Введение к работе
ЛІ'ЗЬЬ
Актуальность темы. Применение растровой электронной микроскопии и наносекундной техники, теоретичейкие работы по исследованию стабильности жидкой проводящей поверхности в сильных полях, привели к качественно новому пониманию значимости еб динамики в механизмах поддержания вакуумного пробоя, разряда и вакуумной дуги - процессов, играющих важнейшую роль в общей проблеме электрической прочности. В последние годы стало очевидным, что взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ) - один из основных механизмов, лежащий в основе этих явлений. Как самостоятельный вид эмиссии ВЭЭ выделена недавно [1], и до сих не имеет окончательной физической интерпретации. Экспериментальный факт состоит в том, что интенсивная эмиссия электронов возникает в результате взрывного перехода локальных микроскопических участков катода в плотную плазму при их перегрузке собственным автоэмиссионным током. Интенсивность процесса ВЭЭ на порядки превосходит интенсивность наиболее эффективных термокатодов. Этот факт стал основой того, что на базе ВЭЭ возникло новое направление сильноточной электроники, связанное с получением мощных электронных пучков. Недавно продемонстрировано ещё одно важное приложение ВЭЭ - она, как инициирующий процесс, может использоваться в технике генерации сильноточных ионных пучков, в т.ч. и ионов тяжелых элементов.
Несмотря на кратковременность единичного акта эмиссии (10^-10-8 с), процесс генерации электронов квазистационарен, вследствие постоянной регенерации эмиттирующих центров. Можно считать установленным, что ВЭЭ поддерживается за счет непрерывной регенерации и взрывов микроскопических центров на поверхности катода, на которых локализуется электрическое поле и выделение энергии [2,3]. Автоэлектронная эмиссия - один из наиболее вероятных и естественных процессов локализации энерговыделения в условиях сильных полей, характерных для ВЭЭ и вакуумного пробоя.
В книге [4, с. 277] соавторы открытия ВЭЭ изложили основы представлений о механизме этого явления, подчеркнув, что «за времена порядка нескольких наносекунд на поверхности расплавленного металла взорванного острия успевает сформироваться и частично разрушиться целый ряд субмикроскопических микровыступов», а формирующаяся при взрыве плотная катодная плазма поддерживает поле на поверхности катода, достаточное для выхода электронов эмиссии в результате АЭЭ. Образование таких микроструктур может быть связано как с действием большого газокинетического давления плазменного сгустка, сформировавшегося при взрыве и вытесняющего расплав на периферию с образованием кратеров, на краях которых часть жидкого металла вытягивается в виде струй [5], так и с вытягиванием микроострий электрическим полем двойного слоя катодной плазмы из расплавленной при первичном акте ВЭЭ поверхности эмиттера [6]. По-видимому, оба эти механизма имеют место на различных этапах эволюции поверхности катода. Вместе с тем, единственными матіжом^аблюдениядроцессов регенерации микроструктуры на поверхности катода при ВЭЭ.шо крайней мере,, в наносекунд-
! М J ,
ных режимах, является регистрация сохранившихся после взрыва следов на катоде. Все эти наблюдения фиксируют на поверхности эмиттера наличие жидкой фазы его материала, поэтому её роль в механизмах поддержании процесса ВЭЭ требовала дальнейшего экспериментального изучения и теоретического анализа.
Особый интерес представляют исследования полевых эмиссионных процессов в СВЧ полях. Это связано с возможностью создания эффективных электронных и ионных источников, размещаемых непосредственно в поле СВЧ резонатора. Если в статических полях взрывоэмис-сионные процессы достаточно хорошо изучены и, во многих режимах, предсказуемы, то в СВЧ полях такие исследования только начинаются. В то же время, особенности взаимодействия жидкой проводящей поверхности с ВЧ и СВЧ полями предсказывают возможность создания относительно низковольтных вакуумных СВЧ приборов, что принципиально важно для перспектив их использования, в т.ч. и в вакуумной микроэлектронике. Поэтому механизмы инициирования и поддержания автоэлектронной, автоионной и взрывной электронной эмиссии в этих условиях требуют интенсивных экспериментальных и теоретических исследований, тем более что они могут стимулировать новые приложения.
Цель работы: комплексное исследование полевых (автоэлектронных, автоионных и взрывных) эмиссионных процессов на твердотельных и жидкометаллическнх поверхностях в статических и СВЧ полях, выявление их взаимосвязи друг с другом, а также особенностей инициирования и поддержания этих процессов на поверхности материалов, находящихся в различных фазовых состояниях, построение и проверка существующих физических моделей, определяющих возможности практического использования полевых эмиттеров в различных электрофизических устройствах. В рамках этой общей цели решались следующие конкретные задачи:
-
Разработка методики и создание экспериментальной установки, позволяющей с наносе-кундным разрешением исследовать кинетику токов ВЭЭ в различных режимах её инициирования и поддержания. Методика должна обеспечить проведение адекватного сравнительного анализа результатов на эмиттерах из разных материалов, с различными физическими параметрами - твердотельных и жидких, тугоплавких и легкоплавких.
-
Исследование неустойчивых режимов ВЭЭ в наносекундном я микросекундном диапазонах длительностей импульсов на одинаковых и идентичных катодах, с целью уточнения механизмов, определяющих устойчивые и неустойчивые режимы эмиссии.
-
Разработка методики и экспериментальное исследование особенностей генерации ионных потоков, инициируемых процессом ВЭЭ в импульсных статических полях.
-
Разработка методики исследований и экспериментальное изучение взрывной эмиссии электронов и сопутствующих ей процессов в СВЧ поле. Построение механизмов её инициирования и поддержания в этих условиях.
-
Исследование энергетических характеристик
-
Исследование возможностей генерации и характеристик ионных пучков при возбуждении ВЭЭ в СВЧ поле.
-
Изучение новых возможностей применения взрывоэмнсснонных источников электронов в устройствах со статическими и СВЧ полями.
Экспериментальные исследования проводились с использованием как стандартного оборудования, так и специально разработанных установок. Для исследований в статических полях, была разработана методика и создана установка, позволяющая исследовать процессы инициирования и поддержания ВЭЭ в режиме импульсов напряжения произвольной полярности, с независимой плавной регулировкой амплитуды каждого, регулируемых по длительности и задержке между импульсами с наносекундной точностью. Как в статических, так и в СВЧ полях, использовались высоковакуумные камеры, представлявшие собой модифицированные проекторы Мюллера, что позволяло проводить измерения на одних и тех же объектах в широком диапазоне токов, как в автоэлектронных (автоионных), так и во взрывных режимах, с наблюдением соответствующих изображений поверхности эмиттера на люминесцентном экране - коллекторе пучка. Для исследований в СВЧ полях использовалась высоковакуумная камера, модифицированный проектор Мюллера, в которую был вмонтирован высокодобротный резонатор. В камере был предусмотрен высокотемпературный прогрев эмиттеров, возможность наложения импульсных магнитных и статических электрических полей. В качестве объектов исследований использовались эмиттеры с искусственно ограниченной эмиссионной поверхностью из различных металлов и сплавов, в т.ч. и жидкометаллические. Для изучения структурных особенностей поверхности эмиттеров до и после воздействий различных полей, использовалась растровая электронная микроскопия высокого разрешения.
Научная новизна исследований состоит в разработке оригинальных методик и получении ряда новых экспериментальных результатов, позволяющих обосновать модели инициирования и поддержания полевых эмиссионных процессов в статических и СВЧ полях, оценить их роль в механизмах поддержания взрывных эмиссионных процессов. Комплексное исследование процессов автоэлектронной, автоионной и взрывной эмиссии на жидкой проводящей поверхности в СВЧ поле выполнено впервые.
Выносимые на защиту результаты'.
1. Впервые проведено исследование механизмов инициирования и поддержания полевых процессов - автоэлектронной, автоионной и взрывной электронной эмиссии - на жидкой проводящей поверхности в СВЧ и ВЧ полях. Показано, что в СВЧ диапазоне, на поверхности проводящей жидкости формируется микрорельеф с коэффициентом усиления внешнего поля, достаточным для одновременной (на соответствующем полупериоде поля) генерации не только автоэлектронного, но и автоионного пучка. Экспериментально обоснованы механизмы инициирования и поддержания полевых эмиссионных процессов на жидкой проводящей поверхности в СВЧ и ВЧ полях.
-
Установлено, что ВЭЭ в СВЧ поле высокодобротного резонатора характеризуется возникновением отрицательной обратной связи взрывоэмиссионного процесса с полем резонатора, связанной с его индуктивной расстройкой внешним ореолом разлетающейся в зазоре докрити-ческой (п < Пхр) катодной плазмы. На легкоплавких и жидкометаллических эмиттерах возможна генерация пучка электронов, энергетический спектр которых на выходе из резонатора определяется пролетными эффектами в его зазоре и лежит в диапазоне (0,5-1,0). где Еш- максимальная энергия электронов на выходе из резонатора, а длительность импульса тока ограничена лишь тепловой устойчивостью конструкций катода в СВЧ поле.
-
Показано, что при ВЭЭ в СВЧ поле, наряду с электронным пучком, генерируется и поток ионов, энергии которых в (104-105) раз, превосходят значения их максимальной колебательной энергии, что обусловлено их ускорением в области высокого градиента СВЧ поля у поверхности эмиттера. Возникающий на внешней границе катодной плазмы квазипотешшальный СВЧ барьер, играя роль фильтра для ионов низкой энергии, одновременно препятствует переходу эмиссии к вакуумному пробою за счёт давления СВЧ поля на разлетающуюся плазму, что определяет, наряду с тепловой устойчивостью конструкции эмиттера в СВЧ поле, предельную длительность процесса.
-
Обнаружено явление резкой интенсификации ионной эмиссии в СВЧ поле, когда через определённое время задержки, зависящее от уровня входной СВЧ мощности, автоионная эмиссия взрывным образом выходит на новый уровень ионной эмиссии с токами, в 102 - 103 раз превышающими предыдущий.
-
С помощью последовательности двух независимо регулируемых наносекундных импульсов напряжения произвольной полярности, амплитуды, длительности и задержки между импульсами, реализована методика бесконтактного «зондирования» процесса ВЭЭ, использующая в качестве параметра наблюдения интенсивность возбуждения и реакцшо процесса ВЭЭ на предварительное возбуждение поверхности эмиттера импульсным электрическим полем. Показано, что всегда существует оптимальная временная задеркка, когда повторный отбор тока ВЭЭ приводит к его максимальному росту, причём, в режиме тока насыщения на первом импульсе, эффект усиления тока связан с увеличением скачка потенциала в катодном слое плазмы ВЭЭ, а в режиме тока ВЭЭ, ограниченного ПЗ - динамикой разлёта её эмиссионной границы.
-
Обнаружен самоподдерживающийся характер ионной эмиссии, инициируемой ВЭЭ, когда её функционирование связано не просто с расходованием ионного заряда катодной плазмы, предварительно созданной при взрыве, а эффективно поддерживается поставкой ионов с поверхности эмиттера. Исследованы эмиссионные характеристики процесса.
-
Исследованы режимы неустойчивых токов ВЭЭ. Предложены модели этих неустойчи-востей, связанные как с нагревом катодной плазмы эмиссионным током высокой плотности, увеличением кратности её ионизации и соответствующим увеличением эмиссионной способно-
ста, так и с распространением в ней ударных волн, возникающих при взрыве микровыступов, формирующихся при развитии апериодической неустойчивости на жидкой пленке расплавившейся поверхности эмиттера.
8. Эксперименты с предварительным возбуждением поверхности жидкометаллических катодов импульсным электрическим полем, анализ динамики развития неустойчивости жидкого металла в таких полях, сравнительный анализ кинетики тока ВЭЭ твердотельных и жидкометаллических эмиттеров и эксперименты по генерации ионных пучков, инициируемых ВЭЭ, показывают, что механизм поддержания процесса ВЭЭ .обусловлен образованием жидкой фазы его материала, динамикой еб развития и взаимодействия с сильным полем в катодном слое взрьшоэмиссионной плазмы.
Практическая ценность работы:
-
Результаты исследований ВЭЭ в СВЧ поле могут быть использованы при разработке мощных вакуумных приборов сверхвысоких частот, как с электростатическим управлением, так и с модуляцией эмиссии, т.е. в приборах, в которых эмиттер расположен непосредственно в поле СВЧ резонатора.
-
Результаты исследований автоэлектронной и автоионной эмиссии на жидкометаллических и легкоплавких эмиттерах могут быть использованы для разработки устройств вакуумной микроэлектроники, работающих в СВЧ полях.
-
Результаты исследований ионной эмиссии, инициируемой ВЭЭ в статических полях, могут использоваться при разработке импульсных сильноточных источников ионов практически любых элементов, в т.ч. и ионов тяжёлых металлов.
-
Исследования ВЭЭ в статических полях могут использоваться при разработке импульсных электронных источников, в частности, работающих в режиме высокой частоты следования импульсов.
-
Испытаны макеты импульсного рентгеновского источника мощного мягкого рентгеновского излучения с трубками прострельного типа на основе взрывоэмиссионных катодов; СВЧ пушка со взрывоэмиссионным катодом, расположенным непосредственно в СВЧ резонаторе, с магнитной фокусировкой пучка; шогоострийный взрывоэмиссионный катод в пушке Пирса сферического типа с электростатической фокусировкой пучка.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись в виде докладов на различных научных конференциях, в том числе:
Х111 (Париж, Франция, 1988), XIV (Санта_Фе, США, 1990), XV (Дармштадт, Германия, 1992), XVI (Москва, 1994), XVII (Беркли, США, 1996), XVIII (Эйндховен, Голландия, 1998), XX (Тур, Франция, 2002) - Международный симпозиум по разрядам и электрической изоляции в вакууме; ГХ (С. Петербург, 1996), XI (Эшвилл, США, 1998), XIII (Гуанчжоу, Китай, 2000) -Международная конференция по вакуумной микроэлектронике; II (Вроцлав, Польша, 1999) Международный симпозиум по вакуумной микроэлектронике; XXXXII (Висконсин, США 1995) - Международный симпозиум по полевой эмиссии; Е (Томск, 1980) - Всесоюзный симпо
знум по ненакаливаемым катодам; XVI (Махачкала, 1976), ХУШ (Москва, 1981), XX (Киев, 1987) - Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике; XIV (Гренобль, Франция, 1979), XV (Минск, 1981) -Международная конференция по явлениям в ионизованных газах; VI (Ленинград, 1983), VII (Ташкент, 1987) - Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы; V (Томск, 1984), VI (Томск, 1986), VII (Томок, 1988), V)H (Свердловск, 1990) - Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике; IV (Саратов, 2002) - Международная конференция по вакуумным источникам электронов; VI (Петербург, 2003) - Международный семинар «Фуллерены и Атомные кластеры».
Публикации. Материалы исследований, представленных в диссертации, изложены в 56 работах - статьях, опубликованных в реферируемых научных журналах и сборниках тезисов докладов научных конференций. Список основных публикаций по теме диссертации приведён в конце автореферата.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объём диссертации составляет 302 страницы, включая 125 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 225 наименований.
