Vacuum Discharge. Explosive El

Электрофизические и плазменные установки
Вакуумный пробой. Взрывная эмиссия электронов.
- Введение. Области применения электрофизических и плазменных установок.
Импульсные и непрерывные источники высокого напряжения
- Пробой в газах. Газоразрядные источники плазмы.
- Вакуумный пробой. Взрывная эмиссия электронов.
Источники электронов
В общем случае в электронных ускорителях всех типов
используется всего два типа источников электронов:
твердотельные на основе термоэлектронной эмиссии и
плазменные.
Относительно высокая температура электронов в плазме по
сравнению с твердотельными катодами – основная
особенность плазменных источников электронов,
повышающая эмиттанс электронного пучка и
ограничивающего его яркость.
Источники электронов.
Термоэлектронная эмиссия:
В термоэлектронной эмиссии из металла участвуют свободные электроны – электроны
проводимости. Их скорости подчиняются распределению Ферми – Дирака и небольшая
часть электронов может преодолеть потенциальный барьер, выйти в вакуум и быть
захвачена ускоряющим электрическим полем.
При отсутствии электрического поля отбирающего вышедшие электроны в вакуум,
вышедшие электроны образуют вблизи поверхности отрицательный пространственный
заряд, ограничивающий ток термоэлектронной эмиссии.
Плотность тока термоэлектронной эмиссии можно вычислить из известной формулы
Ричардсона – Дэшмана:
j0 = A·T2 exp (-Ф/kT),
где A = A0(1-rотр) , rотр – коэффициент отражения электронов от поверхности металла,
A0 = 120,4 [А/см2К2];
Ф=eφ (φ потенциал работы выхода) – работа выхода электрона . Значения Ф и А не
являются константами вещества, они определяются обычно из зависимости j(T).
Для большинства чистых металлов величина А лежит в диапазоне 15 – 350 А/см2К2.
Влияние пространственного заряда.
Закон 3/2 (Закон Чайльда-Ленгмюра, Чайльда-Ленгмюра Богуславского).
je ~ V3/2.
Для частного случая бесконечно протяженных плоских электродов и нулевой скорости
электронов из металла такую зависимость получил американский физик К.Д. Чайлд
(C.D. Child) в 1911г. .
Для других конфигураций электродов эту зависимость исследовал американский физик И.
Ленгмюр (I. Langmuir) в 1913г. В частности для коаксиальных цилиндрических
электродов (внутренний электрод – катод), выведенная формула имеет вид:
i = 2/9·(2e/m)1/2 ·U3/2/rβ2.
Здесь i ток на единицу длины цилиндров, e,m – заряд и масса электрона, соответственно, β
- некоторая функция отношения внутреннего и внешнего (r) радиусов цилиндров.
Влияние неравных нулю начальных скоростей электронов исследовали сам И. Ленгмюр и
другие физики (В. Шотки, С.А. Богуславский).
Русский физик С.А. Богуславский впервые точно вычислил значения функции β. Иногда
такая формула называется его именем.
Зависимость плотности термоэлектронного тока (j) от
напряжения V между катодом и анодом, je ~ V3/2.
j0 – ток насыщения
Термоэлектронная эмиссия.
В сильных электрических полях (E>106В/см) к
термоэлектронной эмиссии добавляется
автоэлектронная эмиссия и при E>105В/см
взрывная эмиссия электронов.
Источники электронов на основе
прямонакальных и «подогревных» катодов.
Прямонакальные – катоды на основе тугоплавких
металлов, как правило W, те у которых минимальное
соотношение Ф/Q (Ф – работа выхода электрона Q –
потери мощности на излучение)
Их экономичность составляет обычно около 1Вт/мА.
Подогревные катоды, в них наиболее часто
используются слои на рабочей поверхности эмиттера
из окислов щелочноземельных металлов, гексаборида
лантана (LaB6) , а также пористого вольфрама
заполненного соединениями Ва (смесь 3ВаО, 5СаО,
Al2O3 и др.). Плотность тока около 1А/см2.
Плазменные катоды
Под термином «плазменный катод»
понимается электроразрядное устройство,
формирующее плазму определенной
концентрации с границы, которой
осуществляется эмиссия электронов.
Существует большое разнообразие
плазменных источников электронов (ПИЭ)
Плазменные катоды, классификация
Плазменные катоды.
В источниках со стационарной плазмой, как правило, электронная
плотность - ne < 1016см-3. Они используют различные методы её
образования: дуговые источники, источники с высоковольтным и
низковольтным тлеющим разрядом, которые в свою очередь
подразделяются на различные классы. Такие источники электронов
используются в непрерывных ускорителях электронов и ускорителях с
достаточно большой длительностью импульсов – 10-5 – 10-2с при
сравнительно низком ускоряющем напряжении (~104 – 105эВ).
В источниках с нестационарной плазмой, электронная плотность
значительно выше - ne ≥ 1018 см-3 . Такие источники используются в
ускорителях от микросекундной до пикосекундной длительности
импульсов тока (~10-5 – 10-10 c). Более распространены источники с
взрывной эмиссией электронов, которые обеспечивают плотность
тока ~ 108А/см2.
Катоды.
Несмотря на высокую плотность свободных электронов в металле из-за высокого
потенциального барьера плотность тока термоэлектронной эмиссии сравнительно мала.
В плазменных же источниках электронов потенциальная энергия электронов в плазме
определяется их кулоновским взаимодействием, и она значительно меньше тепловой
энергии электронов, поэтому эмиссионные свойства плазмы значительно выше, чем у
термокатодов. Эмиссионная формула для плазменных катодов определяется
следующим соотношением:
j= ene[kTe/(2πm)]1/2 ,
подставляя численные значения, получим удобную формулу для оценок :
j= 2,1 ∙10-14∙ne (Te)1/2 [А/см2],
где ne в см-3, Te в K.
При ne = 1015см-3, Te = 104К j = 2,1кА/см2.
В термокатодах j < 1-10 А/см2.
Месяц ГА. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга.
-М: Наука, 2000.-424 с.
Для системы с плоскими электродами и одиночным КФ, возникшим на месте
искусственно созданного микровыступа (Uо = 20-40 кВ, d = 0.3-1.0 мм),
экспериментальные точки лучше всего укладывались на одну кривую
Р = f(vt/d) (рис. 12.3, б).
12
О РОСТЕ ТОКА В НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ВАКУУМНОГО ПРОБОЯ МЕЖДУ ПЛОСКИМИ
ЭЛЕКТРОДАМИ ПРИ МЕДЛЕННОМ УВЕЛИЧЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ
Известия ВУЗов. Физика. 1975, т. 157, №6
Катодный факел
Формула Шубина
2
IЧ  Л
S
6
3/ 2  v  t 
  6  2.23 10 6  U 3 / 2  2
 2.23  6   10  U  
d
 d0 
13
Ток в сильноточном планарном диоде с дискретной эмиссионной поверхностью
(С.Я. Беломытцев, С.Д. Коровин, И.В. Пегель // ЖТФ, 1999, том 69, вып. 6)
14
Разряды разных типов. Дуговые разряды
1. Дуговыми называются разряды, как правило, самоподдерживающие, в
которых катодное падение потенциала имеет относительно низкую величину
~ 10эВ. В тлеющем разряде падение напряжения > 100 В.
2. Дуговым разрядам свойственны большие токи: ~ 1– 105 А ( в тлеющем
разряде 10-4– 10-1 А).
3. Плотность тока на катоде - 102– 107 А/см2 ( в тлеющем разряде до 150А/см2).
4. Напряжение горения дуг низкие – в коротких дугах: 20-30В, в некоторых
формах – всего несколько вольт.
5. Вакуумные дуги «горят» в парах материала электродов.
6. Катод находится в состоянии высокой эрозии (при межэлектродном
расстоянии > 0,5 – 1см).
7. Плазма дугового разряда наиболее близка к равновесной среди все х видов
постоянного разряда.
Дуговые разряды. Виды дуг
1. Дуга с горячим термоэмиссионным катодом.
К. нагрет до 3 000К, jк ~ 102– 104 А/см2
Применяется: в плазмотронах, сварочных аппаратах, в дуговой плавке
металлов.
2. Дуги с внешним накалом катода (как в электронных лампах). Разряд
несамостоятельный (!).
Применяется в приборах низкого давления,термоэмиссионных
преобразователях энергии в электрическуюплазмотронах, сварочных
аппаратах, в дуговой плавке металлов.
3. Дуги с «холодным» катодом и «катодными пятнами».
Плотность тока в пятнах 104– 107 А/см2
Применяется: в плазмотронах
4 . Вакуумная дуга. Применяется в вакуумных выключателях (гашение дуг).
5. Дуга сверхвысокого давления , p > 10атм.
В плазме перерабатывается до 80-90% выделяющегося джоулевого тепла в
излучение.
Применяется: источниках света высокого давления (ксенон, пары ртути)
6. Дуги низкого давления , P ~ 10-3 - 1 тор. Отличаются от тлеющего разряда
более высокой температурой плазмы.