Электроизоляция и разряд в вакууме - Сливков И.Н.
Скачать (прямая ссылка):
73
выступы высотой 1—2 мкм и диаметром основания в 8—10 раз меньше были обнаружены на оптически отполированной поверхности нержавеющей стали, алюминия и меди во всех случаях, когда подобной методикой обследовали место эмиссии на катоде.
Эти опыты достаточно убедительно показали, что причиной появления темнового тока может быть автоэлектронная эмиссия с аномально больших и острых выступов, значительно превышающих по размерам неровности, обычно получающиеся при механической обработке поверхности, и резко отличающихся от рих по форме. Действительно, в описываемых опытах ток силой IO-9 а наблюдали при средней напряженности между электродами 18—19 кв/мм. Если коэффициент усиления поля на вершине выступов порядка 100 (оценка авторов работы [27]), то, согласно формуле автоэлектронной эмиссии, указанный юк миг эмиттироваться вершиной только одного выступа, подобного приведенным на рис. 6, при работе выхода Ф=3,5-3,0 эв. Таким образом, долголетнюю дискуссию о природе электронной
составляющей темнового тока можно считать закончившейся в пользу автоэлектронной эмиссии. По крайней мере, это справедливо в условиях сверхвысокого вакуума при чистых электродах и сравнительно небольших напряжениях для той части электронной составляющей темнового тока, которая не является электронной эмиссией при бомбардировке последнего положительными ионами.
Чтобы подробнее разобраться в основных соотношениях, рассмотрим случай плоских электродов. Если / — сила тока, эмиттируемого одним выступом на катоде, то из теоретической формулы автоэлектронной эмиссии (см. приложение) следует
Ig (1/Е2) = —5,81 + — 2,98- Ю9Ф3/20(у)(|іі?)-і? (16)
где — коэффициент усиления электрического поля на вершине выступа; Лэм—площадь эмиттирующей поверхности; E — средняя напряженность в межэлектродном зазоре. Так как в обычных условиях функция Нордгейма ©(^/) =0,9-=-1, то график Ig 1Е~2=f (1/Е) близок к прямой линии, наклон которой пропорционален [х 1, а отрезок, отсекаемый на оси ординат продолжением этой линии, пропорционален \12АЭм. Это позволяет определять значения \х и Лэм из экспериментально полученной вольт-амперной характеристики. Такой метод, например, был применен Беннеттом и др. [26], которые проводили эксперименты с вольфрамовыми электродами сфера диаметром 0,7 мм — плоскость. Предполагая, что при межэлектродном зазоре 0,04— 0,25 мм темновой ток обусловлен автоэлектронной эмиссией с одного выступа, они вычислили коэффициент усиления электрического поля на вершине этого выступа jli и радиус эмиттирующей части этой вершины (предполагая осевую симметрию выступа). Результаты такого вычисления, приведенные в
74
табл. 12, позволили представить изменение эмиттирующего выступа после тренировки электродов пробоями или кратковре менного интенсивного прогрева.
Таблица 12
Значения fx и радиуса эмиттирующей части вершины выступов на вольфрамовых электродах, вычисленные Беннеттом
Обработка и форма катода
Радиус, мкм
Сферический или плоский катод после механической обработки и обезгаживания в вакууме Сферический после пробоев
Сферический после прогрева до 2700° С в течение 10 сек при E — 0 Плоский после прогрева да 11OO0 С в течение 180 сек при E = О Плоский после пробоев
До 100—300
25 0,02
Il 0,26
16,5 0,013
20 0,01
В работе [П2] теоретически рассмотрен случай, когда на плоском катоде имеется до 100 эмиттирующих выступов с различными значениями |л и Аш. Расчет показал, что суммарная сила тока от этих выступов с большей точностью подчиняется уравнению автоэлектронной эмиссии (15). В этой же работе приведен расчет для 10 эмиттирующих выступов с произвольно выбранными значениями \i и Лэм в пределах р, = 70-М50 и Лэм= = 10~13-=-10-12 CM2. Оказалось, что значение ц, определенное по суммарной силе тока, близко >к значению для наиболее острого выступа, а определенная таким же образом площадь Лам больше максимального значения для отдельных выступов, но меньше суммы Лэм всех выступов. Это показывает, что оценки \i и Лэм по суммарной силе тока могут характеризовать наиболее острые выступы катодной поверхности. Такие сведения имеют большую практическую важность не только для определения темновых токов, но и для выяснения условий возникновения пробоя. Поэтому вполне закономерно, что в последнее время определение \х и Лам по вольт-амперным характеристикам темнового тока получило широкое распространение в работах по вакуумной электроизоляции.
Этот метод оценки рельефа поверхности оказался особенно полезным и удобным для характеристики изменения поверхности электродов при различных видах их обработки, тренировки и пр. Однако неправильно считать, что значения [і и Лэм, рассчитанные из вольт-амперных характеристик, всегда соответствуют значениям этих параметров для действительно имеющихся катодных выступов. Очевидно, совпадение действительных и расчетных значений jli и Лэм возможно, когда весь темновой ток состоит из ограниченного числа автоэлектронных пучков, эмит-
7&
тируемых выступами с близкими параметрами в чистых вакуумных условиях (постоянство Ф). В других случаях к расчетным величинам и Лэм следует относиться лишь как к удобным параметрам, характеризующим общее состояние поверхности. Чтобы убедиться в этом, достаточно подсчитать из данных табл. 6 значения Лэм для тренированных электродов из алюминия или тантала. Эти расчетные значения Лэм получаются
