Взрывная электронная эмиссия - возникновение электронного тока из металлич. эмиттера вследствие перехода
материала эмиттера из конденсир. фазы в плотную плазму в результате разогрева
локальных микроскопич. областей эмиттера током автоэлектронной эмиссии.
Взрывная электронная эмиссия используется в импульсных генераторах мощных электронных пучков и рентг.
лучей, то единств. вид электронной эмиссии, к-рый позволяет получать
потоки электронов мощностью до 1013 Вт с плотностью тока до 109
А/см2. Плотность тока термоэлектронной эмиссии ограничена
температурой плавления эмиттера. Повышение плотности тока j при фотоэлектронной
эмиссии требует столь мощных источников излучения, что это приводит к разрушению
поверхности эмиттера. С помощью автоэлектронной эмиссии принципиально возможно
получение j~106-108 А/см2, но для этого
нужны эмиттеры в виде совокупности большого числа острий идентичной формы, что
практически невозможно. Кроме того, увеличение j до 108 А/см2
приводит к взрывообразному разрушению всего эмиттера.
Для получения взрывной электронной эмиссии необходимо создать на поверхности эмиттера первонач. фазовый переход металл-
плазма, к-рый бы обеспечил ток электронов, способный затем поддерживать этот
переход. Такой переход создаётся посредством концентрации большой энергии в
микрообъёме эмиттера, достаточной для взрыва этого объёма. Большая концентрация
энергии в микрообъёме может осуществляться разл. способами, напр. ударом быстрой
макрочастицы о катод, с помощью сфо-кусир. луча лазера и т. д. Наиб. часто для
инициирования взрывной электронной эмиссии используется автоэлектронная эмиссия. Ток автоэлектронной
эмиссии разогревает микрообъём эмиттера за счёт джоулева тепла и Ноттингема
эффекта. Оба эти эффекта приводят к повышению электронной температуры Те (к "разогреву" электронов; см. Горячие электроны ).Темп-pa
кристаллич. решётки повышается в результате электронно-фононного взаимодействия. Время запаздывания t3 взрыва кончика острия относительно
подачи импульса напряжения определяется скоростью передачи энергии от электронного
газа к решётке. Это создаёт возможность для получения мощных кратковременных
импульсов электронного тока без разрушения эмиттера.
Время запаздывания tз связано с плотностью электронного тока j соотношением
где А - постоянная
(в широком интервале /), характерная для материала эмиттера, напр. для W А =4*109 А2 с/см4. Поэтому при j=109
А/см2 t3 = 10-9 с, что достигается при
электрич. поле Е~108 В/см. Поле такой величины можно получить
вблизи поверхности очень тонкого металлич. острия. Однако
взрывная электронная эмиссия возникает и на плоских эмиттерах и при меньших полях (E ~ ~105 в/см)
из-за того, что на их поверхности обычно имеются диэлектрич. включения, плёнки
и микроско-пич. выступы. В результате в отд. точках поверхности поле увеличивается
в неск. раз, и работа выхода электронов снижается.
После взрыва микрообъёма
эмиттера образуется т. н. катодный факел, состоящий из плазмы и паров материала
эмиттера. Распределение концентрации частиц в плазме в катодном факеле неоднородно
(у поверхности превышает 1020 см-3 и уменьшается по мере
удаления от неё). Плазма расширяется, заполняя вакуумный промежуток. В нач.
период (t<10-7 с) скорость 
разлёта плазмы для большинства металлов составляет (1-3)*106 см/с,
а затем уменьшается больше чем на порядок. Расширение факела сопровождается
интенсивной электронной эмиссией из плазмы. Электроны покидают факел, пересекают
вакуумный промежуток и попадают на анод.
Расчёт тока взрывной электронной эмиссии (без учёта релятивистских эффектов и магн. поля, создаваемого пучком) приводит к ф-ле:
где В - константа,
U - разность потенциалов между фронтом плазмы и анодом, F - функция
аргумента 
, где
d - расстояние между электродами, 
-
радиус плазменного сгустка, t - время. функция F определяется геометрией
вакуумного промежутка. Для случая, когда факел образуется на кончике острия
эмиттера при 
функция 
, где С=37*10-6
ab3/2 (а и b - радиусы анода и острия). В процессе
разлёта плазмы её концентрация снижается (ср. концентрация частиц в плазме при
токе ~100 А за время от 5 до 20 нc от начала взрывной электронной эмиссии уменьшается с 1017
до 5*l015 см-3). Когда она снизится настолько, что пропускаемый
ею ток сравняется с током, определяемым Ленгмюра формулой, скорость движения
её границы замедлится. Это приведёт к замедлению роста тока по сравнению с ф-лой
Ленгмюра. В этом случае электронный ток будет равен термоэлектронному току плазмы
(режим насыщения).
По истечении нек-рого времени
с момента образования факела, когда плотность тока, отбираемого из плазмы, достигает
величины ~102 А/см2, насыщение сменяется неустойчивым
режимом, для к-рого характерно появление хаотич. всплесков тока [их амплитуда
в 2-3 раза превосходит ток, определяемый ф-лой (2), а длительность 10-8
с]. Выход электронов из эмиттера в плазму обусловлен термоавтоэлектронной эмиссией
под действием электрич. поля, возникающего на границе эмиттер - плазма. Когда
это поле достигает (0,6-1)*108 В/см, это приводит к новому акту взрыва.
Описанная выше картина имеет место, если ток насыщения ~10 А. При меньших токах
(~1-2А) фаза насыщения может завершиться обрывом тока, т. к. процессы отбора
тока электронов с катода при взрывной электронной эмиссии и генерации плазмы на катоде, создающие
условия для взрывной электронной эмиссии, взаимосвязаны: чем меньше ток, тем меньше генерируется
плазмы. Существует пороговый ток, ниже к-рого взрывная электронная эмиссия не развивается.
На базе взрывной электронной эмиссии созданы
т. н. сильноточные вакуумные диоды, генерирующие мощные импульсы электронного
тока. Предельная длительность импульса тока ограничена временем, в течение к-рого
происходит замыкание вакуумного промежутка плазмой. Обычно это 10-7
с. Плотность тока достигает 107 А/см2. Такие диоды применяются
для исследования плазмы, радиац. дефектов в кристаллах для генерации
СВЧ-, рентг. и ИК-излучений,
для накачки газовых лазеров. В генераторах электронных пучков электроны
через полый анод выводятся за пределы диода. В генераторах рентг. импульсов
они направляются на установленную на аноде мишень.
А. Месяц
|
|
 |
