Электроизоляция и разряд в вакууме - Сливков И.Н.
Скачать (прямая ссылка):
ляется при пониженной работе выхода, когда напряженность у эмиттирующего острия ниже (при данной плотности автоэлект-
Рис. 44. Критические значения плотности тока автоэлектронной эмиссии от конусообразного вольфрамового острия при разных полных углах раствора конуса: заштрихованная область — расчет;
точки — экспериментальные данные.
* В работе [219] рассчитан на ЭВМ джоулев нагрев эмиттирующего выступа в виде тонкого относительно высокого выступа на плоском катоде. Этот расчет показал, что из-за возрастания электросопротивления с температурой при постепенном подъеме тока температура вершины выступа увеличивается плавно только до определенного критического значения Дальнейшее небольшое увеличение тока приводит к неограниченному скачку температуры, и выступ при этом должен расплавиться Критическое значение температуры для вольфрама составляет всего несколько сот градусов (при комнатной температуре электродов). При высоте вольфрамового выступа 1 мкм и fx=100 скачок происходит при силе тока примерно 0,3 ма
142
ронного тока) и, следовательно, относительная роль объемного Наряда больше. В то же время обнаруженная приостановка роста тока перед самым пробоем частично противоречит предположению Дайка и др. [212—214], что пробой вызывается лавинообразным нарастанием автоэлектронного тока (превращением era в термоавтоэлектронный) при прогрессирующем нагреве
Рис. 45. Самопроизвольное возрастание тока во времени при нескольких прямоугольных импульсах напряжения с возрастающей от импульса к импульсу (1, 2, 6) амплитудой: тн — момент
насыщения тока, d — кривая нарастания тока в
момент пробоя.
эмиттирующего острия, хотя сам факт сильного разогрева острия перед пробоем неоспорим и подтвержден многими исследованиями.
В связи с таким затруднением в объяснении перехода к пробою Г. Н. Фурсеем и И. Л. Сокольской было высказано предположение, что непосредственный переход к дуге может быть связан с процессом, аналогичным электрическому взрыву тонких проволок [220. 221]. Вообще говоря, такой взрыв неизбежен. Если он не происходит в начальной стадии, пока плотность тока не велика и острие не расплавилось, то неизбежен в процессе пробоя, когда ток возрастает на 2—3 порядка за время меньше IO-8 сек, а плотность тока достигает значений IO12— IO11 а/м2, если считать неизменной площадь эмиттирующей поверхности. Образующееся в результате взрыва расширяющееся плотное облако ионизованных паров создает на раскаленной поверхности катода условия, аналогичные условиям в катодных
143
пятнах дугового разряда [222]. При этом в результате расширения образовавшегося облака во все стороны сильно увеличи] ваются и размеры той части поверхности катода, которая эмит-тирует электроны, что способствует дальнейшему увеличению OD-щего тока разряда. Более подробно этот процесс описан в гл./7.
Два обстоятельства способствуют взрыву острия. Во-первых, на вершину острия, где особенно велика напряженность электрического поля, действуют значительные электростатические силы (около 1000 кг/см2). Из-за ослабления механической прочности при высокой температуре и малых размерах острия эти растягивающие силы приводят к значительному изменению геометрии острия за время, меньшее 10~7 сек. Во-вторых, благодаря калориметрическому эффекту Ноттингама температура эмиттирующей поверхности оказывается ниже, чем температура внутри острия. Возникающие при этом значительные механические силы, вызванные тепловым расширением, способны взорвать острие и привести к образованию быстро расширяющихся ионизованных паров так же, как это происходит при электрическом взрыве тонких проводников.
Калориметрический эффект Ноттингама, о котором упоминалось выше, заключается в выделении или поглощении тепла при автоэлектронной эмиссии непосредственно на эмиттирующей поверхности. Этот эффект вызван разницей между энергией эмиттируемого электрона и энергией электрона, проходящего па его место в острие из внешней электрической цепи. Это явление аналогично известному охлаждению эмиттера (электронов) при термоэлектронной эмиссии. Ho так как при автоэлектронной эмиссии электроны покидают эмиттер сквозь потенциальный барьер на границе металл — вакуум при энергии как выше, так и ниже уровня Ферми, то в зависимости от конкретных условий может происходить как нагрев, так и охлаждение эмиттера. Если температура автоэлектронного эмиттера невысока, то электроны с энергией выше уровня Ферми практически отсутствуют и средняя энергия эмиттируемых электронов на 0,1— 0,3 эв ниже уровня Ферми. На освободившееся место эмитти-рованных электронов переходят электроны с уровня Ферми, что и приводит к выделению энергии в месте эмиссии электрона
По мере увеличения температуры эмиттера увеличивается относительное число электронов, находящихся над уровнем Ферми, и эмиссия их сквозь потенциальный барьер приводит к повышению средней энергии эмиттируемых электронов. При температуре эмиттера выше 900—1800° С (в зависимости от материала эмиттера) эта энергия становится больше, чем соответствующая уровню Ферми, что приводит к поглощению тепла
