Электроизоляция и разряд в вакууме - Сливков И.Н.
Скачать (прямая ссылка):
2000 Pm 2300 3200 T9VC
Рис 8 Изменение радиуса вершины вольфрамового острия, прогреваемого в течение указанного на кривых времени при различных температурах
вого острия в зависимости от времени прогрева при температуре 2800°К Сравнительно быстрое вначале затупление в дальнейшем, когда г достигает значения около 0,7 мкму замедляется [38]. При прогреве вольфрамовых электродов, имевших форму сферы (диаметром 6,25 мм) и плоскости, не удавалось сгладить выступающие части поверхности так, чтобы коэффициент усиления поля \i стал меньше 10 [28]. Затупление выступов легко-
31
плавких металлов (Fe, Pt и Ni) происходит с большими скоростями.
При наличии электрического поля миграция атомов определяется совместным действием сил электрического поля и поверхностного натяжения. Скорость изменения высоты острого выступа в этом случае
dh
dt
dh
dt
2
а
S
8л
(12)
где E — напряженность на вершине выступа. Действие электростатических сил может полностью компенсировать поверхностное натяжение: еоЕ2/&к = а$/г. Скорость миграции в этом случае (,dh/dt)E =0, и геометрическая форма нагреваемого выступа не
птм
Рис. 9.
острия
ЩО t7cex
Изменение радиуса вершины вольфрамового в зависимости от длительности прогрева / при температуре 2800° К.
меняется. Это позволяет, в частности, измерить поверхностное натяжение металла при температурах ниже точки плавления. Для вольфрама при температуре 2000° К и г=0,55 мкм равновесие достигалось в полях с ?«1,1 -IO6 в/мм, что соответствует значениям CCs = O,029 н/см (при 7=3380° К, as=0,023 н/см). Аналогичные оценки для молибдена в области температур 1200—
1900° К дают значение as=0,026 н/см (для жидкого молибдена as = 0,0208 н/см) [41].
При дальнейшем увеличении напряженности электрического поля атомы металла начинают мигрировать от основания к вершине острия, что приводит к перестройке и росту его. Bp емя перестройки экспоненциально зависит от температуры
t ~ exp (QE/kT).
(13)
32
Существенно, что под влиянием электрического поля происходит значительное уменьшение энергии активации поверхностной диффузии Qe H соответствующее увеличение скорости миграции. В табл. 2 представлены измеренные значения энергий активации поверхностной диффузии на вольфраме и молибдене при ?=0 и ?=т^0, когда наблюдалась перестройка острий.
Таблица 2
Измеренные значения энергий активации поверхностной диффузии на
вольфраме и молибдене (?—0)
Металл' Энергия активации, BejamoM Направление миграции Область температур, 0K Литература
Вольфрам 3,5±0,3 Затупление 1200—1500 [40а]
3,2±0,2 1200— 1600 . [40]
> 3,14±0,08 1800—2700 [39]
Молибден 2,86-(-0,15 о о о> т"Н I о о CM г—( [41]
Вольфрам 2,36±0,2 Рост 1200—1600 [43]
2,44±0,05 » 1700—2100 [44]
Молибден 2,00*0,05 1200—1900 [41]
Изменение формы эмиттирующего острия в электронном проекторе наблюдалось многими авторами [41, 43, 44]. Происходящая в электрическом поле перестройка острия связана обычно с превращением вершины его из округлой в граневую. В поле напряженностью приблизительно 10 Me I мм на гладком вольфрамовом аноде, нагретом до температуры около 1000°К, за время примерно 20 мин возникало большое число острых выступов с коэффициентом |х«3-г-4. Поле обратной полярности напряженностью приблизительно 4,3 Мв/мм, приложенное к поверхности, на которой уже имелись некоторые неровности, приводило ко росту их уже при комнатной температуре [28].
Наличие на поверхности загрязнений существенно облегчает поверхностную диффузию и снижает значение напряженности электрического поля, при котором происходит изменение направления диффузии (в места с более высокой локальной напряженностью поля). Формально это объясняется уменьшением энергии активации поверхностной диффузии и поверхностного натяжения при наличии загрязнений. Существенно подчеркнуть,
что мигрируют не только сами загрязнения, но и атомы основного материала.
Изменения, происходящие на поверхности электродов в электрическом поле, наблюдались в работе Л. В. Тарасовой и др. [45]. Ими производилась микрокиносъемка поверхностей
2 И. Н. Сливков
33
медных электродов, имевших заостренную форму с радиусом вершины около 0,1 мм. Электроды находились в вакууме порядка 10~5 мм рт. ст. с непрерывной откачкой масляным диффузионным насосом без вымораживания паров масла. В первой серии опытов электроды были покрыты значительной пленкой масла. В таком состоянии они обычно находятся, если система
5,2*8
5?кб
4,2кб
8ркб
Рис Ш. Рост масляных выступов на электродах в результате приложения высокого напряжения
Рис. 11. Рост металлического острого выступа на
аноде.
откачивается паромасляным насосом в течение нескольких дней. Во второй серии опытов электроды промывались растворителями, но пары масла опять не вымораживались. Удалось отчетливо наблюдать изменение формы поверхности электродов: перемещение крупных частиц, рост и исчезновение отдельных острых выступов. На рис. 10 приведены фотографии поверхностей электродов, загрязненных пленкой масла. Расстоя? ние между электродами равно ОД мм. Верхний электрод — катод, нижний — анод. Выступы, образуемые пленкой масла, удлиняются с ростом напряжения, радиус кривизны вершины уменьшается. Грубая оценка размеров радиуса вершины из условия