Электронные пучки большого сечения - Бугаев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
Поскольку новые микровыступы рождаются под плазмой, их взрыв может произойти также под действием поля объемного заряда. Для условий /?/ ~ Ю20 см”3, Tj ~ 3 эВ и L ^ 4 • 10”7 см требуемая напряженность поля Е> Ю8 В/см достигается при Uk 50-М00 В.
Таким образом, длительное протекание тока ВЭЭ есть результат суперпозиции нестационарных эмиссионных и эрозионных процессов на катоде, имеющих временной масштаб 10”9 с и вызванных взрывным разрушением микроучастков катода, расположенных в эмиссионной области.
Катодный факел (КФ). Скорость разлета плазмы в миллиметровых промежутках слабо зависит от приложенного напряжения, практически не изменяется во времени и составляет (1-3) • 106 см/с для всех металлов. Основным элементарным процессом является ионизация атомов электронным ударом. B КФ алюминиевого катода обнаружены одно- и двукратно ионизованные атомы. Температура электронов в плазме КФ составляет 4—5 эВ, концентрация электронов на расстоянии 10 2 см от поверхности катода — порядка 101 см"' . Разлет плазмы удовлетворительно описывается гидродинамической моделью расширяющегося катодного факела [16]. Когда размер факела становится намного больше первонального объема взорвавшегося металла, полагая, что условия разлета плазмы близки к адиабатическим, можно
78
получить выражение для скорости распространения плазмы в факеле:
v ~ Ie0+^eo),
(4.2)
где 7 — показатель адиабаты; 6о — начальная удельная энергия, равная энергии сублимации материала, катода; z — зарядовое число иона; €е0 — энергия Ферми.
Для z = 3 и )% 5/3 значение v, вычисленное по формуле (4.2), совпадаете экспериментальным.
В последнее время эта модель уточнена [82] с учетом ионизации и разогрева электронов плазмы КФ за счет джоулева механизма диссипации энергии при прохождении тока через плазму. Экспериментально показано, что область эффективного энерговыделения находится вблизи катода (10 2 см) и имеет место передача энергии из внутренних областей плазмы на периферию.
Эмиссия электронов из плазмы КФ. В начальный момент времени (10~8с) катодный факел расширяется со скоростью v, практически не зависящей от приложенного напряжения и не изменяющейся во времени. Одновременно с расширением фронтальной области КФ происходит интенсивная эмиссия электронов в вакуум. Объемный заряд электронов экранирует плазму от внешних воздействий поля. Экспериментально было показано выполнение в различных геометрических ситуациях закона 3/2 в диоде с движущимся плазменным катодом. Электроны покидают катодный факел, пересекают вакуумный промежуток и попадают на анод, причем их объемный заряд распределен таким образом, что напряженность электрического поля на эмиссионной границе плазмы факела неравна нулю.
В более поздние моменты времени (10~6 с), когда концентрация плазмы на фронте КФ падает, минимум потенциала, ограничивающий ток из плазмы, исчезает. Граница эмиссии останавливается, и ток, протекающий в вакуумном промежутке, становится равным току насыщения, т.е. тепловому току электронов из плазмы. При этом напряженность поля на эмиттирующей плазменной поверхности становится равной нулю.
Рассмотрение закономерностей эмиссии из плазмы КФ и процессов, протекающих между эмиттирующей границей КФ и анодом, дает основание отождествлять диод на базе взрывоэмиссионного катода с плазменным источником электронов.
4.2. КАТОДЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ИСТОЧНИКОВ CO ВЗРЫВНОЙ ЭМИССИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ
В подавляющем большинстве случаев для получения ПБС в источниках с ВЭЭ используют не единичные острия, а многоострийные катоды. При этом возникает ряд специфических проблем, связанных с параллельной работой всех острий в этом катоде. Стабильность параметров и долговечность многоострийного катода, работающего в режиме ВЭЭ, обеспечивают оптимальным выбором материала катода, геометрии эмиттеров и токовой нагрузки на единичный эмиттер. Отказы в работе таких катодов обычно происходят из-за затупления эмиттеров в результате неизбежного уноса металла на образование катодной плазмы.
При выборе геометрии эмиттера определяющими являются два требования. Первое заключается в необходимости обеспечения напряженности поля, при которой время запаздывания взрыва острия меньше длительности фронта импульса напряжения. Второе сводится к обеспечению достаточного ресурса работы катода. Противоречивость этих требований очевидна, поскольку стремление к увеличению напряженности электрического поля можно удовлетворить только уменьшением радиуса закругления вершины эмиттера. В то же время второе требование диктует необходи-
79
Рис. 4.5. Зависимость высоты цилиндрических эмиттеров из W, Au, Ag и Cuot числа поданных на катод импульсов тока
0 2 * 6 N,Wstim.
мость использования более "тупых" острий или лезвий. Однако из-за недостаточной напряженности электрического поля на эмиттирующей поверхности в этом случае образуется ограниченное число катодных факелов, что ведет к неоднородности пучка. Поэтому при разработке долговечных взрывных катодов чрезвычайно важен выбор материала с наибольшей эрозионной стойкостью.
