Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Математическая модель эмиссионного центра и метод решения задачи для ЭВМ II
1.1. Математическая модель ЭЦ 11
1.2. Метод решения задачи на ЭВМ 15
Выводы 17
ГЛАВА II. Моделирование взрывоэмиссионных процессов в острийных катодах 18
2.1. Постановка задачи 18
2.2. Результаты моделирования процессов в острийных катодах при токе.линейно растущем со временем . 21
2.3. Результаты моделирования процессов в острийных катодах при постоянном токе 29
Выводы 34
ГЛАВА III. Моделирование взрывоэмиссионных процессов на плоском катоде 35
3.1. Состояние вопроса и цель работы .35
3.2. Основные результаты расчетов 39
3.3. Форма импульса тока и плотность тока в ЭЦ... 50
3.4. Энергетический баланс в ЭЦ 55
3.5. Процесс кратерообразования 57
3.6. Время жизни ЭЦ 69
3.7. Обсуждение механизмов эмиссии в ЭЦ 71
Выводы 75
ГЛАВА ІV.О механизме самоподдержания взрывной эмиссии.78
4.1. Современные представления о механизмах под держания разряда на катоде 78
4.2. Механизмы регенерации ЭЦ 81
Выводы 88
ГЛАВА V. О типах катодных пятен 89
5.1. Краткий обзор экспериментальных данных 89
5.2. Эффекты аккумуляции тепла в поверхностном слое катода 91
5.3. Переход пятна в новый режим.. 93
Выводы 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 98
ЛИТЕРАТУРА
- Математическая модель ЭЦ
- Результаты моделирования процессов в острийных катодах при токе.линейно растущем со временем
- Форма импульса тока и плотность тока в ЭЦ...
- Современные представления о механизмах под держания разряда на катоде
- Краткий обзор экспериментальных данных
Введение к работе
Открытие и изучение взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ) 11-5]привело к созданию целого ряда приборов и устройств, нашедших широкое применение в науке и технике. ВЭЭ является единственным известным на сегодня видом эмиссии,позволяющим получать большие (доЮ А) токи [6]. Взрывоэмиссионные катоды служат для получения сильноточных электронных пучков,используемых в экспериментах по коллективному ускорению ионов, для инициирования термоядерных реакций, для получения мощных импульсов СВЧ и рентгеновского излучения,для накачки газовых лазеров, в технологических целях - для отверждения лаковых покрытий, для получения полупроводниковых материалов [3,6-11). Взрывная эмиссия возникает вследствие концентрации энергии в микрообъеме катода, что приводит к взрывообразному испарению вещества катода, переходу его в плотную металлическую плазму. Этот процесс сопровождается интенсивной эмиссией электронов, причем ток эмиссии ограничен лишь внешними (по отношению к катоду) условиями f3J . Взрывной эмиссионный центр (ЭЦ) оставляет на катоде характерный елед-микрократер (см.рис.1),имеющий обычно размер ~10 см. Измеренная плотность тока при использовании острийных катодов составила более 10 k/evr fI2), в случае же ЭЦ на плоскости она была оценена снизу по размеру микрократеров и оказалась более 10 А/см^ [41.
Исследованиями последних лет установлена фундаментальная роль взрывной эмиссии в различных видах сильноточного разряда ВЭЭ ответственна за развитие вакуумного пробоя (2,3) ; показано,что процессы в быстроперемещающемся катодном пятне электрической дуги также имеют взрывоэмиссионную природу [3,13], [41 возникновение ЭЦ на катоде в тлеющем газовом разряде являє!
Гмкм
Fmkmі t
Рисі. Кратеры на поверхности медного катода, возникшие после одного импульса тока ВЭЭ: а) і = 20 не; б) t 5 мкс [4]. ся причиной перехода такого разряда в дугу [31 . Наконец,следы ЭЦ обнаружены на поверхности металлов,контактирующих с плазмой, в результате функционирования униполярных дуг [14-16]. Такие дуги возникают,в частности, на внутренних стенках тока-маков и служат одним из существенных препятствий в экспериментах по нагреву плазмы до термоядерных температур, поскольку происходит эрозия стенок и засорение плазмы токамака продук -тами этой эрозии. Полагают, что катодные пятна вакуумной и униполярной дуги имеют общую природу, поэтому при анализе процессов в униполярных дугах (интерес к которым в последнее время особенно возрос) пользуются данными, полученными ранее в экспериментах с "обычными" вакуумными дугами [14-16] .
Экспериментальное изучение взрывной эмиссии проводилось, в основном, по двум направлениям: исследовались закономерности эрозии катода при ВЭЭ, формирование микрорельефа его поверхности [17-221 и свойства плазмы катодного факела [23-251. В качестве катода обычно служили специально приготовленные острия. Основные результаты этих работ заключаются в следующем. Скорость движения границы фронта разрушения острия в первые нано-секунды составляет ~10 см/с, т.е. сравнима со скоростью звука в металле [41. ЭЦ, возникающий на вершине острия, существуем ет непродолжительное время (""10 с), затем исчезает, появляется вновь на боковой поверхности, т.е. происходит подхват разряда на новом месте 119]. Особенно рельефно этот процесс наблюдается на массивном катоде, когда с увеличением длительности импульса увеличивается размер эрозионной зоны, причем, это происходит за счет увеличения числа микрократеров Г4І. Микрократер образуется в результате плавления металла и выталкивания его из лунки, при этом с катода летит большое число микрокапель, ~10 штук на кулон [26].
Изучение плазмы Ш показало, что в состав факела входят ионы различной кратности, а расширение плазмы Ш в вакуум про-исходит с характерной скоростью ~2»10 см/с. Именно сравнение данных по скорости разлета плазмы Шию скорости разлета плазмы катодного пятна дуги позволило впервые высказать мысль о взрывной природе процессов в катодном пятне [1,271 Впоследствии новые экспериментальные данные подтвердили это предпо -ложение [13,41. Работы по изучению эрозионных следов, остав -ляемых катодным.пятном вакуумной дуги [28,29], также, по сути дела, однозначно показали, что в основе пятна лежит функ -ционирование взрывных эмиссионных центров. В силу этого многочисленные данные, полученные ранее при изучении катодных пятен, можно использовать для анализа процессов в ЭЦ. В этой связи следует отметить работы 130-32], в которых проведены измерения плазмы катодного пятна; весьма детально исследована капельная фракция эрозии катода [33-38]; в работах [39-40J изучалась эмиссия ионов из пятна, а в [41] - эмиссия нейтралов. Много работ посвящено движению катодного пятна, особенно в присутствии внешнего магнитного поля [42-45]. Очевидно, что движение пятна отражает закономерности образования ЭЦ.
Таким образом, существует большой набор данных, отражающих свойства эмиссионного центра. Тем не менее процесс функционирования ЭЦ еще плохо понят.
Процесс эрозии острий удалось хорошо объяснить джоулевой моделью [19], в которой предполагается разогрев и разрушение острия собственным эмиссионным током, а теплоотводом пренебре-гается. Однако при возникновении ЭЦ на плоскости эта модель становится неприменимой из-за повышения роли теплоотвода [13] . Кроме того, оставалась неясной относительная роль в энергобалансе ионной бомбардировки поверхности.
Джоулева модель оказалась также слишком груба для оценки температуры в ЭЦ, поэтому она ничего не говорила относительно механизмов эмиссии.
К анализу процессов в ЭЦ обращались также авторы работ Й6-481 . В [46] использовалась чисто джоулева модель; в (47,48] джоулев нагрев вообще отвергался, а источником энерговыделения считалась ионная бомбардировка катода.
К моменту постановки данной работы оставались также неясными вопросы о том, чем объяснить постоянное перемещение центра, чем определяется время существования его на одном месте, каков механизм эрозии катода и ряд других.
Для того, чтобы попытаться ответить на эти и другие вопросы, было предпринято численное моделирование процессов в ЭЦ. Такой подход позволяет учесть одновременно многие явления, определяющие функционирование ЭЦ, а именно: процессы энерговыделения, теплоотвода, эмиссии, эрозии, движения фазовых границ. Кроме того, оказывается возможным выявить относительную роль того или иного фактора.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе представлена математическая модель процессов в ЭЦ и описан метод решения системы уравнений, составляю -щих эту модель, на ЭВМ.
Во второй главе представлены результаты численного моделирования для острийных катодов. Эти результаты интересны не только тем, что дают возможность провести сравнение с экспериментальными работами, в которых использовались специально приготовленные модельные острия. На реальной поверхности всегда присутствуют микроострия, при определенных условиях они могут играть определяющую роль в развитии разряда.
В третьей главе излагаются результаты численного моделирования для ЭЦ на плоскости. Это соответствует случаю, когда размеры ЭЦ становятся больше размеров поверхностных неодноро-дностей, и эрозия развивается на массивном катоде.
Одним из основных результатов численного моделирования является конечность времени жизни ЭЦ. Причина наблюдаемой цикличности на катоде является следствием именно этого свойства ЭЦ. Поэтому возникает необходимость объяснить, как возникает новый ЭЦ после гибели старого. В четвертой главе рассматривается механизм самоподдержания взрывной эмиссии.
Наконец, в пятой главе, исходя из представлений о ка -тодном пятне как о цикличном взрывоэмиссионном процессе,объясняются некоторые наблюдаемые явления, присущие пятну: колебания яркости и размеры светящейся области. Объяснен переход пятна в новый режим ( в так наз. пятно "второго типа").
Основные результаты настоящей работы докладывались на ІУ и У Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике (Новосибирск 1982 г., 1984 г.), на X и XI Международных симпозиумах по разрядам и электрической изоляции в вакууме (Колумбия, США, 1982 г.; Берлин, 1984 г.), на УІ Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Ленинград, 1983 г.) и на XIX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Таш -кент, 1984 г.), опубликованы в трудах этих конференций и симпозиумов и в центральной печати [49-571 .
На защиту выносятся следующие положения:
I. Процессы эрозии и эмиссии в ЭЦ определяются интенсивным выделением джоулева тепла и носят существенно нестационарный взрывообразный характер. Вклад в энергобаланс ионной бомбардировки поверхности несущественен.
Взрывоэмиссионный процесс на катоде имеет циклический характер. Природа цикличности заключена в ограниченном времени жизни отдельного ЭЦ. Это время зависит от тока и лежит в интервале 10-10 с.
В зоне ЭЦ достигаются высокие температуры (-10 К), что обеспечивает эмиссионную способность катода, необходимую для прохождения отбираемого тока.
Механизм самоподцержания ВЭЭ на чистой поверхности связан с разбрызгиванием металла в ЭЦ. Возникновение нового центра происходит благодаря взрыву перетяжки между отрывающейся каплей и поверхностью тепловым током электронов из плазмы, замыкающимся на каплю. С уменьшением тока дуги на передний план выходит непосредственный разогрев микровыступов на катоде электронной бомбардировкой из прикатодной плазмы.
Наблюдаемые колебания яркости катодного пятна с периодом ~Ю -10 с объясняются эффектами аккумуляции тепла в поверхностном слое и эффектами хаотического перемещения пятна.
Процессы в катодных пятнах "второго типа" могут во многих реальных случаях носить нестационарный характер. Время существования таких пятен на одном месте пропорционально квадрату их размера.
Математическая модель ЭЦ
Геометрия ЭЦ апроксимировалась в случае острийных катодов - усеченным шаровым конусом, а на массивном катоде - лункой на плоскости (рис.2). Такое представление одной стороны, сильно упрощает задачу - использование сферической симметрии позволяет обойтись одномерным приближением. С другой стороны, такая геометрия ЭЦ достаточно хорошо отражает реальную ситуацию. Для острийных катодов выбор подобной формы ЭЦ очевиден,а для ЭЦ на плоскости о сферической симметрии процессов свиде -тельствует вид следов ЭЦ-микрократеров (рис.1),имеющих форму, близкую к лунке. Система уравнений для катода, используемая здесь, предложена в общем виде в [581 . В нашем случае она запишется следующим образом:
Здесь обозначено: p - плотность материала катода; С - удельная теплоемкость; J « коэффициент теплопроводности; i ток, переносимый через ЗЦ на катоде; j » L/27lR0 ff-COd0)
- плотность электронного тока на поверхности; Се=Як2Г/г - электронная теплоемкость; Л - постоянная Больцмана; F - энергия Ферми; JL - плотность ионного тока на поверхности; Сі - энергия, приносимая током на поверхность катода;е - аб солютная величина заряда электрона; se = ,7" - удельное сопротивление катода; Т0 - начальная температура; finA , упл , Епл - радиус, скорость, удельная теплота плавления; R0 , Vac/» V/ - радиус, скорость, удельная теплота испарения; Vjg
- скорость звука (поперечная) в металле; /77 - масса атома ка тода; ф - работа выхода катода; % - табличная работа вы хода (в вакуум); Af-\leiE - снижение работы выхода за счет эффекта Шоттки [601 ; А - постоянная в формуле термоэмиссии
Ричардсона [60]; индексы /г и / указывают на граничные ус ловия в месте раздела твердой и жидкой фаз; / - заданная амплитуда тока; /7 - концентрация металлического пара у поверхности катода, А/ - концентрация атомов в металле. Разогрев катода проходящим эмиссионным током описывается уравнением (I.I). Уравнения (1.2) определяют условия на границе фазово -го перехода металл-жидкость, а уравнение (1.3) - скорость фронта испарения. Предполагается, что зона испарения и зона эмиссии совпадают и определяются поверхностью лунки с радиу -сом R0 (см.рис.2). Граничное условие (1.4) для уравнения (I.I) представляет собой баланс энергии на поверхности ЭЦ, в котором учтены потоки энергии, переносимые испаряющимися атомами, эмиттированными электронами, ионами, идущими из плазмы к поверхности. Поток энергии, переносимый за счет излучения, пренебрежимо мал и в (1.4) не учитывается.
Эмиссионная способность разогретой поверхности ЭЦ и величина отбираемого с катода тока в общем случае не обязательно соответствуют друг другу. В том случае, если эмиссионная способность центра больше величины отбираемого тока, необходимо предполагать существование у поверхности виртуального катода, отбрасывающего назад "лишние" электроны, - это равносильно повышению работы выхода для электронов. Формулы (1.5) и (І.б)от-ражают это положение. Если эмиссионная способность высока, то величина тока определяется задаваемым амплитудным значением /, а работа выхода ф вычисляется из уравнения Ричардсона.Если же эмиссионная способность катода становится недостаточной для обеспечения тока / , ток вычисляется по формулам термоавто-эмисиии, а работа выхода считается с учетом эффекта Шоттки. Электрическое поле у поверхности вычисляется в этом случае по формуле Маккоуна f59j:
Результаты моделирования процессов в острийных катодах при токе.линейно растущем со временем
В таблице I приведены основные результаты расчетов для острийных катодов из молибдена: удельная эрозия у ,радиус эмиссионной зоны э л tf0 jlft О , плотность тока ВЭЭ j , толщина расплавленного слоя A RHA- Rn RO И скорость фронта испарения Уисп в зависимости от длительности импульса тока и угла острия. Скорость роста тока составляла 10 А/с. На рис.4 дана рассчитанная зависимость массы М ,унесенной с вершины катода, от угла 2 в и длительности импульса. Здесь же приведены экспериментальные кривые из работы [19]. На рис. 5 приведены распределения температуры в теле катода в различные моменты при начальном радиусе RB = 2 мкм ( Рэ z 0,35мкм), 29 2о и di/dt = Ю9 А/с.
Из этих результатов можно сделать следующие выводы. Катод в течение времени порядка 10 с разогревается до темпе-ратур в несколько десятков тысяч градусов. Столь высокие температуры способны с избытком обеспечить отбираемый с острия ток, поэтому в данной модели приходится предполагать наличие у поверхности эмиссии виртуального катода, отбрасывающего назад лишние электроны, - это равносильно повышению работы выхода катода.
Из рис.5 следует,что температура поверхности катода может быть ниже, чем в глубине металла. Это обусловлено электронным охлаждением поверхности, а также охлаждением за счет испарения атомов.
Вопрос о роли бомбардировки поверхности острия ионами прикатодной плазмы в общем энергобалансе в литературе не обсуждался, поскольку процесс эрозии острий удалось объяснить лишь выделением джоулева тепла. В наших численных расчетах мы "включали" ионную бомбардировку поверхности, чтобы выявить ее относительную роль. Оказалось, что ионная бомбардировка не оказывает заметного влияния на температуру катода. Это объясняется тем, что возможный ионный ток на поверхность (оцененный сверху, то есть в формуле (1.8), / в I) оказывается меньше электронного, а энергия, которую ион может передать поверхности (если даже принять, как это обычно полагают [42, 59, 64], что ион набирает энергию, соответствующую всему прикатодному падению потенциала, то есть iL 10 эВ), сравнима с той, которую уносит эмиттированный электрон (работа выхода электрона с учетом виртуального катода оказывается равной 5 - 10 эВ), так что ионная бомбардировка может в лучшем случае скомпенсировать эмиссионное охлаждение. Однако,благодаря высокой температуре поверхности скорость испарения катода, в соответствии с формулой (1.3) составляет 10 - 10 см/с, а концентрация продуктов испарения вблизи катода, оцененная 22. 3 по формуле (1.7), меняется за время импульса от 10 см до (3-5)»10 см . При такой концентрации вещества и температуре в несколько десятков тысяч градусов энергия взаимодействия частиц больше их кинетической энергии, поэтому трудно предположить существование свободных ионов непосред -ственно вблизи эмиссионной зоны. В рассматриваемом случае, видимо, ионный ток на поверхность отсутствует.
Как уже отмечалось, мы предположили существование виртуального катода у эмиссионной поверхности. В нашей задаче это влияет лишь на электронное охлаждение поверхности ( т входит только в уравнение (1.4)). В связи с тем, что наличие четкой эмиссионной поверхности в условиях ВЭЭ может вызвать сомнения из-за наличия плотной среды у като -да, было исследовано, как влияет неопределенность в потоке энергии через вершину острия на процессы эрозии и эмиссии. Если имеется четкая эмиссионная поверхность, то максимальный поток энергии через поверхность будет равен /с Т+ W (поток энергии за счет испарения пренебрежимо мал; поток энергии за счет возможной ионной бомбардировки не учи -тываем, чтобы получить оценку сверху ) . Если же имеется монотонный переход металл-плазма, то понятие эмиссионной поверхности, предполагаемое в нашей модели, имеет условный смысл; в этом случае поток энергии через эту поверх -ность можно принять для наших оценок равным нулю.
Форма импульса тока и плотность тока в ЭЦ
Плотность тока в ЭЦ вычисляется следующим образом: то есть она определяется проходящим током і (і )(максимальная величина которого определяется внешними по отношению к катоду условиями) и размером эмиссионной зоны. В то же время эмиссионная способность ЭЦ должна обеспечить эту плотность тока.Оказалось, что такая самосогласованная ситуация возможна только в том случае, если скорость роста тока di /cfi будет больше некоторой величины di /diKP. Например, при начальном /?0 10 см получается для меди di /di lO А/с, для молибдена 6 10 А/с, для вольфрама 4 10 А/с. При меньшей скорости роста тока процессы эрозии и эмиссии не разовьются (температура поверхности будет недостаточна для обеспечения эмиссии). Из этого мы делаем вывод о том, что в ЭЦ на плоскости di /cfi достаточно велика.
Аналитическую оценку для di /diKP можно получить из следующих соображений, Предположим, что di / сИкр определяется тем условием, чтобы теплопроводность не успевала отводить выделяющееся тепло в пределах радиуса R0 , то есть чтобы фронт разрушения, вычисленный по джоулевой модели, опередил распространение тепла на характерное расстояние Ro (начальный радиус ЭЦ). Это условие запишется следующим образом: расчетом вполне удовлетворительное для такой грубой оценки. Можно сделать поэтому вывод о том, что необходимость высокой скорости роста тока в ЭЦ определяется требованием "обогнать" т теплоотвод.
Как было показано ранее (см. Гл.П), на остриях di /dtKfi заметно меньше, чем на плоскости, и, если ЭЦ начинает свое развитие на острие, то требования на с/с /dtKP снижаются.
Поскольку нам неизвестна реальная величина di /dt в ЭЦ (на осциллограммах тока видна лишь огибающая импульсов тока многих ЭЦ), а известна лишь нижняя возможная граница, было проведено варьирование dl /dt от di /dtKp и выше. Оказалось, что неопределенность в di /dt в этих пределах не влияет заметным образом на результаты расчетов.
В конце функционирования ЭЦ, когда поверхность остывает и падает эмиссионная способность, ток, определяемый по формулам термоавтоэмиссии, уменьшается от амплитудного значения со скоростью ЮП-1010 А/с.
Получается, что и фронт импульса тока ЭЦ, и участок спада тока много короче длительности всего импульса (ем.табл.4, 5), поэтому, если величина тока ограничена сверху, импульс тока имеет форму, близкую к прямоугольной (см.рис.10).
Плотность тока ЭЦ к моменту начала спада тока приведена в табл. 4,5, а на рис.11 показана зависимость j (t ) для медного катода (определенная в соответствии с формулой (3.2)). Видно, что плотность тока на момент гибели ЭЦ составляет, как правило, 10-10 А/см , а в процессе функционирования ЭЦ она еще выше.
Современные представления о механизмах под держания разряда на катоде
В предыдущей главе показано, что ограниченное время жизни отдельного ЭЦ является его фундаментальным свойством.Перемещение катодного пятна (то есть отмирание старых и возникновение новых центров эмиссии) может являться в конечном итоге следствием именно конечного времени жизни единичного центра. В этой связи на передний план выдвигается вопрос о механизме образования нового центра вместо старого. Понимание такого механизма позволит построить модель взрывоэмиссионного цикла на катоде. То, что процессы на катоде при взрывной эмиссии носят циклический характер, наблюдалось и ранее. В первую очередь об этом свидетельствует характер эрозионных следов на катоде, особенно в чистых условиях, когда наблюдается последовательное наложение микрократеров, говорящее о последова -тельном возникновении и отмирании ЭЦ [70,681 . О цикличности свидетельствует и прерывистый характер свечения на катоде с периодом 10 с[4)»а также неустранимые колебания напряжения и тока дугового разряда [42]. Однако ранее природа такой цикличности была неясна.Так,в [46] предполагалось, что гибель и рождение эмиссионных центров носит независимый характер.Такой взгляд отражает ситуацию, когда на катоде имеются неметаллические включения, являющиеся местами возникновения ЭЦ. Однако, как показывают эксперименты [66,70] , удаление таких включений с катода вовсе не ведет к исчезновению разряда, хотя и затрудняет образование ЭЦ. Это приводит к тому, что на катоде в каждый момент времени существует минимально возможное количество центров (в [68] - один), а между новыми и старыми центрами обнаруживается явная причинная связь, выражающаяся в наложении кратеров. Авторы [47,481 считают, что образование нового ЭЦ происходит, как только для этого создаются подходящие условия. В результате перехвата тока разряда новым ЭЦ старый гибнет. Однако результаты наших расчетов, показавших конечное время существования центра и совпадение этого времени с экспериментально наблюдаемым позволяют предположить, что природа цикличности ВЭЭ заключается именно в этом свойстве ЭЦ. Необходимость продолжения разряда требует появления нового центра.Возникновение ЭЦ происходит,видимо, вследствие гибели старого и в результате взаимодействия плазмы старого центра с поверхностью.
Впервые стимулирующее влияние плазмы на возникновение ЭЦ было показано прямыми экспериментами в работе [65]. В работах [85] были проведены более детальные эксперименты по взаимодействию плазмы с поверхностью. Результаты этих работ говорят о том, что возникновение новых ЭЦ существенно зависит от состояния поверхности. На катоде, покрытом диэлектрическими включениями, возникновение ЭЦ сильно облегчено (по сравнению с чистой поверхностью) , новые центры возникают на некотором удалении от старых. Механизм образования ЭЦ в таких условиях вполне объясняется зарядкой и пробоем диэлектрических включений на катоде током заряженных частиц из плазмы 158] . Облегченное возникновение эмиссионных центров на катоде в техническом ("масляном") вакууме, когда на поверхности металла неизбежно образуется масляная пленка, неоднократно наблюдалось ранее при изучении вакуумного пробоя [69,86,87,88] , а также в более поздних работах при изучении униполярных дуг \I6l .
Краткий обзор экспериментальных данных
Многочисленные экспериментальные данные показали, что процессы в быстроперемещающемся катодном пятне дуги имеют взры-воэмиссионную природу [13], а результаты последних лет (в том числе и изложенные в данной диссертации) позволили установить факт цикличности взрывной эмиссии на катоде и объяснить природу этой цикличности [53,92]. В настоящее время можно считать установленным, что в основе дугового разряда лежит периодическое функционирование взрывных эмиссионных центров. ЭЦ возникает на катоде, существует некоторое время, затем исчезает; в результате взаимодействия плазмы с поверхностью появляется новый ЭЦ и т.д. Быстроперемещающееся катодное пятно является отражением взрывоэмиссионных процессов.
В то же время функционирование ЭЦ в катодном пятне, существующем продолжительное время, приводит к ряду эффектов,не наблюдаемых в относительно коротких ( 10 с) разрядах. Это, прежде всего, периодические колебания яркости пятна, деление пятна, гибель пятна в одном месте и возникновение его в другом [68, 94-97]. Характерный период этих явлений - 10 - 10 с. Кроме того, помимо ярких фрагментов пятна, которые можно идентифицировать с эмиссионными центрами, наблюдается относительно слабое свечение некоторой окрестности вокруг этих фрагментов [96] . Подобные явления дали повод авторам [43,59] полагать, что процессы на катоде при импульсных наносекундных разрядах и в катодном пятне дуги имеют различную природу. При этом характерное время для катодного пятна принимается равным периоду колебаний яркости, а размер пятна ( то есть размер эмиссионной зоны) определяется по размеру светящейся области на катоде.
Таким образом, возникает необходимость объяснить природу упомянутых выше эффектов, исходя из наших представлений о пятне.
Помимо быстроперемещающегося катодного пятна в литера -туре описаны пятна иного типа - относительно более медленные (97-1031. Основные их отличия от быстрых пятен состоят в следующем: скорость движения медленных пятен меньше скорости распространения тепла в теле катода [103]; такие пятна не об-ныруживают "обратного движения" в магнитном поле [ЮЗ] ; след, оставляемый пятном на катоде, заметно превосходит по размерам следы ЭЦ и достигает 0,1 см [94], его размеры соответствуют оптическим размерам пятна. Медленные пятна появляются только при достаточно большом токе и на тех местах катода,где уже функционировали быстрые пятна [97, 98,103], на тугоплавких металлах (на вольфраме) в вакууме медленные пятна вообще не появляются [103] . Следуя установившейся терминологии [98j , будем называть здесь быстрые пятна пятнами "первого типа", медленные - пятнами "второго типа". Неоднократно отмечалось, что переход пятна во "второй тип" легче происходит при ограничении подвижности пятна [103,104]. Подвижность пятна уменьшается на поверхности, очищенной разрядом от посторонних включений - это способствует переходу пятна в новый режим? Однако простое замедление движения пятна на чистой поверхности еще не означает перехода его в новый тип, как это иногда ошибочно полагают [68,89]
