Файл: Ненакаливаемые катоды..pdf

Причем на управляемом источнике импульс напряже­ ния появлялся через 400 нс после подачи импульса на­ пряжения между сеткой и подложкой. Существенное уве­ личение тока в управляемом источнике обусловлено уменьшением промежутка анод — катод, за счет распро­

странения плазмы в глубь промежутка, а также ком­ пенсацией объемного за­

ного тока в диоде составляла около 104 А при длитель­ ности имульса 25 нс. Стабильность амплитуды импульса тока при частоте следования импульсов 1 Гц была не хуже 10%.

8.5. Сравнение взрывной эмиссии с автоэлектронной

Весь материал последней главы свидетельствует о том, насколько сложным и своеобразным видом испус­ кания электронов является взрывная эмиссия. Однако ее часто смешивают с более простым эффектом — АЭЭ. и для этого имеются некоторые исторические причины.

Автоэлектронная эмиссия была теоретически осмысле­ на более 40 лет назад, но серьезные ее технические при­ менения отмечаются лишь в последнее десятилетие. Взрывная эмиссия (ВЭ), не будучи осознанной теорети­ чески, использовалась, главным образом в импульсных рентгеновских трубках, уже более чем 30 лет назад. Оба вида эмиссии не требуют накала катода, обеспечивают высокие плотности тока и пригодны для получения ог­

Как видим, даже внешне у них много общего, и смеше-

292

ние, особенно на стадии недостаточного, неполного по­ нимания сложного эффекта взрывной эмиссии, выглядит

естественным.

Виды эмиссии, подробно рассмотренные в гл. 6, 7 и 8, имеет смысл сравнить по двум причинам.

Во-первых, это важно принципиально. Важно устано­ вить, является ли взрывная эмиссия самостоятельным видом испускания электронов, содержащим АЭЭ лишь в качестве элементарного механизма сложного явления, или же это разновидность самой автоэлектронной эмис­ сии. Это существенно с точки зрения физики.

Во-вторых, это важно практически. Оба эффекта на­ ходят сейчас все больше и больше применений. Смеше­ ние весьма различных понятий наносит вред, так как не способствует скорейшему выбору правильных и наилуч­ ших технологических методов и конструкций при созда­ нии катодов.

Мы рассмотрим далее физические различия двух об­ суждаемых эффектов; затем следующие из них особен­ ности технологии, конструкций и эксплуатации соответ­ ствующих катодов, и наконец, рациональные примене­ ния каждого явления, имея в виду не только сегодняш­ нее состояние, но и ближайшую перспективу.

Физические различия явлений автоэлектронной и взрывной эмиссии.

Механизм явления. АЭЭ, обусловленная туннельным эффектом, — процесс принципиально стационарный*). ВЭ — сопровождает процесс перехода от АЭЭ к вакуум­ ной дуге; это эмиссия сквозь обволакивающее эмиттер облако плотной неравновесной плазмы-— процесс прин­ ципиально нестационарный, переходный.

Временные характеристики. АЭЭ — практически мгно­ венная реакция проводника на сильное электрическое поле у его поверхности. Безынерционность АЭЭ прове­ рена экспериментально (в режиме СВЧ) вплоть до вре­ мен порядка 1СЕ11 с [83]. Если отвлечься от схемных ог­ раничений, для АЭЭ возможны любые времена фронта нарастания ttt, импульса тока и любые длительности им­ пульса т. Только в режиме предельных плотностей тока т АЭЭ ограничена сверху, причем чем меньше т, тем большей /макс можно достичь обратимым образом.

*) При отборе предельных плотностей тока АЭЭ используют импульсный режим, чтобы предотвратить гибель эмиттера вследствие его саморазогрева, взрыва и оплавления (см. § 7.5).

293

ВЭ имеет время запаздывания t3, ограниченное

и зависящее от перенапряжений и крутизны фронта на­ растания импульса напряжения (см. § 8.2 данной главы).

Длительность импульса тока ВЭ тю связана с есте­

ственным развитием процесса и ограничена сверху вре­ менем перекрытия межэлектродного промежутка разле­

Вольт-амперные характеристики. АЭЭ свойственна однозначная вольт-амперная характеристика (ВАХ), подчиняющаяся известному закону' Фаулера—Нордгейма

[формула (6.4)].

С приближением к предельным / наблюдаются неко­ торые отклонения от закона Фаулера — Нордгейма, од­ нако и в этом случае вольт-амперные характеристики сохраняют точную воспроизводимость.

Разумеется, для получения вполне определенной ВАХ должны соблюдаться требования постоянства парамет­ ров ф и а, влияющих на эмиссию {формула (7.3)]. Важ­ но подчеркнуть, что неизменность ВАХ автоэлектронной эмиссии следует из обычного для большинства видов испускания электронов принципа сохранения катода в процессе эмиссии.

ВАХ АЭЭ однозначны как для единичного эмиттера, так и для катода, состоящего из многих эмиттирующих элементов.

Взрывная эмиссия — явление, принципиально связан­ ное с разрушением (взрывом) эмиттирующего центра. Каждый акт эмиссии сопровождается необратимым из­ менением состояния катода, расходом энергии на взрыв эмиттера и переносом материала катода.

Для получения тока ВЭ при повторных включениях требуется появление новых центров эмиссии вместо раз­ рушившихся. С каждым следующим импульсом будут взрываться другие эмиттеры, возникать не совсем те же конфигурации плазменных сгустков. При одном и том же напряжении в принципе могут быть получены доволь­ но различные токи.

Воспроизводимые значения тока ВЭ при повторных одинаковых импульсах напряжения могут быть получе­

294

ны только с многоэмиттерного катода за счет восстанов­ ления его свойств в среднем

Соответственно, получение однозначных вольт-ампер- ных характеристик ВЭ оказывается существенно слож­ нее по сравнению с АЭЭ. Прежде всего необходимо ус­ ловиться о методических деталях эксперимента.

По-видимому, параметры внешней цепи должны при всех обстоятельствах оставаться неизменными.

Сравнивать следует данные для геометрически экви­ валентных типов взрывных катодов, различая, например, многоострийные, одноострийные (с «тупым» острием), лезвийные, плоские и т. д., ибо развитие переходного процесса от АЭЭ к дуге может происходить для каждого из типов катодов совершенно по-разному. Такой важный фактор, как время нарастания импульса /ф, видимо, дол­ жен сохраняться при всех амплитудах.

Взрыв катодов может происходить как на фронте, так и на плато импульса напряжения. Однако для одно­ значной характеристики, видимо, обязателен выбор од­ ного из этих вариантов, например взрыв на фронте — при всех амплитудах. Точно так же для всего диапазона ВАХ должен действовать единый механизм ограничения тока (например, параметрами внешней цепи). Наконец, воспроизводимость ВАХ, по-видимому, требует, чтобы после каждого импульса, независимо от его амплитуды, создавался в среднем прежний «коллектив» выступов, хотя это и не очень обосновано физически.

Приняв подобные допущения, можно понять сущест­ вование относительно воспроизводимых ВАХ ВЭ для многоострийных катодов. Повышение амплитуды (т. е. напряжения U) будет означать при фиксированном 1ф повышение крутизны фронта dU/dt. Чем выше эта вели­ чина, тем при большей / АЭЭ взорвутся эмиттеры. Соот­ ветственно выше может оказаться и плотность тока ВЭ. Кроме того, взорвется большее число катодов, и взрывы будут большей интенсивности. Поэтому выше окажется и ток ВЭК.

Ясно, что физический анализ сложного комплекса яв­ лений, определяющих ВАХ ВЭ, требует рассмотрения

*' Исключение может составить, по-видимому, единичный жидко­ стный взрывной эмиттер, который при надлежащем методе возбуж­ дения поверхностной неоднородности, вероятно, может создаваться воспроизводимым образом при каждом импульсе.

295

ряда более элементарных процессов. Нам представляет­ ся, что наиболее существенные из них:

1. Сам процесс взрыва, тесно связанный со скоростью ввода энергии в эмиттер. Его характеризует, в частности, плотность «взрывающего» тока АЭЭ. 2. Распространение плазмы от катода к аноду, определяющее нарастание тока после взрыва, и длительность импульса тока. 3. Распространение плазмы вдоль поверхности катода, приводящее к развитию эмиттируюгцей поверхности. Это явление зависит от теплофизических свойств и от агре­ гатного состояния материала эмиттера. 4. Самовосста­ новление эмиттеров, обусловленное многими обстоятель­ ствами: формой и материалом катода, условиями огра­ ничения тока и др.

Перечисленные процессы (не исчерпывающие, однако, Есего круга явлений, влияющих на ВАХ ВЭ) в настоящее время еще недостаточно изучены. Наиболее детально рас­ смотрен применительно к ВАХ ВЭ вопрос о распростра­ нении плазмы в межэлектродном пространстве [17, 39, 55] — явлении, которое в ряде частных случаев, по-види­ мому, имеет определяющее значение [58, 67].

Плотность тока. Для АЭЭ типичны широкие измене­ ния плотности тока, в том числе предельные /макс дости­ гают порядка 109 А/см2, но возможны и любые меньшие.

Для ВЭ характерны весьма высокие /, но диапазон изменения их сильно ограничен. Вопрос этот еще требует дальнейших исследований, но (см. § 8.2), видимо, плот­ ности токов ВЭ составляют около Ю7 А/см2, что не ме­ шает за счет большого увеличения площади катода по­ лучать токи, на 1... 2 порядка превосходящие токи АЭЭ до взрыва с того же катода. Уменьшить по желанию плотность тока ВЭ можно, вероятно, лишь в ограничен­ ных пределах.

Распределение плотности тока по поверхности катода.

Распределение плотности тока на катоде в значительной степени обусловливает распределение тока в электрон­ ном пучке и на мишени. Распределение j на автоэмиссионном катоде однозначно задается работой выхода, распределением электрического поля вблизи эмиттирующих элементов и характером их расположения.

Чисто автоэмиссионный источник электронов позво­ ляет формировать электронные пучки достаточно произ­ вольной конфигурации. Ленточный пучок, например, мо­ жет быть создан с использованием линейного много-

296

острийного катода, кольцеобразный — с применением ка­ тода в виде свернутой цилиндром фольги с остриями, расположенными на его образующей, и т. п.

Распределение j по поверхности взрывного катода заранее предсказать затруднительно. Во всяком случае, это вопрос слабо изученный.

Импеданс. Определенность тока и напряжения для автоэлектронных катодов обеспечивает постоянство им­ педанса прибора при постоянном напряжении.

При ВЭ импеданс вакуумного промежутка изменяет­ ся во времени, что связано с движением плазмы и увели­ чением эмиттирующей поверхности. Это затрудняет со­ гласование прибора с источником питания при малых, (около 10—8... 10-9 с) длительностях импульса.

Энергетический спектр. Для АЭЭ характерна весь­ ма узкая полуширина энергетического распределения (по полным энергиям). При комнатной температуре и сред­ них полях (2 ... 3 -107 В/см) для чистого Ц7(ф«4,5 эВ) она составляет всего 0,22 эВ. С понижением Т и ср спектр автоэлектронов еще более сужается (например, до полу­ ширины 0,05 эВ при адсорбции Cs на W). В сильных по­ лях (около 108 В/см) полуширина не превосходит 1 эв. Таким образом, поток электронов, покидающих АЭЭ ка­ тод, является почти монохроматичным.

Точных сведений о распределении электронов, эмиттируемых при взрывной эмиссии, нет. Можно ожидать, что энергетический спектр ВЭ должен быть существенна шире, чем спектр АЭЭ, вследствие взаимодействия эмиттируемых электронов с плотной горячей плазмой, форми­ рующейся при взрыве эмиссионных центров.

Взаимосвязь АЭЭ и ВЭ. Итак, мы видим, что-

АЭЭ и ВЭ глубоко различаются по ряду существенных физических признаков. Но ВЭ инициируется АЭЭ. Уже в процессе самой ВЭ электроны поступают из проводни­ ка за счет АЭЭ в сильном электрическом поле, в созда­ нии которого главную роль играет, однако, не внешний источник напряжения, а плотная неравновесная плазма. Таким образом, ВЭ содержит в себе АЭЭ по меньшей мере как два элементарных ее механизма, а, с другой стороны, АЭЭ при неограниченном росте напряжения неизбежна заканчивается переходом к взрывной эмиссии.

Эта глубокая взаимосвязь двух обсуждаемых явле­

297

просто некоторая далеко зашедшая стадия АЭЭ. Однако представляется очевидным, после сказанного выше, что такая трактовка наносит ущерб физическому понима­ нию явлений.

Рискуя нарушить серьезный стиль изложения, мы позволим себе отдаленное, но зато ясное сравнение. Озе­ ро или замкнутое море обычно питается водами крупных рек. В конечном счете без рек не было бы моря, и вода

вморе поступает из рек, но ведь никому не придет в го­ лову отождествлять такое озеро или море с впадающими

внего рекам. Это совершенно разные, хотя и связанные между собой, явления природы, так же как автоэлектрон*- ная эмиссия и взрывная эмиссия.

Катоды, использующие АЭЭ и ВЭ с точки зрения их конструкции, технологии и эксплуатации.

Конструкции и технология. Создание сильного внеш­ него электрического поля у катода — необходимое усло­ вие для получения АЭЭ. Для ВЭ необходимо наличие плотной заряженной плазмы. В большинстве случаев по­ следняя создается за счет взрыва самих катодов, и тогда

конструкции автокатодов (АК) и взрывных катодов (ВК) могут быть одинаковыми. Это участки большой кривизны (острия, лезвия, острые края фольги, шероховатые по­ верхности), но требования к ним предъявляются различ­ ные: АК должны хорошо прогреваться, быть хорошо обезгаженными, для ВК допустимо менее тщательное обезгаживание, в рабочем режиме они, как правило, не нуждются в прогреве.

Автоэмиттеры — если их много — должны быть вы­ ровнены так, чтобы большинство их работало одновре­ менно. Для ВК допустим более широкий разброс като­ дов по конфигурации. Поэтому, в качестве АК чаще ис­ пользуются острия, в том числе единичные, или катоды из небольшого количества острий, а для ВК употребля­ ют края обточенных цилиндров в контакте с диэлектри­ ком (75], края фольги [76]. Поэтому изготовление ВК — дело более простое и дешевое, чем создание АК, осо­ бенно на большую мощность.

В качестве материалов АК используются, как прави­ ло, тугоплавкие металлы, металлоподобные тугоплавкие соединения, некоторые относительно тугоплавкие полу­ проводники. Они должны позволять получить по возмож­ ности атомногладкую термически устойчивую поверх­ ность эмиттеров.

298

Материалы катодов, использующих взрывную эмис­ сию, не обязательно должны быть тугоплавкими. С точ­ ки зрения долговечности, лучшей воспроизводимости эго должны быть материалы с высокой электропроводностью (Си, Ag, Аи. А1), отличающиеся меньшим переносом ве­ щества при взрывах. Наконец, в режиме ВЭ успешно работают жидкие металлические катоды (см. § 8.3), что вряд ли имеет смысл рекомендовать для режима АЭЭ.

Для ВК. с заранее создаваемой плазмой (см. § 8.4) удобно конструировать катоды как композицию металла и диэлектрика, что совсем не нужно для хорошо рабо­ тающих АК.

Интересным вопросом, относящимся к конструкциям катодов, является применение рядов и матриц довольно выровненных, хорошо заостренных игл в качестве В1\. Дает ли это какие-либо преимущества? Видимо, этот способ позволяет снизить рабочее напряжение приборов или же расположить анод дальше от катода при том же напряжении. Кроме того, возможно, что тонкие иглы почти цилиндрического сечения у острых концов дольше

•сохраняют условия для воспроизведения микровыступов. Игольчатые взрывные катоды с ограниченной эмиттирующей площадью отличаются большим постоянством импеданса, что облегчает согласование с источником пи­

тания.

Из принципиальных различий конструкций катодов следуют и совершенно разные технологические приемы их изготовления. ВК не требует многих видов обработки (хорошего обезгаживания, выравнивания и т. п.), необ­ ходимых для АК.

Это тем более существенно для специфически взрыв­ ных катодов: жидкостных, управляемых разрядом

(см. § 8.3 и 8.4).

Эксплуатация катодов. Весьма различны для АЭЭ и ВЭ и эксплуатационные возможности катодов. Управлять формой и амплитудой импульса тока АЭЭ можно, зада­ вая форму импульса напряжения. Импульс тока будет однозначно связан с импульсом напряжения в соответ­ ствии с экспоненциальной вольт-амперной характеристи­ кой катода.

Управлять фронтом импульса тока ВЭ импульсом на­ пряжения можно с точностью до времени запаздывания. Во многих случаях амплитуда импульса тока ВЭ огра­ ничивается внешними параметрами электрической цепи,

299