Чистяков Ч3

П. Н. ЧИСТЯКОВ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

ЧАСТЬ III

1

ГЛАВА I

ВЗРЫВНАЯ ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ

1. Условия возникновения взрывной эмиссии

При увеличении тока автоэлектронной эмиссии возникает нагрев эмиттера и появляется термоавтоэлектронная эмиссия. Этот участок вольт-амперной

характеристики в работе [1] завершился при плотности тока 108 А/см взрывом кончика эмиттера и вакуумной дугой в парах вольфрама. Взрывной пробой происходил даже при наилучших условиях вакуума и очистки поверхностей. Если в большинстве ранних работ по вакуумному пробою напряжение, плотность тока, электрическое поле, работа выхода были непостоянны, то в работе [1] эти величины были известны точно до пробоя. Пробой происходит между электродами, когда плотность тока, усредненная по сечению эмитирующего конуса при его отборе с эмитирующей полусферы, превосходит критическую величину j. Хорошим приближением является следующее:

где IМАКС - наибольшая величина нормального стабильного тока автоэлектронной эмиссии перед пробоем.

Величины j для нескольких эмиттеров достаточно хорошо согласовались, что навело на мысль, что именно плотность тока была наиболее важной величиной при взрывном пробое.

Переход к пробою был продемонстрирован осциллограммами, полученными при постепенном увеличении напряжения и тока. Ток начальной осциллограммы 22 мА, длительность напряжения и тока около 1 мкс. Увеличение напряжения на 4% вызвало 25%-ное увеличение тока. На всех осциллограммах был отмечен рост тока во время импульса, что, несомненно, связано с возникновением и ростом составляющей тока, вызванной нагревом эмиттера. Далее напряжение было увеличено всего на 1%, что привело к необратимому процессу - увеличению тока, за время менее 5 108с на два порядка величины и формированию вакуумной дуги.

В работе было высказано предположение, подкрепленное расчетами, что резкое увеличение тока и пробой вакуума были вызваны омическим нагревом и эффектом

Ноттингама. Этот эффект вызван различием энергий эмитируемого электрона и

2

электрона, приходящего на его место в эмиттере из внешней электрической цепи. Так как при термоэлектронной эмиссии электроны уходят из эмиттера при различных энергиях как сквозь потенциальный барьер, так и над ним, т.е. и ниже и выше уровня Ферми, то в зависимости от конкретных условий эмиттер может нагреваться или охлаждаться. Если температура эмиттера велика, то относительная роль электронов с энергиями, большими уровня Ферми, увеличивается. Поступают же на их место электроны с энергиями близкими к уровню Ферми, и в результате эмиттер охлаждается. Если температура эмиттера невелика, то эмитируются электроны со средней энергией на 0,1–0,3 эВ меньшей уровня Ферми, а замещаются они электронами с энергией, соответствующей уровню Ферми, что в результате приводит к нагреву эмиттера. На опыте наблюдались величины эффекта Ноттингама от -0,6 до +0,35 эВ.

Из этих двух процессов - омического нагрева и эффекта Ноттингама - большую роль играет первый, что подтверждается сильной зависимостью процессов пробоя от увеличения тока.

Был проведен расчет для адиабатического случая (процесс очень быстрый), который для использованного эмиттера пока зал, что омический нагрев дает сильный подъем температуры при j > 107 А/см2.

Природа перехода от автоэлектронной эмиссии к вакуумной дуге более подробно была исследована в работах [2, 3]. Оказалось, что взрыв и разрушение микроострий на поверхности катода под действием тока термоавтоэлектронной эмиссии сопровождаются образованием локальных плазменных сгустков – катодных факелов. Электроны поступают на анод с поверхности плазмы факелов,

расширяющейся со скоростью 106 см/с. В целом это явление получило название взрывной эмиссии электронов. Основной материал по взрывной эмиссии содержится в обзорной статье [4].

2. Катодный факел и эмиссия электронов

Скорость расширения катодного факела определялась несколькими методами. К ним относятся измерения скорости движения границы свечения факела и нарастания интенсивности свечения факела на разных расстояниях от вершины катода, определения скорости движения границы эмиссии электронов из плазмы факела в соответствии с законом «степени 3/2» и скорости перемыкания плазмой

факела промежутка катод - сетчатый анод, что фиксируется прекращением тока на

3

коллектор, расположенный за сеткой. Оказалось, что все эти методы дали близкие результаты - скорость расширения плазмы катодного факела практически не изменяется во времени, слабо зависит от приложенного напряжения и составляет для

исследованных метал лов Al, W, Mo, Cu и Pb - (1–3)106 см/с. Расчеты этой скорости, проведенные с использованием гидродинамической моде ли расширяющейся плазмы катодного факела, совпали с экспериментальными данными.

Состав ионов плазмы катодного факела изучали оптическими методами на катоде из алюминия. Были обнаружены ионы вплоть до четырехзарядных. Нейтральных атомов алюминия обнаружено не было. Температура электронов в плазме катодного факела оказалась равной 4,5± 0,8 эВ.

Катодный факел при расширении с приблизительно постоянной скоростью интенсивно эмитирует электроны, при этом в промежутке граница плазмы - анод протекает чисто электронный ток большой плотности и можно предположить, что пока плазма не достигла анода, выполняется закон «степени 3/2». Эти предположения подтверждаются расчетами.

Все эти расчеты и закономерности имеют место при устойчивой взрывной эмиссии, которая осуществляется на ранней стадии расширения плазмы катодного факела и дает неизменную форму и величину импульса тока. После того как ток превысит определенный предел, отмеченные закономерности нарушаются и отбор тока электронов из плазмы факела становится неустойчивым, что отмечается по появлению хаотических выбросов тока на осциллограммах, амплитуда которых в 1 , 5 – 3 раза превышает значение тока, соответствующее закону «степени 3/2».

Продолжительность всплесков тока и плотности тока не превышают 108с. Причина возникновения токовой неустойчивости при взрывной эмиссии

связывается с повышением потенциала прикатодной плазмы факела. Потенциал плазмы начинает возрастать в момент, когда ее эмиссионная способность становится меньше пропускной способности промежутка «плазма факела - анод».

3. Расход материала катода

Как было сказано ранее, в результате взрыва микроскопического острия, последнее деформируется и возникает расход его материала. Материал испаряется как вследствие очень высокой локальной температуры кончика эмиттера, так, повидимому, удаляется и в виде мелких частиц, что является результатом нарушения

4

прочности материала и взрыва. Коэффициент электропереноса определялся, например,

для острий из молибдена и составил (2 − 6) 10−5 г/Кл. Более детальные

исследования характера разрушения острий с использованием оптического и электронного микроскопов показали, что при первом включении и длительностях

импульсов тока t ≤ 4 10−8с металл уносится только с вершины острия, что соответствует предположению об омическом механизме нагрева при условии, что весь ток проходит через вершину острия.

Если это предположить, то можно получить следующее выражение для массы металла, унесенной за один импульс:

приведено сравнение данных, рассчитанных по формуле (2) с результатами экспериментов. При длительности импульсов 80 нс возникает эрозия боковой поверхности эмиттера и наблюдаемое на опыте количество массы, унесенной с вершины, значительно меньше рассчитанного. Эти отклонения могут быть объяснены уменьшением плотности тока через вершину острия из-за увеличения общей площади эмиссии катода, так как возникают взрывы микроострий и на боковой поверхности эмиттера. В ряде работ установлено, что при многократных импульсах тока, несмотря на рост радиуса кончика острия и уменьшения микрополя на вершине,

время запаздывания появления плазменного факела остается в пределах 10−9 с, что объясняется усилением микрополя на катодных остриях, возникающих в результате предшествующих взрывов. Таким образом, взрыв микроострий порождает при определенных условиях новые острия. Наиболее стабильной (до 106 включений) оказалась эмиссия из медных острий.

5

Рис. 1. Зависимость унесенной с вершины молибденового острия массы металла М от длительности импульса тока при первом включении. Зависимости

построены по формуле (2): 1 - θ = 8° ; 2 - θ = 10° ; 3 - θ = 24°

6

Наличие большого числа микроострий на поверхности катодов, работающих в режиме взрывной эмиссии, подтверждено прямыми и косвенными наблюдениями. Возникновение новых микроострий связывается с действием пондеромоторных электрических сил, вытягивающих микроострия из жидкой фазы метал лов в зоне прохождения интенсивного тока.

4. Роль взрывной эмиссии при сильноточных электрических разрядах в

вакууме и газах и ее применение

Эта роль сейчас только определяется; она, по-видимому, велика в сильноточной стадии вакуумного пробоя и в формировании кат одного пятна вакуумной дуги (дуги с испаряющимся катодом). Предполагается, что роль взрывной эмиссии вёлика также при формировании разрядов по диэлектрику в вакууме и электрического разряда в газах при высоких давлениях. Следует особо остановиться на возможно большой роли взрывной эмиссии в процессах катодного пятна вакуумной дуги (дуги с испаряющимся катодом). Это отмечено в Конспекте лекций по физической электронике (ч. II) при изложении явлений в дуговом разряде. Здесь можно отметить более подробно ряд общих свойств, объединяющих явления в пятне вакуумной дуги и протекающих при взрывной эмиссии. Как справедливо отмечено в ряде работ, к числу этих свойств относятся наличие плотной (~1018 см-3) плазмы у катода; высокая плотность тока в

элементарных ячейках дугового пятна, составляющая от 5 106 до 108 А/см2 периодическое повышение потенциала прикатодной плазмы, поддерживающее эмиссию электронов в области пятна на необходимом высоком уровне; появление новых элементарных ячеек пятна – центров эмиссии электронов из катода; близкие значения удельного расхода металла; близкие значения скорости расширения плазмы катодного факела и плазменных струй катодного пятна; возникновение многозарядных ионов в прикатодной плазме. Взрыв микроострий и появление катодных факелов, повидимому, являются одним из процессов, необходимых для существования катодного пятна дуги с испаряющимся катодом. Еще до появления подробных исследований взрывной эмиссии появились два новых вида электрофизических приборов и установок, действие которых связано с этим видом эмиссий. Речь идет о трубках, дающих мощные короткие импульсы рентгеновского излучения [5] и о сильноточных ускорителях электронов, в которых возникают импульсы тока наносекундной длительности с мощностью пучка до 1013 Вт [6].

7

ГЛАВА II

ЭКЗОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ, ВЫЗВАННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ В ГАЗЕ (ПОСЛЕРАЗРЯДНАЯ ЭМИССИЯ)

1. Общие сведения

Послеразрядная эмиссия возникает в результате действия излучения электрического разряда в газе на металлические, полупроводниковые или диэлектрические поверхности. Это поверхности электродов (анода и катода), а также специальных образцов, введенных в объем, где происходит разряд. Эмиссия возбуждается при протекании разряда и продолжается длительное время после его прекращения, постепенно уменьшаясь до уровня малого фона токов в газе, обусловленного внешними факторами, такими, как космическое излучение и излучение радиоактивных источников Земли.

Эмиссия была впервые обнаружена Христофом в 1935 г. при изучении газоразрядных счетчиков ядерных частиц. Исследование эмиссии провел Паетов в 1939 г. [7], им установлены основные ее закономерности и дан один из методов измерения. Послеразрядная эмиссия, по мнению Паетова, представляет собой автоэлектронную, вызываемую положительным электрическим зарядом на тонких неметаллических пленках. В случае однородных слоев изолятора (например Al2O3 на Al ) заряд образуется на его поверхности за счёт ионов прошедшего электрического разряда. В большинстве случаев в неоднородных слоях эмиссия, как обнаружил Паетов, возбуждается фотонами резонансного излучения газов (λ < 2000Å ). Здесь механизм эмиссии, по его мнению, таков: фотоны вызывают эмиссию электронов из объема неметаллического слоя на поверхности металла, образуется положительный заряд, распре деленный в объеме этого слоя, и как следствие возникает длительная автоэлектронная эмиссия.

Несомненно, что эти явления имеют место при действии электрического разряда в газах на поверхность металла, несущую тонкую неметаллическую пленку, особенно сплошную пленку с высоким электрическим сопротивлением. Однако в том случае, когда пленка несплошная и материал пленки – полупроводник или случайная смесь полупроводников и диэлектриков (остаточные пленки на металлах после механических обработок, пребывания на атмосфере, различных видов неполных очисток в вакууме и газах), предположение о длительном существовании

сильного локального поля в слое маловероятно. Более вероятно предположение о

8

возникновении в этих условиях экзоэлектронной эмиссии, возбуждаемой фотонами электрического разряда в газе, особенно фотонами резонансного излучения наиболее распространенных газов (инертные газы, H2, N2 и др.).

Экзоэлектронная эмиссия представляет собой слабую низкотемпературную эмиссию электронов, вызываемую действием на твердое тело механических деформаций, рентгеновских лучей, потоков электронов или ионов, ультрафиолетового и в некоторых случаях видимого света, электрического разряда в газах. По окончании действия этих факторов эмиссия затухает в течение длительного времени, поэтому ее называют также послеэмиссией [8]. Экзоэлектронная эмиссия связывается с дефектами полупроводников или диэлектриков, создающими локальные энергетические уровни. В тонких пленках или локальных включениях полупроводников или диэлектриков на поверхностях металлов образование дефектов весьма вероятно. Локальные энергетические уровни располагаются в запретной зоне, в том числе многие из них могут быть близки к зоне проводимости. При облучении фотонами разряда на эти уровни могут попадать электроны из валентной зоны, возможны также переходы электронов, попавших в зону проводимости. Для освобождения электронов из этих неглубоких уровней может быть достаточна небольшая энергия, в том числе и соответствующая комнатной температуре, а также небольшое внешнее

электрическое поле ( E ≤ 104 В/см). Часть этих электронов эмитируется в вакуум или газ. В ряде работ механизм экзоэлектронной эмиссии объясняется эффектом Оже [9]. Экзоэлектронная природа послеразрядной эмиссии видна в одном из опытов, осуществленных Паетовым, результат которого он не смог объяснить. Опыт был проведен на приборе с никелевыми электродами, заполненном водородом при давлении 10 мм рт.ст., ток возбуждающего разряда 0,5 мА, время возбуждения 0,2 с. Специальные пленки изолятора на электродах не создавались, однако можно было предположить наличие на электродах остаточных пленок или локальных включений полу проводников и диэлектриков, так как не проводилась их интенсивная очистка электронной или ионной бомбардировкой.

Послеразрядная эмиссия, возбуждаемая тлеющим разрядом, измерялась отдельно с электродов, которые при возбуждении были катодом и анодом. Оказалось, что эмиссия с электрода, который при возбуждении был анодом, на порядок больше чем с электрода, который был катодом. В работе [7] этот результат получен, но не объяснен.

Если предположить экзоэлектронную природу эмиссии, то объяснение может,

9

быть следующее: число фотонов, возникающее в условиях этого опыта в разряде, вполне достаточно, чтобы электроны валентной зоны заполнили все локальные энергетические уровни, число которых в приповерхностных слоях обоих электродов близко. Но в то время как при возбуждении эмиссии разрядом электрическое поле у катода способствует одновременному протеканию экзоэлектронной эмиссии, у анода поле тормозит электроны и препятствует эмиссии. Таким образом, в результате действия разряда возбуждаются центры экзоэлектронной эмиссии и катода, и анода; но на катоде часть на них эмитируют электроны и опустошаются уже в процессе возбуждения, и число заполненных центров оказывается меньшим, чем на электроде-аноде, поле у которого не допускает выхода экзоэлектронов в процессе возбуждения эмиссии. Следовательно, при измерении эмиссии, электрод, который был анодом в процессе возбуждений, показывает больший ток экзоэлектронов.

Электроразрядный способ возбуждения экзоэлектронной эмиссии изучен раньше других из-за его простоты, а также потому, что эти исследования стимулировались такими важны ми областями техники, как счетчики ядерных частиц и импульсные разрядники. В первом виде приборов возникающая эмиссия играет отрицательную роль, так как вызывает ложные счетные импульсы, а в импульсных разрядниках, наоборот, она полезна, так как способствует устранению в них статистических запаздываний электрического пробоя газа.

2. Основные зависимости послеразрядной эмиссии

Как сказано выше, послеразрядная эмиссия возбуждается действием фотонов определенной энергии, возникающих при электрическом разряде в газе. Например, в случае металлов, имеющих работу выхода φ около 4 эВ ( Ni , Fe , W , Cu , Ag и др.), эмиссия не возбуждается излучением ртутно-кварцевой лампы, но возбуждается фотонами с длиной волны короче 2000Å , что соответствует резонансному излучению инертных газов. Для металлов с меньшей работой выхода эмиссия может возбуждаться излучением с длинами волн и большими 2000Å , например, для бария (φ=2,5 эВ) наблюдалось возбуждение эмиссии излучением ртутно-кварцевой лампы. Для получения полной эмиссии со всей исследуемой поверхности металла последняя должна быть целиком облучена фотонами достаточной энергии, которые генерирует разряд в газе.

В работе [7] обнаружены зависимости эмиссии от плотности тока разряда,

10