Файл: Ненакаливаемые катоды..pdf

170 кА при длительности импульса 70 нс. В качестве ка­ тода использовался металлический стержень с полусфе­ рическим кончиком или несколько острий, укрепленных на одном основании.

Многоострийные катоды со взрывной эмиссией. Как отмечалось выше (см. гл. 6), многоострийные системы с успехом применяются для получения больших токов на основе чистой АЭЭ. Эксплуатация таких катодов тре­ бует, однако, либо очень хороших вакуумных условий (вакуум 10—9... 10~11 мм рт. ст.), либо специаль­ ного подогрева катода, позволяющего исключить

[53]. В связи с этим несколько неожиданным явилось получение довольно стабильных импульсных токов от многоострийных катодов, работающих в диапазоне наносекундных длительностей при техническом вакууме и при практически неочищенной поверхности катода [54].

Вольт-амперная характеристика такого многоострийного катода в координатах I gl ^ f ( I j U) имела вид прямой, внешне похожей на график Фаулера — Нордгейма. Как указывают авторы, для выравнивания эмиттеров приме­ нялся метод десорбции полем. Авторы [54, 57] полагали, что наблюдаемые электронные токи обусловлены чистой АЭЭ. Удовлетворительная стабильность работы многоострийного катода при загрязненной поверхности и низ­ ком вакууме связывалась со спецификой эксплуатации АЭК в наносекундном диапазоне. Недавно, однако, пря­ мыми экспериментами по изучению эрозии эмиттеров в электронном микроскопе [40, 41] эмиссионных законо­ мерностей [18, 41], а также по результатам исследования работы многоострийного катода в электронном ускорите­ ле [47] удалось показать, что и в данном конкретном слу­ чае основная часть электронного тока создается не в про­ цессе АЭЭ, а в начальной стадии вакуумного пробоя при взрыве острий.

В работе [41] представлены вольт-амперные характе­ ристики нескольких типов многоострийных катодов, дан­ ные по их стабильности и результаты детального элек­ тронно-микроскопического исследования. Эксперименты ■проводились на мультикатодах, аналогичных исследо­ ванным в работе [54], в которых число острий составляло 1100 (тип 1); на системах острий, позволяющих осуще­

280

ствить прогрев до 2000°С, пропусканием тока через по­ следовательно соединенные полоски металла, поддержи­ вающие острия с числом острий 400 (тип II); на пучках

Рис. 8.10. Вольт-амперные характеристики многоострийных катодов:

1, 2 — н е п р о г р е в а е м ы й к а т о д (т и п I ); 5, 6 — к а т о д , п о д в е р г а в ш и й с я о ч и ст к е

U — анодное напряжение) линейны и при фиксированном расстоянии между электродами и располагаются в до­ вольно узкой области изменения параметров / и U (рис. 8,10). Кривая / [54] аналогична кривым 3 и 5 [411 при таком же расстоянии между электродами, что по­ зволяет сделать вывод об идентичности механизма эмис­ сии в обоих случаях. Максимальные значения токов со­ ставляли 700, 450 и 780 А., для катодов типа I, 11,111 соот­ ветственно. Повторяемость значений тока от импульса к импульсу была не хуже 15... 20% и улучшилась с ро­ стом анодного напряжения и числа включений. Общее число включений катода типа I составляло 105, катодов типов II—III — около 104.

В процессе отбора тока наблюдалось сильное измене­ ние конфигурации эмиттирующих микроострий: исход­ ный радиус эмиттера (катод типа II) 10~4 см, конечный после 3-104 включений (1 ... 3) -10~3 см (рис. 8.11).

281

но следующим образом: автоэлектронная эмиссия, взры­ вает исходные острия, формируется грубое острие с ми­ кробугорками, взрываются микровыступы, создается плазма и происходит распространение ее по поверхности большого оплавленного острия, возбуждается эмиссия с поверхности макроострия в поле пространственного заряда плазмы, образующейся при взрыве микробугор­ ков.

Оценка количества вещества, переносимого в пере­ счете на одно острие за все время функционирования ка­ тода (3 • 104 включений) составляет в среднем 6-10~8 г. Полагая, что основная масса вещества уносится в тече­ ние первых десяти импульсов, среднее количество ве­ щества, перенесенного от одного эмиттера на один им­ пульс, равно примерно 6- 10-9 г, что близко к значению, определенному при взрыве одиночного микроострия [40].

В работах [17, 55] было показано, что при некоторых условиях вольт-амперная характеристика диода с многоострийпым катодом подчиняется закону 3/г, как для пло­ ского диода [56]. При этом сопротивление диода

RA=(m-\WlVU)d>lrl, (8 . 1)

где гк — радиус катода. Обычно диоды работают в им­ пульсных ускорителях электронов большого тока, кото­ рые ключают в себя предварительно заряженную линию, диод и коммутирующий элемент. После замыкания ком­ мутирующего элемента предварительно заряженная от высоковольтного источника линия разряжается на диод. Условие, когда сопротивление диода /?д равно волново­ му сопротивлению накопительной линии Ял, соответст­ вует наибольшей передаче энергии из накопительной ли­ нии ускорителя в диод. Следовательно, для получения максимального к. п. д. диода необходимо выполнение условия

Конструктивно многоострийные катоды, работающие в режиме взрывной эмиссии, мало отличаются от като­ дов, предназначенных для работы в режиме АЭЭ. Обыч­ но такие катоды, как было показано выше, используются для получения электронных пучков с энергией в несколь­ ко сот килоэлектроновольт и токах порядка килоампер.

В одном из вариантов ускорителей, разработанном Грейбиллом и Набло [12], использован многоострийный

283

катод для получения электронных пучков с током 40 кА и энергией 2 мэВ. При эксплуатации в режиме взрыв­ ной эмиссии одноострийпых и многоострийных катодов, естественно возникает вопрос о сроке службы таких като­

... 10~11 г за время одного импульса. При этом острия, изготовленные из металлов с меньшим удельным сопро­ тивлением, имеют и меньший перенос массы. Например, медные острия при прочих равных условиях теряют ме­ талла в пять раз меньше, чем молибденовые.

Взрывная эмиссия жидкого металлического катода.

При использовании твердого катода эмиссионными цен трами являются естественные .микрошероховатости или специально созданные микроострия. При наличии жид­ кой фазы микроострия могут формироваться в резуль­ тате возмущения поверхности жидкого металла в силь­ ном электрическом поле [42, 61]. Ранее удалось показать, что при работе с жидким катодом вакуумному пробою предшествует появление гидродинамических капилляр­ ных волн, подавление которых приводит к увеличению электрической прочности вакуумного промежутка [59, 60].

Использование жидкого металла для получения ста­ бильной взрывной эмиссии предложено в [50]. Очевидно, что если взрывная электронная эмиссия в начальной ста­ дии вакуумного пробоя определяется взрывом микроострий, то стабильность ее должна существенным образом зависеть от условий их самовосстановления от пробоя к пробою. На жидком металле, по-видимому, воспроизводи­ мость результатов должна достигаться значительно на­ дежнее в связи с идентичностью начальных и граничных условий возбуждения этих выступов. Кроме этого, на жидкой поверхности появляется возможность контролиро­ вать создание микронеоднородностей рядом искусствен­ ных способов. В частности, такие искусственные микронеоднородности на жидком катоде могут быть созданы при возбуждении его поверхности пьезокристаллом.

Если жидкий металл расположить над вибрирующей пластинкой пьезокварца или титаната бария, то на его поверхности образуются стоячие волны, которые могу г служить в качестве упорядоченных и контролируемых микронеровностей. Для квадратной пластинки со сторо­ ной квадрата а связь между числом узловых колебаний п и частотой fn выражается формулой [62]

2 84

где Я — высота стоячей волны; р — плотность пластинки; о — коэффициент Пуассона.

При использовании пьезокристалла круглой формы радиусом г аналогичное соотношение имеет вид [63]

(8.4) плотность возбуждаемых микронеровностей в зави­ симости от частоты варьировалась от 190 до 6 *103 см-2. Расчетные размеры микровыступов составляли соответ-

Рис. 8.12. Напряжение пробоя промежутка с жидким галлиевым ка­

тодом при различной высоте возбуждаемых микронеровностей:

/) h= 0; 2) /г—2 мкм.

Включений

Рис. 8.13. Воспроизводимость значений тока взрывной эмиссии жидкого катода от импульса к импульсу.

ственно по радиусу кривизны вершины от 37,2 мкм до 1,34 мкм. Высота микровыступа зависела от мощности, подводимой от генератора, и могла достигать 10 мкм. С ростом амплитуды возбуждающих колебаний напря­ жение пробоя уменьшается (рис. 8.12). При этом проис­

285

ходит также значительное уменьшение разброса по про­ бивным напряжениям. Одновременно отмечается значи­ тельное увеличение стабильности взрывной электронной эмиссии. Без возбуждения поверхности разброс в значе­ ниях электронного тока составляет 10... 15%; при введе­ нии искусственного возбуждения с помощью пьезокварца достигается стабильность не хуже 5% (рис. 8.13).

Существенно, что при искусственном возбуждении поверхности катода величина переносимого электронного заряда при том же самом анодном напряжении значи­ тельно возрастает, что может быть объяснено развитием активной поверхности и увеличением числа одновременно взрывающихся эмиссионных центров. Абсолютные значе­ ния электронных токов составляли до 2- 103 А при анод­

триком. Последние экспери­ менты показали, что взрывная электронная эмиссия мо­ жет быть получена не только из металлических поверх­ ностей, но также и при использовании в качестве катода диэлектриков. Для получения равномерной эмиссии элек­ тронов со всей поверхности катода в работе [51] предло­ жено использовать незавершенный разряд по поверхно­ сти диэлектрика с большим е. Авторы [52] для этих же целей использовали металлический катод, инкрустиро­ ванный пластмассой с е= З . . . Ю (рис. 8.14). За счет высокой напряженности поля на острых краях металли­ ческой лунки с этих мест эмиттируются электроны, ко­ торые, попадая на поверхность диэлектрика, приводят к поверхностному разряду и быстрому заполнению по­ верхности катода плазмой. Как будет показано ниже, плотная плазма, которая образуется при взрывном раз­ рушении диэлектрика и металла, так же как и при взрыве металлического острия, приводит к усилению эмиссии электронов с катода. Сообщается [43], что от та­ кого катода при анодных напряжениях 500 кВ удалось получить одиночные импульсы электронного тока дли­ тельностью 50 нс и амплитудой до 105 А.

286