Экспериментальное исследование аномальной электронной эмиссии иридия и родия при импульсном нагревании электрическим током тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Научно-исследовательский центр теплофизики импульсных воздействий (Институт высоких температур РАН)

На правах рукописи

Степанова Наталья Викторовна

Экспериментальное исследование аномальной

электронной эмиссии иридия и родия при импульсном нагревании электрическим током

Специальность 01.04.13 — электрофизика

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук

С.В.Лебедев

Москва 1998

Содержание

1 Аннотация 6

2 Введение 7

2.1 Место представляемой работы в исследовании металлов импульсным методом................................................7

2.2 Постановка задачи................................................8

3 Обзор литературы 10

3.1 Эксперименты с шунтирующим разрядом......................10

3.2 Явления в вакуумной лампе с вольфрамовым эмиттером, нагреваемым импульсом электрического тока ....................11

3.2.1 Эксперименты в двухэлектродной лампе ..............11

3.2.2 Эксперименты в трехэлектр одной лампе ..............13

3.3 Нарушение закона Богуславского-Лэнгмюра при нагревании катода из вольфрамовой проволоки импульсом тока большой плотности....................................................16

3.4 О роли поверхностных загрязнений............................18

3.5 Аномалии электронной эмиссии никелевой проволоки .... 19

3.6 Прохождение электронного тока через запирающее магнитное поле............................................................20

3.7 Измерение аномальной теплоемкости..........................21

3.8 Выводы из предшествующих работ по аномальной электронной эмиссии металлических проволок..........................23

3.9 О влиянии структуры поверхности металлов на его эмиссионные свойства....................................................24

4 Качественная физическая модель, предлагаемая для объяснения наблюдаемых явлений 30

4.1 Используемые положения теории................................30

4.2 Модель неравновесных электронных поверхностных состояний 32

4.3 Вывод..............................................................34

5 Методика эксперимента 36

5.1 Электрическая схема установки ................................36

5.1.1 Цепь 1......................................................36

5.1.2 Цепь 2......................................................39

5.2 Вакуумная система ......... ............................39

5.3 Импульсы нагревающего тока ....... ....................40

5.4 Магнитное поле нагревающего тока и падение напряжения вдоль катода .......... ..................................43

5.5 Влияние объемного заряда......................................43

6 Описание экспериментов 44

6.1 Предварительная термообработка иридиевого катода .... 44

6.2 Оценка температуры иридиевого катода при импульсном нагревании ............................. 45

6.3 Электронная эмиссия иридиевого катода при квазистационарном нагревании ....................... 47

6.3.1 Методика определения температуры катода при квазистационарном нагревании.............. 49

6.3.2 Результаты эксперимента................ 51

6.4 Зависимость электронной эмиссии иридиевого катода от температуры при импульсном нагревании............. 55

6.4.1 Методика и результаты экспериментов ........ 55

6.4.2 Сопоставление электронной эмиссии иридиевого катода, регистрируемой при импульсном и квазистационарном нагревании................... 56

6.5 Оценка остывания катода.................... 60

6.5.1 Уменьшение температуры иридиевого катода в результате светового излучения................ 60

6.5.2 Уменьшение температуры иридиевого катода в результате отвода тепла через его торцы........... 61

6.5.3 Вывод........................... 62

6.6 Электронная эмиссия иридиевого катода при различной скорости его остывания....................... 62

6.7 Зависимость электронной эмиссии от температуры предыдущего импульсного нагрева (эффект предыстории)...... 63

6.8 Теоретические значения нормального коэффициента Шоттки

66

6.9 Экспериментальные значения коэффициента Шоттки для иридиевого катода в процессе его импульсного нагревания электрическим током....................... 69

6.9.1 Методика эксперимента..................................69

6.9.2 Результаты экспериментов................................70

6.10 Экспериментальные кривые Шоттки иридиевого катода при импульсном нагревании..........................................82

6.10.1 Оценка погрешности в определении величины ке/кп 82

6.10.2 Анализ кривых Шоттки..................................85

6.10.3 Вывод......................................................86

6.11 Эмиссия положительно заряженных частиц с иридиевого катода при импульсном нагревании................................86

6.12 Внешний вид иридиевого катода после экспериментов .... 87

6.13 Электронная эмиссия родиевого катода при импульсном и квазистационарном нагревании..................................87

6.14 Выводы............................................................91

7 Обсуждение результатов 93

7.1 Некоторые сведения об электронной эмиссии металлов платиновой группы....................................................93

7.2 Некоторые сведения о влиянии термообработки металлов на структуру их дефектов ..........................................94

7.3 О механизме образования ЭПС ................................96

7.4 О причинах нестабильности электронной эмиссии иридия

при квазистационарном нагревании............................99

7.5 Эффект предыстории......................100

7.6 Влияние отбора электронного тока на электронную эмиссию

при импульсном нагревании..................101

7.7 Кривые Шоттки.........................103

7.8 Ток положительных ионов с иридиевой проволоки......105

7.9 О причинах нарушения закона Лэнгмюра и о прохождении анодного тока через запирающее магнитное поле.......106

7.10 Электронная эмиссия родиевого катода при квазистационарном и импульсном нагревании.................108

7.11 Связь предлагаемых интерпретаций с предшествующими гипотезами ..............................108

7.12 Выводы..............................109

8 Заключение 111

9 Литература 114

Список рисунков

1 ......................................................................12

2 ......................................................................15

3 ......................................................................22

4 ......................................................................33

5 ......................................................................37

6 ......................................................................38

7 ......................................................................41

8 ......................................................................42

9 ......................................................................46

10 ...................................................48

И ......................................................................50

12 ......................................................................52

13 ......................................................................54

14 ......................................................................57

15 ......................................................................58

16 ......................................................................64

17 ......................................................................65

18 ......................................................................67

19 ......................................................................71

20 . . .................................................................73

21 ......................................................................75

22 ......................................................................77

23 ......................................................................78

24 ......................................................................80

25 ......................................................................83

26 ......................................................................88

27 ......................................................................89

28 ......................................................................98

1

Аннотация

Настоящая диссертация посвящена экспериментальному исследованию явления аномальной электронной эмиссии тонких металлических проволок, которое наблюдается при их быстром нагревании импульсом электрического тока большой плотности (_;' ~ 106 А/см2) в твердом состоянии вплоть до температуры плавления. Работа проведена с целью выяснения причины указанных аномалий. Представлены к защите эксперименты с поликристаллическими проволоками из 1г и Р\,Ь. Анализируются результаты предшествующих работ, посвященных исследованию аномальной электронной эмиссии проволок из и №.

Для объяснения всей совокупности имеющихся экспериментальных данных предлагается качественная физическая модель, названная "Модель неравновесных электронных поверхностных состояний", которая связывает неравновесное состояние объема металла с его поверхностными свойствами.

2 Введение

2.1 Место представляемой работы в

исследовании металлов импульсным методом

Тема работы, положенной в основу настоящей диссертации, была предложена моим научным руководителем C.B. Лебедевым и является продолжением исследования, целью которого было установление причин наблюдаемых аномалий электронной эмиссии металлов при быстром нагревании электрическим током.

Экспериментальные данные, на основании которых было сделано заключение о существовании аномальной электронной эмиссии, были получены С.Э. Хайкиным и C.B. Лебедевым в работе [1], где также был сделан вывод о том, что ее причиной является аномальное состояние металла, возникающее под действием импульса тока большой плотности. Эти результаты подробно освещены также в докторской диссертации C.B. Лебедева [2]. (Краткое тезисное изложение дано в настоящей диссертации в Разделах 3.1 - 3.2.) В дальнейшем изучение электронной эмиссии металлов (W, Ni) при импульсном нагревании электрическим током было продолжено в работах [3, 4, 5, 7, б, 8, 9, 10].

Упомянутые работы по электронной эмиссии являются частью комплексного обширного исследования металлов в процессе их импульсного нагревания электрическим током (в твердом и жидком состояниях, при плавлении, а также в области исчезновения металлической проводимости), проводимого C.B. Лебедевым с сотрудниками. Основные результаты этого исследования, полученные до 1984 года, изложены в обзоре [11], а также в [2]. Эти публикации содержат данные об электросопротивлении, тепловом расширении, теплоте плавления, теплоемкости, электронной эмиссии, световом излучении большого количества металлов, в том числе тугоплавких, а также ряда сплавов. Многие из указанных характеристик получены с использованием оригинальных методик. Диапозон значений плотности нагревающего тока составлял 8 • 105 < j < 107 А/см2 (при диаметре исследуемых проволок ~ 0.1 мм). Подробно исследован электрический взрыв металлов и предложен механизм этого явления. Для объяснения аномалий электронной эмиссии и теплоемкости, наблюдаемых вблизи температуры плавления, Лебедевым C.B. выдвинута "гипотеза о неравновесных дефектах кристаллической решетки".

Новые результаты исследования электронной эмиссии металлов (в твердом состоянии вплоть до начала плавления) в условиях быстрого нагревания электрическим током (] ~ 106 А/см2), составившие предмет настоящей диссертации, опубликованы в [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]. Основная часть этих результатов получена для проволок из 1г, частично для проволок из Ш1. Аналогичных исследований другими авторами, насколько мне известно, не проводилось.

2.2 Постановка задачи

Одной из принципиальных проблемм исследования металлов методом импульсного нагрева является вопрос о том, какие из свойств металлов в этих условиях равновесны, а какие нет. Этот вопрос был поставлен в работах [1] в связи с обнаруженной аномалией электронной эмиссии, где было высказано предположение, что в условиях быстрого нагревания температура электронного газа Те несколько выше температуры кристаллической решетки Тр. Предпринимались попытки объяснить предполагаемый перегрев электронного газа большой величиной плотности нагревающего тока Однако, теоретические оценки [19, 20, 21] показали, что значение ^ < 1 • 107 А/см2 явно недостаточно для заметного перегрева. В более поздних экспериментах [3, 4] выяснилось, что аномалии электронной эмиссии исчезают через время т ~ 10~4 с после выключения нагревающего тока, что несоизмеримо велико для времени выравнивания температур Те и Тр. Время т, согласно оценкам [2], по порядку величины соответствует времени диффузии вакансий кристаллической решетки с поверхности металла на глубину Ь слоя, который определяет эмиссионные свойства металла (несколько сотен межатомных расстояний). Исходя из этого, аномалии электронной эмиссии были связаны с неравновесной концентрацией термических дефектов кристаллической решетки, возникновение которой обусловлено большой скоростью нагревания металла.

Другим проявлением неравновесности состояния металла при импульсном нагревании является аномальная теплоекость [22, 23, 24, 25, 26], обнаруженная в той же области твердого состояния, в которой наблюдаются аномалии электронной эмиссии. Вблизи точки плавления аномальная теплоемкость превышает соответствующее равновесное значение на десятки процентов. В [2] указанные аномалии теплоемкости объясняются образованием в объеме металла парных дефектов по Френкелю (или дефектов того

же типа, но с меньшей энергией образования). Оценивается вероятность появления таких дефектов вблизи температуры плавления в импульсном процессе нагревания металла.

Таким образом, C.B. Лебедевым предложен подход к проблеме неравновесных явлений в металлах, возникающих при их быстром нагревании. Суть этого подхода была высказана в виде гипотезы, получившей название "Гипотеза о неравновесных дефектах", и заключается в следующем. "Равновесная концентрация вакансий в металле, которая сильно возрастает с ростом температуры, не успевает установиться во время быстрого импульсного нагревания. Это связано с тем, что основная масса вакансий зарождается на поверхности металла, а также на других границах монокристаллических зерен и сравнительно медленно диффундирует в его толщу (механизм Шоттки). Пока диффузия не завершилась, в объеме кристалла вследствие недостатка вакансий должна появиться избыточная (по сравнению с равновесной) концентрация междоузельных атомов, поскольку уменьшается аннигиляция этих атомов с вакансиями. Междоузель-ные атомы могут возникнуть в более быстром процессе путем их выхода из узлов решетки, т.е. с одновременным появлением вакансий (парный дефект Френкеля). Предполагается, что избыточная концентрация междоузельных атомов создает деформацию решетки, вследствие которой изменяется состояние электронов в металле (повышается уровень Ферми). В результате этого уменьшается работа выхода электронов и, соответственно, увеличивается эмиссия. Переход эмиссии к равновесному значению можно приписать установлению равновесной концентрации дефектов в поверхностном слое металла." (цитата из [11], стр. 241-242).

Дальнейшее исследование аномальной электронной эмиссии было необходимо для выявления более конкретного ее механизма.

3 Обзор литературы

Данный раздел содержит полное изложение (в краткой форме) результатов предшествующих экспериментов по аномальной электронной эмиссии проволок (W, Ni) при их импульсном нагревании, начатых С.Э. Хайкиным и C.B. Лебедевым и продолженных C.B. Лебедевым с сотрудниками. В этих работах экспериментально доказан факт существования аномальной электронной эмиссии металлов в твердом состоянии при нагревании импульсом электрического тока плотности j ~ 105 — 108 А/см2. Включены также результаты работ других исследователей, которые изучали влияние структуры поверхности металлов на их эмиссионные свойства.

3.1 Эксперименты с шунтирующим разрядом

В экспериментах [1] при нагревании вольфрамовой проволоки в вакууме электрическим током большой плотности (до 108 А/см2) вдоль нее еще до момента начала плавления возникал шунтирующий разряд (момент появления разряда фиксировался по резкому уменьшению напряжения между концами проволоки Vr и был обозначен через tp).

Были установлены следующие экспериментальные факты.

1). После хорошего обезгаживания проволоки появление шунтирующего разряда всегда происходило в один и тот же момент (момент tp) вне зависимости от значения разности потенциалов между концами проволоки, которое можно было варьировать в широких пределах изменением ее длины, и от значительного изменения вакуума (от 3 • Ю-6 до Ю-4 мм. рт. ст.).

Обезгаживание обеспечивалось стационарной и импульсной прокалкой проволоки. Результаты измерений хорошо повторялись после 2-3 первых импульсов. Вообще, вольфрамовая проволока выдерживала от 3 до 10 импульсных нагреваний до температуры, при которой возникал шунтирующий разряд, после чего разрушалась под действием очередного импуль-

сного нагревания на очень коротком участке, обычно около одного из мест его крепления. Железные проволоки разрушались после первого импульса нагрева сразу в нескольких точках.

2). Появление шунтирующего разряда (спад Уд) происходило вне зависимости от значения плотности нагревающего тока ^ в момент

Регулируя амплитуду импульса нагревающего тока (который имел форму полуволны), можно сделать так, чтобы для одной и той же проволоки в момент возникновения разряда tp плотность тока ] имела как максимальное, так и практически нулевое значение (почти сразу после прохождения нагревающего тока через нуль). В то же время, хорошо известно, что при сильном стационарном накале, который реализуется при сравнительно малых значениях в подобных условиях разряд вдоль проволоки, а также между проволокой и положительно заряженным электродом, не возникает.

3.2 Явления в вакуумной лампе с вольфрамовым эмиттером, нагреваемым импульсом электрического тока

3.2.1 Эксперименты в двухэлектродной лампе

В работе [1] для изучения причин возникновения шунтирующего разряда, в вакуумную лампу был помещен плоский электрод П (квадратной формы с площадью 5 = 1 см2 на расстоянии 1 см от проволоки), на который можно было подавать как положительный, так и отрицательный потенциал (у+ либо V-) относительн�