Феноменология ВЭЭ

Взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ)

Электрический разряд в вакууме состоит из трех стадий: пробой, искра и дуга. Вакуумный пробой является одним из способов возбуждения вакуумной дуги. Но прежде, чем дуга наступает, разряд переходит еще в искровую фазу. Вакуумная дуга является наиболее загадочной фазой вакуумного разряда. Для нее характерно низкое напряжение горения разряда, сравнимое с ионизационным потенциалом атомов материала катода, большая плотность тока в области катодной привязки, высокая концентрация плазмы в прикатодной области, испускание высокоскоростных плазменных струй из катодного пятна, а также капель жидкого металла, образование субструктуры в катодном пятне, которая выражается в мелких (~10^-4мкм) кратерах внутри значительно больших и т.д.

Убедительного теоретического описания вакуумного разряда, которое бы объясняло все экспериментальные результаты, в настоящее время нет. Наиболее последовательной и конструктивной является эктонная модель катодного пятна вакуумного разряда [12,13]. В ней впервые описание всех трех стадий разряда в вакууме (пробой, искра и дуга) даны с единых физических позиций. Показано, как эти стадии совершенно естественным образом переходят одна в другую, завершаясь вакуумной дугой. Эти позиции основываются на признании фундаментальной роли микровзрывов участков катода, которые приводят к взрывной эмиссии электронов (ВЭЭ). Так как взрывной процесс длится сравнительно коротко, то испускание электронов в течение ВЭЭ идет отдельными порциями, которые называются эктонами (от первых букв слов Explosive Centre). Появление каждого эктона сопровождается разрушением участка поверхности катода, который затем превращается в кратер, появлением жидкого металла в виде струй и капель, струй плазмы и т.д. Сюда следует добавить еще один важный физический эффект - это разогрев анода пучком электронов в искровой стадии и появление анодной плазмы и перенос жидкого металла с анода на катод. Одной из главных причин возникновения микровзрывов является джоулев разогрев микроучастков катода током большой плотности. Все эти процессы составляют основы эктонной концепции вакуумного разряда. В рамках этого механизма все три стадии вакуумного разряда находят свое естественное физическое объяснение. Пробой и процессы, которые называют предвзрывными - это процесс концентрирования энергии в микрообъеме поверхности катода. Как только удельная энергия, накопленная в этом микрообъеме, будет превосходить некоторую предельную величину, то начинается взрыв и стадия пробоя завершается. Начало взрыва и появление ВЭЭ - это начало искровой стадии. Сама искровая стадия сопровождается постоянным возобновлением микровзрывов, которые инициируются плазмой и струями жидкого металла от предыдущих микровзрывов. Искровая стадия естественным образом переходит в дуговую после перемыкания катодной и анодной плазмы и уменьшения скорости роста тока.

При приложении к вакуумному промежутку напряжения между электродами появляется заметный ток, получивший название темнового или предпробойного тока. В большинстве исследований вакуумного пробоя одной из обязательных процедур являлось изучение закономерностей предпробойных токов. Длительное время велась дискуссия об их природе, поскольку построение одних и тех же экспериментальных зависимостей предпробойного тока i от напряженности электрического поля на катоде Е в координатах уравнений Ричардсона-Шоттки (lg i = f(E^1/2)) и Фаулера-Нордгейма (lg (i/Е²)= f(1/E) зачастую давало прямые линии. Можно утверждать, что такая двойственная ситуация была обусловлена недостаточной чистотой вакуумных условий и объективными трудностями контроля таких важных параметров, как микрогеометрия поверхности катода, свойства поверхностных слоев металла, состав адсорбированных газов и др. К настоящему времени благодаря успехам вакуумной техники и техники исследования поверхности удалось составить более законченное представление о закономерностях предпробойных токов и их природе. Установлено, что предпробойный ток в условиях тщательно очищенных электродов в сверхвысоком вакууме обусловлен только электронной компонентой. Доля ионной компоненты растет по мере увеличения загрязненности обоих электродов. В чистых условиях предпробойный ток экспоненциально возрастает с ростом приложенного напряжения и не зависит от температуры катода, что однозначно определяет его как ток автоэлектронной эмиссии. Центрами эмиссии являются микроострия на поверхности катода.