Чистяков Ч3

Рис. 8. Возбуждение экзо электронной эмиссии фотонами, образующимися в катодной части тлеющего разряда при среднем (а) и высоком (б) давлении газа:

А - анод , К - катод

Рис. 9. Зависимость времени формирования тлеющего электрического разряда в газе tф от перенапряжения. Материал электродов - молибден:

1–4 - аргон при pd соответственно 17,2; 11,5; 6; 1,7 мм рт.ст.;

21

4. О возможности существования послеразрядной эмиссии с чистых

поверхностей металлов

Первые данные по этому вопросу были получены в работе Паетова [7], который нашел, что после очистки вольфрамовой спирали сильным прокаливанием в вакууме

послеразрядная эмиссия понижается до 10−18 A. После прокаливания молибденовых электродов в высоком вакууме при температуре около 1000°С и их длительной интенсивной очистки сильноточным тлеющим разрядом в инертном газе (аргон) удалось полностью освободиться от послеразрядной эмиссии [14]. Соответствующий результат показан на рис. 10; ток в газовом промежутке очень мал (3 10−19 A) и не обнаруживает спада во времени, характерного для послеразрядной эмиссии. Измеренный ток в этом случае является фоновым током, вызванным космическим излучением и радиоактивными источниками Земли.

Достигнутое состояние электродов и газа характеризуется воспроизводимым и стабильным значением нормального катодного падения потенциал Uп [141. В этом случае, как это следует из многочисленных работ по нормальному тлеющему разряду в инертных газах, состояние поверхностей катодов оказывается атомно-чистым. Таким образом, результаты работы [14] подтверждают, что при атомно-чистой поверхности молибдена послеразрядная (экзоэлектронная) эмиссия не возникает. Этот результат был подтвержден для вольфрама [15] и других металлов, которые были подвергнуты обработке сильноточным тлеющим разрядом в инертном газе.

При использовании обработки поверхности молибдена электронной бомбардировкой, сопровождающейся очень сильным нагревом и испарением поверхностного слоя металла в сверх высоком вакууме, экзоэлектронная эмиссия неуклонно понижается и достигает уровня близкого к фоновому току. Этот результат был получен в лаборатории физической электроники кафедры МИФИ в 1965г.

Все перечисленные виды обработок в вакууме и инертном газе приводят к очистке поверхностей металлов от остаточных очень тонких диэлектрических и полупроводниковых пленок и их локальных включений. Эти пленки и являются причиной возникновения экзоэлектронной (послеразрядной) эмиссии. Устранение остаточных пленок приводит к исчезновению экзоэлектронной эмиссии.

22

Если пленки создать искусственно, как, например, вынесением атомно-чистых поверхностей в атмосферу воздуха или произвести термическое окисление металлов, то возникает заметная эмиссия.

Кроме тугоплавких металлов с работой выхода около 4 эВ вопрос о возможности существования экзоэлектронной эмиссии с чистой поверхности металла рассматривался также для химически активного металла - бария с работой выхода около 2,5 эВ. Для бариевого катода, который получался напылением бария из проволоки Fe-Ba на никелевую поверхность, очи щенную только прокаливанием до

приблизительно 800°С в вакууме 10−6 мм рт.ст., была найдена значительная

эмиссия 10−14 A, спадающая за 24 ч до 10−18A. Аналогичный результат получился при напылении бария на молибденовую подложку [14]. То, что эмиссия возникла из слоя бария, можно было установить измерением эмиссии в ходе удаления слоя бария тлеющим разрядом. Возник вопрос, что ответственно за эмиссию из активного слоя - соединение бария, например ВаО, или эмиссию может давать сам барий, благодаря еще неизвестному механизму. Был проведен опыт с более чистым слоем бария и выяснилось, что по мере улучшения условий опыта эмиссия из активного слоя неуклонно уменьшалась [17] . Меры, которые привели к снижению экзоэлектронной эмиссии из слоя бария, следующие: очистка металла подложки (молибдена) до не эмитирующего состояния сильноточным тлеющим разрядом в инертном газе (ксеноне); напыление слоя бария в отпаянном приборе, что исключает попадание загрязнений (небольших количеств неинертных газов, паров вакуумной смазки и вакуумного масла и др.) из вакуумной системы; специальная дополнительная очистка инертного газа сильноточным тлеющим разрядом между молибденовыми электродами в том же экспериментальном приборе; проведение нескольких циклов операций, состоящих из напыления бария на подложку, размораживание ксенона, измерение эмиссии, удаление слоя бария тлеющим разрядом, замораживание ксенона, вновь напыление бария на подложку и т.д. Для второй порции бария, напыленного на неэмитирующую подложку,

эмиссия составила всего 10−17 А. Перечисленные меры привели к понижению эмиссии на три порядка (10−14 −10−17 А). Таким путем было показано, что все меры по улучшению чистоты опыта приводят к понижению эмиссии из слоя бария и к приближению измеряемых токов к фоновым.

Очень малая остаточная эмиссия из слоя должна быть отнесена за счет малых включений ВаО в слое бария.

Отсутствие экзоэлектронной, в том числе послеразрядной эмиссии с чистых

24

поверхностей металлов, связано с тем, что металлы не имеют локальных электронных уровней энергии. На это обращают внимание также Нассенштейн, Зегер и Грунберг [8].

5.Применение послеразрядной эмиссии

5.1.Метод обнаружения тонких пленок полупроводников и диэлектриков на

металлах

Возможность достижения состояния поверхности металлов, при котором послеразрядная эмиссия не возбуждается, позволила автору в 1961 г. предложить метод обнаружения тонких пленок или локальных включений диэлектриков и полупроводников на металлах.

Метод основан на определении послеразрядной эмиссии. Сам факт возникновения эмиссии, превосходящей фоновый ток электронов в газовом

промежутке (10−19 −10−20A / см2 ), свидетельствует о наличии неметаллических пленок на металлах. Кроме малой величины при комнатной температуре для эмиссии характерен спад во времени. Измерения проводятся в условиях, когда другие виды эмиссии - фотоэлектронная, термоэлектронная и автоэлектронная - оказываются меньше фонового тока, т.е. при полном затемнении, комнатной

температуре и внешнем электрическом поле, не превышающем 104 В/см.

Метод чувствителен, эмиссия со всеми характерными ее особенностями обнаруживается при наличии на поверхности металла даже части хемисорбированного монослоя. Физическая адсорбция части или полного монослоя молекул газа на металлах не приводит к возбуждению эмиссии.

При формировании хемисорбированного слоя, составляющего несколько десятков ангстрем, как, например, в случае Мо, предварительно очищенного до неэмитирующего состояния, а затем вынесенного в атмосферу и находящегося в ней дли тельное время, эмиссия заметно возрастает и составляет, как это видно

из рис. 11, 2 10−12A [18]. С увеличением неметаллической пленки эмиссия увеличивается до толщин от не скольких сот до тысяч ангстрем и далее начинает уменьшаться. Причинами уменьшения эмиссии предполагаются для случая диэлектриков с высоким объемным сопротивлением - понижение поля в слое с увеличением его толщины, а в случае слоев со сравнительно низким объемным

25

сопротивлением - уменьшение концентрации дефектов при увеличении толщины слоя и степени его упорядоченности.

Изменение эмиссии от толщины пленки будет различно в зависимости от ее состава и структуры. В качестве примера (рис. 12) можно привести зависимость эмиссии от длительно го напыления паров вакуумного масла на предварительно очи щенную до неэмитирующего состояния подложку из молибдена [28]. Вакуумное масло можно отнести к числу хороших изоляторов, и механизм эмиссии осуществляется здесь, по-видимому, за счет автоэлектронной эмиссии сквозь слой диэлектрика.

Для окислов ряда металлов (Mo, Cu, Ni, Al) следовали зависимость эмиссии от времени термического окисления в среде кислорода. Типичная зависимость показана на рис.13.

Начальный участок роста эмиссии отвечает одновременно и увеличению толщины слоя окислов всех металлов, и росту концентрации дефектов. При дальнейшем увеличении времени окисления толщина слоя окислов растет, но происходит их упорядочение и частичное залечивание дефектов, что приводит к понижению эмиссии.

Для количественного измерения после соответствующей градуировки могут использоваться возрастающие участки зависимостей, показанных на рис. 12 и 13.

5.2. Понижение статистических запаздываний электрического пробоя газа в импульсных разрядниках и газоразрядных индикаторных панелях

В 1948 г. автор обнаружил резкое снижение статистических запаздываний пробоя инертных газов (аргона и криптона) при использовании в качестве материала катода пленок бария и алюминия, полученных напылением их в вакууме на никелевый электрод, нагретый до 800–850°С. Источником паров активатора были таблетки, прессованные из порошка сплава Ва и Al [14] . На основе этих опытов были разработаны импульсные разрядники на напряжение 1,2 кВ, наполненные аргоном, и на 2,5 кВ с криптоновым наполнением, имеющие при частоте им пульсов 50 Гц статистические запаздывания пробоя, не превышающие 10 мкс.

26

Рис. 11. Появление послеразрядной эмиссии в результате кон такта атомно-чистой поверхности Мо с атмосферой: 1 - чистая поверхность; 2 и 3 - после пребывания чистой поверхности Мо в атмосфере в течение 15 мин и 1 ч

Рис.12. Послеразрядная эмиссия со слоев масла ПФМС-2 в зависимости от длительности его напыления.

Рис. 13. Зависимость послеразрядной эмиссии с окислов металлов от длительности термического окисления

27

Поскольку разрядники были изолированы от света и электрическое поле между электродами не превосходило 104 В/см, то основным фактором, снижающим статистические запаздывания пробоя, явилась послеразрядная эмиссия. Это была именно экзоэлектронная эмиссия, вызванная электрическим разрядом в газе, так как пленки ВаО и Al2O3 специально не создавались, но образовывались за счет кислорода остаточных загрязнений поверхности никелевого электрода и порошка таблетки Al-Ba.

В двухэлектродных импульсных разрядниках, разработанных в последующие годы, послеразрядная эмиссия также играет большую роль при устранении больших статистических запаздываний пробоя газового промежутка.

Приборами, которые приобретают сейчас все большее распространение, являются газоразрядные индикаторные панели (ГИП), которые также называют плазменными панелями. ГИП - это информационный прибор интегрального типа, содержащий большое число светоизлучающих газовых промежутков, в которых на короткое время возникают импульсы тлеющего разряда. ГИП отображают как буквенно-цифровую информацию, так и графики, черно-белые и цветные изображения [19].

Один из видов ГИП - панель постоянного тока - состоит из двух стеклянных пластин, на внутренние поверхности которых помещены взаимно перпендикулярные системы электродов - узких металлических полосок, изолированных друг от друга и имеющих отдельные наружные выводы. Внутреннее пространство между стеклянными пластинами откачивается и заполняется инертным газом или смесью газов до давления порядка 100 мм рт.ст. На пересечении взаимно перпендикулярных электродов - полосок образуются газоразрядные ячейки с зазором, составляющим несколько десятых миллиметра. Общее число ячеек равно произведению числа вертикальных полосок (столбцов) и горизонтальных (строк). Поскольку ГИП имеет импульсное питание, то очень большое значение имеет время запаздывания электрического пробоя в ячейке, основную часть которого

достигается различными способами, в том числе заметную роль играет послеразрядная эмиссия электронов, возбуждаемая уже первыми импульсами тока тлеющего разряда, прошедшими через ячейки панелей.

Эта эмиссия возникает при любом материале катодов - полосок, так как

получение атомно-чистой поверхности катодов в этих условиях невозможно.

28

Здесь следует стремиться к по лучению возможно более низкого напряжения тлеющего разряда в ячейке и одновременно к тому, чтобы начальная эмиссия электронов в газовый промежуток была бы достаточно велика. Таким образом, технология изготовления катода-полоски должна также обеспечивать наличие на нем некоторого количества устойчивых островков окислов или других неметаллических со единений, которые в течение длительного времени работы панели (до 10000 ч) являлись бы источниками рассматриваемой эмиссии. Следует добавить, что послеразрядная эмиссия не является единственным источником электронов, инициирующих пробой в ячейках панели и формирования в них импульсного тлеющего разряда.

29

ГЛАВА III КОРОННЫЙ РАЗРЯД

1. Основные определения

Коронный разряд является самостоятельным разрядом, так как для его поддержания не требуется какой-либо внешней ионизации. Разряд возникает при средних и высоких давлениях газа в том случае, когда электрическое поле в промежутке обладает сильной неоднородностью из-за малого радиуса кривизны одного или обоих электродов. Типичные примеры таких электродов показаны на рис. 14; это система коаксиальных электродов с R r0 , где r0 - радиус внутреннего цилиндра; R -радиус внешнего цилиндра; далее показаны системы провод -плоскость, острие - плоскость и т.д.

Для коронного разряда характерны небольшие токи. Например, в системе провод - плоскость в воздухе ток с 1 см длины провода составляет от 0,1 до нескольких десятков микроампер. Наибольшим является ток короны в водороде, но и здесь даже при оптимальных условиях не удается получить ток больший 1 мА/см. Токи короны с отдельных острий, возникающие в высоковольтной аппаратуре, обычно находятся в этом же диапазоне 0,1–10 мкА.

При приложении напряжения к промежутку в различных его участках получаются различные поля Е и соответственно величины Е/р, которые определяют коэффициенты ионизации α . В области около электрода с малым радиусом кривизны величины Е/р значительно раньше, чем в других областях, достигнут значений, при которых начнется интенсивная ионизация и возбуждение газа и образуется светящийся коронируюший слой.

Вдругой области разрядного промежутка величины Е/р оказываются недостаточными для сколько-нибудь заметных процессов ионизации и возбуждения; эта область получила наименование внешней области коронного разряда.

Вкоронирующем слое разряда происходит образование заряженных частиц, которые затем под действием электрического поля движутся в разрядном промежутке, образуя электрический ток. Внешняя область коронного разряда является областью, где протекает ток заряженных частиц одного знака, областью униполярного тока.

30