Импульсный пробой при острийном катоде

Автоэлектронная эмиссия играет решающую роль в возникновении пробоя между электродами в вакууме. В связи с этим большой интерес представляет анализ экспериментальных данных, посвященных исследованиям электрического пробоя в вакууме, когда катод - классический острийный автоэлектронный эмиттер. Поскольку эмиттирующей частью такого катода обычно является поверхность одного микрокристалла, которую можно поддерживать атомарно чистой, то возникает ряд принципиально важных обстоятельств, облегчающих изучение физики развития пробоя. Первыми, кто воспользовался этими преимуществами в сочетании с техникой сверхвысокого вакуума, импульсной методикой и автоэмиссионной микроскопией, были Дайк и его сотрудники. Ими было установлено, что переходу к пробою предшествуют два характерных процесса. Первый из них - самопроизвольный рост эмиссионного тока в течение импульса напряжения. При постепенном увеличении амплитуды напряжения прямоугольные импульсы автоэлектронного тока деформировались в нарастающие. Это явление можно было воспроизводить многократно в одном опыте. Но стоило повысить напряжение еще примерно на 1%, как неминуемо происходил пробой, при этом ток возрастал более чем на два порядка (до 50-100 А) за время, которое было оценено как 5×10^-8с. Другое характерное явление - возникновение яркого кольца, окружающего обычное эмиссионное изображение поверхности острия чистого вольфрама. Для всех исследованных острий, имевших разные радиусы вершины и различную конусность, с большой точностью выполнялось одинаковое условие: пробой наступал при достижении плотности автоэмиссионного тока в пределах j_пр = (4-7)×10⁷А/см², что соответствовало напряженности электрического поля на вершине эмиттера Е = (6.5-7)×10⁷В/см. Следствием пробоя было оплавление вершины эмиттера, приводящее к увеличению его радиуса почти на два порядка.

Авторы убедительно показали, что возникновение пробоя в этом случае не связано с бомбардировкой катода ионами, образованными на аноде, поскольку время пролета ими межэлектродного промежутка больше длительности импульсов напряжения. Путем использования двух близко расположенных эмиттеров, плотности тока которых различаются в два раза, продемонстрировано, что бомбардировка ионами остаточного газа и ионами, образовавшимися при разрушении одного из эмиттеров, не сопровождается возникновением пробоя между анодом и другим эмиттером, который при этом не изменяет своих эмиссионных свойств. Таким образом, Дайк и его сотрудники установили, что причины возникновения пробоя в системе автоэмиттер-анод целиком зависят от процессов в самом эмиттере, причем определяющим фактором в данном случае оказывается плотность тока, однозначно связанная с напряженностью электрического поля.

Характер изменения тока в стадии перехода от АЭЭ к ВЭЭ представлен на рис. 12.1. Анализ осциллограмм позволил выделить четыре характерные фазы процесса. I - предпробойная (автоэмиссионная фаза) - достаточно хорошо исследована ранее в микросекундном диапазоне. II - фаза перехода - связана со взрывным разрушением эмиттера. В этой фазе ток резко возрастает в течение (1-5)×10^-8с со скоростью di/dt = 5×10⁷-10⁸А/с. Вслед за этим нарастанием тока обнаружена фаза III, в которой скорость роста тока на порядок меньше: 5×10⁶-10⁷А/с. Продолжительность этой стадии колеблется в пределах 2×10^-8-10^-7с. Далее следует фаза IV с несколько большей, чем в фазе III, скоростью роста тока. Таким образом экспериментально было показано, что взрыв острия происходит с некоторой задержкой от момента подачи импульса высокого напряжения (стадия I). Используя эмиттеры с различными радиусами вершины и изменяя амплитуду импульса напряжения, удалось найти связь между временем запаздывания взрыва острия t_з и плотностью предвзрывного эмиссионного тока j. При вычислении плотности тока было принято, что площадь зоны эмиссии равна r_э². Зависимость t_з (j) представлена на рис 12.2. Видно, что все экспериментальные точки в двойном логарифмическом масштабе хорошо укладываются на одну прямую, а тангенс угла наклона равен двум. Отсюда следует, что произведение квадрата плотности тока на время запаздывания до взрыва автоэмиттера в большом диапазоне времени t_з (примерно восемь порядков величины) и плотности тока j (около трех порядков) остается величиной приблизительно постоянной.

Из графика находим, что j²t_з = 4×10⁹А²×с/см⁴. На рис. 12.2 приведена также зависимость времени запаздывания t_з от напряженности поля на вершине эмиттера Е₀ для тех же экспериментальных точек. С увеличением напряженности поля Е₀ от 7×10⁷до 1.3×10⁸В/см критическая плотность тока увеличивается от 4.5×10⁷до 2.2×10⁹А/см², что, в свою очередь, ведет к уменьшению времени запаздывания от 4×10^-6до 1×10^-9с. Уменьшение напряженности поля E₀ всего лишь от 7×10⁷до 6.5×10⁷В/см приводит к росту t_з от 4×10^-6до 10^-1с. Таким образом, экспериментальные результаты указывают на чрезвычайно сильную зависимость времени запаздывания до взрыва острия от напряженности поля на его вершине.

Рис. 12.1. Характер изменения тока в стадии перехода от АЭЭ (I) к ВЭЭ (II–IV) (а). Осциллограммы коллекторного тока при взрыве автоэмиттера без перенапряжения (б–г) и с перенапряжением (д)

Рис. 12.2. Зависимости времени запаздывания взрыва автоэмиттера из вольфрама от напряженности электрического поля (1) и от плотности тока (2)

Итак, критерием импульсного пробоя в вакууме между острийным катодом и плоским анодом является соотношение

j²t_з = Const₁ (12.1)

Из исследований взрыва проводников известно, что

, (12.2)

где величина называется удельным действием. Величина зависит от сорта металла и слабо зависит от плотности тока. Поэтому в определенном диапазоне плотностей тока эту величину можно считать неизменной, которая зависит только от сорта. Таким образом, данные, полученные в этой главе, однозначно свидетельствуют о том, что при острийном катоде стадия пробоя завершается взрывом кончика металлического острия. После этого начинается искровая стадия, которая обусловлена взрывной эмиссией электронов.