Критическая мощная электронная эмиссия из диэлектрика, индуцированная инжекцией плотного наносекундного пучка электронов Твердохлебов, Сергей Иванович

Введение к работе

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию явления ощной критической электронной эмиссии из диэлектрика, индуцирован-зй инжекцией плотного электронного пучка наносекундной длительно-:и.

Актуальность темы. Современные источники радиационного воздей-:вия можно разделить на три класса по их мощности [1]: слабые, умерен-ле и мощные, сверхмощные. К первым относятся реакторы, изотопные ;точники, микротроны, бетатроны, электронные и ионные ускорители, 5еспечивающие плотность тока не более 0,1 А/см². Вторые — лазеры и ільноточньїе ускорители с плотностью тока 10^_1-г10⁴ А/см². Третьи — ?ерхмощные лазеры и ускорители с плотностью тока до 10⁷ А/см². Со-гветственно, радиационная физика твердого тела часто подразделяется і три области: 1) слабых радиационных воздействий с мощностью до-.1 до 10⁷ Вт/кг; 2) умеренных и мощных; 3) сверхмощных радиационных «действий с мощностью дозы больше 10¹⁶ Вт/кг.

При слабых радиационных воздействиях происходит создание и накоп-эние точечных дефектов, которые приводят к постепенной деструкции атериала. Основным видом электронной эмиссии является вторичная, ри мощном радиационном воздействии твердое тело ведет себя иначе. На-іюдается ряд катастрофических процессов типа неравновесных фазовых эреходов: хрупкий раскол, пробой, неравновесное плавление и кипение, ощная эмиссия. Наиболее интенсивно эта область физики твердого тела :ала развиваться после создания в 60-х годах сильноточных электронных жорителей. Основными составляющими воздействия плотных электрон-ых пучков, получаемых с помощью этих ускорителей, является: 1) вы-жий уровень и плотность ионизации; 2) высокий уровень электронно-арочной (ЭД) плазмы; 3) сильные электрические поля, создаваемые в ззультате прохождения и поглощения пучка; 4) высокий уровень мощно-ги, отдаваемой решетке, и высокие скорости нагрева; 5) сильные механи-эские поля.

Исследования воздействия плотных электронных пучков наносекунд-эй длительности на диэлектрики проводятся в лабораториях нелинейной изики Томского политехнического университета и Института сильноточ-эй электроники СО РАН начиная с 1970 г. Исследованы следующие фи-іческие явления: генерация акустических импульсных продольных и из-ібньїх волн, хрупкое разрушение диэлектрических кристаллов и стекол, іутризонная радиолюминесценция диэлектриков, высокоэнергетическая

проводимость и критическая мощная электронная эмиссия из диэлектриков, многоканальный электрический пробой. Подробный обзор открытых явлений и экспериментальных результатов, полученных до 1980 г., дан в монографии [2]. Настоящая работа является продолжением этих исследований.

Критическая мощная электронная эмиссия из диэлектрика была обнаружена в нашей лаборатории случайно, когда в ионных диэлектриках велись поиски явления, подобного келдышевкой конденсации электронов в полупроводниках. Ожидалось, что плотная электронно-дырочная плазма 10¹⁶-=-10¹⁸ см^-3 теряет устойчивость против экранированного кулоновского притяжения и сжижается в сверхплотные сгустки — конденсат Френкеля

с равновесной плотностью порядка 10²² см^-3. Одним из проявлений могло быть резкое уменьшение числа свободных носителей и соответственно электронно-дырочной проводимости. В первых экспериментах измеряли заряд, протекающий через пластинку диэлектрика под действием внешнего напряжения в результате импульса облучения плотным электронным пучком наносекундной длительности, источником которого служил нано-секундный ускоритель электронов ГИН-600 [2]. Постепенно увеличивая плотность тока пучка, ожидали, что при некоторой критической амплитуде импульса облучения произойдет резкое уменьшение величины протекшего через диэлектрик заряда. Такие спады были действительно обнаружены. Однако они оказались следствием совершенно другого явления

мощной критической эмиссии электронов с поверхности диэлектрика, которая существенно изменяет баланс зарядов [3, 4] и приводит к выбросу ионно-электронной плазмы в вакуумный промежуток, вакуумному разряду между диэлектриком и металлическим анодом, объемному пробою диэлектрика.

Это явление представляет большую опасность для изоляционных материалов, которые подвергаются облучению плотным электронным пучком. С другой стороны, оно таит в себе потенциальные возможности практического применения.

Первые экспериментальные исследования этого явления проводились с использованием гальванометрической схемы измерений, которая дает информацию только о порогах эмиссии и не позволяет проследить за последовательностью и развитием процессов во времени [3, 4].

Цель работы — исследование временных характеристик мощной критической электронной эмиссии из диэлектрика, индуцированной импульсным облучением плотным электронным пучком наносекундной длитель-

:ости.

Конкретные задачи работы

1. Разработать методику исследования мощной критической электрон-[ой эмиссии из диэлектрика, индуцированной инжекцией импульсного плотного электронного пучка.

2. Создать экспериментальную установку, позволяющую за короткое ремя вносить в диэлектрик критическую плотность заряда и определять арактеристики эмиссии.

3. Исследовать собственные характеристики мощной критической элек-ронной эмиссии из диэлектрика, индуцированной инжекцией плотного лектронного пучка наносекундной длительности.

4. Качественно описать процессы, приводящие к мощной критической лектронной эмиссии из диэлектрика, индуцированной инжекцией плот-ого электронного пучка наносекундной длительности.

Научпая новизна

5. Впервые выполнено экспериментальное исследование собственных ременных характеристик мощной критической электронной эмиссии ди-лектрика, индуцированной инжекцией плотного электронного пучка.

6. Обнаружено, что мощная критическая эмиссия реализуется в форме [оноимпульса длительностью 2 - 10 не, причем токи эмиссии и инжекти-ованного пучка одного порядка. Коэффициент эмиссии (отношение эмитированного заряда к инжектированному) 0,7 - 1.

7. Впервые обнаружено, что ток эмиссии может запаздывать относи-ельно импульса облучения на 1 - 20 не, то есть эмиссионная неустойчи-ость диэлектрика способна интенсивно развиваться после прекращения блучения. '

8. Обнаружена сильная поперечная неоднородность мощной критиче-кой эмиссии.

9. Предложена качественная модель мощной критической эмиссии.

Практическая значимость

1. Мощная критическая электронная эмиссия представляет большую

пасность для изоляционных материалов, которые подвергаются воздей-

твию потоков заряженных частиц. Это явление способно инициировать

высокой эффективностью многие виды электрического пробоя: вакуум-

ный разряд между диэлектриком и металлическими предметами, разряд по поверхности (flashover) и объемный пробой диэлектрика. Результаты выполненного исследования позволяют прогнозировать поведение диэлектриков в таких условиях и конструировать соответствующие установки так, чтобы уменьшить опасность возникновения критической эмиссии.

2. Достигнутый уровень понимания этого явления позволяет развивать его применение. Предложен управляемый вакуумный разрядник на основе критической эмиссии (а.с. 1353261).

Защищаемые положения

10. Методика осциллографического исследования мощной критической эмиссии диэлектрика, индуцированной инжекцией плотного электронного пучка, позволяет определять критические параметры эмиссии, амплитудные и временные характеристики, исследовать эффекты накопления, переход критической эмиссии в вакуумный разряд, объемный пробой и пробой по поверхности диэлектрика, индуцированные критической эмиссией.

11. Результаты экспериментального исследования мощной критической электронной эмиссии под действием плотного электронного пучка наносе-кундной длительности:

при достижении некоторой критической напряженности поля инжектированного заряда, диэлектрик совершает неравновесный фазовый переход в устойчивое эмиссионное состояние, в результате которого из диэлектрика выбрасывается заряд приблизительно равный инжектированному,

критическая эмиссия обладает сильной пространственной неоднородностью, она происходит из эмиссионных центров,

критическая эмиссия способна вызвать выброс ионно-электронной плазмы из эмиссионных центров,

если обеспечить приток свободных электронов к эмиттирующим центрам (либо по поверхности, либо из объема диэлектрика), то критическая эмиссия переходит в устойчивый вакуумный разряд между диэлектриком и анодом,

импульс эмиссии имеет длительность несколько наносекунд и отстает от импульса облучения на время запаздывания, которое уменьшается с ростом плотности инжектированного в образец заряда,

критическая эмиссия способна индуцировать внутренний объемный пробой диэлектрика.

3. Качественная модель мощной электронной эмиссии, индуцирован
ной инжекцией плотного электронного пучка, рассматривает это явление

как последовательность следующих элементарных процессов: поглощение энергии и заряда электронного пучка в диэлектрике, образование поглощенным зарядом электрического поля, генерация носителей тока в диэлектрике электронным пучком, ионизация донорных уровней в сильном электрическом поле, движение свободных электронов к поверхности диэлектрика и вылет их в вакуум.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на VI, VII и VIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, 1986, 1988 гг.; Свердловск, 1990 г.); IV и V Всесоюзном совещании "Воздействие ионизирующего излучения и света на гетерогенные системы" (Кемерово, 1986, 1990 гг.); Совместном заседании секции научных советов АН СССР "Научные основы электрофизики и электроэнергетики" и "Проблемы мощной импульсной энергетики" (Томск, 1986 г.); Конференции молодых ученых г. Томска (Томск, 1989 г.); VII Всесоюзной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Рига, 1989 г.); XIV и XVII Международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме (Санта-Фэ, США, 1990 г.; Беркли, Калифорния, США, 1996 г.); 8 конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов РФХ-8 (Томск, 1993 г.); 2 Международной конференции по объемному заряду в твердых диэлектриках (Антиб — Жуан-ле-Пан, Франция, 1995 г.); 9 Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов РФХ-9 (Томск, 1996 г.); 11 Международной конференции ШЕЕ по мощной импульсной технике (Балтимор, Мэриленд, США, 1997 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, раздела "Основные результаты и выводы" и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 154 страниц. Из них основной текст с 38 рисунками и 2 таблицами занимает 138 стр., список литературы из 111 наименований — 12 стр., оглавление — 3 стр., титульный лист — 1 стр.