Эктоны

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 311↑

29.10.2003 Хронометраж

38:14

Стенограмма эфира

Открытая двести лет назад электрическая дуга давно видоизменила наш мир. Активное применение в технике тем не менее не означало, что физики до конца разобралась в сути этого явления. Что происходит в процессе зарождения электрической дуги и как обеспечивается ее непрерывное горение? О роли эктонов в вакуумном разряде — академик РАН Геннадий Месяц.

Участник:

Геннадий Андреевич Месяц — академик, вице-президент РАН. Область научных интересов: фундаментальные исследования и разработка мощной импульсной энергетики, целый ряд открытий в области техники высоких напряжений, явлений в ионизованных газах и процессов на электродах. Вместе с коллегами ученый впервые разработал мощные коммутаторы мегавольтного диапазона на основе газового разряда, открыл явление взрывной эмиссии электронов из металлов, позволяющее получать сверхбольшие токи электронов. Работы Г. А. Месяца обеспечили прорыв в решении проблем в области лучевых технологий (лазеров), мощных ускорителей электронов и применении передовых технологий в экологии.

Обзор темы

(В основе обзора — статья В. Губарева из журнала «Наука и жизнь» № 6 за 2003 год, статья из журнала «Успехи физических наук» том 165 № 6 за 1995 год).

Очень интересное и неведомое до сей поры явление — электрические разряды в газе и вакууме. По сути дела — это микровзрывы, которые происходят в объемах, измеряемых микронами, а по времени — продолжаются миллиардные доли секунды. Это самые настоящие взрывы. Их можно представить как кратеры, подобные тем, что есть на Луне... Эти микроскопические взрывы в определенных условиях возникают и поддерживаются — заряженные частицы испускаются из металла пакетами. Иными словами, металл способен выбрасывать заряженные частицы. Взрывные центры Г. А. Месяц назвал «эктонами». Оказалось, что существует огромное количество явлений, которые до их открытия нельзя было понять до конца. К примеру, ты включаешь свет в квартире, и он загорается. Но что происходит в этот момент в выключателе? Оказывается, между его контактами возникает «миллиард» взрывов. Подобные явления — а их великое множество — Г. А. Месяц и пытается понять и объяснить.

За последние годы им было получено несколько крупных результатов. Первое — это открытие эктонов. Второе — новые свойства кремниевых полупроводников при огромных плотностях тока.

Сильноточная электроника — это электроника больших мощностей и сильных полей. Ученые шли к ней через исследования разряда в вакууме и газе. Пришлось создавать новую технику, дающую короткие и мощные импульсы, приборы, способные запечатлеть изменения физических процессов за очень короткие (миллионные и миллиардные доли секунды) промежутки времени. Обнаружили не описанное в литературе явление и, отбросив груз старых представлений и традиций, заинтересовались им как реальностью, назвав «взрывной электронной эмиссией». Суть ее такова. Если в металлический катод быстро ввести энергию большой концентрации, то происходит мгновенный переход металла из твердого состояния в плазму и выделяется большой поток электронов — это и есть микровзрыв. Процесс взрыва был известен и ранее, но его боялись, и многочисленные исследования разных институтов направлялись на то, чтобы его предотвратить. Новый вид эмиссии электронов позволяет избавиться от специального нагревания катодов, благодаря чему можно создать надежные управляемые источники мощных электронных пучков, технику больших мощностей.

Начался поиск материалов, способных дать наибольшую эмиссию электронов. Результаты сразу же нашли применение в технике и в науке. Следующим шагом было развитие сильноточных ускорителей электронов, затем — термоядерный синтез, исследования в области плазмы и так далее. И если раньше ученые занимались интервалами времени, измеряемыми наносекундами (миллиардные доли секунды), то теперь оперируют пикосекундами (тысячными долями от этой величины).

Электрический разряд в вакууме состоит из трех стадий: пробой, искра и дуга. Вакуумный пробой является одним из способов возбуждения вакуумной дуги. Но прежде, чем наступает дуга, разряд переходит еще в искровую фазу. Вакуумная дуга является наиболее загадочной фазой вакуумного разряда. Для нее характерны 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, наличие субструктуры в катодном пятне, которая выражается в мелких (~10⁻⁴ мкм) кратерах внутри значительно больших и т. д.

Убедительного теоретического описания дугового разряда, которое бы объясняло все экспериментальные результаты, долго не было. Первыми, кто попытался с помощью системы уравнений, описывающих совокупность процессов в пятне, определить параметры в пятне, были Ли и Гринвуд (1961). Они задавались известными значениями катодного падения потенциала, работы выхода катода, коэффициента теплопроводности, констант испарения и т. д. Бейлис, Любимов, Раховский (1969) для описания процессов переноса тока в прикатодной области использовали совокупность уравнений движения и баланса энергий тяжелых частиц и электронов в трехкомпонентной катодной плазме. Для описания процессов на катоде применялись обобщенное уравнение эмиссии и уравнение баланса энергии на катоде. Эти и другие теоретические подходы к катодному пятну на основе классических представлений об испарении металла не смогли объяснить известные экспериментальные данные. Кроме того, авторы исходили из неверного предположения о том, что плотность тока в пятне не выше 10⁵–10⁶ А/см². Сейчас можно считать однозначно установленным, что плотность тока в пятне порядка 10⁸ А/см². Именно поэтому изложенные выше методы для описания дуги бесперспективны.

Ни один из известных авторов не рассматривал вакуумный разряд как единое целое: пробой, искра и дуга. Каждой из этих стадий посвящены многие тысячи статей и десятки монографий. Считается, что все они существуют как бы сами по себе, а не являются отдельными стадиями одного явления — вакуумного разряда.

Г. А. Месяц впервые дал описание всех трех стадий разряда в вакууме (пробой, искра и дуга) с единых физических позиций Он показал, как эти стадии совершенно естественным образом переходят одна в другую. 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 назвали 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 рассматриваемой нами концепции вакуумного разряда.

В рамках этого механизма все три стадии вакуумного разряда находят свое естественное физическое объяснение. Пробой и явления, которые называют предпробойными, — это процесс концентрирования энергии в микрообъеме поверхности катода. Как только удельная энергия, накопленная в этом микрообъеме, превосходит некоторую предельную величину, 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.

Какие факты заставили ученого прийти к заключению о фундаментальной роли эктонов в вакуумном разряде? Можно назвать два направления исследований, которые этому способствовали. Прежде всего, это цикл работ Г. А. Месяца и его группы, которые привели к открытию явления взрывной эмиссии электронов (ВЭЭ) и пониманию физики импульсного вакуумного пробоя и вакуумной искры. В них впервые были использованы методы регистрации тока, напряжения и свечения из промежутка с наносекундным разрешением, а световые потоки усиливались в 10⁶ раз. Это позволило визуально наблюдать процессы микровзрывов на катоде и жестко связать их с появлением электронного тока ВЭЭ, который и определял начальную фазу искрового разряда в вакууме.

Сравнение полученных данных для искрового разряда по удельной эрозии катода и плотности тока на катоде, а также измеренных параметров катодной плазмы, жидкого металла, включая микрокапли и кратеры и т. д., с наиболее достоверными данными для вакуумных дуг привело к важным выводам. Эти данные оказались удивительно близкими, что привело автора к выводу об идентичности процессов, происходящих в катодной области искры и дуги. Но поскольку уже было ясно, что основой существования искры являются микровзрывы на катоде и появление ВЭЭ (взрывной эмиссии электронов), то нужно было искать доказательства их существования и в самой дуге и объяснять причины их появления. Для этого Г. А. Месяцем и его сотрудниками была поставлена серия экспериментов по исследованию дуги с наносекундным временным и субмикронным пространственным разрешением при токах, близких к пороговому. Эти исследования еще больше убедили ученого в правильности сделанного им предположения. В катодном пятне вакуумной дуги действительно фундаментальную роль играли микровзрывы участков катода. Эти исследования привели ученого к заключению, что испускание электронов, плазмы, жидкого металла и т. д. происходит порционно. Порция электронов и была названа эктоном. Эктон является первопричиной всякой порционности. Только благодаря идее порционности была получена возможность объяснить экспериментальные данные по катодным процессам.

Это заставило заново пересмотреть известные экспериментальные данные по дуге, полученные и другими учеными. В первую очередь это относится к исследованиям И. Г. Кесаева. Очень важные выводы, сделанные им, состоят в том, что катодное пятно дискретно в пространстве и времени. Оно содержит отдельные ячейки, ток которых не превышает двух пороговых, и в каждой ячейке происходят циклические процессы. Хотя временное разрешение осциллографа не позволяло точно оценить длительность цикла, но по размерам следа катодного пятна (~10⁻⁴ см) и примерной скорости распространения тепла (10⁴ см/с) можно было показать, что оно порядка 10⁻⁸ с. Интересно, что существование ячеек и циклов полностью вписывается в эктонный механизм дуги. Ячейка обусловлена взрывом струи жидкого металла, а цикл — временем существования предыдущего взрыва и подготовкой к последующему. Сам И. Г. Кесаев не придерживался идеи электрического взрыва металла в катодном пятне. Он считал, как и многие до него, что в пятне происходит обычное испарение металла. Однако для объяснения многих неясных фактов он очень часто возвращался к мысли о взрывных процессах. Например, анализируя плазменные струи с катода, он говорил, что «не исключена возможность термического происхождения струй при участии взрывных явлений».

Несмотря на выдающиеся экспериментальные результаты, И. Г. Кесаев был недоволен тем, что он не постиг первопричины катодных процессов дуги, не нашел того феномена, от которого все зависит. Г. А. Месяц хорошо лично знал И. Г. Кесаева и общался с ним в последние годы его жизни. Это был ученый, желавший дойти до самой сути любого явления. Он проявлял исключительно большой интерес к открытому Г. А. Месяцем явлению ВЭЭ, предполагая, что оно поможет раскрыть механизм катодного пятна дуги. Эктон и есть тот феномен, которого так не хватало Кесаеву для полного понимания проблем дуги в вакууме.

Необходимо заметить, что идея взрыва металла в катодном пятне вакуумной дуги высказывалась неоднократно и ранее. Упомянем ряд работ. Например, Танберг (1930), чтобы объяснить большую скорость разлета струй пара из катода (10⁶ см/с), показал, что необходим разогрев катода до 10⁵ К. Прямое же измерение температуры катода показало, что она не выше 3000 К. Поэтому он заметил, что такой перегрев металла можно получить при взрыве проводников. Для объяснения уноса массы с катода Некрашевич и Бакуто (1959) предположили, что верхние слои металла катода взрываются. Сравнивая свойства плазмы в катодном пятне и при взрыве проводников, Ротштейн (1964) заключил, что катодное пятно можно рассматривать как взрыв металла. Однако он не указал, что и отчего взрывается. Важный вклад в понимание физики катодных процессов в вакуумных разрядах внесла серия работ Дайка и его сотрудников по автоэлектронной эмиссии, опубликованных в 50–60-х годах. Они показали, что при большой плотности автоэлектронного тока острийный катод разрушается, в результате чего образуется вакуумная дуга. Считалось, что разрушение острия происходит за счет его расплавления. Наиболее интересными среди ранних являются идеи Фурсея (1967), предположившего, что в катодном пятне вакуумной дуги происходит взрыв микроострий на поверхности катода током автоэлектронной эмиссии, а самоподдержание дуги обусловлено увеличением плотности тока с таких острий за счет поля в контакте плазма-катод.

Однако настоящим прорывом, позволившим в конечном счете понять механизм вакуумного разряда, включающего пробой, искру и дугу, было открытие в 1966 году Г. А. Месяцем и его сотрудниками явления взрывной электронной эмиссии. Тем не менее, Г. А. Месяц признает, что его идеи об эктонной природе катодных процессов в вакуумном разряде не являются общепризнанными, хотя и имеют много сторонников, причем число сторонников этих идей увеличится.

Отметим, что эктонная модель вакуумного разряда естественным образом объясняет наблюдаемые Любимовым и Раховским два типа катодных пятен дуги. Пятна первого типа образуются из-за микровзрывов на катоде за счет взаимодействия катодной плазмы с поверхностью катода. Пятна же второго типа — это результат взаимодействия плазмы со струями жидкого металла, приводящего к их взрыву.

Несмотря на кажущуюся сложность явлений, происходящих в трех стадиях вакуумного разряда, основными являются два процесса: во-первых, взрыв микроучастка поверхности катода и сопутствующие ему явления (взрывная эмиссия электронов, эктоны, струи жидкого металла, капли и т. д.) и, во-вторых, взаимодействие плазмы, образуемой от этого микровзрыва или от внешнего источника, с катодом и появляющиеся в результате этого новые микровзрывы.

Можно назвать три возможных результата взаимодействия плазмы с поверхностью катода. Во-первых, при воздействии плазмы на диэлектрические пленки и включения они заряжаются ионным потоком плазмы, а затем происходит их электрический пробой, приводящий к новому микровзрыву на катоде. Во-вторых, микровзрыв может возникать за счет высокой концентрации энергии в микровыступах катода, расположенных рядом с начальным взрывом. В-третьих, новый вторичный микровзрыв возникает при взаимодействии плазмы со струями жидкого металла, которые образуются при самом взрыве. Второй и третий способы возбуждения микровзрывов близки по своей природе. Это создание высокой плотности тока в микровыступах катода, их быстрый джоулев разогрев и взрыв.

В результате микровзрывов на катоде возникает взрывная эмиссия электронов, которая существует короткое время, а затем исчезает. Перед микровзрывом плотность тока составляет около 10⁹ А/см². Это приводит к быстрому разогреву микрообъема поверхности катода и его взрыву, который сопровождается эффективной термоэлектронной эмиссией. По мере развития микровзрыва происходит увеличение зоны эмиссии, теплоотвод, унос тепла за счет выброса плазмы и нагретого жидкого металла. Эти процессы снижают температуру зоны функционирования эктона и плотность тока эмиссии, что приводит к еще более быстрому охлаждению из-за снижения эффективности джоулева разогрева.

Посмотрим подробнее, что происходит в каждой из трех стадий вакуумного пробоя. Вакуумный пробой происходит тогда, когда достигается такая высокая концентрация энергии в микрообъеме поверхности катода, которая приводит к микровзрыву. Концентрирование энергии в микрообъеме катода, достаточной для взрыва, происходит из-за несовершенства поверхности катода, так как невозможно получить абсолютно гладкую и чистую поверхность металла. Пробой определяется следующими основными факторами, приводящими к концентрированию энергии в микрообъеме катода и возникновению взрывной эмиссии электронов. Это микроскопические выступы на катоде, диэлектрические и полупроводниковые пленки и включения на нем, адсорбированный газ, а также микрочастицы металла, диэлектрика или полупроводника, которые свободно лежат на поверхности. Однако одним из наиболее эффективных методов создания катодного микровзрыва и взрывной эмиссии электронов является джоулев разогрев микровыступов на катоде током автоэлектронной эмиссии. Электрическое поле на кончике микровыступов может усиливаться до 100 и более раз. Следовательно, при среднем электрическом поле в промежутке 10⁶ В/см поле на кончике может быть 10⁸ В/см, что соответствует плотности тока автоэлектронной эмиссии 10⁸–10⁹ А/см². При таких плотностях тока взрыв микроострий происходит за время 10⁻⁸–10⁻⁹ с. Зависимость времени задержки взрыва острия t от плотности тока j определяется из зависимости j²t = h, где h — удельное действие, которое зависит от сорта катода.

При инициировании вакуумного пробоя важную роль играет плазма от какого-либо источника, направляемая на катод. Для того чтобы эта плазма была эффективной, достаточно затратить 10⁻⁸ Дж энергии. Эта плазма взаимодействует с катодом и приводит к появлению новых микровзрывов за счет зарядки и пробоя диэлектрических пленок и включений, а также за счет усиления плотности тока на микровыступах катода. Плазма на катоде может создаваться за счет различных внешних воздействий, таких, как луч лазера, удар ускоренной микрочастицы о катод, быстрый нагрев катода, воздействие на него электронного пучка и т. д. В первом и втором случаях плазма образуется за счет быстрого разогрева катода. В третьем и четвертом случаях происходит десорбция газа и его ионизация в электрическом поле электронами термоэлектронной эмиссии с катода или воздействующими на катод ускоренными электронами.

Таким образом, всякое воздействие на катод, приводящее к пробою, производит этот пробой за счет создания на нем плазмы.

Пробой возникает также при образовании плазмы на аноде. Однако энергии, необходимой для образования плазмы, в этом случае нужно на несколько порядков больше, чем при катодном инициировании пробоя. В этом случае пробой возникнет тогда, когда появится хотя бы один микровзрыв на катоде. Ионы анодной плазмы попадают на катод. Они разогревают катод и заряжают диэлектрические пленки и включения, что, в конечном счете, приводит к образованию катодной плазмы, появлению микровзрывов, взрывной эмиссии и эктонов.

Если считать, что пробой обусловлен взрывом микроострий на катоде током автоэлектронной эмиссии, то пробивное напряжение должно быть прямо пропорционально длине промежутка. Однако в ряде случаев наблюдается отклонение от этой закономерности. Этот эффект получил название эффекта «полного напряжения». Его существование часто используют как аргумент против механизма вакуумного пробоя, обусловленного микровзрывами на катоде. Однако это не так. Этот эффект означает, что иногда для микровзрыва недостаточно только тока АЭЭ (анодной электронной эмиссии), а нужны другие явления, которые также приводят к концентрированию энергии в микрообъемах катода. К этим явлениям относятся отрыв микрочастиц от анода и удар их о катод, разогрев анода микропучками электронов автоэлектронной эмиссии из микровыступов на катоде, испарение участков анода при ударе о него микрочастиц с катода и т. д. Все эти процессы приводят к образованию на катоде плазмы, которая ускоряет процесс концентрирования энергии в микрообъемах катода. Следовательно, это те же эффекты, которые имеют место при пробое от набегания на катод плазмы от внешнего источника.

После того, как в микрообъеме катода достигается энергия, необходимая для его взрыва, начинается взрыв, стадия пробоя завершается и начинается искровая стадия. Появление микровзрыва сопровождается электронным током взрывной эмиссии. Этот ток в результате джоулева разогрева металла и приводит к образованию плазмы и жидкого металла. Чтобы искровая стадия была самоподдерживающейся, кроме самого факта взрыва необходимо еще выделение некоторой критической массы для обеспечения нужного количества плазмы и жидкого металла. Их взаимодействие и приводит к самоподдержанию искрового разряда.

Микровзрывы на катоде обусловливают его эрозию, т. е. унос катодной массы. Она состоит из трех компонент: плазменной, жидкометаллической (капли), паровой. Кроме того, с поверхности катода уносятся адсорбированные газы, а также диэлектрические и полупроводниковые загрязнения. Однако основными компонентами эрозии являются плазма и жидкий металл. Скорость разлета катодной плазмы для большинства металлов лежит в пределах (1 ÷ 2) · 10⁶ см/с. Катодная плазма содержит ионы с кратностью заряда от одного до пяти и более, а также нейтральные атомы. Электронная температура такой плазмы в катодной области составляет 4–5 эВ. Концентрация этой плазмы крайне неоднородна. В зоне микровзрыва она составляет порядка 10²¹ см⁻³, а затем спадает. Для меди удельная ионная эрозия составляет 4 · 10⁻⁵ г/Кл. Капли жидкого металла образуются в результате их отрыва от жидкометаллических струй. Скорость движения жидкого металла из зоны катодного пятна составляет порядка 10⁴ см/с. Она определяется высоким давлением катодной плазмы на жидкий металл. Для меди общее удельное число капель составляет 2 · 10⁷ капель/кулон.

Ток искры, который является током взрывной эмиссии электронов, содержит отдельные порции электронов — эктоны. Наличие эктонов приводит к циклическому характеру тока искры. Для меди средний ток электронов эктона не более 10 А, длительность эктонного цикла ~10⁻⁸ с, а число электронов в нем примерно 3 · 10¹¹ штук. Взаимодействие этих эктонных электронов, ускоренных электрическим полем, с ионами от предыдущих эктонных циклов приводит к возникновению положительных ионов, двигающихся в аномальном направлении в сторону анода. В зависимости от условий эксперимента энергия этих ионов может составлять 10³–10⁷ эВ. По-видимому, это коллективное ускорение ионов электронными сгустками эктонов. При токе искры 100 А и длине промежутка 1 см в искре протекает не менее 10³ эктонных циклов.

При таком большом числе эктонов в искровой стадии разряда есть ряд общих закономерностей протекания тока. Например, длительность искровой стадии прямо пропорциональна длине промежутка.

А теперь остановимся на механизме самоподдержания искрового разряда. Он обусловлен взаимодействием катодной плазмы с поверхностью катода. Если катод содержит диэлектрические пленки и включения, то ионы плазмы заряжают их до высокого электрического поля и вызывают их пробой или разряд по их поверхности. В том и другом случаях образуются значительно более плотные сгустки плазмы, которые приводят к появлению новых вторичных эктонов. Если на поверхности катода нет загрязнений, то вторичные эктоны возникают за счет эффекта усиления плотности тока на близлежащих микровыступах катода или на микроструях жидкого металла, возникающих при давлениях плазмы на жидкий металл.

Кроме того, важно учесть разогрев анода. Электроны взрывной эмиссии в искровой стадии разогревают анод. Это приводит к появлению плазмы, паров металла, а также жидкометаллической фазы металла анода. Скорость анодной плазмы достигает 10⁶ см/с. Это приводит к эрозии анода. Для меди удельный унос массы составляет 10⁻² г/Кл. При бомбардировке анода электронами взрывной эмиссии анод становится источником рентгеновского излучения.

Заключительной стадией вакуумного разряда является дуга. Она возникает после того, как катодная и анодная плазма соединятся, а ток выйдет на стационарное состояние. Все особенности дуговой стадии разряда обусловлены в основном процессами на катоде в катодном пятне дуги. Катодные пятна бывают первого и второго типов. Пятна первого типа появляются на катодах с диэлектрическими пленками и включениями. Они оставляют после себя много мелких кратеров, которые отстоят друг от друга на довольно большом расстоянии и имеют сравнительно малую эрозию катода. Пятна второго типа появляются на очищенных поверхностях катода и имеют довольно большую эрозию. В этом случае кратеры налагаются друг на друга или касаются друг друга. В основе анализа вакуумной дуги в этой монографии лежит изучение пятен второго типа. Катодное пятно имеет ячейки, каждая из которых оставляет микрократер. Ток ячейки равен двум пороговым токам дуги. Кроме того, процессы в катодном пятне имеют циклический характер. Это проявляется, в частности, в том, что катодное пятно циклически меняет свой катодный потенциал. При этом происходит периодическое увеличение и уменьшение катодного потенциала, который, однако, не становится ниже катодного падения.

Свойства дуги и искры очень близки. Например, удельная эрозия катода в дуге и искре почти одинаковы. Близки также свойства катодной плазмы, к примеру, скорость разлета плазмы ~10⁶ см/с, концентрация плазмы в зоне пятна 10²¹ см⁻³ температура электронов в зоне 4–5 эВ, наличие многозарядных ионов и т. д. Все это говорит о том, что в основе функционирования катодного пятна дуги, как и искры, лежит взрывная эмиссия электронов и эктоны. В основу анализа дуговых процессов нужно брать экспериментальные данные по дугам, ток в которых порядка порогового. В этом случае можно изучать отдельную ячейку катодного пятна. Рассмотрим подробнее параметры этих ячеек.

Для медного катода колебания напряжения в катодных циклах составляют 5–20 В над уровнем катодного падения потенциала U_K = 16 B. Средняя продолжительность цикла для медного катода равняется 30 нс а для вольфрамового — 25 нс. Причем в последнем случае подскоки потенциала достигали 50 В. В течение цикла катодного пятна существуют ячейки, о которых можно судить по микрократерам, которые остаются в местах функционирования катодных пятен. Через каждый микрократер протекает ток, равный двум пороговым. Диаметр кратера при токе близком к току ячейки определяется процессом распространения тепла за счет теплопроводности в течение длительности цикла. Плотность тока катодного пятна определяется плотностью тока в ячейке. Она меняется в течение цикла.

При функционировании катодного пятна ячейки испускают струи плазмы, скорости которых для многих металлов равны (1 ÷ 2) · 10⁶ см/с. Эти струи образуются за счет джоулева разогрева и электрического взрыва жидкометаллических острий при их взаимодействии с катодной плазмой. Потоки жидкого металла имеют скорость разлета порядка 10⁴ см/с за счет давления на жидкий металл упомянутых выше плазменных струй. Средняя величина этого давления достигает 10⁸ Па и более. Жидкий металл выплескивается из катодного пятна в виде капель жидкого металла. Для катодов из серебра, кадмия и меди удельное число капель, как и для искры, составляет порядка 10⁷ капель/кулон. При токе ячейки близком к пороговому капля является элементом катодного цикла. Поэтому по числу испускаемых капель за один кулон можно оценить длительность цикла. Для указанных выше металлов она составляет 20–30 нс, что близко совпадает с измерениями другими методами.

Теперь рассмотрим природу порогового тока и катодного падения потенциала в эктонном механизме вакуумной дуги. Пороговый ток это тот минимальный ток, при котором дуговой разряд будет самоподдерживающимся. Это происходит тогда, когда в каждой последующей струе жидкого металла масса и вложенная в нее удельная энергия не ниже некоторой предельной величины. Удельная энергия для медной струи должна составлять порядка 10⁵ Дж/г. Катодное падение потенциала — это падение на прикатодном участке неидеальноЙ плазмы, которая образуется при электрическом взрыве струи жидкого металла. Например, для обеспечения катодного падения потенциала для медного катода (U_K = 16 В) удельное сопротивление плазмы должно быть 10⁻⁴–10⁻³ Ом·см, а средняя концентрация плазмы не ниже 10²¹ см⁻³.

При функционировании катодного пятна происходит унос катодной массы. Он, как и в искре, происходит в виде плазмы (ионы), жидкого металла (капли) и его паров. Наибольший удельный унос для меди происходит в виде ионов 40 мкг/Кл, капельная фракция равна 25 мкг/Кл, а паровая фаза около 8 мкг/Кл. Для большинства металлов доля ионного тока уносимого на анод составляет 8% от общего тока дуги.

Функционирование катодного пятна сопровождается его хаотическим движением. Если приложить магнитное поле перпендикулярное электрическому, то движение принимает направленный характер и происходит в направлении, противоположном амперовскому, т. е. движению обычного проводника. Это движение получило название «обратного движения». Фактически это движение кажущееся, так как происходит отмирание одних ячеек катодного пятна и появление новых. Физическая основа движения пятна второго типа связана с взаимодействием плазмы с микроструями жидкого металла. Это взаимодействие приводит к усилению плотности тока в струях, их джоулеву разогреву, взрыву и образованию вследствие этого новых ячеек катодного пятна на бруствере предыдущего кратера, так как именно там появляются струи жидкого металла. Одной из наиболее вероятных причин «обратного движения» является аномальное движение ионов и электронов в катодной плазме. С одной стороны, это обратные электроны, которые возвращаются на катод из катодной плазмы, а с другой — положительные ионы, которые после микровзрыва двигаются с катода на анод, т. е. в аномальном направлении.

При функционировании вакуумной дуги имеется конечная вероятность того, что дуговой разряд может погаснуть. Эта вероятность описывается случайным экспоненциальным законом, а время до погасания разряда растет с ростом тока экспоненциально. С точки зрения эктонного механизма дуги это явление кажется очевидным, так как взрывная эмиссия периодически исчезает и возникает вновь в эктонных циклах. Поэтому всегда есть вероятность того, что при каком-то токе значительная часть эктонов исчезнет «почти» одновременно, приводя к погасанию всей дуги.

Существование тока через катодное пятно, на один-два порядка превышающего ток ячейки, часто используется как аргумент против эктонного механизма. Как было показано выше, в этом случае происходит группировка ячеек катодного пятна в непосредственной близости друг от друга. Здесь реализуются энергетически более выгодные условия для воспроизводства эктонных процессов: выше плотность тока, температура поверхности, концентрация прикатодной плазмы. Когда плотность тока в таком коллективном пятне снижается до средней плотности тока одиночной ячейки, происходит его деление. Наличие субструктуры катодного пятна подтверждено экспериментальными данными по колебаниям светового излучения пятна, его электронно-оптической съемкой и эрозионными следами, оставляемыми на катоде.

Итак, мы показали, что в основе функционирования всех трех стадий вакуумного разряда, — пробоя, искры и дуги, лежат микровзрывы поверхности катода, взрывная эмиссия электронов и эктоны. Исходя из этого подхода, можно удовлетворительно объяснить многообразие процессов в катодной области вакуумного разряда. Никакой другой подход к изучению вакуумного разряда этого сделать не позволяет.

Существуют два механизма возбуждения вакуумного пробоя плазмой на катоде: один за счет зарядки диэлектрических пленок и включений и их пробоя, а второй за счет усиления плотности тока на микровыступах катода. В первом случае плотность плазмы, инициирующей разряд, на несколько порядков меньше, чем во втором.

Есть различные методы инициирования вакуумного пробоя за счет внешнего воздействия. Наиболее хорошо изученными являются лазерное инициирование, а также удар ускоренной микрочастицы об электрод. Во всех этих методах главным для пробоя является достижение большой концентрации энергии в микрообъеме катода, образование первичных эктонов и начало взрывной эмиссии электронов. Несмотря на различные методы инициирования, основными физическими эффектами являются образование плазмы и ее взаимодействие с поверхностью катода, которое приводит к образованию эктона.

Минимальная энергия, необходимая для инициирования пробоя вакуумного промежутка при воздействии на катод ускоренной микрочастицы, составляет ~10⁻⁸ Дж, как и в случае прямого воздействия плазмы искры на катод. При воздействии плазмы на анод в сторону катода будет направлен поток ионов, который, с одной стороны, разогревает катод и создает условия для возникновения на нем плазмы, а с другой — может приводить к зарядке диэлектрических пленок и включений и их пробою. При этом создаются первичные эктоны, которые и инициируют вакуумный пробой в основном промежутке. В этом случае фактом, значительно облегчающим создание плазмы на катоде, является газ, адсорбированный на его поверхности.

Итак, при электрическом взрыве металла вещество проходит несколько состояний: твердое, жидкое, смесь фаз, фазовые переходы, газ, плазма. Теоретическое исследование этого явления чрезвычайно трудно. Точные аналитические решения задачи невозможны. Поэтому очень важную роль играют экспериментальные исследования уравнений состояния металла и зависимости удельного сопротивления и теплопроводности от удельной энергии. Экспериментальные результаты для широкого диапазона состояния вещества используются для построения полуэмпирических моделей, которые анализируются компьютерными методами. Кроме того, существуют физические модели, основанные на фундаментальных представлениях о строении вещества и строящиеся с помощью основополагающих принципов. При этом для каждого состояния металла используется своя модель. Теоретически наиболее хорошо изучены область газовых состояний и область сверхвысоких параметров, когда вещество переходит в чисто атомарное состояние. В этом случае происходит перестройка атомарных оболочек, которая сопровождается отрывом наружных оболочек. Все эти эффекты имеют место также и при взрыве проводников.

Приложения. В последние два десятилетия особо получила развитие физика сильноточных релятивистских электронных пучков (СРЭП), не только потому, что СРЭП явились интересным объектом для научных исследований — они нашли широкое применение. СРЭП расшифровывается следующим образом. Сильноточные — это большие токи, до нескольких миллионов ампер; релятивистские — это электроны в пучке разогнаны до скоростей, близких к скорости света. Энергия электронов может составлять несколько миллионов электронвольт.

При создании СРЭП необходимо решить несколько проблем: реализовать электронную эмиссию с высокой плотностью тока; транспортировать пучки в условиях влияния собственного заряда электронов пучка; обеспечить соответствующие условия для эффективного использования СРЭП. Устройством для получения СРЭП является сильноточный ускоритель заряженных частиц, основной элемент которого — диод — система металлических электродов, разделенных либо вакуумным промежутком, либо газовым промежутком с соответствующим давлением газа. К электродам прикладывается высокое напряжение, под действием которого происходят эмиссия (выход) электронов из отрицательного электрода (катода) и их ускорение.

Релятивистские электронные пучки сейчас используются для разогрева плазмы до высоких температур (в задачах управляемого термоядерного синтеза), для получение вспышек мощного электромагнитного излучения — от рентгеновского до СВЧ-диапазона, для возбуждение квантовых генераторов, для модификация поверхности твердых тел и т. д. В настоящее время ведутся исследования в направлении расширения использования СРЭП для решения проблем экологии.

Библиография

Бугаев С. П., Литвинов Е. А., Месяц Г. А., Проскуровский Д. И. Взрывная эмиссия электронов // Успехи физ. наук. 1975. Т. 115. Вып. 1

Кесаев И. Г. Катодные процессы электрической дуги. М., 1968

Месяц Г. А. Эктоны в электрических разрядах // Письма в ЖЭТФ. 1993. Т. 57. Вып. 1–2

Месяц Г. А. Эктоны. Екатеринбург, 1994

Месяц Г. А. Эктон — лавина электронов из металла // УФН. 1995. Т. 165. № 6

Месяц Г. А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М., 2000

Mesyats G. A., Proskurovsky D. I. Pulsed electrical discharge in vacuum. Berlin, 1989

Mesyats G. A. Explosive Electron Emission. Ekaterinburg, 1998

Тема № 311

Эфир 29.10.2003

Хронометраж 38:14

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz