Взрывная электронная эмиссия

Открытие взрывной электронной эмиссии

В теории, самые простые способы передачи дополнительной энергии – нагрев или облучение эмиттера лазером. Однако, на практике использование таких методов имеет ограничения, связанные с тем, что величина плотности тока зависит от термостойкости материала, из которого изготовлен эмиттер.

Более эффективным методом можно считать автоэлектронную эмиссию, которая отличается принципиально иным принципом действия. При таком методе идет воздействие не на эмиттер, а на потенциальный барьер. Его истончают с помощью электрополя. Через истонченный барьер электроны могут туннелировать, нет необходимости в передаче большей энергии. Степень истончения барьера зависит от силы внешнего поля. Интенсивность потока электронов находится в прямой зависимости от напряжения. Автоэлектронная эмиссия была открыта в 1897 году Р. У. Вудом. Масштабные исследования в этом направлении проводили советские ученые. Благодаря этому был открыт метод электронной взрывной эмиссии (ВЭЭ).

Во время ВЭЭ на поверхности катода происходит взрыв микроскопического объема, в результате чего испускается электронный ток. При взрыве быстро выделяется энергия в ограниченном объеме, что, как правило, сопровождается разрушением и разбрасыванием вещества из этого объема. Также в результате взрыва металл катода переходит из твердого в состояние плазмы. Вызывать взрыв и возбуждение ВЭЭ можно различными способами, однако, чаще всего применяется быстрый нагрев участков катода электрическим током большой плотности, например, током автоэлектронной эмиссии (АЭЭ). Плотность тока АЭЭ может достигать 109 А/см2. Также концентрация большой плотности энергии на катоде может быть связана и с другими процессами: наличие на поверхности электрода плазмы, адсорбированного газа, диэлектрика.

Взрывная электронная эмиссия проходит в несколько стадий и включает в себя разные процессы, которые в конечном итоге создают на границе между металлом и плазмой фазовый переход. Наибольшая плотность плазмы при этом наблюдается в катодной части зоны эмиссии. Основными стадиями ВЭЭ можно считать первичные и вторичные процессы инициирования эмиссии.

Первичными процессами ВЭЭ являются микровзрыв на участке катода, образование плазмы и эмиссия электронов из первичного эмиссионного центра. После взрыва образует катодный факел из плазмы и металлических паров, испускаемых от катода. Концентрация плазмы неравномерно. Она уменьшается от катода по радиусу факела.

В момент перехода металла в состояние плазмы лавинообразно испускается огромный поток электронов. В результате взрыва эмиттер частично разрушается, поэтому его поверхность неоднородна. Однако, это позволяет получить ток очень большой силы.

Следующие исследования показали, что при разрушении выступов на поверхности эмиттера образуются другие. При этом количество разрушенных и образовавшихся выступов будет примерно одинаковым. Это открытие стало началом истории разработки и производства электровакуумных приборов. В них импульсы следуют друг за другом, а их длительность ограничивается до 10-7 долей секунды с помощью разрядника-обострителя. Небольшая длительность импульса позволяет сохранить работоспособность эмиттера.

Энергия, необходимая для работы взрывоэмиссионных приборов, накапливается в конденсаторе, после чего он быстро разряжается. В традиционной для электровакуумных аппаратов схеме питания эти два процесса идут циклически.

Применение ВЭЭ

Принцип ВЭЭ положен в основу работы ИРТ, используемых в рентген-аппаратах. Такие устройства отличаются небольшими размерами и весом, удобно при использовании в полевых условиях.

Однако, у них нет возможности регулировать параметры излучения. Поэтому их выпускают сериями, включающими в себя модели, предназначенные для просвечивания материалов разных толщин. Например, такие трубки входят в конструкцию приборов Арина-3, Арина-7, Арина-9, выпускаемых компанией Спектрофлэш.

Также принцип ВЭЭ используется в исследованиях физики плазмы, радиационной физике и химии. Он положен в основу приборов для накачки газовых лазеров, генерации мощных рентгеновских импульсов и т.д. Импульсные приборы нашли свое применение даже в кинематографии, так как позволяют снимать быстропротекающие процессы, такие, как полет пули. В этом случае разрядник-обостритель имеет управление с помощью внешнего сигнала, а генератор дополняется схемой синхронизации.

Сейчас проводятся исследования, которые позволят использовать не металлические, а графитовые катоды. Таким образом можно преодолеть основной недостаток импульсных трубок – малый рабочий ресурс.