книги из ГПНТБ / Ненакаливаемые катоды

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

8.4.Управление возбуждением взрывной эмиссии

иуправляемые источники электронов

Рассмотренные в предыдущем разделе источники электронов начинают эмиттировать электроны сразу же или через некоторое время после приложения импульса напряжения к диоду. Управлять моментом появления эмиссии электронов в таких источниках невозможно, так как напряжение, возбуждающее эмиссию, является в то же время и ускоряющим. В некоторых случаях жела­ тельно эти две функции разделить. Во-первых, это позво­ ляет, как будет показано ниже, регулировать в широком интервале величину тока электронов в диоде сдвигом моментов появления импульсов управляющего и уско­ ряющего напряжений. Во-вторых, в диоде с управляемым источником, если он используется в ускорителе электро­ нов, в принципе возможно совмещение роли источника электронов и быстродействующего коммутирующего эле­ мента. И, наконец, в-третьих, такие диоды позволяют иметь более однородный по сечению электронный пучок, чем в неуправляемых источниках.

Управляемые плазменные диоды известны уже давно [1—7]. В качестве источников плазмы в них обычно используется разряд в вакууме между катодом и вспо­ могательным электродом при приложении управляющего импульса. При этом в вакууме образуется канал, и вы­ тягивание электронов идет с малого участка поверхности, занятого этим каналом. При этом ток электронов состав­ ляет только небольшую долю тока широкого канала

[7, 72].

С. П. Бугаев и Г. А. Месяц [70] наблюдали интенсив­ ную эмиссию электронов из плазмы незавершенного раз­ ряда по диэлектрику в вакууме, когда в промежутке еще не успел образоваться разрядный канал. В работе [51] был предложен управляемый источник электронов, в ко­ тором использовалось большое число незавершенных разрядов на поверхности диэлектрика с большой ди­ электрической проницаемостью е, а в работе [63] прове­ дено исследование процесса эмиссии электронов из плазмы незавершенного разряда по диэлектрику в ва­ кууме.

287

На одну из сторон диска был нанесен слой серебра 2, а к другой прижата игла 3 из вольфрама с радиусом кончика 25 мкм. Отбор электронов из плазмы в направ­ лении, перпендикулярном поверхности катода, произво­ дился экстрактором 4. Для возбуждения разряда на по­ верхности диэлектрика между электродами 3 и 2 при­

а также снимался спектр излучения разряда в видимой области. При исследовании эмиссии электронов из плаз­

гового напряжения, причем интересно отметить, что это напряжение может составлять всего несколько сот вольт. При превышении порогового напряжения в спектре све­ чения регистрируются линии нейтрального и однократ­ ного ионизованного бария (Ва1 и B all). При дальней­ шем повышении напряжения появляются другие линии элементов Til, 01, Oil) и линии вольфрама (WII) (табл. 8.1). Это показывает, что плазма разряда созда­ ется за счет разрушения поверхностного слоя самого диэлектрика и ионизации его паров.

Протекание тока гр между острием 3 и слоем серебра 2 обеспечивается движением с некоторой скоростью од по поверхности диэлектрика плазмы разряда, которая

пряжения Uр. Если тол-

щина диэлектрика б т о скорость vn— AUv, причем при положительной полярности острия 3 относительно серебряной подложки 2 Л = 4,9-102 см/с-В, а при отри­ цательной Л = 2,1-103 см/с*В. В этом случае зависи­ мость амплитуды импульса тока разряда по диэлектрику определится из соотношения 1р=4ЛЕое£/р2, где ео — ди­ электрическая постоянная вакуума. Скорость распро-

странения плазмы в глубь вакуумного промежутка в на­ правлении, перпендикулярном поверхности диэлектрика, оценивалась по времени пересечения плазмой промежут­ ка катод — анод и составляла 2-106 см/с.

Существенно отметить, что амплитуда электронного тока при неизменном вытягивающем напряжении £/э ра­ стет с ростом напряжения Uv (рис. 8.16). Такая законо­ мерность наблюдается при любой полярности острия 3 относительно электрода 2. Это объясняется увеличением площади, охватываемой разрядом, и соответствующим увеличением поверхности, эмиттирующей электроны. Эта поверхность растет с ростом напряжения Uv, так как ра­ диус плазменного образования на диэлектрике равен vRt-a= A U vtsl. Приведенные выше экспериментальные ре­ зультаты свидетельствуют о том, что начало эмиссии электронов совпадает с появлением у острия плазмы.

290