В/см). Перескок эмиссионной зоны на край расплава объясняет образование наплывов металла (субструктуры).
