Файл: Ненакаливаемые катоды..pdf

сов тока, напряжения и рентгеновского излучения. Ис­ следования параметров плазмы поджигающей искры и процесса ее движения проведены в работе В. А. Симо­ нова и Г. П. Кутукова [15]. Подробное описание работы источников электронов с поджигающей искрой можно найти в монографии [16].

В. А. Цукерман и М. А. Манакова [9] при разработ­ ке импульсных рентгеновских аппаратов использовали двухэлектродные вакуумные трубки. В последующем различные модификации двухэлектродных трубок стали применяться в ускорителях электронов и мощных рент­ геновских аппаратах [10—13].

Долгое время полагали, что механизм эмиссии элек­ тронов в этих устройствах является чисто автоэлектронным, обусловленным только полем, созданным внешним приложенным напряжением. Вместе с тем полученные к настоящему времени сведения о вакуумном пробое, как будет показано ниже, позволяют сделать вывод о том, что в данном случае мы имеем дело с новым су­ губо специфическим видом эмиссии. Развитие представ­ лений об этом виде эмиссии связано с двумя смежными направлениями исследования: изучением закономерно­ стей АЭЭ при предельных плотностях тока и перехода АЭЭ в вакуумную дугу, с одной стороны, и выяснением

новый вид эмиссии, а не АЭЭ, обусловливает также ра­ боту катода в импульсных ускорителях электронов с ги­ гантскими токами. '

Исследования автоэмиссионных острийных катодов, проведенные Дайком с сотрудниками [19—21], в работах [23—25], а также В. А. Горьковым, М. И. Елинсоном и Г. Д. Яковлевой [22], показали, что при перегрузке ка­ тода собственным автоэмисспонным током происходит его взрывообразное тепловое разрушение. После разру­ шения острия между анодом и катодом развивается дуга.

В.работах [26] и [27] высказано предположение, что инициирование вакуумного пробоя и переход к дуге между плоскими макроскопическими электродами про­ исходит также за счет разрушения автоэмисспонным то­ ком микроскопических выступов на катоде. В работе

271

переносится не более 10- и г. Аналогичнын результат получен при исследовании переноса материала с молибденового катода в виде острия i[ 18]. Масса переносимого металла определя­ лась из сравнения микрофотографий контура острия до и после

(2 ... 6) • 10-3 г/Кл.

Результаты электронно-микроскопического исследования пере­ носа материала при взрыве одиночных микроострий приведены в ра­ ботах |[36, 39, 40]. На рис. 8.7 показаны профили острий из молиб­ дена после нескольких включений катода, а также типичные осциллограммы напряжения генератора и тока эмиссии [36]. С уве-

Рис. 8.7. Профили вершины молибденового острия после N пробоев

В этих экспериментах {36, 39] использовался режим пробоя с пере­

Производная dM/dN .характеризует массу Mi, переносимую в ре­ зультате воздействия одного импульса. На кривых Mi (IV) (рис. 8.7,6) можно выделить две области. Область / характеризу­ ется относительно большим значением М. В области //, с ростом N масса Mi уменьшается до почти постоянной величины. Замечено, что переход из области / в область II происходит при увеличении радиуса вершины катода до значений г = 8 . . . 12 мкм. Уменьшение переносимой массы Mi с ростом радиуса г в области II указывает на ослабление роли объемного источника тепла при г>40 мкм. Можно предполагать, что значение Mi в области II близко к массе, переносимой при использовании протяженного макроскопического катода. Из рис. 8,7 видно также, что масса Mi растет с уменьше­ нием длины промежутка d, т. е. с ростом тока, отбираемого из

276.

выступов*) (рис. 8.8). Образование этих выступов может быть свя­ зано с вытягиванием их в сильном электрическом поле 142].

Для формирования микровыступов на вольфраме за время по­ рядка 10-9 с необходимо согласно {42, 61], чтобы поле на поверхности расплавленного эмиттера было порядка 5 - 107... 10s В/см. Этот факт подтверждает наличие сильного электрического поля вблизи разрушенного острия в процессе перехода к пробою. Плазма охва­ тывает значительную часть поверхности острия, что приводит к существованию сильного электрического поля и вытягиванию микровыступов не только у вершины острия, но и на его периферии

(рис. 8.-8).

Таким образом, приведенные выше результаты позволяют сде­ лать вывод, что эмиссия электронов, возбуждаемая в начальных стадиях вакуумного пробоя, не является чисто автоэлектронной, а связана с взаимодействием плотной плазмы, сформированной при взрыве микроострий с поверхностью твердого тела. Высокая плот­ ность плазмы обеспечивается взрывным процессом формирования среды в результате концентрированного ввода в острие большой удельной энергии.

8.3. Источники электронов с использованием взрывной эмиссии

Все эмиттеры электронов, в которых используется яв­ ление взрывной эмиссии, могут быть подразделены на: источники, содержащие одно или несколько острий

[9, 10, 12, 45, 46, 64], многоострийные [13, 41, 47], с пло­ ским шероховатым катодом [17, 10, 48, 49], жидкие като­ ды [50], а также металлические катоды с контактирую­ щим диэлектриком [47, 51, 52].

Одноострийный и плоский катоды. Работа острийных одиночных катодов была подробно проанализирована выше. Здесь только остается заметить, что величина электрического поля, определенная из конфигурации макроострий и приложенного напряжения, обычно мень­ ше, чем та, которая необходима для взрыва острия за время порядка длительности фронта импульса. Элек­ тронно-микроскопическое наблюдение острий, длительное время работающих в качестве источников электронов, показывает [18, 39, 41], что острие содержит много тон­ ких микроострий с радиусом порядка 0,1 мкм и менее. Напряженность поля на этих микроостриях усиливается в десятки и более раз.

*' Образование микровыступов на поверхности автоэлектронного эмиттера при оборванном вакуумном пробое в микросекундном диа­ пазоне, по-видимому, впервые наблюдалось в работах Комара, Сав­ ченко и Шредника [73, 74].

Щ

Аналогичное явление наблюдается и при работе пло­ ских шероховатых катодов. Усиление поля на кончике микроострий, расположенных на поверхности плоского

Микровыступы на плоском катоде статистически распреде­ лены по величинам h/r. Взры­

чить прикладываемое напря­

жение Uо. Сопротивление диода с катодом в виде одиноч­ ного острия изменяется в течение действия импульса, что затрудняет согласование линии с нагрузкой. Кроме того, электронный пучок, полученный с одноострийного като­ да, обладает большой расходимостью. Диоды с плоскими шероховатыми катодами имеют тот недостаток, что пучок оказывается весьма неоднородным по сечению вследст­ вие случайного распределения эмиттирующих центров. Существенным оказывается также нарушение устойчиво­ сти пучка, обусловленное неодновременностью взрыва разнородных микровыступов.

В работе Линка [13] сообщено о разработке импульс­ ного ускорителя электронов с энергией в пучке примерно 1011 Вт, в котором в качестве источника электронов ис­ пользовался одноострийный катод. Максимальная .энер­

показано схематическое изображение источника электро­ нов. В анодно-катодной камере 1 давление газа составля­ ло 10~5 мм рт. ст., а в камере электронного пучка 2, которая необходима для фокусировки пучка, оно регули­ ровалось в широких пределах от 10_3 и более.

Мартин [64] разработал импульсный источник у-лучей, в котором энергия электронов составляла 107 эВ, ток

279