Жидкая проводящая поверхность в сильных электрических полях и взрывные эмиссионные процессы

Широчин, Леонид Александрович

Жидкая проводящая поверхность в сильных электрических полях и взрывные эмиссионные процессы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Широчин, Леонид Александрович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Жидкая проводящая поверхность в сильных электрических полях и взрывные эмиссионные процессы»

Автореферат диссертации на тему "Жидкая проводящая поверхность в сильных электрических полях и взрывные эмиссионные процессы"

На правах рукописи

Шнрочнн Леонид Александрович

ЖИДКАЯ ПРОВОДЯЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬ В СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ И ВЗРЫВНЫЕ ЭМИССИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Специальность 01.04.04 - физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.Н. Шредник доктор физико-математических наук, профессор Л.Н. Галль доктор физико-математических наук, профессор Р. 3. Бахтизин

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова (НИИЭФА), г. Санкт-Петербург,

/ > / - ■а'Л

Защита состоится " 1 " 2004 г. в 7^ на заседании диссертационного совета Д 002,205.03 при Физико-техническом институте им. А Ф. Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ Автореферат разослан " " 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Применение растровой электронной микроскопии и наносекундной техники, теоретические работы по исследованию стабильности жидкой проводящей поверхности в сильных полях, привели к качественно новому пониманию значимости ей дннамики в механизмах поддержания вакуумного пробоя, разряда и вакуумной дуги - процессов, играющих важнейшую роль в общей проблеме электрической прочности. В последние годы стало очевидным, что взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ) - один из основных механизмов, лежащий в основе этих явлений. Как самостоятельный вид эмиссии ВЭЭ выделена недавно [1], и до сих не имеет окончательной физической интерпретации. Экспериментальный фаюг состоит в том, что интенсивная эмиссия электронов возникает в результате взрывного перехода локальных микроскопических участков катода в плотную плазму при их перегрузке собственным автоэмиссионным током. Интенсивность процесса ВЭЭ на порядки превосходит интенсивность наиболее эффективных термокатодов. Этот факт стал основой того, что на базе ВЭЭ возникло новое направление сильноточной электроники, связанное с получением мощных электронных пучков. Недавно продемонстрировано ещё одно важное приложение ВЭЭ - она, как инициирующий процесс, может использоваться в технике генерации сильноточных ионных пучков, в т.ч. и ионов тяжёлых элементов.

Несмотря на кратковременность единичного акта эмиссии (Ю^-Ю"8 с), процесс генерации элеюронов квазистационарен, вследствие постоянной регенерации эмулирующих центров. Можно считать установленным, что ВЭЭ поддерживается за счёт непрерывной регенерации и взрывов микроскопических центров на поверхности катода, на которых локализуется электрическое поле и выделение энергии [2,3]. Автоэлектронная эмиссия - один из наиболее вероятных и естественных процессов локализации энерговыделения в условиях сильных полей, характерных для ВЭЭ и вакуумного пробоя.

В книге [4, с. 277] соавторы открытия ВЭЭ изложили основы представлений о механизме этого явления, подчеркнув, что «за времена порядка нескольких наносекунд на поверхности расплавленного металла взорванного острия успевает сформироваться и частично разрушиться целый ряд субмикроскопических микровыступов», а формирующаяся при взрыве плотная катодная плазма поддерживает поле на поверхности катода, достаточное для выхода электронов эмиссии в результате АЭЭ. Образование таких микроструктур может быть связано как с действием большого газокинетического давления плазменного сгустка, сформировавшегося при взрыве и вытесняющего расплав на периферию с образованием кратеров, на краях которых часть жидкого металла вытягивается в виде струй [5], так и с вытягиванием микроострий электрическим полем двойного слоя катодной плазмы из расплавленной при первичном акте ВЭЭ поверхности эмиттера [6]. По-видимому, оба эти механизма имеют место на различных этапах эволюции поверхности катода. Вместе с тем, единственными ^Шйдои^наблюдениялроцессов регенерации микроструктуры на поверхности катода при ВЭЭ,!п!ь 'крайней мере^ вцтосекунд-

ных режимах, является регистрация сохранившихся после взрыва следов на катоде. Все эти наблюдения фиксируют на поверхности эмиттера наличие жидкой фазы его материала, поэтому её роль в механизмах поддержании процесса ВЭЭ требовала дальнейшего экспериментального изучения и теоретического анализа.

Особый интерес представляют исследования полевых эмиссионных процессов в СВЧ полях. Это связано с возможностью создания эффективных электронных и ионных источников, размещаемых непосредственно в поле СВЧ резонатора. Если в статических полях взрывоэмис-сионные процессы достаточно хорошо изучены и, во многих режимах, предсказуемы, то в СВЧ полях такие исследования только начинаются. В то же время, особенности взаимодействия жидкой проводящей поверхности с ВЧ и СВЧ полями предсказывают возможность создания относительно низковольтных вакуумных СВЧ приборов, что принципиально важно для перспектив их использования, в т.ч. и в вакуумной микроэлектронике. Поэтому механизмы инициирования и поддержания автоэлекгронной, автоионной и взрывной электронной эмиссии в этих условиях требуют интенсивных экспериментальных и теоретических исследований, тем более что они могут стимулировать новые приложения.

Цель работы: комплексное исследование полевых (автоэлекгронных, автоионных и взрывных) эмиссионных процессов на твердотельных и жвдкомегаллических поверхностях в статических и СВЧ полях, выявление их взаимосвязи друг с другом, а таюце особенностей инициирования и поддержания этих процессов на поверхности материалов, находящихся в различных фазовых состояниях, построение и проверка существующих физических моделей, определяющих возможности практического использования полевых эмиттеров в различных электрофизических устройствах. В рамках этой общей цели решались следующие конкретные задачи:

1. Разработка методики и создание экспериментальной установки, позволяющей с наносекундам разрешением исследовать кинетику токов ВЭЭ в различных режимах её инициирования и поддержания. Методика должна обеспечить проведение адекватного сравнительного анализа результатов на эмиттерах из разных материалов, с различными физическими параметрами - твердотельных и жидких, тугоплавких и легкоплавких.

2. Исследование неустойчивых режимов ВЭЭ в наносекундном и микросекундном диапазонах длительностей импульсов на одинаковых и идентичных катодах, с целью уточнения механизмов, определяющих устойчивые и неустойчивые режимы эмиссии.

3. Разработка методики и экспериментальное исследование особенностей генерации ионных потоков, инициируемых процессом ВЭЭ в импульсных статических полях.

4. Разработка методики исследований и экспериментальное изучение взрывной эмиссии электронов и сопутствующих ей процессов в СВЧ поле. Построение механизмов её инициирования и поддержания в этих условиях.

5. Исследование энергетических характеристик электронных пучков при ВЭЭ в СВЧ поле высокодобротиого резонатора.

6. Исследование возможностей генерации в характеристик ионных пучков при возбуждении ВЭЭ в СВЧ поле.

7. Изучение $овых возможностей применения взрывоэмиссионных источников электронов в устройствах со статическими и СВЧ полями.

Экспериментальные исследования проводились с использованием как стандартного оборудования, так и специально разработанных установок. Для исследований в статических полях, была разработана методика и создана установка, позволяющая исследовать процессы инициирования и поддержания ВЭЭ в режиме импульсов напряжения произвольной полярности, с независимой плавной регулировкой амплитуды каждого, регулируемых по длительности и задержке между импульсами с наносекущшой точностью. Как в статических, так и в СВЧ полях, использовались высоковакуумные камеры, представлявшие собой модифицированные проекторы Мюллера, что позволяло проводить измерения на одних и тех же объектах в широком диапазоне токов, как в автоэлектронных (автоионных), так и во взрывных режимах, с наблюдением соответствующих изображений поверхности эмиттера на люминесцентном экране - коллекторе пучка. Для исследований в СВЧ полях использовалась высоковакуумная камера, модифицированный проектор Мюллера, в которую был вмонтирован высокодобротный резонатор. В камере был предусмотрен высокотемпературный прогрев эмиттеров, возможность наложения импульсных магнитных и статических электрических полей. В качестве объектов исследований использовались эмиттеры с искусственно ограниченной эмиссионной поверхностью из различных металлов и сплавов, в т.ч. и жидаометаллические. Для изучения структурных особенностей поверхности эмиттеров до и после воздействий различных полей, использовалась растровая электронная микроскопия высокого разрешения.

Научная новизна исследований состоит в разработке оригинальных методик и получении ряда новых экспериментальных результатов, позволяющих обосновать модели инициирования и поддержания полевых эмиссионных процессов в статических и СВЧ полях, оценить их роль в механизмах поддержания взрывных эмиссионных процессов. Комплексное исследование процессов автоэлектронной, автоионной и взрывной эмиссии на жидкой проводящей поверхности в СВЧ поле выполнено впервые.

Выносимые на защиту результаты'.

1. Впервые проведено исследование механизмов инициирования и поддержания полевых процессов - автоэлектронной, автоионной и взрывной электронной эмиссии - на жидкой проводящей поверхности в СВЧ и ВЧ полях. Показано, что в СВЧ диапазоне, на поверхности проводящей жидкости формируется микрорельеф с коэффициентом усиления внешнего поля, достаточным для одновременной (на соответствующем полупериоде поля) генерации не только автоэлектронного, но и автоионного пучка. Экспериментально обоснованы механизмы инициирования и поддержания полевых эмиссионных процессов на жидкой проводящей поверхности в СВЧ и ВЧ полях.

2. Установлено, что ВЭЭ в СВЧ поле высокодобротного резонатора характеризуется возникновением отрицательной обратной связи взрывоэмиссионного процесса с полем резонатора, связанной с его индуктивной расстройкой внешним ореолом разлетающейся в зазоре докрити-ческой (п < Пхр) катодной плазмы. На легкоплавких и жидкометаллических эмиттерах возможна генерация пучка электронов, энергетический спектр которых на выходе из резонатора определяется пролётными эффектами в его зазоре и леясит в диапазоне (0,5-1,0)бш, где еш- максимальная энергия электронов на выходе из резонатора, а длительность импульса тока ограничена лишь тепловой устойчивостью конструкции катода в СВЧ поле.

3. Показано, что при ВЭЭ в СВЧ поле, наряду с электронным пучком, генерируется и поток ионов, энергии которых в (104-105) раз, превосходят значения их максимальной колебательной энергии, что обусловлено их ускорением в области высокого градиента СВЧ поля у поверхности эмиттера. Возникающий на внешней границе катодной плазмы квазипотенциальный СВЧ барьер, играя роль фильтра для ионов низкой энергии, одновременно препятствует переходу эмиссии к вакуумному пробою за счёт давления СВЧ поля на разлетающуюся плазму, что определяет, наряду с тепловой устойчивостью конструкции эмиттера в СВЧ поле, предельную длительность процесса.

4. Обнаружено явление резкой интенсификации ионной эмиссии в СВЧ поле, когда через определённое время задержки, зависящее от уровня входной СВЧ мощности, автоионная эмиссия взрывным образом выходит на новый уровень ионной эмиссии с токами, в 102 - 103 раз превышающими предыдущий.

5. С помощью последовательности двух независимо регулируемых наносекундных импульсов напряжения произвольной полярности, амплитуды, длительности и задержки между импульсами, реализована методика бесконтактного «зондирования» процесса ВЭЭ, использующая в качестве параметра наблюдения интенсивность возбуждения и реакцию процесса ВЭЭ на предварительное возбуждение поверхности эмиттера импульсным электрическим полем. Показано, что всегда существует оптимальная временная задеркка, когда повторный отбор тока ВЭЭ приводит к его максимальному росту, причём, в режиме тока насыщения на первом импульсе, эффект усиления тока связан с увеличением скачка потенциала в катодном слое плазмы ВЭЭ, а в режиме тока ВЭЭ, ограниченного ПЗ - динамикой разлёта её эмиссионной границы.

6. Обнаружен самоподдерживающийся характер ионной эмиссии, инициируемой ВЭЭ, когда её функционирование связано не просто с расходованием ионного заряда катодной плазмы, предварительно созданной при взрыве, а эффективно поддерживается поставкой ионов с поверхности эмиттера. Исследованы эмиссионные характеристики процесса.

7. Исследованы режимы неустойчивых токов ВЭЭ. Предложены модели этих неустойчи-востей, связанные как с нагревом катодной плазмы эмиссионным током высокой плотности, увеличением кратности её ионизации и соответствующим увеличением эмиссионной способно-

ста, так и с распространением в ней ударных волн, возникающих при взрыве микровыступов, формирующихся при развитии апериодической неустойчивости на жидкой пленке расплавившейся поверхности эмиттера.

8. Эксперименты с предварительным возбуждением поверхности жидкомегаллических катодов импульсным электрическим полем, анализ динамики развития неустойчивости жидкого металла в таких полях, сравнительный анализ кинетики тока ВЭЭ твердотельных и жидкоме-таллических эмиттеров и эксперименты по генерации ионных пучков, инициируемых ВЭЭ, показывают, что механизм поддержания процесса ВЭЭ .обусловлен образованием жидкой фазы его материала, динамикой еб развития и взаимодействия с сильным полем в катодном слое взрывоэмиссионной плазмы.

Практическая ценность работы:

1. Результаты исследований ВЭЭ в СВЧ поле могут бьпъ использованы при разработке мощных вакуумных приборов сверхвысоких частот, как с электростатическим управлением, так и с модуляцией эмиссии, т.е. в приборах, в которых эмиттер расположен непосредственно в поле СВЧ резонатора.

2. Результаты исследований автоэлектронной и автоионной эмиссии на жидкомегаллических и легкоплавких эмиттерах могут быть использованы для разработки устройств вакуумной микроэлектроники, работающих в СВЧ полях.

3. Результаты исследований ионной эмиссии, инициируемой ВЭЭ в статических полях, могут использоваться при разработке импульсных сильноточных источников ионов практически любых элементов, в т.ч. и ионов тяжёлых металлов.

4. Исследования ВЭЭ в статических полях могут использоваться при разработке импульсных электронных источников, в частности, работающих в режиме высокой частоты следования импульсов.

5. Испытаны макеты импульсного рентгеновского источника мощного мягкого рентгеновского излучения с трубками прострельного типа на основе взрывоэмиссионных катодов; СВЧ пушка со взрывоэмиссионным катодом, расположенным непосредственно в СВЧ резонаторе, с магнитной фокусировкой пучка; многоострийный взрывоэмиссионный катод в пушке Пирса сферического типа с электростатической фокусировкой пучка.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись в виде докладов на различных научных конференциях, в том числе:

Х111 (Пария«, Франция, 1988), XIV (Санта_Фе, США, 1990), XV (Дармштадт, Германия, 1992), XVI (Москва, 1994), XVII (Беркли, США, 1996), XVIII (Эйндховен, Голландия, 1998), XX (Тур, Франция, 2002) - Международный симпозиум по разрядам и электрической изоляции в вакууме; IX (С. Петербург, 1996), XI (Эшвилл, США, 1998), XIII (Гуанчжоу, Китай, 2000) -Международная конференция по вакуумной микроэлектронике; II (Вроцлав, Польша, 1999) ■ Международный симпозиум по вакуумной микроэлектронике; ХХХХИ (Висконсин, США 1995) - Международный симпозиум по полевой эмиссии; П. (Томск, 1980) - Всесоюзный симпо

зиум по ненакаливаемым катодам; XVI (Махачкала, 1976), ХУШ (Москва, 1981), XX (Киев, 1987) - Всесоюзная конференция по эмиссионной элегаронике; XIV (Гренобль, Франция, 1979), XV (Минск, 1981) -Международная конференция по явлениям в ионизованных газах; VI (Ленинград, 1983), VII (Ташкент, 1987) - Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы; V (Томск, 1984), VI (Томск, 1986), VII (Томск, 1988), VIII (Свердловск, 1990) - Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике; IV (Саратов, 2002) - Международная конференция по вакуумным источникам электронов; VI (Петербург, 2003) - Международный семинар «Фуллерены и Атомные кластеры».

Публикации. Материалы исследований, представленных в диссертации, изложены в 56 работах - статьях, опубликованных в реферируемых научных журналах и сборниках тезисов докладов научных конференций. Список основных публикаций по теме диссертации приведён в конце автореферата.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объём диссертации составляет 302 страницы, включая 125 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 225 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, показаны новизна, научная и практическая значимость результатов работы, изложены основные, выносимые на защиту положения, даются сведения об апробации работы и публикациях.

Первая глава диссертации содержит изложение результатов исследований взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ) в статических импульсных полях наносекундного и микросекундного диапазонов. Применение традиционных методов диагностики катодной плазмы (КП), чьи параметры и характер взаимодействия с катодом определяют эмиссионные свойства ВЭЭ, затруднено, вследствие её высокой плотности ( п <, Ю20 см'3), а также малых пространственных (г ~ Ю-4 - 10'1 см) и временных (t ~ 10"9 - 10"8 с) масштабов процесса. Важную информацию в этом случае можно получить при повторных наложениях наносекундных импульсов электрического поля, после возбуждения ВЭЭ, реализуя ее бесконтактное зондирование с высоким временным разрешением. Впервые такая методика применена в [7].

В §1.1 приведены результаты исследований изменения эмиссионной способности системы "катод - плазма" во времени методом наносекундного зондирования диода со вэ-ршоэмиссионным катодом путём последовательного наложения импульсов электрического поля с независимо регулируемыми длительностями, амплитудами и задержками между ними.

В разд. 1.1.1 описана методика зондирования. Использовалось оборудование, изготовленное в ИЯФ СО АН (г. Новосибирск) [8]. Генератор позволял формировать без отражений на несогласованной нагрузке - вакуумном диоде со взрывоэмиссионным катодом - пару импульсов 6

со следующими регулируемыми параметрами: напряжение холостого хода каждого импульса £ 50 кВ; длительность < 300 не; длительность паузы между импульсами £ 180 не; длительность фронта S 3 не; частота повторения - от одиночных до 25 Гц; полярность импульсов - произвольная. Высоковакуумная камера, в которой проводились эксперименты, позволяла проводить исследования, как во взрывном, так и в автоэмиссионном режимах, с наблюдением автоэмиссионных изображений на люминесцентном экране. Прозрачная сетка - анод минимизировала влияние анодной плазмы на диодные характеристики и устраняла высокочастотные наводки на коллектор пучка, находившийся за ней, в дрейфовом промежутке. Проводилось фотографирование канала разряда, как перпендикулярно оси диодного промежутка камеры, так и фронтально, навстречу пучку. Использовались эмиттеры с ограниченной изолятором открытой поверхностью площадью не более 10"4 см2, что ограничило возможность неуправляемого, случайного развития эмиссионного пятна и обеспечило стабильность осциллограмм тока. Исследовались проволочные (вольфрам, медь), капиллярные, заполненные жидкими металлами и сплавами (Ga, In) и графитовые (плотные пучки графитовых нитей в капиллярах) катоды. Такие конструкции, при диодных зазорах 5-30 мм, позволили использовать при расшифровке осциллограмм сферическую модель диода.

В разд. 1.1.2 показано, что в режимах устойчивого токоотбора, т.е. в отсутствие всплесков тока, величина тока ВЭЭ при повторном наложении поля (Ь), после паузы (At), параметрически зависит от интенсивности эмиссионного, процесса, достигнутого на первом импульсе (1|). Зависимость bfliCAt) имеет характер кривой с максимумом - всегда существует оптимальная временная задержка, когда повторный отбор тока приводит к его максимальному росту. Установлено, что в условиях, когда на первом импульсе успевает сформироваться плотный сгусток КП, занимающий значительный объём промежутка, приращение тока при повторном наложении поля определяется динамикой разлёта её эмиссионной границы - «закон 3/2 с движущейся эмиссионной границей». С ростом длительности паузы между импульсами, плотность катодной плазмы уменьшается за счёт её рекомбинации и рассеяния в диоде, она уже не поддерживает режим ограничения тока пространственным зарядом (ПЗ) пучка в вакуумной часта диода и величина I2/I1 —* 1 с ростом At. В режиме малых напряжений на первом импульсе, когда ток в диоде быстро приходит к насыщению, максимум функции ЬЛ) f(At) лежит при малых паузах между импульсами. Практически любое, самое непродолжительное прекращение токоотбора даёт значительное усиление тока после его возобновления, никак не связанное с величиной, определяемой «законом 3/2». По-видимому, здесь имеет место резкое увеличение скачка катодного падения потенциала при повторном наложении поля, а так как плазмы мало и при разлёте за время At она создает небольшой по протяжённости разреженный слой в диоде, то он легко пропускает пучок Iz. Аналогичная зависимость имеет место и при малых длительностях U|. Очевидно, что и в этом случае формируется тонкий плазменный слой вблизи катода. Полученные характеристики 12Я1 = f(At) говорят о возможности управления током ВЭЭ. Путём подбора пау-

зы между импульсами тока можно получить пучок высокой плотности при малой амплитуде второго, рабочего импульса (U2).

С увеличением длительности импульса, на монотонно возрастающем токе ВЭЭ начинают проявляться особенности - кратковременные всплески тока. Методом зондирования установлено, что момент появления первого всплеска носит не случайный характер, а фиксирован во времени. Он определяется параметрами первого, инициирующего импульса ВЭЭ - чем больше поле в зазоре диода на первом импульсе, а при фиксированном поле, чем больше длительность импульса напряжения, тем раньше появляется первый всплеск тока при повторном включении поля. Эти эксперименты проводились в режимах, когда в пределах паузы At значения токов Ii и Ь подчиняются закону 3/2, поэтому всплеск тока не связан с эффектом торможения эмиссионной границы КП [9]. Показано, что он может инициироваться локальным взрывом микровыступа на поверхности катода, достаточно мощным, чтобы в КП образовалась ударная волна, выход которой на поверхность КП отслеживается в виде всплеска тока

В разд. 1.1.3 приведены результаты исследований влияния предварительного возбуждения поверхности жидкометаллических эмиттеров папосекунднъти импульсами электрического поля на реясимы ВЭЭ. Выделить связь формирования и развития поверхности катода с кинетикой тока ВЭЭ можно, разделив во времени собственно изменение эмитгарующей поверхности, и развитие эмиссионной границы катодной плазмы, разлетающейся в диоде. Поскольку процесс возбуждения поверхности не зависит от знака поля, то можно приложить к поверхности жидкометаллического катода импульс напряжения, не возбуждающий ВЭЭ (+U0, а затем, через регулируемую паузу (At), импульс отрицательный полярности (-U2), вызывающий взрыв. Эти данные позволили расширить представления о роли жидкой фазы, всегда присутствующей при ВЭЭ на поверхности катода, в механизмах поддержания процесса. Оказалось, что предварительное возбуждение приводит к возможности плавно и воспроизводимо управлять формой импульсов тока ВЭЭ по трём параметрам - варьируя длительность паузы между возбуждающим и взрывающим импульсом, меняя длительность (х+) возбуждающего импульса, и меняя амплитуду напряжения возбуждающего импульса. Изменения в форме импульсов тока сводятся к следующему.

Во-первых, по сравнению со взрывом без предварительного возбуждения, резко возрастает крутизна фронта тока (dl/dt) и его среднее значение в течение длительности импульса. Если при двух последовательных взрывах этот эффект можно отнести к увеличению эмиссионной поверхности КП, разлетающейся в диоде за время паузы тока, то теперь его можно связать только с интенсификацией ВЭЭ за счёт усиления поля на катоде, а это, в свою очередь, может произойти только за счёт формирования на его поверхности развитой микроструктуры с более высоким коэффициентом усиления внешнего поля (рост ß-фактора). Так как интенсификация эмиссионных процессов усиливается с ростом паузы At между возбуждающим и взрывающим

импульсами, это означает, что формирование возмущения происходит инерционно, т.е. и в паузе внешнего поля.

Во-вторых, сростом паузы поля, при достаточно высоких напряжениях взрыва -112, на осциллограммах тока появляются «полки», когда режимы «тока насыщения» сменяются его повторным ростом в определённые моменты времени.

В-третьих, опыты показали, что предварительное возбуждение катода да&г возможность уменьшить величину напряжения, при котором происходит инициирование ВЭЭ при повторном включении поля, а, варьируя амплитуду + III и паузу поля Д^ можно вызвать и всплеск тока ВЭЭ в заданный момент времени.

В разд. 1.1.4, на основании полученных результатов и рассмотрения механизмов неустойчивости жидкой проводящей поверхности в сильном электрическом поле, анализируется роль жидкой фазы вещества эмиттера на его поверхности в механизмах поддержания ВЭЭ. В основу анализа положены работы [10], где показано, что на границе с достаточно плотной плазмой реальная поверхность ЖМ неустойчива, т.к., в отличие от идеально плоской поверхности, полевое и ионное давления уже не компенсируют друг друга. Так, в галлиевой плазмы с п ~ 1018 см "3 и температурой Т ~ 5 эВ, толщина катодного двойного слоя ¿¡> (0,4 - 0,5) мкм. В этом случае, в поле Ео » 3-10бВ/см, время роста самой быстрорастущей моды апериодической неустойчивости ф, ~ 1-2 мкм), лежит в диапазоне I -Ю-8 с [13]. При этом на слое падает напряжение и*р«100 В.

Весь процесс поддержания ВЭЭ представляется нам следующим образом. После инициирования взрыва и образования плотной плазмы на отдельных участках катода с наибольшей напряженностью поля, происходит переход поверхности из твёрдой фазы, если таковая существовала изначально (твердотельный катод), в жидкую. Ток в диоде растет за счёт расширения эмиттирующей поверхности внешней границы КП. Пока плотность КП высока и двойной слой очень тонкий, малого падения потенциала достаточно, чтобы поддерживать эмиссию на неод-нородносгях, для которых критическое поле неустойчивости больше, чем для полевой эмиссии. По мере расширения КП в объём диода и по поверхности катода, её концентрация падает, катодный слой увеличивается, растёт и падение потенциала в катодном слое. Со временем растёт и площадь зоны расплава на поверхности катода. Теперь уже силы электрического поля, действуя на жидкую поверхность под плазмой, возбуждают на ней апериодическую неустойчивость, приводящую к росту микровыступов (МВ). В процессе роста МВ, при достижении на вершине критического поля, происходит взрыв с образованием нового плотного сгустка, что и проявляется в виде всплеска тока за счёт возникновения ударной волны в ранее созданной плазме. Любая, даже кратковременная, пауза поля приводит к ускорению появления всплеска тока при повторном импульсе, по сравнению с режимом непрерывного токоотбора. Это происходит потому, что в паузе тока, рекомбинация в плазме идёт особенно быстро в области наивысшей концентрации, вблизи поверхности эмиттера, что приводит к возникновению более высокого катодного падения при возобновлении токоотбора. В то же время, рост МВ инерционно продол-

жается и в паузе внешнего поля. Как результат - кратковременное прерывание тока стимулирует и ускоряет его последующий всплеск Таким образом, динамика жидкой фазы материала эмиттера на его поверхности при ВЭЭ существенно влияет на условия поддержания и кинетику тока процесса, а также объясняет причины возникновения неустойчивостей тока - мощных всплесков, имеющих место, как в режиме тока насыщения, так и на участках роста, соответствующих «закону степени 3/2 с движущейся эмиссионной границей».

В §1.2 изложены результаты исследований наносекундных режимов процесса ВЭЭ на катодах с ограниченной эмиссионной поверхностью а условиях больших перенапряжений на диоде. Мы поставили перед собой цель - получить высокостабильные импульсы тока. Её достижение позволило выделить некоторые общие закономерности, в частности, такие отклонения от закона 3/2, как «полки», когда после выхода на квазистационарный участок «тока насыщения», происходит его повторный рост до нового стабильного уровня эмиссии. Такие «полки» на токе ВЭЭ встречаются во многих режимах эмиссии. При исследованиях в диодах с магнитной изоляцией пучка их появление связывали с последовательными циклами торможения и накопления КП магнитной пробкой фокусирующего поля диода [12]. Однако в наших, и во многих других опытах, эта особенности проявляются и без внешних магнитных полей.

Нестабильность форм тока, несомненно, заключается в нестабильности функционирования эмиссионных центров на катоде как поставщиков электронов и новых порций катодной плазмы. Нами использовались катоды, выполненные из графитовой ткани, сплетенной из двух взаимопересекающихся совокупностей нитей углеродного полиакрилнитрильного волокна. Нить содержит несколько сотен волокон диаметром 7-10 мкм каждое. Эмиггирующая поверхность представляет собой двумерную матрицу острий из концов волокон, выступающих из монолитного образца на 70-100 мкм. Плотность упаковки волокон около 5-Ю3 1/мм2. Катод диаметром 0,6-0,7 мм, выступал на 1 мм из фторопластовой изоляции, ограничивавшей эмиссионную поверхность с целью получения "точечного" эмиттера и исключения расширения эмитти-рующей поверхности в процессе взрыва. Кроме того, для обеспечения однородности взрыва по всей поверхности катода, т.е. одновременного создания высокой локальной напряжённости поля у максимального числа эмиссионных центров, нами использовался мощный генератор прямоугольных наносекундных импульсов регулируемой амплитуды (до 300 кВ, при диодных зазорах < 3 см) длительностью 50 не. Диапазон напряжений (70 * 240 кВ) был ограничен: сверху - устойчивостью изоляции катода, ограничивающей его эмиссионную поверхность, снизу - появлением существенного, около 30%, разброса в значениях тока.

Воспроизводимость форм импульсов тока при этом столь высока, что при снятии большого их числа с однократно открытым затвором фотоаппарата они совпадают, при заданном режиме, с точностью до толщины линии на экране осциллографа (рис.1, 2). При малых напряже-

| ниях (70*100кВ), токи монотонно нарастают, их величины соответствуют закону 3/2 с движущейся эмиссионной границей (осц.1,2). С ростом напряжения появляются участки тока насы-

щения и «полки» (170-г240кВ) (3,4,5). Зависимость момента времени ^ повторного роста тока от его предыдущего уровня Ь может быть представлена в виде ^[нс] = ]51/( ЭДА]0^110'03).

Переход на новый эмиссионный уровень возможен, если концентрация электронов в КП резко возросла, насыщение снялось, и она получила возможность вновь быстро расширяться, увеличивая свою эмиссионную поверхность. Показано, что нагрев плазмы ВЭЭ эмиссионным током высокой плотности (на эту возможность впервые обращалось внимание в [13]), приводит к ступенчатому увеличению зарядового числа ионов и, как следствие, увеличению её концентрации. Если к первым 5-10 не своего расширения катодная плазма имеет температуру 6 » 3 эВ и содержит ионы всех кратностей ионизации до Ъ =3, то за счёт джоулева нагрева электронной 20 40 ъ, хо

200

600

Рис.1. Токи ВЭЭ Рис.2. Результат наложения восьми импульсов тока

подсистемы к моменту 1 = 10 не температура электронов 9 = 6,5 эВ, даже если положить, что до половины энергии уносится излучением. В предположении, что ионизация идёт лавинно, за счёт поддержания температуры при протекании тока, в пренебрежении фотопроцессами, ионизацией ударом тяжёлых частиц и ступенчатой ионизацией, среднее за разлёт КП значение времени четвёртой ионизации <т;> = 5-Ю"9 с (режим осц. (5)). Для осц. (3) <т£> = (38-40)-10'9 с, а для токов 1о < 300 А время ионизации становится больше длительности импульса генератора -эмиссия устойчива, «полки» не наблюдаются

В §13 представлены результаты исследований ВЭЭ е микросекундном диапазоне. 06-ластъ применимости «закона 3/2» ограничена длительностью импульсов 1« ёц/у - наносе-кундный диапазон. Надёжно, в микросекундных режимах, это удаётся сделать лишь для катодов с большой эмиссионной поверхностью и малой плотностью тока ~ 1-10 А/см2. Одной из задач наших исследований в микросекундном диапазоне являлось получение электронного пучка длительностью I » д^Ут и плотностью ~ 102 А/см2 . Вторая часть исследований была связана с уточнением механизма неустойчивостей тока, которые имели характер мощных кратковременных всплесков, амплитуда которых в 2-3 раза превышала среднее значение тока. В этом смысле они подобны тем, что описаны в разд. 1.1.2. Исследовались те же катоды из графита, с ограниченной поверхностью, которые использовались для генерации мощных пучков (см., разд. 1.2.1), в той же вакуумной камере и в диоде той же конструкции. Изменились лишь режи-

мы взрыва и отбора тока при ВЭЭ за счёт использования другого высоковольтного источника -длительность импульса напряжения холостого хода 50 мкс, фронта 10 мкс. Производилось фотографирование канала разряда в направлении, перпендикулярном оси диодного промежутка камеры, и картин свечения на экране-коллекторе пучка.

В диапазоне 3-45 кВ наблюдалась автоэмиссия с волокон, выходящих на торцовую поверхность катода. Диапазон токов - (0,1-1,0)10'3А. Эмиссионные изображения на люминесцентном экране-коллекторе аналогичны тем, что наблюдаются при исследованиях автоэмиссии отдельных углеродных волокон и монолитных графитовых стержней. С ростом поля в диоде, за счёт уменьшения диодного зазора, длительность автоэмиссионной фазы процесса сокращается, а длительность высоковольтной фазы разряда определяется уже временем перемыкания диода катодной плазмой ВЭЭ. Значения токов во взрывной стадии разряда соответствуют «закону 3/2 с движущейся эмиссионной границей» для сферической геометрии диода. При малых зазорах (больших полях), интенсивность свечения равномерно уменьшается от катода к аноду, осциллограммы тока диода монотонные (рис.3, осц. 3,4,5) При увеличении зазора, приводящего к увеличению длительности высоковольтной фазы разряда, на осциллограммах тока появляются короткие (г ~ 10"7с) всплески тока. Характер свечение в диоде меняется - на фоне диффузного свечения появляются яркие прямые каналы, имеющие характер треков.

В разд. 1.3.3,1.3.4, базируясь на обнаруженной корреляции между характером свечения в диоде и формой осциллограмм тока, обосновывается предположение, что всплески тока ВЭЭ могут быть связаны с отрывом микрочастиц материала катода и взаимодействием их с проходящем в диоде пучком.

0,5 1Д 1«ккс

Рис.3. Свечение в диоде и токи ВЭЭ: Док,см: 1 - 3.0; 2 - 3.0; 3 - 1.8; 4 -1.5; 5 - 1.0

Для подтверждения гипотезы на ЭВМ рассчитывалась система уравнений, учитывающих ускорение заряженной частицы, облучаемой электронным пучком с плотностью тока ~ 10г А/смг. Учитывались термо-, авто- и вторичная электронная эмиссия, а также потери энергии на излучение и испарение.

Уч&г этих процессов показал, что за время задержки до взрыва (~ Ю^с), оторвавшиеся в автоэмнссионной фазе заряженные частицы диаметром ОД-ОД мкм ускоряются до скоростей ~ 5-105 см/с. После взрыва, частицы нагреваются до температуры испарения, создавая газовый канал, который ионизируется пучком. Расч&г для типичных режимов экспериментов и ■= 30 кВ, ] = 2-Ю5 АУм2, ги = 0,1 мкм, да&г характерную длину плазменного канала Д1 = 1,0 мм. Меньшие частицы могут выгореть полностью, набрав за счет потери массы скорость, большую скорости КП. К моменту I ~ 0,5 мкс катодная плазма догоняет образовавшееся плазменное облако и формируется всплеск тока. Если плотность расширяющейся КП меньше, чем в сгустке, то всплеск произойдет по механизму, развитому в [9]. Если же сгусток менее плотный, чем догнавшая его КП, то ток начнет нарастать вследствие резкого увеличения пропускной способности диода при появлении на поверхности сферической границы КП плазменного "острийного" эмиттера — канала плазмы вещества частицы. Длительность всплеска будет соответствовать времени пересечения границей КП пространства, занятого плазмой испарившейся частицы. Рассмотрен и другой механизм усиления и срыва тока, когда плазменное острие линчуется проходящим через него током. Время нарастания тока всплеска определяется временем сжатия пинча, а срыв тока - характерным временем развития его МГД-неусгойчивости. Анализ движения микрочастиц, проведённый для разных диодных зазоров и напряжений показал, что малые частицы (Д а < 0,1 мкм) не догоняются плазмой и уходят из диода, большие (Д^ > 0,4 мкм) быстро накрываются плазмой, не успев создать плазменного сгустка, но также могут оставить светящийся трек и после перемыкания зазора.

Представленный механизм неустойчивости тока при ВЭЭ может реализоваться при больших временах задержки до взрыва - медленном вводе энергии в катод. В свете развитых представлений можно объяснить эффекты резкого возрастания плотности тока ВЭЭ в локальных областях на аноде, образования электронных струй, т.к. в зависимости от места появления «плазменного острия - эмиттера» над поверхностью КП, будет локально изменяться и плотность тока на аноде.

Во второй главе приведены результаты исследований ионных потоков из катодной плазмы, образующейся в процессе взрывной электронной эмиссии. Наши эксперименты были стимулированы работами томских исследователей [14], в которых изучались процессы генерации ионных пучков из плазмы взрывной эмиссии в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией (КДМИ) сильноточного ускорителя. Перспективность такого метода генерации ионных пучков связана с тем, что в случае ВЭЭ возможна генерация сверхплотной плазмы с высокой эмиссионной способностью практически любых материалов, в т.ч. и тяжёлых металлов.

В § 2.1 и 2.2 приведены постановка задачи и методика экспериментов. Использовался на-носекундный генератор и вакуумная камера, описанные в разд. 1.1.1. На диод подавались независимо регулируемые по длительности, амплитуде и задержке разнополярные импульсы высокого напряжения прямоугольной формы, с жёсткой временной синхронизацией. На первом

(-и^тО - возбуждается ВЭЭ и плотная катодная плазма, на втором (+иУ,Х2) - вытягивается ионный пучок. Исследовались как точечные эмиттеры - капилляры, заполненные твёрдым или жидким металлом, микронными графитовыми нитями, так и квазиплоские (Б-1см2) многоост-рийные системы, состоявшие из десятков элементов-острий - пучков графитовых волокон, помещённых в керамические трубки. Показано, что важной методической особенностью измерения импульсных токов тяжёлых ионов является ограничение на минимальную длительность импульса напряжения, отбирающего ионный ток (тг), которая должна быть больше времени прол&та ионов до коллектора - >1щ>- В противном случае, после окончания импульса +1^, ПЗ ионов создаёт сквозной электронный пучок из катодной плазмы на коллектор, ток которого значительно превышает ток ионов. Измерения, проведённые с помощью потенциала смещения, подаваемого на дополнительную сетку в дрейфовом промежутке, показали, что энергия электронов такого пучка достигает величины Е ~ 0,1 (еи2).

В § 2.3 представлены результаты изучения закономерностей токопрохождения ионных пучков, инициируемых взрывной эмиссией, в диоде. Сравнением значений токов ВЭЭ, подчиняющихся «закону 3/2 с движущейся эмиссионной границей», с установившимися значениями ионных токов показано, что за время пролёта ионов, эмиссионная граница плазмы придвигается к аноду, увеличивая проводимость диода. Как результат, величины установившегося ионного тока значительно превышают чайлд-ленгмюровский предел для исходного положения эмиссионной границы плазмы, которое было в момент прекращения электронного тока в диоде. Этот факт впервые наблюдался в [14]. После участка нарастания тока, определяемого временем перестройки эмиссионной границы, её положение квазистационарно, поэтому длительность импульсов ионного тока может существенно превышать время перемыкания диода катодной плазмой в режиме ВЭЭ.

В § 2.4 приведён анализ экспериментальных результатов и расчёты, позволяющие утверждать, что ионная эмиссия - самоподдерживающийся процесс, т.е. определяется не просто расходованием предварительно создшшого в процессе ВЭЭ заряда кштдпой плазмы, а интенсивно поддерживается поставкой ионов с возбуждённой поверхности эмиттера. Эксперименты показали, что эмиссия ионов с металлических эмиттеров квазистационарна в течение всей длительности импульса напряжения, отбирающего ток, вплоть до максимально достижимых в наших опытах (т2 = 300 не). На графитовых эмиттерах эмиссия прекращается до окончания импульса напряжения, что позволило выяснить характер её зависимости от внешнего поля, измеряя полный переносимый заряд (О,) при разных напряжениях (Ц), отбирающих ионный ток. Показано, что <}|= (}о ехр (к11), где Оо- величина ионного заряда плазмы, образовавшейся при ВЭЭ. Так как существование жидкой фазы графита в процессе ВЭЭ возможно только в силу больших давлений, оказываемых катодной плазмой на поверхность эмиттера [15], то этот результат мы связываем с тем, что, как только в процессе отбора ионного тока давление плазмы упадёт ниже критического, поверхность эмиттера затвердевает, и полевая эмиссия ио-14

нов с неё затухает. На металлах такого ограничения нет—эмиссия квазвстационарнз. Ещё одним аргументом в пользу самостоятельного характера ионной эмиссии, инициируемой взрывом, является тот факт, что измеренные величины отношения ионного заряда к заряду электронов (ре), извлекаемых из КП при инициирующем её процессе ВЭЭ, достигают значений 0;/С>с <10.

Третья глава содержит изложение результатов исследований взрывной электронной эмиссии и сопутствующих ей процессов в импульсных СВЧ полях. Эта работы явились продолжением исследований устойчивости и предельных характеристик АЭЭ в СВЧ полях, проводившихся в нашей исследовательской группе по инициативе проф. Г.Н. Фурсея [16]. Помимо прикладных аспектов - возможности использования ВЭЭ в мощных СВЧ приборах, ставилась задача исследовать механизмы инициирования и поддержания процесса в специфических, по характеру воздействия на поверхность, СВЧ полях.

В § 3.1, 3.2 даны введение и краткий обзор работ по исследованиям полевой эмиссии в СВЧ полях, приводятся примеры СВЧ приборов, в которых возможно использование АЭЭ. Проанализированы результаты первых экспериментов по генерации ВЭЭ в СВЧ диоде. Отмечено, что для надёжной идентификации самого процесса ВЭЭ, исследований его особенностей в СВЧ поле, необходимо изучение влияния катодной плазмы (КП) на электродинамические характеристики СВЧ резонатора. Необходимо также полностью исключить вторично-электронные разряды (ВЭР) в измерениях токов ВЭЭ. Важно надёжно разделить автоэмиссионную фазу разряда и переход во взрывную стадию, идентифицировав её по параметрам, которые могут быть воспроизводимо измерены в идентичных условиях.

В § 33, 3.4 описаны экспериментальная установка и методика Генератор СВЧ (частота

{ = 4.7 ГГц, мощность Р < 3.5 кВт) обеспечивал непрерывный и импульсные режимы в диапазоне длительности радиоимпульсов (Ю-6 - 10'3) с. Схема измерений дана на рис. 4. Эмиттер с помощью сильфонного катодного узла вводился в максимум стоячей волны поля призматического резонатора. Тип волны Нюз, добротность 0 = 5400. Резонатор с катодным узлом размещались в вакуумной камере (4) с остаточным давлением до 10'® Тор. В дрейфовом пространстве установлены анализирующие сетки (3) и коллектор пучка - люминесцентный экран (1), свечение пучка на котором наблюдалось через окно (2). Измерялись: мощность СВЧ сигнала, подводимая к резонатору; форма и величина сигналов, соответствующих падающей и отражённой мощности; токи эмиттера, коллектора, сетки, и подаваемые на них потенциалы-смещения. Исследовались проволочные (г* = 10-30 мкм) эмитге-

ры и капилляры (ёг = 20-150 мкм), заполненные жидкими металлами, сплавами и пучками графитовых нитей.

Установлено, что ВЭР может возникать как в объеме самого резонатора, так и в электрически связанным с ним объёме катодного узла. Первый идентифицируется по характеру свечения на экране (яркое диффузное свечение всего экрана с темным пятном в центре от катодной полости - месте ввода катода в резонатор), аномальному соотношению токов катода и коллектора (1кол/1к > 10), сильной расстройке резонатора, по не эмиссионному знаку тока катода (электроны на катод). ВЭР в катодной полости, практически не расстраивая резонатор (разряд не в объёме резонатора), формирует такое же, по характеру свечения, пятно на экране, диаметр которого определяется размерами полости. При этом соотношение токов 1кол/1к ~ 10'3, что не может быть связано с потерями пучка при транспортировке до коллектора при выбранной геометрии опытов (ускоряющий зазор резонатора < 4 мм, диаметр выходного окна - 10 мм). Подача отрицательного смещения на эмиттер срывает этот разряд, что подчёркивает его не полевой характер.

Простым, но радикальным способом устранения ВЭР явилась «тренировка» резонатора собственными токами этих разрядов в квазинепрерывном режиме горения, при этом эмиттер выводится из ускоряющего зазора. Вначале давление в камере возрастает, а в процессе тренировки, по мере очистки стенок резонатора, постепенно возвращается к исходной величине и ток разрада срывается. Эту процедуру, аналог высоковольтной тренировки вакуумных приборов перед отпайкой, приходилось повторять после длительного развакуумирования камеры.

Характер возбуждения ВЭЭ в импульсных СВЧ полях внешне аналогичен тому, что происходит в режиме видеоимпульсов электрического поля, то есть, содержит автоэмиссионную фазу (см. рис.5), после которой, по истечении некоторого времени задержки, происходит взрывное увеличение тока примерно в 103 раз.

Приведённый в § 3.3, 3.6 сравнительный анализ результатов, полученных на графите и материалах с высокой температурой плавления (медь, нихром, вольфрам) и на жидкометалли-ческих и легкоплавких образцах (ва, 1п, висмутовые сплавы, Хп) показал, что графит и тугоплавкие материалы не являются предпочтительными для использования в качестве взрывных эмиттеров в СВЧ полях высокодобротных резонаторов. Это связано с тем, что в процессе развития ВЭЭ в СВЧ поле резонатора, возникает функциональная связь эмиссионного процесса с параметрами СВЧ системы. Входная СВЧ мощность, поступая в настроенный резонатор без отражения, создаёт в зазоре необходимую напряжённость электрического поля для возбуждения ВЭЭ. В момент взрыва образуется плотная катодная плазма, заполняющая промежуток. При этом происходит расстройка резонатора, определяемая следующими факторами: а) током ВЭЭ; б) закритагческой плазмой вблизи катода с п > п«р (критическая концентрация плазмы в нашем случае - п^ = 3-10" см'3); в) плазмой в объёме резонатора с п < п^. Нарушается режим согласования на входе резонатора, коэффициент отражения резко возрастает и, соответственно,

уменьшается мощность, поступающая в нагрузку. Напряжённость поля в зазоре падает, что отрекается на эмиссионном процессе и может привести к его срыву. После восстановления поля в резонаторе импульс эмиссионного тока повторяется. Таким образом, эмиссионные характеристики ВЭЭ в СВЧ поле высокодобротного резонатора определяются дгтамическим равновесием .между процессами генерации плазмы на катоде и её рекомбинаг/ией и разлётом в объёме резонатора. Изменяя скорость ввода энергии в эмиттер, т.е. режим его взрыва, можно реализовать разные условия поддержания эмиссионного процесса. Так, для графитового эмиттера, оказался возможным единственный режим - генерация цуга импульсов электронов с высокой энергией. Нами проделан опыт со 100% модуляцией радиоимпульса длительностью (150 - 200) мкс меандром с частотой (0.5 - 1.0) МГц. Получены хорошо воспроизводимые, стабильные по амплитуде пакеты импульсов тока ВЭЭ с амплитудой до 0.5 А и длительностью пичка х ~ 5-Ю"7 с. На тугоплавких катодах (медь, нихром, вольфрам) возможно получение импульсов тока, общий характер которых представлен на рис.6. ВЭЭ характеризуется сильной расстройкой резонатора и, как показали измерения кривых задержки пучка на коллектор (1км = f (-Uc)), низкой энергией электронов, за исключением короткого интервала времени заполнения резонатора КП. Время задержки до появления тока ВЭЭ нестабильно от импульса к импульсу и лежит в диапазоне 10'5 с. Меняя уровень входной мощности, можно в широких пределах варьировать величину тока, но энергия пучка (Wn) на большей часта импульса соответствует лишь небольшой части эффективной разности потенциалов в волне (Цф) настроенного перед взрывом резонатора (Wn < 0,5 еи3ф). Очевидно, что это связано с неоптимальными условиями формирования поверхностной микроструктуры, способной инициировать и поддерживать эмиссионный процесс при относительно малой напряжённости поля в зазоре резонатора (Ео < 2-104 В/см).

Рис.5. Автоэмиссионное изображение графитового катода в СВЧ поле

20» 100

Потр

Тсли.

20 ' 4П ' ffo

»1

икс

20 ■«! Й1 X»

<, МКС

Рис. б. Токи ВЭЭ и отражённая мощность: медный катод, ис = -1 кВ, Рвх = 1,0 кВт, пунктир - уровень настроенного резонатора

В § 3.6 этот вывод подтверждается результатами исследований ВЭЭ, возбуждаемой на легкоплавких (Тпл < 20(Р С) и жидкомепишических (ЖМ) эмиттерах. Величина СВЧ мощности, требуемая для инициирования ВЭЭ, здесь оказалась на порядок меньше, чем для туго-

плавких материалов и графита, и не превышала нескольких сотен ватт. Так, например, в случае жидкометаллического катода из сплава К-№ (капилляр диаметром 90 мкм), ток в 100 мА может генерироваться в течение 1,5>10'3 с, эффективная разность потенциалов в СВЧ поле составляет величину 400 В, что соответствует вводимой мощности 50 Вт. В специально проведенных опытах, в той же геометрии, статическое напряжение 4 кВ не вызывает пробоя. Эмиссия характеризуется квазистационарным уровнем тока, малыми временами задержки до взрыва, сравнимыми с фронтом импульса мощности (-0,5 мкс), незначительной расстройкой резонатора и, соответственно, моноэнергетичностью пучка в течение всей длительности импульса тока, которая ограничена только тепловой устойчивостью конструкции катодов в СВЧ поле и достигает значений (1 - 1,5)-10"3 с. Показано, что этот результат связан не просто с малым количеством генерируемой КП, но и с эффектом её удержания силами СВЧ давления. Испытания легкоплавких эмиттеров капиллярной конструкции (Д>1< 150 мкм) (ва, 1п, сплавы -В1-РЬ-Зп-Сс1, Вьвп-РЬ) показали их высокую стабильность в микросекундном диапазоне длительности импульсов (т < 100 мкс) в диапазоне токов I < 0,3А. В частности, для индиевого капиллярного катода (Д* = 90 мкм), при частоте повторения импульсов Р < 20 Гц, измеренный ресурс стабильной работы составил N > 3-105 включений.

Вышеперечисленные особенности функционирования ВЭЭ в СВЧ поле высокодобротного

резонатора, а также возможность возникновения шунтирующих разрядов (ВЭР) - основные факторы, определившие постановку задачи исследования энергетики генерируемых при этом электронных пучков, результаты которого приведены в § 3.7. В эксперименте была использована процедура измерений кривых задержки пучка на коллектор. С целью отработки методики, оценки её точности, были проведены исследования в режиме АЭЭ с классическими вольфрамо-

Рис.7. Кривые задержки тока АЭЭ: Рис.8. Кривые задержки тока ВЭЭ:

1 - статика; 2 - а а и/2; 3 - -п/2<а<тг, 4 - а » п 1- а « к; 2,3 - а > 1%

выми катодами (г3 ~ 0,1 мкм). Они включали в себя предварительное исследование автоэмиссионных характеристик - получение автоэмиссионного изображения вольфрама, снятие характеристик Фаулера-Нордгейма, в том числе и в статическом поле. На рис.7 и 8 параметром является величина пролётной фазы электрона (а), эмштируемого в максимуме поля. Режим АЭЭ по-18

зволяет провести теоретический анализ функций распределения пучка на выходе из СВЧ резонатора и, таким образом, сравнить расчетные и экспериментальные результаты. При исследовании спектров электронов ВЭЭ, автоэмиссионные спектры служили в качестве реперных.

С увеличением зазора, в пучке ВЭЭ появляются группы низкоэнергетичных электронов, аналогично тому, что происходит при АЭЭ. Так как при ВЭЭ нет ограничения по фазе эмиссии, как при АЭЭ, перераспределение энергии электронов й" их числа в сторону меньших энергий при увеличении угла пролета происходит резче. Варьируя потенциал смещения на катоде (-ик), можно регулировать эмиссионный ток в пределах порядка величины, при этом соотношение колебательной и поступательной энергий пучка может варьироваться в пределах Цзф/ик < 20. Этот параметр имеет важное значение при конструировании СВЧ приборов - усилителей, умножителей, выпрямителей СВЧ мощности и др. Основным ограничением на мощность эмиссионного пучка, кроме устойчивости конструкции эмиттера в СВЧ поле, является допустимая величина поля на его поверхности. Как показали оценки, при поле на поверхности катода Ео/-/2 ~ Ет-ф (критическое поле для развития апериодической неустойчивости Тонкса-Френкеля), происходит резкое увеличение расхода материала эмиттера, избыточное плазмообразование, приводящее к полной расстройке резонатора и, соответственно, пропускам и срывам эмиссии. Длительность тока пучка высокой энергии сокращается, на выходной сетке резонатора появляются микронные капли материала эмиттера.

Полученные результаты показывают, что при ВЭЭ, как и при АЭЭ, пролётные эффекты решающим образом влияют на энергетический спектр пучка на выходе из СВЧ резонатора, а плотная катодная плазма локализована вблизи поверхности эмиттера.

В § 3.8 представлены результаты исследований ионных потоков при ВЭЭ в СВЧ поле. Эмиттируемые в неоднородном переменном поле электроны и ионы движутся в одном направлении, поэтому здесь представляется возможность одновременно анализировать электронную и ионную составляющие тока ВЭЭ, разделяя их после выхода из резонатора, в пространстве дрейфа. Такая «бесконтактная» диагностика процесса по ионному току, без влияния на величину, структуру и знак поля в области функционирования ВЭЭ, как это происходит, например, при анализе ионных токов, возбуждаемых при ВЭЭ в статических полях (см. Главу И), даёт важную информацию о механизме его поддержания в области взаимодействия СВЧ полей с поверхностью эмиттера, а также об особенностях токопрохождения при ВЭЭ в СВЧ диоде. Для выделения ионной составляющей тока на коллектор на него подавалось отрицательное смещение, превышающее потенциал полного запирания электронного пучка при заданной входной мощности. Использовались жидкометаллические капиллярные эмиттеры с диаметром капилляров Дк < 100 мкм. На анализирующую сетку подавался варьируемый положительный потенциал задержки для ионов из = +ис. Установлено, что энергия СВЧ поля эффективно передаётся ионам, их энергетический спектр лежит в диапазоне 50 эВ <е< 500 эВ. Это при том, что в однородном поле, в наших опытах (Ео < 1,7-104 В/см, <в = 2,9-1010 сек"1), ионы могут набрать энер-

гаю е = (10"2-10"3) эВ. Отсутствие ионов с низкой энергией связано с эффектом давления СВЧ поля на внешнюю границу катод ной плазмы. Показано, что минимальные значения энергий ионов, достигающих коллектора, определяются максимальным значением СВЧ квазипотенциала Ф =е2|Ер/4со2п), соответствующим вводимой в резонатор мощности Е = Я[Рвх)). Наличие эффекта СВЧ давления на КП следует и из экспериментов в комбинированном поле (СВЧ + отрицательное постоянное смещение на эмиттере). Как отмечалось выше, при зазоре в резонаторе - 1 мм, варьируя величину смещения и входную мощность, можно поддерживать токи ВЭЭ на уровне 0.1 А при длительности импульса тока х ~ ДО"3 с. В этих режимах, снятие или заметное уменьшение амплитуды СВЧ поля (режим модуляции) приводит к пробою в резонаторе в поле потенциала смещения - он развивается сразу на срезе радиоимпульса.

Таким образом, при взрывной эмиссии в СВЧ поле, квазипотенциальный СВЧ барьер на внешней границе КП осуществляет роль своеобразного фильтра, отсеивающего ионы низкой энергии, а эффект СВЧ давления на катодную плазму даёт возможность генерации импульсов электронных и ионных пучков, длительность которых намного превосходит время коммутации высоковольтного промежутка, обычно наблюдаемое при ВЭЭ в импульсных статических полях. Очевидно также, что представление о катодной плазме при ВЭЭ в СВЧ поле, как о единственном источнике заряженных частиц неполны, так как, по крайней мере, ионная составляющая тока рождается в области огромных градиентов поля, отсутствующих в самой плазме и на её внешней границе. Единственным источником ионов высокой энергии могут служить лишь полевые эмиссионные процессы на возбужденной поверхности эмиттера, обладающей микроструктурой с высоким коэффициентом усиления поля. О том, что такие структуры формируются, говорят и данные по возбуждению ВЭЭ на жидких металлах. Так, например, для капилляра с галлием диаметром 20 мкм, ВЭЭ может возбуждаться при Рвх = 300 Вт, что соответствует однородному полю в резонаторе Ео = (5-6)-103 В/см. На капиллярах, заполненных сплавом К-Иа, Ео = (3-4)-103 В/см, причём эта величина вообще слабо зависит от диаметра капилляра. Механизмы возбуждения полевых эмиссионных процессов на жидкометашжческой поверхности в СВЧ полях обсуждаются в Главах IV, V.

В четвёртой главе представлены исследования механизмов возбуждения полевой эмиссии в ВЧ и СВЧ полях на жидких и легкоплавких материалах. Разница в условиях возбуждения ВЭЭ в СВЧ поле на тугоплавких и жидкометаллических (легкоплавких) катодах, её очевидная связь с фазовым состоянием поверхности эмиттера, привела нас к постановке этой задачи. Она имела и самостоятельный, фундаментальный интерес, т.к. к началу наших исследований механизмы возбуждения полевых процессов на жидких проводниках были изучены только в статических полях, в различных схемах жидкометаллических источников ионов (ЖМИИ).

Во вводном § 4.1 проанализированы примеры возбуждения ВЭЭ на жидкометаллических капиллярных катодах в СВЧ поле. Показано, что с учётом геометрии эмиттеров, их связи с по-

лем резонатора, никаким разумным коэффициентом усиления нельзя объяснить факт получения на поверхности эмиттера с характерны!,1 радиусом г~(10'2-10"1) см поля Е > 107В/см.

В § 4.2 приведены экспериментальные результаты исследований АЭЭ на ЖМ-катодах. В опытах использовались два типа катодов: капиллярные, заполненные жидкими металлами и сплавами, а также медные острия радиусом ~ 10 мкм с микронными слоями легкоплавких сплавов (Тпл < 100°С). На рис.9 приведены примеры ватт-амперных характеристик для трёх эмиттеров, построенные в координатах Фаулера-Нордгейма с учётом того, что поле у поверхности катода Е ~ Рш. Ограничение длительности импульса было связано, с одной стороны, желанием провести измерения в как можно более широком диапазоне мощностей и токов, а с другой - необходимостью избежать перехода во взрывной режим эмиссии. Как показали специальные измерения, длительность устойчивой автоэмиссионной фазы при токах I ~ 10"5 А может достигать х ~ 10"4 с и определяется тепловой устойчивостью конструкции эмиттера в поле резонатора.

Из рис.10 видно, что существует время задержки (г</) до появления заметного Ю-6 А) тока АЭЭ, зависящее от входной мощности Рвх. Уровень отражённого сигнала (ТЛотр) соответствует уровню настроенного резонатора - токи АЭЭ резонатор не расстраивают. Важным является тот факт, что возможно получение импульсов прямоугольной формы тока АЭЭ (осц. 1,2,3).

Рис. 9:1- катод ВьРЬ-Зп, х = 12 мкс, = 180 мка Рис. 10: Катод В)-РЬ-5п, Рсг = 730Вт

2 - катод К-Ка, ^=90 мкм, т = 5 мкс, = 90 мка р = 1 «Вт; 2 -1,22 кВт; 3 -1,3 кВт

3 - катод 1п, г = 15 мкс, <!*= 90 мкм, 1тм = 70 мка

Это означает, что на поверхности ЖМ, в течение хотя и ограниченного, но достаточно длительного времени, поддерживается микроструктура с постоянной геометрией. Этот факт позволяет оценить её характерные геометрические параметры из условия баланса давлений внешнего поля и сил поверхностного натяжения на кончике жидкометаллического микровыступа: (Ео2/2)/8я = 2а/г, где г - радиус МВ; Ео2/2 - среднее за период значение СВЧ поля с амплитудой Ео. Для различных эмиттеров (диаметр, глубина погружения в поле резонатора, коэффициент поверх-

костного натяжения а), с учетом измеренных токов АЭЭ и вычисленных по ним пиковых значений, были рассчитаны коэффициенты усиления [5, необходимых для обеспечения на микровыступе полей - 3-107 В/см. При этом высота микровыступов Н~ 300-г~ 10 мкм. Проведённые оценки показали, что на поверхности ЖМ- катода диаметром Д~100мкм может формироваться микроструктура с характерным пространственным периодом - 10 мкм, состоящая из одновременно эмипирующих десятков микроострий с характерными высотами Н - (5-Н0)мкм и плотностью тока с отдельного микроострия j ~ (5-Ю4 - 7-105) А/см2. Эти оценки нашли своё подтверждение при непосредственных наблюдениях структуры поверхности автокатодов, сохранившихся в СВЧ поле (§ 4.6).

В § 4.3- 4.5, на основе экспериментальных результатов по возбуждению АЭЭ и ВЭЭ, обсуждаются и обосновываются механизмы возбуждения периодических неустойчивостей на поверхности ЖМ е переменных полях E(t) =Eg sin at. В зависимости от частоты внешнего поля, возможны два механизма развития неустойчивости. В диапазоне частот (f < 10 МГц) развивается параметрическая неустойчивость поверхности, связанная с раскачкой тех мод поверхностных колебаний, частота которых близка (или кратна) частоте внешнего поля - параметрический резонанс (ПР) [17]. Однако вязкие силы не дают развиться параметрической неустойчивости на частотах f > 100 Мгц.

В СВЧ-диапазоне (f > 1 ГГц) может развиваться термокапиллярная неустойчивость, обусловленная неравновесным тепловыделением на случайных поверхностных возмущениях. Периодический характер движения жидкости играет основную стабилизирующую роль в эмиссионном процессе и ограничивает его самопроизвольный переход к взрыву. В обоих случаях на поверхности ЖМ формируется микрорельеф с коэффициентом усиления внешнего поля, достаточным для поддержания не только полевой электронной, но и полевой ионной эмиссии (см. Гл. V).

В § 43, 4.4 показано, что на частотах ВЧ-диапазона (f < 10 МГц), когда термокапиллярные эффекты несущественны, при параметрической раскачке колебаний поверхности ЖМ радиус кривизны вершины микрорельефа уменьшается и при достижении некоторого критического значения поля Eff = (64 ятр )ш = Ua-I rs ,где tj = vp - динамическая вязкость ЖМ, возникает эмиссия. Время задержки до появления эмиссии та определяется временем развития

неустойчивости Tj ~ ть, и выполняется соотношение г J —^--2v\=const, которое и прове-

132ярю I ,

рялось в эксперименте. Опыты проводились в режиме ВЭЭ, в том же резонаторе, но вместо СВЧ-мощности, прямо на эмиттер подавался ВЧ-потенциал иет = Uo sin 2jrft в диапазоне частот f= (250-3000)-103 Гц и с амплитудами Uo ■= (100-1300) В. Так как поле на эмиттере Евч a Ub4¡ Гз, где г3 - радиус капилляра с металлом, то соотношение может быть записано в виде: Td (Uc? - Uj) = const. Оно выполняется в широком диапазоне ВЧ- потенциалов, на различ-22

ных катодах, а измеренные значения хорошо согласуются с расчётными. Как показали эксперименты в режиме видеоимпульсов, напряженность поля , при котором происходит инициирование эмиссии в ВЧ режиме, по крайней мерю, в 3-5 раз меньше статического поля Тон-кса-Френкеля (/?<£г) при котором возбуждается ВЭЭ в этой же геометрии диода на тех же эмиттерах. Так, в частности, для f = 250 Кгц, для капиллярного Ga-катода диаметром Д = 20 мкм эксперимент даёт ££Г= 5-105 В/см 1,6-106 В/см).

В § 4.5,4.6 рассмотрен механизм формирования эмиссионной поверхности ЖМ-эмиттеров в СВЧ поле. Поскольку время задержки эмиссии ы пропорционально времени развития неустойчивости т/, которое определяется потоком СВЧ-мощности (J), падающей на поверхность гц ~ ti„ ~(J - Jcr)~l ~{Р - Pa)'1 ~ (EJ - Ej )"', то критерием возникновения ПР и для СВЧ поля будет (Р3 - Pcr2)-xj = const. Однако развитие ПР в СВЧ полях затруднено из-за наличия вязких сил, а получаемые с помощью измерений xd=f(P) критические поля оказываются много меньше, чем предсказывает механизм ПР.

Эксперименты по возбуждению взрывной эмиссии в СВЧ полях показали, что потоки энергии, поглощаемые поверхностью эмиттера, могут превышать 106 Вт/см2, при этом градиенты температуры у поверхности металла V Т £ 106 К/см. Влияние таких градиентов на устойчивость поверхности ЖМ связано с зависимостью коэффициента поверхностного натяжения от температуры а = а (Т) (термокапиллярные эффекш). При нагреве жидкости в СВЧ поле конвективный вынос более холодных слоев металла из объема на поверхность и возникновение на ней касательных напряжений, связанных с изменением а(Т), приводит к появлению конвективной неустойчивости [18]. Другая причина неустойчивости поверхности ЖМ связана с тем, что этот нагрев в СВЧ поле происходит неоднородно, если вдоль поверхности распространяется бегущая волна деформации малой амплитуды, на вершинах которой поле усиливается. При этом между поверхностной волной и вызванной ею температурной поверхностной волной возникает фазовый сдвиг, связанный с конечной теплопроводностью ЖМ. На поверхности образуются области, в которых термокапиллярные силы будут стремиться увеличить амплитуду поверхностного возмущения. Если термокапиллярные силы начинают превышать вязкие, то развивается термокапиллярная модуляционная неустойчивость (ТМН). Численный анализ дисперсионного уравнения показал [И], что оба механизма вносят одинаковый вклад в развитие неустойчивости длинноволновых возмущений (k < 103 см"1). Для коротковолновых (k > 103 см"1) возмущений основной вклад в развитие неустойчивости вносит ТМН. На поверхности малых размеров (L) минимальное значение к = ктш ~ L"1 определяет и минимальное J„щ,. При этом развиваются возмущения с к > кщт« jt-L"'. Для характерных значений 7mm » 10е Вт/см2, при L »(2-10)-10"3 см величина мощности на эмиттере Ррщ, м (3-80) Вт. Для развития ТМН за время tj~ 10"6 с необходимы поглощенные поверхностью потоки J~ 3-106 Вт/см2, что для эмиттеров с г ~ 10'3 см соот-

ветствует поглощенной мощности Р 10 Вт. Эта величина мощности хорошо согласуется, с оценками, учитывающими реальную геометрию резонатора и эмиттера, играющего роль "антенны", вдвинутой в резонатор при входной мощности Р < 1000 Вг. При этом наибольшим инкрементом обладают моды с к=ко ~ 104 см"1.

В § 4.6 представлена информация, полученная при анализе электронно-микроскопических растровых (РЭМ) изображений следов микроструктур ы на поверхности эмиттеров, сохранившихся после воздействия СВЧ поля.

Условия сохранения микрорельефа на ЖМ определяются соотношением характерных времен застывания жидкого слоя (t,) и распада (tp) сформированных полем неоднородностей. Распад поверхностной микроструктуры после снятия поля обусловлен дисперсией поверхностных мод, формирующих эту структуру, и аналогичен расплыванию волнового пакета в среде с дисперсией. В этом случае tp = (р/а ко3 )ш, где к - волновое число для поверхностной моды с наибольшим инкрементом. Для k = ko= 104см "' времена распада малы (tp= 10"7с) даже для эмиттеров с большой скоростью отвода тепла (тонкий слой на массивной подложке, игольчатый Bi-Pb-Sn эмиттер). Действительно, формы поверхностей после испытаний гладкие

а) б)

Рис. 11. Ступенчатый импульс СВЧ мощности и импульс тока АЭЭ: PI = 580 Вт, Р2 = 100Вт; -а -поверхность катода после обычного импульса тока; б - после ступенчатого, катод - медная проволока г = 10 мкм, покрытая споем Bi-Pb-Sn толщиной 2-3 мкм

и практически не отличаются от исходных, до испытаний (рис.11а), "Заморозить" микроструктуру, сформированную полем, можно, используя "двухступенчатый" импульс СВЧ мощности. Анализ дисперсионного уравнения при малых потоках энергии, вблизи порога возникновения ТМН, показывает, что поверхностная структура распадается не за счет дисперсии, а лишь "затухает" под действием вязких сил с характерным временем (tu«). Теперь U ~ tM, ~ (т|ко2)"' ~ 5-10"6 с. Подбирая длительность и амплитуду второй ступени СВЧ мощности (рис.11), удаётся сохранить, по крайней мере, следы микрорельефа (рис.116), сформированного ранее, при ббль-ших мощностях и поддерживавшего АЭЭ. Размеры сохранившихся неоднородностей (высота (0,3-0,5)-10"4 см и радиусы вершин (0,05-0,1)-10^ см) свидетельствуют в пользу ТМН как основного механизма поддержания тока. Таким образом, проведение экспериментов в идентичных условиях, на одних и тех же объектах, дает возможность разделить и идентифицировать меха-

низмы инициирования и поддержания полевой эмиссии на ЖМ в переменных полях ВЧ и СВЧ диапазона.

В пятой главе представлены результаты исследований по генерации ионных потоков с поверхности ЖМ в СВЧ поле. В § 5.1, на основе краткого анализа литературных данных резюмируется, что до настоящего времени нет единой точки зрения на природу полевой ионной эмиссии с поверхности ЖМ. Превалирующим считается механизм полевого испарения, хотя он основан на представлениях об элементарных квантово-механических процессах на поверхности твёрдых тел, рассматриваемых на молекулярном уровне в сильных электрических полях Е ~ 108 В/см. Геометрические размеры микрорельефа, формирующегося в СВЧ поле на жидкой проводящей поверхности эмиттера и величины полей, которые на нём достигаются, характеризуются тем, что в общем потоке эмиттируемых в режиме АЭЭ заряженных частиц можно выделить и ионную составляющую, генерируемую на положительном полупериоде СВЧ поля.

В § 5.2 это продемонстрировано методом отсечки электронного компонента из общего потока после выхода его из резонатора в пространство дрейфа пучка, за счёт подачи соотвестую-щего потенциала на расположенную здесь сетку. Показано, что на формирующемся в СВЧ поле микрорельефе эффективность извлечения ионов высока. Ионные токи могут составлять до 20 % от электронного (рис. 12,а). Подтверждением представленных в Главе IV механизмов формирования эмитгарующей структуры на поверхности ЖМ в СВЧ поле являются опыты в комбинированном поле (СВЧ + статическое). Динамику развития микроструктуры, роста поля на её вершине иллюстрирует осциллограмма рис. 12,6. Если плавно, от нуля, увеличивать положительное смещение на эмиттере, подавляя электронный ток, то при некотором малом его значении, близком к току полной отсечки, после возбуждения АЭЭ, с некоторой задержкой, ионный ток становится больше тока АЭЭ. Крутизна ионных характеристик по переменному току g = (dI/dV.J(j,)uCM = С(Ш| (V^ - эффективная разность потенциалов в СВЧ волне) намного превышает изменение проводимости по постоянному току (ёШиш)у3ф = «тя. на некоторых участках более чем на порядок. Это можно объяснить тем, что влияние переменной и постоянной составляющих поля на скорость роста тока принципиально различно. При изменении постоянного смещения на эмиттере (при Е_ ~ (Р)"2 = const) меняется только эффективное суммарное поле. Так как время роста амплитуды капиллярной волны уменьшается с ростом уровня входной мощности (Р), то (при +Ucm = const) растёт и скорость роста микроструктуры, т.е. её р-фактор. Поэтому нарастание ионного тока при изменении СВЧ поля происходит эффективнее, чем в случае управления процессом за счёт изменения постоянного поля на эмиттере. При подаче на эмиттер положительного смещения (+Ucm), полностью запирающего ток АЭЭ, автоионные токи приобретают неустойчивый, нарастающий характер (рис. 12,в). С увеличением входной мощности, при заданной величине смещения +Ucm, в некоторый момент времени скорость роста тока резко возрастает и, подобно случаю ВЭЭ, ионный ток «взрывным» образом возрастает на 2-3 порядка величины (рис. 12,в; Р = РЗ). «Взрывным» образом означает, что скачок тока

1кол, мка

Ьсол, мка

•С

100 ^мкс

происходит за характерные времена, много меньшие длительности автоионной стадии процесса. «Ионный взрыв» может быть инициирован и при постоянной мощности, засч&т увеличения +17см, но это приводит к неконтролируемому пробою в диоде и, как правило, к рззрушению эмиттера - его эмиссионные характеристики не воспроизводятся. В том же случае, когда взрыв осуществляется при фиксированном потенциале +11см, процесс переходит в новую квазистационарную фазу сильноточной ионной эмиссии.

В § 53 представлены основные особенности этого процесса. Методом предварительно расстроенного резонатора показано, что в случае «ионного взрыва» изменение диэлектрических

параметров среды в резонаторе имеет ёмкостный характер - предварительно расстроенный вверх резонатор {{ > б), й - собственная частота резонатора) подстраивается к уровню настройки (рис. 14), в то время как при появлении катодной плазмы ВЭЭ расстройка всегда носит индуктивный характер. Это свидетельствует о том, что при ионном взрыве резонатор заполняется мелкодисперсными частицами материала эмиттера - микрокаплями металла, что подтверждается результатами исследования энергетического спектра ионных пучков, генерируемых в различных режимах (рис.13). Кривые (1) и (2) относятся к режиму автоионной эмиссии, а (3) и (4) - взрывной ионной эмиссии. С ростом тока, растёт число ионов с малой энергией и появляется значительная часть ионов, образовавшихся в пространстве дрейфа, за анализирующей сеткой. В режиме ионного взрыва ток эффективно регулируется постоянной составляющей поля в зазоре - напряжением Цсм. Предельные значения взрывных токов ограничены пробоем в зазоре резонатора, по порядку величины они близки к максимальным значениям для автоионной эмиссии в статических полях - 10"' А. Чем выше уровень СВЧ мощности, чем быстрее растут микровыступы и, соответственно, поле на их поверхности, тем быстрее наступает переход в ионную взрывную фазу процесса. Роль постоянного поля сводится, фактически, к подавлению тока АЭЭ, рост которого неминуемо приводит к взрывной электронной эмиссии. В СВЧ поле, с уменьшением радиуса кривизны верхушки МВ, нарастает их температура, так как быстро растёт плотность поглощаемой СВЧ мощности. При определённом критическом сочетании мощности и потенциала смещения наступает момент, когда поле и температура на по-26

Рис. 12: а - Ь-игла, исм = 0;

б - 1п-капилляр, и„ = 300 В, Р = 540 Вт;

в - Ь-кшшлпяр, Исм = 2000 В;

Р1 = 570 Вт; Р2 = 650 Вг, РЗ = 700 Вт

верхности МВ достигают таких значений, что потенциальный барьер может практически исчезнуть. После «взрыва» наступает квазистационарная фаза эмиссии (рис. 24).

Оценки, проведенные с учетом величин предвзрывных токов (К - 10 А), зазоров резонатора 10"' см), характерных времен нарастания тока (-10"6 с) и допущении, что в режиме ЭГД диспергирования заряженной жидкости капельная фракция составляет > 90 % общей переносимой массы [19], показывают, что давление облака пара вблизи поверхности МВ может достегать величины Р ~ 1 Тор.

1кол / 1эм

Гогр

0.2 0.4 0.6 0.8 ис/Ши

Рис.13. Кривые задержки ионного тока на коллектор: Ьмсагаошяр, Р[Вт|, ЩА] I - 400,6-10"4; 2 - 480,3-Ю"5; 3-560,2-10"3; 4-650,7,5-Ю"3

Рис. 14. Отражённая мощность и ток «ионного взрыва»: резонатор расстроен «вверх», Ьькапилляр, Нем = 3 кВ

Заряженные микрокапли ускоряются под действием потенциала смещения, нагреваются бомбардирующим их ионным пучком, испаряются, а образовавшиеся атомы ионизируются этим пучком, в том числе уже и за пределами резонатора - в пространстве за анализирующей сеткой. Этим и объясняется широкий энергетический спектр пучка и наличие в нём ионов с энергией > е11см. Высокоинтенсивная ионная эмиссия - воспроизводимый, самоподдерживающийся процесс, т.е. после инициирования, для его поддержания не требуется никаких дополнительных источников энергии.

Шестая глава - приложения. В § 6.1 приведена конструкция установки, на которой были проведены макетные испытания импульсной рентгеновской трубки прострельного типа со взрывоэмиссиопным катодом. По результатам испытаний изготовлен и испытан мощный портативный рентгеновский аппарат с отпаянной трубкой и источником питания, изготовленным в лаборатории И.В. Грехова (Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе). Параметры аппарата: энергия пучка Е < 50 кВ; мощность дозы одиночного импульса на выходном окне Д < 108Р/с; внутреннее сопротивление источника - 200 Ом; длительность импульса напряжения - 75 не. Размеры источника - 300x200x100 мм, вес - около 6 кг, питание - от сети. Приведены радиографические изображения различных объектов, полученные на стандартной рентгеновской плёнке.

В § 62 представлены результаты испытаний многоострийного взрывоэмиссионного катода ßdBK) с регулируемые радиусом кривизны в пушке Пирса сферического типа со сходящимся пучкам, в которой традиционно использовался термокатод из гексаборида лантана. На катоде с числом эмиттеров N = 169, с использованием ограничительных сопротивлений в цепи каждого эмиттера, в диапазоне напряжений U = (140-150 кВ), получен пучок с токами I = (12-15)А, длительностью % = 120-140 мкс, с компрессией М=(гх/ Гщд,)2 »(60 / 12)J = 25.

В § 63 приведены результаты экспериментов по формированию электронного пучка, выводимого из СВЧрезонатора со взрывоэмиссиОнным катодом неоднородным магнитным полем. Показано, что в режиме малых углов пролёта пучка в резонаторе (col/v < я), возможна его острая фокусировка и проводка в протяжённом дрейфовом пространстве внешним магнитным полем при умеренных значениях индукции (В ~ 0,1 Т) с током, определяемым предельным вакуумным током этого пространства (ток Бурсиана).

В Заключении представлены обобщенные результаты и выводы работы. Исследования автоэлектронной, эмиссии в СВЧ поле дали следующие результаты:

1. Разработана и реализована методика исследований процесса автоэлектронной и взрывной электронной эмиссии в СВЧ поле, позволяющая надёжно идентифицировать эмиссионные токи при условии полного подавлении вторично-электронного разряда - основного фактора, препятствующего корректным измерениям. Показано, что на жидкой проводящей поверхности в СВЧ поле формируются микроструктуры с коэффициентом усиления внешнего поля, достаточным для одновременной (на соответствующем полупериоде поля) генерации не только автоэлектронного, но и автоионного пучка. Проанализированы механизмы, способные обеспечить на поверхности ЖМ в СВЧ и ВЧ полях формирование микроструктур с высоким коэффициентом усиления поля. Экспериментально установлено, что в СВЧ диапазоне, формирование микрорельефа с высоким коэффициентом усиления поля происходит в результате развития термокапиллярной модуляционной неустойчивости (ТМН), когда на изначально малой по амплитуде поверхностной волне происходит модуляция поглощаемой СВЧ мощности, что приводит к модуляции температуры поверхности, т.е. вместе с поверхностной, распространяется и тепловая волна. В силу конечной теплопроводности, последняя отстаёт от поверхностного возмущения, а т.к. поверхностное натяжение зависит от температуры, на поверхности ЖМ возникают области, в которых касательные поверхностные силы увеличивают амплитуду поверхностного возмущения.

2. В ВЧ диапазоне (f < 10 МГц), когда высокочастотный нагрев поверхности несущественен, основным механизмом возбуждения жидкой проводящей поверхности является параметрический резонанс (ПР), когда развитие неустойчивости происходит в силу параметрической резонансной раскачки амплитуды тех поверхностных колебаний, частота которых близка к частоте внешнего возбуждающего поля.

3. Показано, что в условиях обоих механизмов воздействия на жидкую проводящую поверхность (ПР и ТМН), эффективная разность потенциалов в волне, при которой возбуждается полевая эмиссия в переменном поле, значительно меньше (в СВЧ поле более чем на порядок величины) напряжения возбуждения эмиссии в статическом поле.

4. Для катодов из жидких и легкоплавких материалов в координатах Фаулера-Нордгейма получены линейные ваттамперные характеристики токов АЭЭ при полях в зазоре резонатора Е < 104 В/см. Показано, что длительность устойчивой фазы АЭЭ ограничена тепловой устойчивостью элементов конструкции эмиттера в СВЧ поле. На острийных эмиттерах (медные острия с радиусом закругления тх = 10*30 мкм) С микронными слоями легкоплавких материалов получены токи I ~ 10"3 А при длительности импульса т ~ 10"4 с.

5. Экспериментально показано, что на эмиттерах с тонкой пленкой легкоплавкого вещества на массивной подложке, в поле СВЧ малой мощности, возможно сохранение поверхностной микроструктуры после отбора тока АЭЭ. Анализ РЭМ-изображений характерных геометрических параметров микроструктур, сохраняющихся в таком режиме, подтверждает тезис о том, что ТМН - наиболее вероятный механизм инициирования АЭЭ в СВЧ поле.

Исследования в режиме взрывной эмиссии в СВЧ поле показали:

1. Возбуждение ВЭЭ в СВЧ поле, качественно, происходит аналогично тому, как этот процесс инициируется в статических полях, т.е. в результате взрывного разрушения эмиттера собственным предельным автоэмиссионным током.

2. Основной особенностью ВЭЭ в СВЧ поле высокодобротного резонатора является наличие обратной связи взрывоэмиссионного процесса с полем резонатора, определяемой его расстройкой в процессе генерации катодной плазмы. Расстройка носит индуктивный характер (сдвиг вверх) во всех исследованных режимах, что говорит о том, что плотная «закритическая» (п > п«р) плазма занимает малый объём резонатора, непосредственно примыкающий к поверхности эмиттера. Основной вклад в расстройку вносит внешний ореол разлетающейся в зазоре разреженной докритической плазмы,

3. На эмиттерах, на которых существование жидкой фазы на поверхности затруднено (графит) или для её создания требуется вводить в резонатор значительную мощность (тугоплавкие материалы), генерация пучка высокой энергии осуществляется в виде коротких импульсов (или их пакета). При этом возможная частота повторения импульсов определяется временем распада катодной плазмы после каждого очередного импульса тока ВЭЭ.

4. На легкоплавких и жидкометаллических эмиттерах, в течение всей длительности импульса СВЧ мощности, возможна генерация пучка электронов ВЭЭ высокой энергии, длительность тока которого ограничена, фактически, лишь тепловой устойчивостью конструкции катода в СВЧ поле. На кварцевых капиллярных катодах диаметром Д < 100 мкм, в полях Ео» 5-103 В/см, при токах эмиссии I - 0,1 А, достигнуты длительности импульса тока в миллиметровых зазорах, превышающие 10"3 с.

5. Как в автоэлекгронном, так в во взрывоэмиссионном режимах, энергетические спектры пучков, выходящих из резонатора в пространство дрейфа определяются прол&гными эффектами электронов в зазоре. В режимах устойчивой ВЭЭ, с длительностью импульса тока - 10"4 с, возможна генерация пучка, практически весь ток которого лежит в энергетическом диапазоне Де « Сщ/2, где Еш- максимальная энергия электронов на выходе из резонатора. Качественное подобие энергетических спектров при ВЭЭ и АЭЭ подтверждает вывод о том, что в режимах устойчивой ВЭЭ плотная катодная гошма локализована в непосредственной близости от поверхности эмиттера.

6. При ВЭЭ в СВЧ поле, нараду с электронным пучком, генерируется и поток ионов, энергии которых в (104-105) раз, превосходят значения их максимальной колебательной энергии Бщи = 2е2Ео2/М;<а\ Высокие значения энергии ионов в процессе ВЭЭ определяются их ускорением в области высокого градиента СВЧ поля у поверхности эмиттера.

7. Эксперименты с одновременным воздействием на эмиттер постоянного и СВЧ полей позволяют сделать вывод о существенном влиянии высокочастотного давления СВЧ поля на разлёт катодной плазмы в объёме резонатора. Возникающий квазипотенциальный СВЧ барьер не только препятствует переходу эмиссии к вакуумному пробою, но, как показывают энергетические спектры ионов, определяет значения их минимальной энергии.

8. Обнаружено явление резкой интенсификации ионной эмиссии в СВЧ поле, когда через определённое время задержки, зависящее от уровня входной СВЧ мощности, автоионная эмиссия взрывным образом выходит на новый уровень ионной эмиссии с токами, в 10г -103 раз превышающими предыдущий. Эффект связан со специфическим характером воздействия СВЧ поля на поверхность ЖМ и не воспроизводится в статическом поле, рост ионного тока в котором приводит к пробою. Ёмкостный характер расстройки резонатора, в отличие от режима взрывной электронной эмиссии, где он всегда носит индуктивный характер, а также характер изменения энергетического спектра пучка при ионном взрыве, говорят о том, что в режиме больших токов, значительная часть ионов возникает из капельной фракции.

В импульсных статических полях наносекундного диапазона:

1. Реализована методика бесконтактного наносекундного «зондирования» процесса ВЭЭ во времени, позволившая с точностью ~ 1 не проследить изменение эмиссионных свойств ВЭЭ на разных этапах её развития, используя в качестве параметра наблюдения интенсивность возбуждения процесса, а также реакцию процесса ВЭЭ на предварительное возбуждение поверхности эмиттера импульсным электрическим полем. Показано, что всегда существует оптимальная временная задержка, когда повторный отбор тока ВЭЭ приводит к его максимальному росту. В режиме тока насыщения на первом импульсе, эффект усиления тока связан с увеличением скачка потенциала в катодном слое плазмы ВЭЭ, а в режиме тока, ограниченного ПЗ - динамикой разлёта её эмиссионной границы.

2. Неустойчивости тока ВЭЭ, выражающиеся в мощных наносекундных всплесках, превышающих его средний уровень в 1,5-2 раза, могут возникать как в режимах «тока насыщения», так и на участках роста тока, определяемых законом «3/2» с движущейся эмиссионной границей. Появление первого всплеска носит не случайный, статистический характер, а определяется развитием апериодической неустойчивости в сильном поле на жидкой плёнке расплавившейся поверхности эмиттера. Всплески тока, в режимах его ограничения в диоде пространственным зарядом пучка, связаны с распространения и выходом ва поверхность катодной плазмы ударной волны, возникающей при взрыве микровыступа, формирующегося на расплавленной поверхности катода в процессе ВЭЭ.

3, Выделены неустойчивости тока ВЭЭ, носящие «ступенчатый» характер, когда квазистационарный уровень тока сменяется новым его нарастанием до более высокого уровня. Предложен механизм, позволяющий объяснить ступенчатый характер тока взрывной эмиссии, связанный с нагревом катодной плазмы протекающим эмиссионным током, увеличением кратности ионизации её ионов и, соответственно, увеличению её эмиссионной способности.

4, Применена импульсная методика, позволившая с наносекундным разрешением исследовать кинетику процесса ионной эмиссии, возбуждаемой взрывной эмиссией электронов. Обнаружен самоподдерживающийся характер ионной эмиссии, инициируемой ВЭЭ, когда её функционирование связано не просто с рассасыванием ионного заряда катодной плазмы, предварительно созданной при взрыве, а поддерживается поставкой ионов с поверхности эмиттера. Показано, что наиболее эффективно ионная эмиссия реализуется на материалах, на поверхности которых в процессе эмиссии легко поддерживается жидкая фаза материала эмиттера. На металлических эмиттерах, на которых жидкая фаза поддерживается в виде тонкого поверхностного слоя, возможно получение квазистационарной ионной эмиссии. На эмиттерах, где время существования жидкой фазы на поверхности ограничено (графит), длительность процесса ионной эмиссии определяется временем её застывания.

5. Эксперименты с предварительным возбуждением поверхности жидкометаллических катодов импульсным электрическим полем и анализ динамики развития неустойчивости жидкого металла в таких полях, сравнительный анализ кинетики тока ВЭЭ твердотельных и жидкометаллических эмиттеров и эксперименты по генерации ионных пучков, инициируемых ВЭЭ, показывают, что механизм поддержания процесса ВЭЭ обусловлен образованием жидкой фазы его материала, динамикой её развития и взаимодействия с сильным полем в катодном слое взрывоэмиссионной плазмы.

Исследования ВЭЭ в мшфосе:ундном диапазоне, на тех же графитовых катодах, на которых проводились эксперименты в наносекундных режимахгдали следующие результаты:

1. Обнаружена корреляция между характером свечения в диоде и формой импульсов тока при ВЭЭ, заключающаяся в том, что появление ярких треков на фоне диффузного свечения катодной плазмы связано с быстрыми всплесками тока на фоне его монотонного роста, опреде-

ляемого законом "степени 3/2" с движущейся эмиссионной границей. На основании обнаруженной корреляции предложена модель неустойчивости тока в режиме медленного ввода энергии, когда автоэмиссионная фзза процесса составляет значительную часть его длительности -режим «большой задержки до взрыва». Она основана на том, что в автоэмиссионной фазе процесса происходит отрыв микрочастиц материала катода, их зарядка и ускорение в сильном электрическом поле, а нагрев микрочастиц проходящим в диоде электронным пучком, его взаимодействие с продуктами их испарения приводит к неустойчивости тока, выражающейся в его мощных всплесках.

Цитируемая литература

1. Сборник. Открытия в СССР, 1976 - М: ЦНИИПИ, 1977, с.8-10.

2. Фурсей Г.Н., Воронцов-Вельяминов П.Н. ЖТФ, ¡967, т.37, МО, с.1880.

3. Бугаев СП., ИскольдскийАМ., Месяц ГЛ. Проскуроеский Д.И. ЖГФ, 1967, т.37, Ш2, с.2206.

4. Месяц ГА., Фурсей Г.Н. В кн.: Ненакаливаемые катода. Под ред. М.И. Ехинсона. М.: Сов. Радио. 1974.336с.

5. Месяц ГА. Эктоиы, Екатеринбург, УИФ «Неука», 1993,184 с.; Элтоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М.: Наука. 424 с.

6. G.N. Fursey. IEEE Trans.on Electr. Insul. ¡985, v.El-20, n.4,p.659.

7. Месяц Г.И., Проскуроеский Д.И. Письма вЖЭТФ. 1971, т. 13, MI, с. 7; Баженов СЛ., Ротиапейн В.П. В сб.: Мощные наносещтдные импульсные источники ускоренных электронов. Новосибирск. Наука. ¡974. с. ¡68.

8. ГршштовЯИ. Автореферт диссертации... кт.н., Новосибирск, ¡973.

9. Баз/сенов СМ., Ладыженский ОЛ, Литвинов ЕА., Чесноков СМ. ЖГФ, ¡977, т.47, МО, с. 2086.

¡0. Владимиров В.В., Головинский ПМ. ЖЭТФ, ¡982. т. 82, ЛИ, с. 1464, ЖГФ. ¡987, т.57, М2, с.2386. И.Баскин JIM Автореферат диссертации... д.ф.-м.н., Томск, 1990.

12. Воронин В.С, Захаров СМ., Казанский JIM., Пикуз CA. ПисьмавЖТФ, ¡981 7, ¡224.

13. БааитР.Б, Ратаат H.A.., КабламбаевБА. ЖГФ, ¡980, т. SO, 487; РатахинНА. Автореф. диссертации ... к.ф.-м.н., 1980.

H. Логачев Е.И., Ремнев Г.Е, Усов ЮМ. ПисьмавЖТФ, ¡980, т.6, в. 22, с.1404; ПТЭ, 1983, №2, с. 21. ¡5. Коваль Б А., Проскуроеский Д.И., Трегубое В.Ф., Яикелевич КБ.. ПисьмавЖТФ, ¡979, m.S, е.10, с.603.

16. Ананьев ЛЛ, БаскинЛМ., Борисов ДА., Кантонистов A.A., Г. П. Фурсей РиЭ, ¡983. т. 28, №12, с.2462: Ананьев Л.Л., Богатский ММ., Борисов ДА., Кантонистов A.A., Фурсей Г.Н. ПТЭ, 1983, №5, с. 165.

17. Матюшичев Ю.Ф., КовнацкийАА., Иоффе И.В. ШФ, ¡978, т. 48, с.633. ¡8. УрпинВА., Яковлев Д.Г. ЖГФ, ¡989, т.59, cJ9.

¡9. Wagner A., Veniatesan Т., PetroffPM., andBarrD. J. Vac. Sei. Tedmol. 1981, v. 19, Ш,р.1186; Григорьев А.И., Ширяева С.О. )КТФ. 1992, т.62, №12, с. 9;ЛазарянцА.Э., Григорьев АИ. ЖГФ, 1992, т.62, МЗ, с. 40.

Основные публикации по теме диссертации:

I. Аксёнов М.С., Жуков В.М., Ройфе И.М., Середенко Е.В., Стекольников Б.А., Фурсей Г.Н., Широчин Л.А., Энгелько В.И. Сильноточные микросекундные электронные пучки, формируемые на базе взрывной эмиссии жидких металлов II Радиотехника и электроника, 1978. Т. 23. № 12. С. 2600-2604.

2. Широчин Л.А., Фурсей Г.Н., Баскин Л.М., Борисов ДА., Жуков В.М., Чибуков ЮЛ. 0 возможном механизме неустойчивого токоотбора при взрывной эмиссии // Письма в ЖТФ, 1980. Т. 6. №11. С. 652-655.

3. Фурсей'Г.Н., Широчин Л.А., Лупехин С.М., Жуков В.М. Эффект усиления взрывной эмиссии при кратковременном изменении внешнего поля // Письма в ЖТФ, 1982. Т. 8. № 2 С. 69-72.

4. Фурсей Г.Н., Широчин Л.А.," Чибуков Ю.Я, Баскин Л.М.. Стабильная взрывная эмиссия катодов с ограниченной эмиссионной поверхностью //ЖТФ, 1983. Т. 53. № 4. С. 798-800.

5. Лупехин С.М., Фурсей Г.Н., Поляков М.А., Широчин Л.А, Жуков В.М. Эффект инерционного возбуждения микровыступов на поверхности жидкого металла при взрывной эмиссии // Письма в ЖТФ, 1983. Т. 9. № 17. С. 1078-1080.

6. Андрианов Ю.В., Баздырев В.Н., Борисов Д.А., Дубовой Л.В., Фурсей Г.Н., Широчин Л.А. Взрывная эмиссия в высокочастотном поле // Письма в ЖТФ, 1983. Т. 9. № 21. С. 1324-1327.

7. Андрианов Ю.В., Баздырев В.Н., Борисов ДА, Дубовой Л.В., Фурсей Г.Н., Широчин Л.А. Эффект выпрямления в СВЧ диоде со взрывной эмиссией электронов // ЖТФ, 1984." Т. 54. № 6. С. 1236-1238.

8. Баскин Л.М., Бшлаев A.M., Калабухов В.А, Фурсей Г.Н, Широчин Л.А. Взрывоэмиссион-ный катод в пушке Пирса // V Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: тезисы докладов. Томск, 1984. 4.1. С. 42-44.

9. Широчин Л.А*Поляков М.А., Фурсей Г.Н., Лупехин С.М. Ионные токи, возбуждаемые процессом взрывной электронной эмиссии//Письма в ЖТФ, 1984. Т. 10. №24. С. 1507-1510.

10. Фурсей Г.Н., Лупехин С.М, Поляков М.А., Баскин Л.М., Широчин Л.А. Динамика процесса взрывной эмиссии // ДАН СССР, 1984. Т. 276. № 4. С. 866-869.

11. Поляков М.А., Лупехин С.М., Фурсей Г.Н, Широчин Л.А. Частотные свойства взрывоэмис-сионного катода // VI Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: тезисы докладов. Томск, 1986,4.1, С. 61-63.

12. Баскин Л.М., Кантонистов АА, Радченко И.Н., Фурсей Г.Н., Черных Л.М, Широчин Л.А. Энергетическое распределение электронов на выходе из СВЧ резонаторов с ненакаливаемыми катодами // VI Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: тезисы докладов. Томск, 1986, Ч. 1, С. 82-84.

13. Гришанов Б.И., Широчин Л.А., Фурсей Г.Н., Лупехин С.М., Поляков М.А., Жуков В.М. Высоковольтный генератор управляемых наносекундных импульсов для исследований взрывной электронной эмиссии IIПТЭ, 1986. Т. 4. С. 91-93.

14. Кантонистов А.А., Радченко И.Н., Фурсей Г.Н., Широчин Л.А. Эффект возбуждения и развития взрывной электронной эмиссии в СВЧ поле // Письма в ЖТФ, 1986. Т. 12. № 9. С. 516520.

15. Баскин Л.М., Кантонистов А.А., Радченко И.Н., Черных Л.М., Фурсей Г.Н., Широчин Л.А Пролётные эффекта при автоэлектронной и взрывной эмиссии в быстропеременных электрических полях//ЖТФ, 1987. Т. 57, № 7, С. 1365-1371.

16. Кантонистов А.А., Радченко И.Н., Фурсей Г.Н., Широчин Л.А. Ионные токи при взрывной эмиссии в СВЧ поле // Письма в ЖТФ, 1987. Т. 13. № 16. С. 974-977.

17. Баскин Л.М„ Кантонистов А.А., Фурсей Г.Н., Широчин Л.А.. Особенности взрывной эмиссии жидких металлов в СВЧ-поле // ДАН СССР, 1987, Т. 296. № 6. С. 1352-1356.

18. Поляков М.А., Фурсей Г.Н., Широчин Л.А. О механизме самоподдержания эмиссии ионов, предвозбуждаемой взрывной электронной эмиссией // VII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: тезисы докладов. 4.II. Томск, 1988. С. 272-274.

19. Поляков М.А., Фурсей Г.Н., Широчин Л.А.. Интенсивная эмиссия ионов, инициируемая процессом взрывной электронной эмиссии// ЖТФ, 1988. Т. 58. № 10. С. 1979-1985.

20. Фурсей Г.Н., Мовчан Б.Н., Ершов А.В., Лупехин С.М., Поляков М.А., Широчин Л.А Формирование жидкой фазы и возбуждение капиллярных волн на поверхности графита в процессе взрывной эмиссии электронов // ДАН СССР, 1988. Т. 302. № 3, С. 608-610.

21. Кантонистов АА,, Радченко И.Н., Фурсей Г.Н., Широчин Л.А. Автоэмиссия жидких металлов в СВЧ поле // Письма в Журнал технической физики. 1988. Т. 15, вып.23. С. 1-4.

22. Fursey G.N., Polyakov М.А., Shirochin L.A Self-sustaining high intense ion emission from liquid surface. // In Proc. of XIII International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum Paris 1988, Edited by J.M.Buzzi, A. Septier. V. 1, P. 70-72.

23. Kantonistov A.A., Radchenko I.N., Fursey G.N. and Shirochin L.A. Field emission of liquid metals in alternating fields // Colloque de Physique, 1989. C8, № 11, V. 50, P. 203-207.

24. Shirochin L.A., Kantonistov A.A., Radchenko I.N., Fursey G.N., Movchan B.N. Field electron and field ion emission of liquid metals in a SHF fields // In Proc. of XIV International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 1990, Santa Fe, New Mexico, USA, Edited by R.W. Stinnett, P. 113-116.

25. Баскин Л.М., Широчин Л.А., Кантонистов A.A., Фурсей Г.Н., Радченко И.Н. Полевые эмиссионные процессы на жидкой проводящей поверхности в СВЧ-полях // Радиотехника и электроника, 1991. Т. 36, № 7, С. 1369-1376.

26. Kovalev A.L., Baskin L.M., Fursey G.N., Shirochin L.A. Liquid metal surface under the artificial stimulation of microcapillary waves // In Proc. of XVI International Symposium on Discharges and Electrical Insulations in Vacuum, 1994, Moscow - St. Petersburg, Russia, Proceedings SPIE 2259, P. 483-485.

27. Kovalev AL., Baskin L.M., Fursey G.N., and Shirochin L.A. Microcapillary Wawes on Liquid Electrodes in High Electric Fields // IEEE Trans, on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995. V. 2. №. 2. P. 281-287.

28. Baskin LJvt, Shirochin L.A., Kovalev AX., Fursey G.N. Liquid metal field emitters in problem of space vehicles charging limitation // In Proc. of XVII International Symposium on Discharges and Electrical Insulations in Vacuum, 1996, Berkley, California, USA, V. 2, P. 692-695.

29. Fuisey G.N., Shirochin LA,, and Baskin LM. Field-emission processes from a liquid-metal surface //J. Vac. Sci. Technol., 1997. B 15(2). P. 410-421

30. Shirochin L. A, Fursey G.N. High-power X-ray tube with an «¡plosive emission cathode // In Proc. of XVIII International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 1998. Eindhoven, The Netherlands. P. 672-674.

31. Shirochin L.A., Fursey G.N. Ion Explosive Emission in Microwave Field // In Proc. of International University Conference "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies", 1999, St Petersburg, Russia. Editedby G.G. Sominski. P. 475-478.

32. Fursey G.N., Shirochin L.A. Explosive emission processes in high electric fields // Uzbek Journal of Physics, 2000. V.2. №1. P. 53-61.

33. Fursey G.N., Shirochin L. A., Polyakov M. A., Saveliev A.N. The effect of polishing under ion extraction from explosive plasma // Proc. of IV Intern. Vacuum Electron Sources Conference, 2002. Saratov. Russia. P. 403-404.

34. Fursey G.N., Shirochin L.A, Polyakov M.A., Saveliev A.N. Liquid carbon surface during explosive emission // Appl. Surface. Science, 2003. V. 215, P. 286-290.

Подписано к печати 20.11.2003. Объем 2 печ. л. Тираж 100 экз. Зак. ///

Тип. СПбГУТ, 191186, СПб. наб. р. Мойки, 61

РНБ Русский фонд

2007-4 17965

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора физико-математических наук, Широчин, Леонид Александрович

Введение.

Глава 1. Взрывная эмиссия электронов в статическом поле.

§1.1. Исследование эмиссионных свойств системы «плазма-катод» при ВЭЭ методом «активного» наносекундного зондирования.

1.1.1. Методика зондирования.

1.1.2. Кинетика тока при повторном наложении поля и её связь с режимами процесса.

А. Устойчивый режим.

Б. Неустойчивый режим.

1.1.3. Предварительное возбуждение катода электрическим полем и его связь с кинетикой тока при ВЭЭ.

1.1.4. Неустойчивость жидкой проводящей поверхности в сильном электрическом поле и механизм поддержания ВЭЭ.

§ 1.2. Высокостабильный наносекундный элеюронный пучок большой плотности тока.

1.2.1. Постановка задачи и методика.

1.2.2. Экспериментальные результаты исследования форм токов ВЭЭ.

1.2.3. Обсуждение результатов и выводы.

§ 1.3. Формирование микросекундного электронного пучка при ВЭЭ.

1.3.1. Постановка задачи и методика эксперимента.

1.3.2. Вольтамперные характеристики.

1.3.3. К вопросу о механизме неустойчивости тока ВЭЭ.

1.3.4. Модель неустойчивости тока ВЭЭ в условиях больших времён задержки до взрыва.

1.4. Выводы.

Глава 2. Ионная эмиссия, стимулированная взрывной электронной эмиссией.

§ 2.1. Постановка задачи.

§ 2.2. Методика эксперимента. Особенности измерений импульсных ионных токов.

§ 2.3. Токопрохождение ионов в диоде со взрывоэмиссионным катодом.

§ 2.4. Самоподцержание ионной эмиссии, стимулированной взрывной эмиссией.

2.5. Выводы.

Глава 3. Взрывная электронная эмиссия в СВЧ поле.

§ 3.1. Введение.

§ 3.2. Краткий обзор и постановка задачи.

§ 3.3. Экспериментальная установка и методика эксперимента.

§ 3.4. Особенности и идентификация ВЭЭ в СВЧ поле резонатора.

§ 3.5. Взрывная эмиссия графитовых и тугоплавких эмиттеров в СВЧ поле.

§ 3.6. ВЭЭ жидкометаллических и легкоплавких эмиттеров в СВЧ поле.

§ 3.7. Энергетический спектр электронного пучка на выходе из СВЧ резонатора с ненакаливаемым катодом.

§ 3.8. Ионные токи при ВЭЭ в СВЧ поле.

3.9. Выводы.

Глава 4. Полевая эмиссия электронов с поверхности жидкого металла в СВЧ поле.

§ 4.1. Введение и постановка задачи.

§ 4.2. Автоэмиссия с поверхности жидких металлов в СВЧ поле.

Экспериментальные результаты.

§ 4.3. Параметрическая неустойчивость жидкой проводящей поверхности в СВЧ поле.

§ 4.4. Экспериментальное исследование механизма возбуждения полевой эмиссии в высокочастотном поле.

§ 4.5. Термокапиллярная модуляционная неустойчивость (ТМН) и полевая эмиссия в СВЧ поле.

§ 4.6. Исследование микроструктуры, формирующейся на поверхности жидкометаллического полевого эмиттера в СВЧ поле.

4.7. Выводы.

Глава 5. Автоионная и взрывная эмиссия ионов в СВЧ поле.

§5.1. Введение.

§ 5.2. Полевая ионная (автоионная) эмиссия в СВЧ поле.

§ 5.3. Взрывная эмиссия ионов в СВЧ поле.

5.4. Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Жидкая проводящая поверхность в сильных электрических полях и взрывные эмиссионные процессы"

Применение растровой электронной микроскопии и наносекундной техники, теоретические работы по исследованию стабильности жидкой проводящей поверхности в сильных полях, привели к качественно новому пониманию значимости её динамики в механизмах поддержания вакуумного пробоя, разряда и вакуумной дуги - процессов, играющих важнейшую роль в общей проблеме электрической прочности. В последние годы стало очевидным, что взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ) - один из основных механизмов, лежащий в основе этих явлений. Как самостоятельный вид эмиссии ВЭЭ выделена недавно [0-1], и до сих не имеет окончательной физической интерпретации. Экспериментальный факт состоит в том, что интенсивная эмиссия электронов возникает в результате взрывного перехода локальных микроскопических участков катода в плотную плазму при их перегрузке собственным автоэмиссионным током. Интенсивность процесса ВЭЭ на порядки превосходит интенсивность наиболее эффективных термокатодов. Этот факт стал основой того, что на базе ВЭЭ возникло новое научно-техническое направление, связанное с получением мощных электронных пучков - сильноточная эмиссионная электроника. Недавно продемонстрировано ещё одно важное приложение ВЭЭ - она, как инициирующий процесс, может использоваться в технике генерации сильноточных ионных пучков, в т.ч. и ионрв тяжёлых элементов.

10 б

Несмотря на кратковременность единичного акта эмиссии (1(ГМ(Г с), процесс генерации электронов квазистационарен, вследствие постоянной регенерации эмиттирующих центров. Можно считать установленным, что ВЭЭ поддерживается за счёт непрерывной регенерации и взрывов микроскопических центров на поверхности катода, на которых локализуется электрическое поле и выделение энергии [Ф-9, Б-37]. Автоэлектронная эмиссия - один из наиболее вероятных и естественных процессов локализации энерговыделения в условиях сильных полей, характерных для ВЭЭ и вакуумного пробоя.

В книге [Н-1, стр. 277] соавторы открытия ВЭЭ изложили основы представлений о механизме этого явления, подчеркнув, что «за времена порядка нескольких наносекунд на поверхности расплавленного металла взорванного острия успевает сформироваться и частично разрушиться целый ряд субмикроскопических микровыступов», а формирующаяся при взрыве плотная катодная плазма поддерживает поле на поверхности катода, достаточное для выхода электронов эмиссии в результате АЭЭ.

Образование таких микроструктур может быть связано как с действием большого газокинетического давления плазменного сгустка, сформировавшегося при взрыве и вытесняющего расплав на периферию с образованием кратеров, на краях которых часть жидкого металла вытягивается в виде струй [М-13], так и с вытягиванием микроострий электрическим полем двойного слоя катодной плазмы из расплавленной при первичном акте ВЭЭ поверхности эмиттера [f-2]. По-видимому, оба эти механизма имеют место на различных этапах эволюции поверхности катода. Вместе с тем, единственными методом наблюдения процессов регенерации микроструктуры на поверхности катода при ВЭЭ, по крайней мере, в наносекундных режимах, является регистрация сохранившихся после взрыва следов на катоде. Все эти наблюдения фиксируют на поверхности эмиттера наличие жидкой фазы его материала, поэтому её роль в механизмах поддержании процесса ВЭЭ требовала дальнейшего экспериментального изучения и теоретического анализа. 9

Особый интерес представляют исследования полевых эмиссионных процессов в СВЧ полях. Это связано с возможностью создания эффективных электронных и ионных источников, размещаемых непосредственно в поле СВЧ резонатора. Если в статических полях взрывоэмиссионные процессы достаточно хорошо изучены и, во многих режимах, предсказуемы, то в СВЧ полях такие исследования только начинаются. В то же время, особенности взаимодействия жидкой проводящей поверхности с ВЧ и СВЧ полями предсказывают возможность создания относительно низковольтных вакуумных СВЧ приборов, что принципиально важно для перспектив их использования, в т.ч. и в вакуумной микроэлектронике. Поэтому механизмы инициирования и поддержания автоэлектронной, автоионной и взрывной электронной эмиссии в этих условиях требуют интенсивных экспериментальных и теоретических исследований, тем более что они могут стимулировать новые приложения.

Цель работы: комплексное исследование полевых (автоэлектронных, автоионных и взрывных) эмиссионных процессов на твердотельных и жидко-металлических поверхностях в статических и СВЧ полях, выявление их взаимосвязи друг с другом, а также особенностей инициирования и поддержания этих процессов на поверхности материалов, находящихся в различных фазовых состояниях, построение и проверка существующих физических моделей, определяющих возможности практического использования полевых эмиттеров в различных электрофизических устройствах. В рамках этой общей цели решались следующие конкретные задачи:

1. Разработка методики и создание экспериментальной установки, позволяющей с наносекундным разрешением исследовать кинетику токов ВЭЭ в различных режимах её инициирования и поддержания. Методика должна обеспечить проведение адекватного сравнительного анализа результатов на эмиттерах из разных материалов, с различными физическими параметрами - твердотельных и жидких, тугоплавких и легкоплавких.

2. Исследование неустойчивых режимов ВЭЭ в наносекундном и микросекундном диапазонах длительностей импульсов на одинаковых и идентичных като дах, с целью уточнения механизмов, определяющих устойчивые и неустойчивые режимы эмиссии.

3. Разработка методики и экспериментальное исследование особенностей генераций ионных потоков, инициируемых процессом ВЭЭ в импульсных статических полях.

5. Исследование энергетических характеристик электронных пучков при ВЭЭ в СВЧ поле высокодобротного резонатора.

6. Исследование возможностей генерации и характеристик ионных пучков при возбуждении ВЭЭ в СВЧ поле.

7. Изучение новых возможностей применения взрывоэмиссионных источников электронов в устройствах со статическими и СВЧ полями.

Экспериментальные исследования проводились с использованием как стандартного оборудования, так и специально разработанных установок. Для исследований в статических полях, была разработана методика и создана установка, позволяющая исследовать процессы инициирования и поддержания ВЭЭ в режиме имиульсов напряжения произвольной полярности, с независимой плавной регулировкой амплитуды и длительности каждого, и с регулируемой, с наносекундной точностью, задержкой между импульсами. Как в статических, гак и в СВЧ полях, использовались высоковакуумные камеры, представлявшие собой модифицированные проекторы Мюллера, что позволяло проводить измерения па одних и тех же объектах в широком диапазоне токов, как в автоэлектронных (автоионных), так и во взрывных режимах, с наблюдением соответствующих изображений поверхности эмиттера на люминесцентном экране - коллекторе пучка. Для исследований в СВЧ полях использовалась высоковакуум-пая камера, модифицированный проектор Мюллера, в которую был вмонтирован высокодобротный резонатор. (В камере был предусмотрен высокотемпературный прогрев эмиттеров, возможность наложения импульсных магнитных и статических электрических полей. В качестве объектов исследований использовались эмиттеры с искусственно ограниченной эмиссионной поверхностью из различных металлов и сплавов, в т.ч. и жидкометаллические. Для изучения структурных особенностей поверхности эмиттеров до и после воздействий различных полей, использовалась растровая электронная микроскопия высокого разрешения.

Научная новизна представленного цикла исследований состоит в разработке оригинальных методик и получении ряда новых экспериментальных ре

• зультатов, позволяющих обосновать модели инициирования и поддержания полевых эмиссионных процессов в статических и СВЧ нолях, оценить их роль в механизмах поддержания взрывных эмиссионных процессов. Комплексное исследование процессов автоэлсктронной, автоионной и взрывной эмиссии на жидкой проводящей поверхности в СВЧ поле выполнено впервые.

Выносимые на защиту результаты работы состоят в следующем:

1. Впервые проведено исследование механизмов инициирования и поддержания полевых процессов - автоэлектронной, автоионной и взрывной элек

• тронной эмиссии - на жидкой проводящей поверхности в СВЧ и ВЧ полях. Показано, что в СВЧ диапазоне, на поверхности проводящей жидкости формируется микрорельеф с коэффициентом усиления внешнего поля, достаточным для одновременной (па соответствующем полупериоде поля) генерации не только автоэлектронного, но и автоиоппого пучка. Экспериментально обоснованы механизмы инициирования и поддержания полевых эмиссионных процессов на жидкой проводящей поверхности в СВЧ и ВЧ полях.

2. Установлено, что ВЭЭ в СВЧ поле высокодобротного резонатора характеризуется возникновением отрицательной обратной связи взрывоэмисси-онпого процесса с полем резонатора, связанной с его индуктивной расстройкой внешним ореолом разлетающейся в зазоре докритической (n < nkp) катодной плазмы. На легкоплавких и жидкометаллических эмиттерах возможна генера

• ция пучка электронов, энергетический спектр которых на выходе из резонатора определяется пролётными эффектами в его зазоре и лежит в диапазоне (0,5-l,0)sm, где ет- максимальная энергия электронов на выходе из резонатора, а длительность импульса тока ограничена лишь тепловой устойчивостью конструкции катода в СВЧ поле.

4. Обнаружено явление резкой интенсификации ионной эмиссии в СВЧ поле, когда через определённое время задержки, зависящее от уровня входной СВЧ мощности, автоионная эмиссия взрывным образом выходит на новый уровень ионной эмиссии стоками, в 102- 103 раз превышающими предыдущий.

5. С помощью последовательности двух независимо регулируемых нано-секундных импульсов напряжения произвольной полярности, амплитуды, длительности и задержки между импульсами, реализована методика бесконтактного «зондирования» процесса ВЭЭ, использующая в качестве параметра наблюдения интенсивность возбуждения и реакцию процесса ВЭЭ на предварительное возбуждение поверхности эмиттера импульсным электрическим полем. Показано, что всегда существует оптимальная временная задержка, когда повторный отбор тока ВЭЭ приводиг к его максимальному росту, причём, в режиме тока насыщения на первом импульсе, эффект усиления тока связан с увеличением скачка потенциала в катодном слое плазмы ВЭЭ, а в режиме тока ВЭЭ, ограниченного ПЗ-динамикой разлёта её эмиссионной границы.

6. Обнаружен самоподдерживающийся характер ионной эмиссии, инициируемой ВЭЭ, когда ее функционирование связано не просто с расходованием ионного заряда катодной плазмы, предварительно созданной при взрыве, а эффективно поддерживается поставкой ионов с поверхности эмиттера. Исследованы эмиссионные характеристики процесса.

7. Исследованы режимы неустойчивых токов ВЭЭ. Предложены модели этих неустойчивостей, связанные как с нагревом катодной плазмы эмиссионным током высокой плотности, увеличением кратности её ионизации и соответствующим увеличением эмиссионной способности, так и с распространением в ней ударных волн, возникающих при взрыве микровыступов, формирующихся при развитии апериодической неустойчивости на жидкой плёнке расплавившейся поверхности эмиттера.

8. Эксперименты с предварительным возбуждением поверхности жидко-металлических катодов импульсным электрическим полем, анализ динамики развития неустойчивости жидкого металла в таких полях, сравнительный анализ кинетики тока ВЭЭ твердотельных и жидкометаллических эмиттеров и эксперименты по генерации ионных пучков, инициируемых ВЭЭ, показывают, что механизм поддержания процесса ВЭЭ обусловлен образованием жидкой фазы его материала, динамикой её развития и взаимодействия с сильным полем в катодном слое взрывоэмиссионной плазмы. Практическая ценность работы:

1. Результаты исследований ВЭЭ в СВЧ поле могут быть использованы при разработке мощных вакуумных приборов сверхвысоких частот как с электростатическим управлением, так и с модуляцией эмиссии, т.е. в приборах, в которых эмиттер расположен непосредственно в поле СВЧ резонатора.

2. Результаты исследований автоэлектронной и автоионной эмиссии на жидко-металлических и легкоплавких эмиттерах могут быть использованы для разработки устройств вакуумной микроэлектроники, работающих в СВЧ полях.

5. Испытаны: макеты импульсного рентгеновского источника мощного мягкого рентгеновского излучения с трубками прострельного типа на основе взрыво-эмиссионных катодов; СВЧ пушка со взрывоэмиссионным катодом, расположенным непосредственно в СВЧ резонаторе, с магнитной фокусировкой пучка; многоострийный взрывоэмиссионный катод в пушке Пирса сферического типа с электростатической фокусировкой пучка.

ХШ (Париж, Франция, 1988), XIV (Санта Фе, США, 1990), XV (Дарм-штадт, Германия, 1992), XVI (Москва, 1994), XVII (Беркли, США, 1996), XV111 (Эйндховен, Голландия, 1998), XX (Париж, Франция, 2002) -Международный симпозиум по разрядам и электрической изоляции в вакууме;

IX (С. Петербург, 1996), XI (Эшвилл, США, 1998), XIII (Гуанчжоу, Китай, 2000) - Международная конференция по вакуумной микроэлектронике;

II (Вроцлав, Польша, 1999) - Международный симпозиум по вакуумной микроэлектронике;

XXXXII (Висконсин, США, 1995) - Международный симпозиум по полевой эмиссии;

II (Томск, 1980) - Всесоюзный симпозиум по ненакаливаемым катодам;

XVI (Махачкала, 1976), XVIII (Москва, 1981), XX (Киев, 1987) - Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике;

XIV (Гренобль, Франция, 1979), XV (Минск, 1981) -Международная конференция по явлениям в ионизованных газах;

VI (Ленинград, 1983), VII (Ташкент, 1987) - Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы;

V (Томск, 1984), VI (Томск, 1986), VII (Томск, 1988), VIII (Свердловск, 1990) - Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике;

IV (Саратов, 2002) - Международная конференция по вакуумным источникам электронов;

VI (Петербург, 2003) - Международный семинар «Фуллерены и Атомные кластеры».

Публикации. Основные материалы исследований, представленных в диссертации, изложены в 56 работах, опубликованных в реферируемых научных журналах, а также в сборниках тезисов докладов научных конференций. Список основных публикаций по теме работы приведён в конце диссертации.

Заключение диссертации по теме "Физическая электроника"

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. М.С. Аксёнов, В.М. Жуков, И.М. Ройфе, Е.В. Середенко, Б.А. Стекольников, Г.Н. Фурсей, Л.А. Широчин, В.И. Энгелько. Сильноточные микросекундные электронные пучки, формируемые на базе взрывной эмиссии жидких металлов. // Радиотехника и Электроника, 1978. т. 23, № 12, с. 2600-2604.

2. Л.А. Широчин, Г.Н. Фурсей, Л.М. Баскин, Д.А. Борисов, В.М. Жуков, Ю.Я. Чибуков. 0 возможном механизме неустойчивого токоотбора при взрывной эмиссии. // Письма в ЖТФ, 1980. т. 6, № 11, с. 652-655.

3. Г.Н. Фурсей, Л.А. Широчин, С.М Лупехин., В.М. Жуков. Эффект усиления взрывной эмиссии при кратковременном изменении внешнего поля. // Письма в ЖТФ, 1982, т. 8, № 2, с. 69-72.

4. Г.Н. Фурсей, Л.А. Широчин, Ю.Я. Чибуков, Л.М. Баскин. Стабильная взрывная эмиссия катодов с ограниченной эмиссионной поверхностью. // ЖТФ, 1983, т. 53, № 4, с. 798-800.

5. С.М. Лупехин, Г.Н. Фурсей, М.А. Поляков, Л.А. Широчин, В.М. Жуков. Эффект инерционного возбуждения микровыступов на поверхности жидкого металла при взрывной эмиссии. // Письма в ЖТФ, 1983. т. 9, № 17, с. 1078-1080.

6. Ю.В. Андрианов, В.Н. Баздырев, Д.А. Борисов, Л.В. Дубовой, Г.Н. Фурсей, Л.А. Широчин. Взрывная эмиссия в высокочастотном поле. // Письма в ЖТФ,

1983, т. 9, №21, с. 1324-1327.

7. Ю.В. Андрианов, В.Н. Баздырев, Д.А. Борисов, Л.В. Дубовой, Г.Н. Фурсей, Л.А. Широчин. Эффект выпрямления в СВЧ диоде со взрывной эмиссией электронов. // ЖТФ, 1984, т. 54, № 6, с. 1236-1238.

8. Л.М. Баскин, A.M. Бишаев, В.А. Калабухов, Г.Н Фурсей., Л.А. Широчин Взрывоэмиссионный катод в пушке Пирса. // В сб.: V Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. Томск, 1984. Ч. 1, Стр. 42-44.

9. Л.А. Широчин, М.А. Поляков, Г.Н. Фурсей, С.М. Лупехин. Ионные токи, возбуждаемые процессом взрывной электронной эмиссии. // Письма в ЖТФ,

1984, т. 10, №24, с. 1507-1510.

10. Г.Н. Фурсей, С.М. Лупехин, М.А. Поляков, J1.M. Баскин, J1.A. Широчин. Динамика процесса взрывной эмиссии. // ДАН СССР, 1984, т. 276, № 4, с. 866869.

И. М.А. Поляков, С.М. Лупехин, Г.Н. Фурсей, Л.А Широчин. Частотные свойства взрывоэмиссионного катода. // В сб.: VI Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. Томск, 1986, ч. 1, с. 61-63.

12. Л.М. Баскин, А.А Кантонистов, И.Н. Радченко, Г.Н. Фурсей, Л.М Черных, Л.А Широчин. Энергетическое распределение электронов на выходе из СВЧ резонаторов с ненакаливаемыми катодами. // В сб.: VI Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. Томск, 1986, ч. 1, с. 82-84.

13. Б.И. Гришанов, Л.А. Широчин, Г.Н. Фурсей, С.М. Лупехин, М.А. Поляков, В.М. Жуков. Высоковольтный генератор управляемых наносекундных импульсов для исследований взрывной электронной эмиссии. // ПТЭ. 1986, т. 4, с. 91-93.

14. А.А. Кантонистов, И.Н. Радченко, Г.Н. Фурсей, Л.А. Широчин. Эффект возбуждения и развития взрывной электронной эмиссии в СВЧ поле. // Письма в ЖТФ, 1986, т. 12, № 9, с. 516-520.

15. Л.М. Баскин, А.А. Кантонистов, И.Н. Радченко, Л.М. Черных, Г.Н. Фурсей, Л.А. Широчин. Пролетные эффекты при автоэлектронной и взрывной эмиссии в быстропеременных электрических полях. // ЖТФ, 1987, т. 57, № 7, с. 13651371.

16. А.А. Кантонистов, И.Н. Радченко, Фурсей, Л.А., Широчин. Ионные токи при взрывной эмиссии в СВЧ поле. // Письма в ЖТФ, 1987, т. 13, № 16, с. 974977.

17. Л.М. Баскин, А.А. Кантонистов, Г.Н. Фурсей, Л.А. Широчин. Особенности взрывной эмиссии жидких металлов в СВЧ-поле. // ДАН СССР, 1987, т. 296, №6, с. 1352-1356.

18. М.А. Поляков, Г.Н. Фурсей, Л.А. Широчин. О механизме самоподдержания эмиссии ионов, предвозбуждаемой взрывной электронной эмиссией. // В сб.: VII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов, ч. II, Томск, 1988, стр. 272-274.

19. М.А. Поляков, Г.Н. Фурсей, JI.A. Широчин. Интенсивная эмиссия ионов, инициируемая процессом взрывной электронной эмиссии. // ЖТФ, 1988, т. 58, № 10, с. 1979-1985.

20. Г.Н. Фурсей, Б.Н. Мовчан, А.В. Ершов, С.М. Лупехин, М.А. Поляков, Л.А. Широчин. Формирование жидкой фазы и возбуждение капиллярных волн на поверхности графита в процессе взрывной эмиссии электронов. // ДАН СССР, 1988, т. 302, № 3, с. 608-610.

21. Контонистов А.А., Радченко И.Н., Фурсей Г.Н., Широчин Л.А. Автоэмиссия жидких металлов в СВЧ поле.// Письма в Журнал технической физики. 1988, Т. 15, Вып.23, Стр. 1-4.

22. Fursey G.N., Polyakov М.А., Shirochin L.A. Self-sustaining high intense ion emission from liquid surface. // In Proc. of XIII International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum Paris 1988, Edited by J.M.Buzzi, A.Septier. v. 1, p. 70-72.

23. A.A. Kantonistov, I.N. Radchenko, G.N. Fursey and L.A. Shirochin. Field emission of liquid metals in alternating fields. // Colloque de Physique, 1989, C8, n. 11, v. 50, p. 203-207.

24. Shirochin L.A., Kantonistov A.A., Radchenko I.N., Fursey G.N., Movchan B.N. Field electron and field ion emission of liquid metals in a SHF fields. // In Proc. of XIV International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 1990, Santa Fe, New Mexico, USA, Edited by R.W.Stinnett, p. 113-116.

25. Л.М. Баскин, Л.А. Широчин, А.А. Кантонистов, Г.Н. Фурсей, И.Н. Радченко. Полевые эмиссионные процессы на жидкой проводящей поверхности в СВЧ-полях. // Радиотехника и Электроника, 1991, т. 36, № 7, с. 1369-1376.

26. A. L. Kovalev, L. М. Baskin, G. N. Fursey, L. A. Shirochin. Liquid metal surface under the artificial stimulation of microcapillary waves. // In Proc. of XVI International Symposium on Discharges and Electrical Insulations in Vacuum, 1994, Moscow - St. Petersburg, Russia, Proceedings SPIE 2259, pp. 483-485.

27. A.L. Kovalev, L.M. Baskin, G.N. Fursey and L.A. Shirochin. Microcapillary Wawes on Liquid Electrodes in High Electric Fields. // IEEE Trans, on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995, v. 2, n. 2, p. 281-287.

28. L. M. Baskin, L. A. Shirochin, A. L. Kovalev, G. N. Fursey. Liquid metal field emitters in problem of space vehicles charging limitation. // In Proc. of XVII International Symposium on Discharges and Electrical Insulations in Vacuum, 1996, Berkley, California, USA, Vol. 2, p. 692-695.

29. G. N. Fursey, L. A. Shirochin, and L. M. Baskin. Field-emission processes from a liquid-metal surface. //J. Vac. Sci. Technol., 1997, В 15(2), pp. 410-421

30. L.A. Shirochin, G.N. Fursey. High-power X-ray tube with an explosive emission cathode. // In Proc. of XVIII International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 1998, Eindhoven, The Netherlands, p. 672-674.

31. L.A. Shirochin, G.N. Fursey. Ion Explosive Emission in Microwave Field. // In Proc. of International University Conference "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies", 1999, St. Petersburg, Russia, Edited by G.G. Sominski, p. 475478.

32. G.N. Fursey, L.A. Shirochin. Explosive emission processes in high electric fields. // Uzbek Journal of Physics, 2000, v. 2, n.l, p. 53-61.

33. G.N. Fursey, M.A. Polyakov, L.A. Shirochin, A.N. Saveliev. The effect of polishing under ion extraction from explosive plasma. // Proc. of IV Intem.Vacuum Electron Sources Conference, 2002, Saratov, Russia, p. 403-404.

34. G.N. Fursey, M.A. Polyakov, L.A. Shirochin, A.N. Saveliev. Liquid carbon surface during explosive emission. //Appl. Surface Science, 2003, v. 215, 1-4, p. 286-290.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено исследование полевых эмиссионных процессов в импульсных статических полях наносекундного и микросекундного диапазонов и в СВЧ поле сантиметрового диапазона. Эксперименты выполнены на эмиттерах идентичных или одинаковых конструкций с макроскопически ограниченной эмиссионной поверхностью из различных материалов, что позволяет провести сравнительный анализ результатов в широком диапазоне параметров внешних полей.

Комплексное исследование процессов автоэлектронной, автоионной и взрывной эмиссии на жидкой проводящей поверхности в СВЧ поле выполнено впервые.

Исследования автоэлектронной эмиссии в СВЧ поле дали следующие результаты:

2. Показано, что на жидкой проводящей поверхности в СВЧ поле формируются микроструктуры с коэффициентом усиления внешнего поля, достаточным для одновременной (на соответствующем полупериоде поля) генерации не только автоэлектронного, но и автоинного пучка.

3. Проанализированы механизмы, способные обеспечить на поверхности ЖМ в СВЧ и ВЧ полях формирование микроструктур с высоким коэффициентом усиления поля. Экспериментально установлено, что в СВЧ диапазоне, формирование микрорельефа с высоким коэффициентом усиления поля происходит в результате развития термокапиллярной модуляционной неустойчивости (ТМН), когда на изначально малой по амплитуде поверхностной волне происходит модуляция поглощаемой СВЧ мощности, что приводит к модуляции температуры поверхности, т.е. вместе с поверхностной, распространяется и тепловая волна. В силу конечной теплопроводности, последняя отстает от поверхностного возмущения, а т.к. поверхностное натяжение зависит от температуры, на поверхности ЖМ возникают области, в которых касательные поверхностные силы увеличивают амплитуду поверхностного возмущения.

4. В ВЧ диапазоне (f < 10 МГц), когда высокочастотный нагрев поверхности несущественен, основным механизмом возбуждения жидкой проводящей поверхности является параметрический резонанс (ПР), когда развитие неустойчивости происходит в силу параметрической резонансной раскачки амплитуды тех поверхностных колебаний, частота которых близка к частоте внешнего возбуждающего поля.

5. Показано, что в условиях обоих механизмов воздействия на жидкую проводящую поверхность (ПР и ТМН), эффективная разность потенциалов в волне, при которой возбуждается полевая эмиссия в переменном поле, значительно меньше (в СВЧ поле более чем на порядок величины) напряжения возбуждения эмиссии в статическом поле.

6. Для катодов из жидких и легкоплавких материалов в координатах Фаулера-Нордгейма получены линейные ваттамперные характеристики токов АЭЭ при полях в зазоре резонатора Е < 104 В/см. Показано, что длительность устойчивой фазы АЭЭ ограничена устойчивостью элементов конструкции эмиттера в СВЧ поле. На острийных эмиттерах (медные керны радиусом закругления гк = 10+30 мкм) с микронными слоями легкоплавких материалов получены токи I ~ 10° А при длительности импульса т ~ 10"4 с.

7. Экспериментально показано, что на эмиттерах с тонкой плёнкой легкоплавкого вещества на массивной подложке, в поле СВЧ малой мощности, возможно сохранение поверхностной микроструктуры после отбора тока АЭЭ. Анализ РЭМ-изображений характерных геометрических параметров микроструктур, сохраняющихся в таком режиме, подтверждает тезис о том, что ТМН - наиболее вероятный механизм инициирования АЭЭ в СВЧ поле.

Исследования в режиме взрывной эмиссии в СВЧ поле показали:

2. Основной особенностью ВЭЭ в СВЧ поле высокодобротного резонатора является наличие обратной связи взрывоэмиссионного процесса с полем резонатора, определяемой его расстройкой в процессе генерации катодной плазмы. Расстройка носит индуктивный характер (сдвиг вверх) во всех исследованных режимах, что говорит о том, что плотная «закритическая» (п > п,ф) плазма занимает малый объём резонатора, непосредственно примыкающий к поверхности эмиттера. Основной вклад в расстройку вносит внешний ореол разлетающейся в зазоре разреженной докритической плазмы.

4. На легкоплавких и жидкометаллических эмиттерах, в течение всей длительности импульса СВЧ мощности, возможна генерация пучка электронов ВЭЭ высокой энергии, длительность тока которого ограничена, фактически, лишь тепловой устойчивостью конструкции катода в СВЧ поле. На кварцевых капиллярных катодах диаметром Д < 100 мкм, в полях Е0 ~ 5-103 В/см, при токах эмиссии I ~ 0,1 А, достигнуты длительности импульса тока в миллиметровых зазорах, превышающие 10*3 с.

5. Как в автоэлектронном, так и во взрывоэмиссионном режимах, при устранении ВЭР, энергетические спектры пучков, выходящих из резонатора в пространство дрейфа, имеют сложный, немонотонный характер, определяемый пролётными эффектами электронов в зазоре. В режимах устойчивой ВЭЭ, с длительностью импульса тока ~ 10"4 с, возможна генерация пучка, практически весь ток которого лежит в энергетическом диапазоне Дс « zJ2, где Сд, -максимальная энергия электронов на выходе из резонатора. Качественное подобие энергетических спектров при ВЭЭ и АЭЭ подтверждает вывод о том, что в режимах устойчивой ВЭЭ, плотная катодная плазма локализована в непосредственной близости от поверхности эмиттера.

6. При ВЭЭ в СВЧ поле, наряду с электронным пучком, генерируется и поток ионов, энергии которых в (104-105) раз, превосходят значения их максимальной колебательной энергии e^ = 2e2E02/Mifo2. Высокие значения энергии ионов в процессе ВЭЭ определяются их ускорением в области высокого градиента СВЧ поля у поверхности эмиттера.

8. Обнаружено явление резкой интенсификации ионной эмиссии в СВЧ поле, когда через определённое время задержки, зависящее от уровня входной СВЧ мощности, автоионная эмиссия взрывным образом выходит на новый уровень ионной эмиссии с токами, в 102- 103 раз превышающими предыдущий. Показано, что эффект связан со специфическим характером воздействия СВЧ поля на поверхность ЖМ и не воспроизводится в статическом поле, рост ионного тока в котором приводит к пробою. Ёмкостный характер расстройки резонатора, в отличие от режима взрывной электронной эмиссии, где он всегда носит индуктивный характер, а также характер изменения энергетического спектра пучка при ионном взрыве, говорят о том, что в режиме больших токов, значительная часть ионов возникает из капельной фракции.

В импульсных статических полях наносекундного диапазона:

1. Реализована методика бесконтактного наносекундного «зондирования» процесса ВЭЭ во времени, позволившая с точностью ~ 1 не проследить изменение эмиссионных свойств ВЭЭ на разных этапах ее развития, используя в качестве параметра наблюдения интенсивность возбуждения процесса, а также реакцию процесса ВЭЭ на предварительное возбуждение поверхности эмиттера импульсным электрическим полем. Показано, что всегда существует оптимальная временная задержка, когда повторный отбор тока ВЭЭ приводит к его максимальному росту. В режиме тока насыщения на первом импульсе, эффект усиления тока связан с увеличением скачка потенциала в катодном слое плазмы ВЭЭ, а в режиме тока, ограниченного ПЗ - динамикой разлёта её эмиссионной границы.

2. Показано, что неустойчивости тока ВЭЭ, выражающиеся в мощных наносекундных всплесках, превышающих его средний уровень в 1,5-2 раза, могут возникать как в режимах «тока насыщения», так и на участках роста тока, определяемых законом «3/2» с движущейся эмиссионной границей. Появление первого всплеска носит не случайный, статистический характер, а определяется развитием апериодической неустойчивости в сильном поле на жидкой плёнке расплавившейся поверхности эмиттера. Всплески тока, в режимах его ограничения в диоде пространственным зарядом пучка, связаны с распространения и выходом на поверхность катодной плазмы ударной волны, возникающей при взрыве микровыступа, формирующегося на расплавленной поверхности катода в процессе ВЭЭ.

3. Выделены неустойчивости тока ВЭЭ, носящие «ступенчатый» характер, когда квазистационарный уровень тока сменяется новым его нарастанием до более высокого уровня. Предложен механизм, позволяющий объяснить ступенчатый характер тока взрывной эмиссии, связанный с нагревом катодной плазмы протекающим эмиссионным током, приводящим к увеличения кратности ионизации её ионов, повышению концентрации электронов и, соответственно, увеличению её эмиссионной способности.

4. Применена импульсная методика, позволившая с наносекундным разрешением исследовать кинетику процесса ионной эмиссии, возбуждаемой взрывной эмиссией электронов.

5. Обнаружен самоподдерживающийся характер ионной эмиссии, инициируемой ВЭЭ, т.е. ее функционирование связано не просто с рассасыванием ионного заряда катодной плазмы, предварительно созданной при взрыве, а эффективно поддерживается поставкой ионов с поверхности эмиттера. Показано, что наиболее эффективно ионная эмиссия поддерживается на материалах, на поверхности которых в процессе эмиссии легко поддерживается жидкая фаза материала эмиттера. На металлических эмиттерах, на которых жидкая фаза поддерживается в виде тонкого поверхностного слоя, возможно получение квазистационарной ионной эмиссии. На эмиттерах, где время существования жидкой фазы на поверхности ограничено (графитовых), длительность процесса ионной эмиссии определяется временем её застывания.

6. Эксперименты с предварительным возбуждением поверхности жидкометаллических катодов импульсным электрическим полем и анализ динамики развития неустойчивости жидкого металла в таких полях, сравнительный анализ кинетики тока ВЭЭ твердотельных и жидкометаллических эмиттеров и эксперименты по генерации ионных пучков, инициируемых ВЭЭ показывают, что механизм поддержания процесса ВЭЭ обусловлен образованием жидкой фазы материала эмиттера на его поверхности, динамикой её развития и взаимодействия с сильным полем в катодном слое взрывоэмиссионной плазмы.

Результаты исследований ВЭЭ в микросекундном диапазоне, на тех же графитовых катодах, на которых проводились эксперименты в наносекундных режимах, дали следующие результаты:

2. На основании обнаруженной корреляции предложена модель неустойчивости тока в режиме медленного ввода энергии, когда автоэмиссионная фаза процесса составляет значительную часть его длительности - режим «большой задержки до взрыва». Она основана на том, что в автоэмиссионной фазе процесса происходит отрыв микрочастиц материала катода, их зарядка и ускорение в сильном электрическом поле, а нагрев микрочастиц проходящим в диоде электронным пучком, его взаимодействие с продуктами их испарения приводит к неустойчивости тока, выражающейся в его мощных всплесках. * *

В заключение, выражаю глубокую благодарность профессору Георгию Николаевичу Фурсею, моему учителю и научному руководителю, под началом которого я 27 лет назад начинал работу над кандидатской диссертацией, руководством и советами которого я широко пользовался на протяжении всего этого времени.

Выражаю особую благодарность профессору JI.M. Баскину - моему другу, коллеге и соавтору, работы которого, а также многочисленные консультации и советы, помогли выполнению настоящей работы.

Считаю своим долгом выразить признательность всем своим товарищам и коллегам по работе, соавторам моих работ, оказавших большую помощь в выполнении исследований и их подготовке - А.А. Контонистову, М.А. Полякову и ушедшему от нас В.В. Бондаренко.

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Широчин, Леонид Александрович, Санкт-Петербург

1. Эффект устранения ионной бомбардировки автоэмиссионного катода. // РЭ. 1983. Т.28. №12. С.2462-2464. А-12. Ананьев JI.JI., Богатский М.М., Борисов Д.А., Кантонистов, Г.Н. Фурсей.

2. А-14. Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки. М. Сов. Радио. 1966. 456 с.

3. А-15. Абдуллин Э.Н., Баженов Г.П., Чесноков С.М. Принципы получениямикросекундных электронных пучков на основе взрывной эмиссии. //Тезисы докл. Всесоюзного симп. по ненакаливаемым катодам. Томск. ИФА СО АН СССР. 1977. с. 15-16.

4. Б-1. Бакшт Р.Б., Кудинов А.П., Манылов В.И. Исследование некоторыххарактеристик плазмы катодного факела в диоде со взрывной эмиссией. // Новосибирск. Наука. 1974. с. 45-52.

5. Б-2. Бугаев С.П., Литвинов Е.А., Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Взрывная эмиссия электронов. // УФН. 1975. Т.115. № 1. С. 101-120.

6. Б-3. Бакшт Р.Б., Бугаев С.П., Литвинов Е.А., Стасьев В.П. Исследованиеформирования сильноточной вакуумной искры методом скоростной интерферометрии.//ТВТ. 1976. №6. с. 1885-1891.

7. Б-4. Бугаев С.П., Ким А.А., Кошелев В.И. Потенциал трубчатого электронного пучка, формируемого в диоде с магнитной изоляцией. //ЖТФ. 1979. т.49. №8 с. 1790-1792.

8. Б-5. Баженов Г.П., Ладыженский О.Б., Литвинов Е.А., Чесноков С.М. К вопросу о формировании эмиссионной границы плазмы катодных факелов при взрывной эмиссии. //ЖТФ. 1977. Т. 47. № 10. С. 2086-2092.

9. Б-6. Бурцев В.А., Василевский М.А., Гусев О.А. и др. Сильноточныйрелятивистский электронный пучок с длительностью более 10"5 с. // Письма в ЖТФ. 1976. т.2. №24. с. 1123-1126.

10. Б-7. Баженов Г.П., Месяц Г.А., Чесноков С.М. О замедлении скоростидвижения эмиссионной границы катодного факела в диоде, работающем в режиме взрывной эмиссии. // Р и Э. 1975. Т. 20. № 11. С. 2415-2419.

11. Б-8. Бондаренко Б.В., Раевский В.Ю., Шешин В.П. Автоэлектронная эмиссия углеродных волокон. //Тезисы докл. XVIII Всесоюзн. симп. по ненакаливаемым катодам.Томск. 1980. С. 47-48.

12. Б-9. Баженов Г.П., Ладыженский О.Б., Чесноков С.М., Шпак И.Г. Зондовая диагностика колебаний потенциала катодной плазмы в диодах со взрывной эмиссией. // ЖТФ. 1979. Т. 49. № 1. С. 117-124.

13. Б-10. Баскин Л.М. Динамика полевых эмиссионных процессов в статических и

14. СВЧ полях. // Дис. докт. физ.-мат. наук. Томск. Институт сильноточной электроники СО АН СССР. 1990. 385с.

15. Б-11. Быстрицкий В.М., Диденко А.Н. Мощные ионные пучки. М. Энергоатомиздат. 1984.

16. Б-12. Баженов Г.П., Литвинов Е.А., Проскуровский Д.И., Шубин А.В.

17. Поступление металла в катодный факел при взрывной эмиссии электронов из металлических острий. // В сб. Мощные наносекундные импульсные источники ускоренных электронов. Новосибирск. Наука. 1974. С. 34-44.

18. Б-13. Баскин J1.M., Матюшичев Ю.Ф., Фурсей Г.Н. Развитие неустойчивостиповерхности жидкого металла в сильном электрическом поле. // В сб. Труды Всесоюзного симп. по ненакаливаемым катодам. Томск. 1980. С. 78 79.

19. Б-14. Бехтев Б.В., Бойко В.А., Воронков P.M. и др. Мартотрон мощныйусилитель СВЧ колебаний. // Письма в ЖТФ. 1982. Т.8. вып.5. с. 307-310.

20. Б-15. Борисов Д.А. Исследование автоэлектронной эмиссии в полях СВЧ. //Дисс. канд. физ-мат. наук. Ленинград. ЛЭИС. 1985. 115с.

21. Б-16. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. М. Госатомиздат. 1961. 323 с.

22. Б-17. Бугаев С.П., Ким А.А., Кошелев В.И., Хохорин Г.О. Разлет плазмы и формирование электронного пучка в диоде с неоднородным магнитным полем. //ЖТФ. 1984. Т.54. вып.9. с. 1700-1704.

23. Б-18. Беломытцев С.Я., Бугаев С.П., Кошелев В.И. и др. О характеристикахтрубчатого электронного пучка, формируемого в диодах с магнитной изоляцией. // Письма в ЖТФ. 1978. Т.4. №23. С. 1438-1442.

24. Б-19. Баскин Л.М., Кантонистов А.А., Радченко И.Н., Черных Л.М., Фурсей Г.Н., Широчин Л.А. Пролётные эффекты при автоэлектронной и взрывной эмиссии в быстропеременных электрических полях. //ЖТФ. 1987. т.57. №7. С. 1365-1371.

25. Б-20. Баскин Л.М., Кантонистов А.А., Фурсей Г.Н., Широчин Л.А. Особенности взрывной эмиссии жидких металлов в СВЧ поле. //ДАН СССР. 1987. т. 296. №6. с. 1352-1356.

26. Б-21. Бугаев А.А., Лукошкин В. А., Урпин В.А., Яковлев Д.Г. Термокапиллярные явления и образование рельефа поверхности под воздействием пико-секундных лазерных импульсов. //ЖТФ. 1988. т. 58. №5. с. 908-914.

27. Б-22. Баскин Л.М., Широчин Л.А., Кантонистов А.А., Фурсей Г.Н.,

28. Радченко И.Н. Полевые эмиссионные процессы на жидкой проводящей поверхности в СВЧ-полях. // Р и Э. 1991. т.36. №7. с. 1369-1376.

29. Б-23. Барташюс Ю.И., Праневичус Л.И., Фурсей Г.Н. Исследование взрывной электронной эмиссии жидкого галлиевого катода. //ЖТФ. 1971. т.41. вып.9. с. 1943-1948.

30. Б-24. Беломьгщев С.Я., Ильин В.П., Литвинов Е.А., Месяц Г.А. К эффекту «мазков» при взрывной эмиссии. // В кн.: Разработка и применение источников интенсивных электронных пучков. Под ред. Г.А. Месяца. Новосибирск. Наука. 1976. с. 93-95.

31. Б-25. Бугаев С.П., Кассиров Г.С., Ковальчук Б.М., Месяц Г.А. Получение интенсивных микросекундных релятивистских электронных пучков. // Письма в ЖЭТФ. 1973. Т. 18. вып.2. с. 82-85.

32. Б-26. Баженов Г.П., Литвинов Е.А., Месяц Г.А. и др. Поступление металла в катодный факел при взрывной эмиссии электронов из металлических острий. // ЖТФ. 1973. Т.43. №6. с. 1255-1269.

33. Б-27. Бурцев В.А., Василевский М.А., Гусев О.А., Ройфе И.М., Энгелько В.И. Исследование диода со взрывоэмиссионным катодом при больших длительностях импульсов. //ЖТФ. 1978. т.48. № 7. с. 1494-1503.

34. Б-28. Беломытцев С.Я., Коровин С.Д., Месяц Г.А. Эффект экранировки всильноточных диодах.//Письма в ЖТФ. 1980. т.6. вып. 18. с. 1089-1092.

35. Б-29. Баженов Г.П., Чесноков С.М. О минимальном токе взрывной эмиссии электронов. // Изв. ВУЗов. Физика. 1976. № 11. с. 133-134.

36. Б-30. Баженов Г.П., Ладыженский О.Б., Носков Д.А., Чесноков С.М. Формирование сходящихся электронных потоков в пушках со взрывными катодами. // Тезисы доклада III Всесоюзного симл. по сильноточной электронике. Томск. 1978. с.37.

37. Б-31. Бурцев В.А., Василевский М.А., Василевская Ю.А. и др. О работе источника электронов с ВЭ-катодом в частотном режиме при большой длительности импульса.//ЖТФ. 1981. т.51. №7. с1478-1484.

38. Б-33. Баскин Л.М., Громов А.Д., Фурсей Г.Н. Распространение ударных волн врасширяющейся плазме взрывной эмиссии. // В сб.: Тезисы докл. V Всесоюзн. симп. по сильноточной электронике, ч. I. Томск. 1984. с. 27-29.

39. Б-34. Баженов Г.П., Бакшт Р.Б., Месяц Г.А. и др. Возникновение на катоде вакуумного диода новых эмиссионных центров, стимулированных плазмой. // ТВТ. 1975. т. 13. №1. с. 184-186.

40. Б-35. Бурцев В.А., Василевский М.Л., Гусев О.А., Ефимов А.Б., Ройфе И.М.,

41. Середенко Е.В., Энгелько В.И. Исследование диода с взрывоэмиссиоиным катодом при больших длительностях импульса тока. // Препринт НИИЭФА К-0364. Ленинград. 1978. 16 с.

42. Б-36. Бережецкая Н.К., Копьбв В.А., Коссый И.А., Кутузов И.И., Тиит Б.М.

43. Взрывоэмиссионные явления на границе металл горячая плазма. //ЖТФ. 1991. т.61.в.2. с. 179-184.

44. Б-37. Бугаев С.П., Искольдский A.M., Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Электронно-оптическое наблюдение инициирования и развития импульсного пробоя короткого вакуумного промежутка. //ЖТФ. 1967. т. 37. № 12. с. 2206-2208.

45. В-1. Василевский М.А., Василевская Ю.А., Ройфе И.М. и др. Об импедансе диода с многоострийным взрывоэмиссиоиным катодом. // Препринт П-К-0461. Л. НИИЭФА. 1980. 11 с.

46. В-2. Василевский М.А., Ройфе И.М., Энгелько В.И. Результаты исследования диода с многоострийным взрывоэмиссиоиным катодом при больших длительностях импульса. // Препринт П-К-0482. Л. НИИЭФА. 1980. 37 с.

47. В-3. Владимиров В.В., Головинский П.М. Возбуждение капиллярных волн наповерхности жидкого металла, граничащего с неустойчивой плазмой. // ЖЭТФ. 1982. т. 82. №5. с. 1464-1469.

48. В-4. Владимиров В.В., Головинский П.М. Плазменно-капиллярные волны на поверхности жидкого металла. //ЖТФ. 1983. т.53. №1. с. 128-133.

49. В-5. Воропаев С.Г., Князев Б.А., Койдан B.C. и др. Получение микросекундного

50. РЭП с высокой плотностью тока. // Письма в ЖТФ. 1987. т. 13. вып. 7. с. 431-435.

51. В-6. Василевский М.А., Ройфе И.М., Энгелько В.И., Янкин Е.Г. Влияние плотности установки эмиттеров и анодных процессов на длительность работы диода с МВК. //ЖТФ. 1988. т. 58. № 9. с. 1753-1762.

52. В-7. Василевская Ю.А., Василевский М.А., Ройфе И.М., Энгелько В.И., ЯковлевС.П., Янкин Е.Г. Формирование электронного пучка в диоде с многоострийным катодом. //ЖТФ. 1983. т.53. №4. с. 677-683.

53. В-8. Вентова И.Д., Насибов А.С., Фурсей Г.Н. и др. Исследование некоторых условий формирования сильноточных электронных пучков. // Вестник ЛГУ. 1971. №10. с. 79-82.

54. В-9. Воронин В.С, Захаров С.М., Казанский Л.Н., Пикуз С.А. // Письма в ЖТФ. 1981. т. 7. с. 1224-1225.

55. Г-1. Гришанов Б. И., Широчин Л. А., Фурсей Г.Н., и др. Высоковольтныйгенегенератор управляемых наносекундных импульсов для исследованийвзрывной электронной эмиссии. // ПТЭ. 1986. 4. с. 91-93.

56. Г-2. Гришанов Б.И. Препринт ИЯФ СО АН СССР, № 75-68. Новосибирск. 1975.

57. Г-3. Гришанов Б.И., Жуков В.М., Полежаев С.А. и др. Изменение формы и автоэлектронная эмиссия металлических острий микронных размеров. // Р и Э. 1978. Т. 23. N 3. С. 575-583.

58. Г-4. Годяк В.А., Ивлев А.В., Широчин Л.А. Анализ динамики тока вдрейфовом промежутке с индуктивной нагрузкой. // Р и Э. 1972. Т. 17. N.6. С.

59. Г-5. Габович М.Д., Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М. Энергоатомиздат. 1986. 249 с.

60. Г-6. Гришин JI.B., Дорофеюк А.А., Косый И.А. и др. Исследование вторичноэмиссионного СВЧ-разряда при больших углах пролёта электронов. // Труды ФИАН. 1977. Т.92. с. 82-121.

61. Г-7. Талонов А.В., Миллер М.А. Об использовании движущихся высокочастотных потенциальных ям для ускорения заряженных частиц. // ЖЭТФ. 1958. т.34. №3. с. 751-752.

62. Г-8. Геккер И.Р. Взаимодействие сильных электромагнитных полей с плазмой. М. Атомиздат. 1978. 312 с.

63. Г-9. Глазанов Д.В. Нестационарные процессы при предельных плотностях тока автоэлектронной эмиссии. Дисс. канд. физ.-мат. наук. Ин-т сильноточной электроники СОАН СССР. Томск. 1985. 145 с.

64. Г-10. Габович М.Д., Порицкий И.Я. О механизме возбуждения нелинейных капиллярных волн на поверхности жидкого металла, находящегося в контакте с плотной плазмой. //ЖЭТФ. 1983. т.85. №1(7). С. 146-154.

65. Г-11. Габович М.Д. Жидкометаллические эмиттеры ионов. // УФН. 1983. т. 140. вЛ.с. 137-151.

66. Г-12. Грановский B.J1. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М. Наука. 1971.543с.

67. Г-13. Григорьев А.И., Ширяева С.О. Электрогидродинамические аспектыфункционирования жидкометаллических источников ионов. // ЖТФ. 1992. Т. 62. №12. с. 9-20.

68. Д-1. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. М. Иностранная литература. 1950. 695с.

69. Д-2. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и ихприменение. М. Атомиздат. 1977. 277 с.

70. Е-1. Елинсон М.И., Васильев Г.Ф. Автоэлектронная эмиссия. М. Гостехиздат. 1958. 253 с.

71. Е-2. Елинсон М.И. Ненакаливаемые катоды. М. Сов. радио. 1974. 336 с.

72. Ж-1. Жуков В.М. Исследование эмиссионных свойств плазменных сгустков, формируемых при электрическом взрыве металлических острий. Дисс. канд. физ.-мат. наук. Ленинград. 1974. 154 с.

73. Ж-2. Жуков В.М., Фурсей Г.Н. Экспериментальное исследование механизма взрывной эмиссии. //ЖТФ. 1976. т.46. №2. с. 310-327.

74. Ж-3. Жуков В.М., Фурсей Г.Н. Исследование взрывной эмиссии электронов, возбуждаемой на поверхности медных острий. //ЖТФ. 1976. т.46. №9. с. 1910-1917.

75. Ж-4. Жуков В.М., Фурсей Г.Н., Аксёнов М.С. и др. Образование субмикроскопических выступов под плазмой взрывной эмиссии. // В Трудах V Всесоюзного симп. по сильноточной эл-ке. Томск. 1984. ч. I. с. 21-23.

76. И-1. Иванов С. А., Щукин Г. А. Рентгеновские трубки технического назначения. Л. Энергоатомиздат. 1989. 200 с.

77. К-1. Киселев А.В. В сб. Докл. Всесоюз. совещания по ускорителям совстречными пучками и физике частиц высоких энергий. Новосибирск. Наука. 1965. ч.1.с.ПЗ.

78. К-2. Конкин А. А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. 1974. М. Химия.375с.

79. К-3. Карцев Г.К., Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. и др. Исследовние временных характеристик перехода автоэлектронной эмиссии в вакуумную дугу. // ДАН СССР. 1979. Т. 192. № 2. С. 309-313.

80. К-4. Короп Е.Д., Плютто А. А. Ускорение ионов катодного материала при вакуумном пробое. //ЖТФ. 1970. Т. 40. № 12. С. 2534-2537.

81. К-5. Коваль Б.А., Проскуровский Д.И., Трегубое В.Ф., Янкелевич. О величине давления на катод при взрывной эмиссии электронов. // Письма в ЖТФ.1979. т. 5. № 10. С. 603-606.

82. К-6. Короп Е.Д., Плюгго А. А. Влияние плазмы на эмиссию острийного катода. //ЖТФ. 1971. Т. 41. №5. С. 1055-1057.

83. К-7. Курдюмов В.Н., Старкова В.Н. К теории СВЧ диода с автоэмиссионным катодом. // РЭ. 1987. Т.32. №2. С. 453-455.

84. К-8. Контонистов А.А. Взрывная электронная эмиссия в СВЧ полях. Дисс. канд. физ.-мат. наук. ВНИЦПВ. М. 1986. 132 с.

85. К-9. Ковнацкий A.M., Матюшичев Ю.Ф., Иоффе И.В. Параметрическоевозбуждение колебаний поверхности заряженной жидкости. //ЖТФ. 1978. т.48. №3. с. 633-634.

86. К-10. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде. Новосибирск. Наука. 1982. 253 с.

87. К-11. Кобайн Д., Эккер Г., Фаррелл Д и др. Вакуумные дуги. М. Мир. 1982. 428 с.

88. К-12. Кассиров Г.М., Месяц Г.А. О механизме пробоя коротких вакуумных промежутков.//ЖТФ. 1964. т.34. №8. с. 1476-1481.

89. JI-1. Литвинов Е.А., Месяц Г.А. О вольтамперной характеристике диода сострийным катодом в режиме взрывной эмиссии электронов. // Изв. ВУЗов. Физика. 1972. №8. С. 158-160.

90. JI-2. Луценко Е.И., Середа Н.Д., Концевой Л.М. Исследование образования слоёв объёмного заряда в плазме. // Физика плазмы. 1976. Т.2. № 1. С. 72-81.

91. Л-3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. М. Наука. 1965. 204 с.

92. Л-5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М. Наука. 1982. 620 с.

93. Л-6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М. Наука. 1989.

94. Л-7. Логачёв Е.И., Ремнев Г.Е., Усов Ю.П. Ускорение ионов из взрывоэмиссионной плазмы. // Письма в ЖТФ. 1980. Т.6. в.22. с. 1404-1406.

95. Л-8. Логачёв Е.И., Ремнев Г.Е., Усов Ю.П. Ускоритель тяжёлых ионов. // ПТЭ. 1983. №2. с. 21-23.

96. Л-9. Логачёв Е.И., Лопатин B.C., Печёнкин С.А., Ремнев Г.Е. Исследование расходимости пучка и однородности эмиссии тяжёлых ионов при прямом ускорении. //ЖТФ. 1984. Т.54. №10. с. 2027-2029.

97. Л-10. Логачёв Е.И., Исаков И.Ф., Лопатин B.C., Печёнкин С.А., Ремнев Г.Е.

98. Генерация пучков тяжёлых ионов в магнитоизолированном диоде из взрывоэмисеионной плазмы. В сб.: Тезисы докладов V Всесоюзного симп. по сильноточной эл-ке. 1984. 4.2. с. 60-62.

99. Л-11. Лукьянченко Г.С. Равномерный, полифазный вторично-эмиссионный СВЧ разряд на поверхности тела. //ЖТФ. 1974. T.44. №9. С. 1922-1928.

100. Л-12. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. T.I. М. Высшая школа. 1970. 439 с.

101. Л-13. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Механика. М. Гостехиздат. 1954. 790 с.

102. Л-14. Ландау Л.Д. Электродинамика сплошных сред. М. Физматгиз. 1959. 532 с.

103. Л-15. Литвинов Е.А., Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Автоэмиссионные и взрыво эмиссионные процессы при вакуумных разрядах. // УФН. 1983. т. 139. №2. с. 265-302.

104. Л-16. Лупехин С.М., Фурсей Г.Н., Поляков М.А., Широчин Л.А., Жуков В.М.

105. Эффект инерционного возбуждения микровыступов на поверхности жидкого металла при взрывной эмиссии. // Письма в ЖТФ. 1983. т.9. вып. 17. с. 1078.

106. Л-17. Лупехин С.М. Взрывная эмиссия с поверхности жидкого металла. // Дисс. канд. физ.-мат. наук. ВНИЦПВ. М. 1984. 131 с.

107. Л-18. Литвинов Е.А. Кинетика катодного факела при взрывной эмиссиии электронов. // В кн.: Мощные наносекундные источники ускоренных электронов. Новосибирск. Наука. 1974. с.23-34.

108. Л-19. Лазарянц А.Э., Григорьев А.И. Устойчивость заряженной капли встохастическом электрическом поле. //ЖТФ. 1992. т.62. №3. с. 40-48.

109. М-1. Месяц Г. А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М. Сов. Радио. 1974. 256 с.

110. М-2. Мощные наносекундные импульсные источники ускоренных электронов электронов. Сборник под ред. Месяца Г.А. Новосибирск. Наука. 1974.168 с.

111. М-3. Месяц Г.А., Литвинов Е.А. О вольтамперной характеристике диода с острийным катодом в режиме взрывной эмиссии электронов. // Изв. Вузов. Физика. 1972. № 8. С. 158-160.

112. М-4. Месяц Г.А., Баженов Г.П., Бугаев С.П. Проскуровский Д.И., Ротштейн В.П., Юрике Я.Я. Эмиссия электронов с катода в начальной фазе наносекундного вакуумного разряда. // Известия ВУЗов. Физика. 1969. № 5. С. 153-154.

113. М-5. Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Рост тока в искре при импульсном пробое коротких вакуумных промежутков. // Известия ВУЗов . Физика. 1968. №1. С. 81-85.

114. М-6. Месяц Г.А., Ротштейн В.П., Фурсей Г.Н., Карцев Г.К. Определение скоростиразлёта плазмы, образованной электрическим взрывом микроострий под действием автоэлектронного тока большой плотности. //ЖТФ. 1970. Т.40. №7. с. 1551-1553.

115. М-7. Модинос С. Авто-, термо- и вторично-электронная эмиссионная спектроскопия. М. Наука. 1990. 320с.

116. М-8. Месяц Г.А., Эшкенази В.И. Эрозия электродов при пробое вакуумного промежутка наносекундными импульсами. // Изв. ВУЗов. Физика. 1968. №2. с. 123-125.

117. М-9. Месяц Г.А., Проскуровский Д.И., Янкелевич Е.Б., Трегубое В.Ф. Наблюдение регенерации микроострий и полировки катода при наносекундных импульсах тока взрывной эмиссии. //ДАН СССР. 1976. т.227. №6. с. 1335-1337.

118. М-10. Месяц Г. А., Проскуровский Д.И. Импульсный электрический разряд в вакууме. Новосибирск. Наука. 1984. 256 с.

119. М-11. Мюллер Э.В., Цонг Т.Т. Полевая ионная микроскопия, полевая ионизация и полевое испарение. М. Наука. 1980. 224 с.

120. М-12. Месяц Г.И., Иванов С.А., Комяк Н.И., Пеликс Е.А. Мощные наносекундные импульсы рентгеновского излучения. М. Энергоатомиздат. 1983.

121. М-13. Месяц Г.А. Эктоны. Екатеринбург. УИФ «Наука». 1993. (ч. I, II, III).

122. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М. «Наука». 2000.424 с.

123. М-14. Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Взрывная эмиссия электронов из металлических острий. // Письма в ЖЭТФ. 1971. т. 13. №1. с. 7-10.

124. М-15. Матюшичев Ю.Ф. Теоретическое исследование неустойчивости поверхности жидкой и твёрдой поверхности сильноточных источников электронов. // Дисс. канд. физ-мат. наук. Ленинград. 1980. 102 с.

125. М-16. Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах. М. Мир. 1969.

126. Н-1. Ненакаливаемые катоды. Под ред. М.И. Елинсона. М. Сов. Радио. 1974. 336 с.

127. Н-2. Незлин М.В. Динамика пучков в плазме. М. Энергоиздат. 1982. 263 с.0.1. Открытая в СССР. Сборник. 1976. М.: ЦНИИПИ, 1977, с.8-10.

128. П-1. Проскуровский Д.И., Ротиггейн В.П. Измерение скорости движения границы эмиссии электронов из плазмы катодного факела. В сб. Мощные наносекунд ные импульсные источники электронов. Новосибирск. Наука. 1974. С. 59-62.

129. П-2. Поляков М.А. Интенсивная эмиссия ионов в сильном электрическом поле, инициируемая взрывной электронной эмиссией. Дисс. канд. физ.-мат. наук Москва. ВНИЦПВ. 1987. 120 с.

130. Исследование некоторых процессов в вакуумном диоде с катодным факелом. // ЖТФ. 1975. т.45. №10. с. 21-25. Р-1. Ратахин А.Н. Физические процессы в сильноточных диодах со взрывной эмиссией. Дисс. канд. физ.-мат. наук. Томск. ИСЭ СО АН СССР. 1980. 156 с.

131. Ф-3. Фурсей Г.Н., Широчин Л.А., Чибуков Ю.Я., Баскин Л.М. Стабильная взрывная эмиссия катодов с ограниченной эмиссионной поверхностью. //ЖТФ. 1983. Т.53. №4. С. 798-800. Ф-4. Фурсей Г.Н., Мовчан Б.Н., Ершов А.В. Лупехин С.М., Поляков М.А.,

132. Ф-6. Фурсей Г.Н., Лупехин С.М., Поляков М.А. Интенсификация взрывнойэмиссии при использовании жидких сплавов щелочных металлов. // Письма в ЖТФ. 1984. т. 10. вып. 9. стр. 533-536.

133. Ф-7. Френкель Я.И. Дополнение к теории неустойчивости жидкой поверхности в электрическом поле в вакууме. //ЖТФ. 1936. т.6. с. 347-351.

134. Ф-8. Фурсей Г.Н., Антонов А.А., Гулин Б.Ф. Исследование автоэлектроннойэмиссии вольфрама в наносекундном диапазоне длительностей импульсов. // Вестник ЛГУ. 1971. №10. с. 71-74.

135. Ф-9. Фурсей Г.Н., Воронцов-Вельяминов П.Н. Качественная модельинициирования вакуумной дуги.//ЖТФ. 1967. т.37. №10. с. 1870-1888.

136. Ш-1. Шешин Е.П., Макуха В.И., Рыбаков Ю.А. Эмиссионные свойства стержневых автокатодов из графита. //Тезисы Докл. XVIII Всесоюзн. Конф. по эмиссионной электронике. М. Наука. 1981. С. 210-212.

137. Ш-2. Шешин Е.П., Рыбаков Ю.Л. // Тезисы Докл. XVIII Всесоюзн. Конф. по эмиссионной электронике. М. Наука. 1981. С. 213-214.

138. Ш-3. Шарбонье Ф.М., Барбур Дж.Р., Гаррет Л.Ф., Дайк В.П. Исследование природы и прикладных свойств холодной эмиссии на СВЧ. // ТИИЭР. 1963. Т.51. №7. с. 989-1004.

139. Ш-4. Широчин Л.А. Взрывная эмиссия катодов с ограниченной эмиссионнойповерхностью. //Диссерт. канд. физ-мат. наук. Москва. ВНИЦПВ. 1982. 165 с.

140. J. Phys. D: Appl. Phys. 1981. v. 14. p.1721-1727. m-2. Mair G.L., von Engel A. Gallium-field-ion emission from liquid point anodes. //

141. J.Appl. Phys. 1979.V.50. n 9. p.5592 5595. m-3. Mair G.L., Forbes R.G. An analytical calculation of LMIS cusp length. //

142. Surface Science. 1992. v.266. p. 180-184. m-4. Mair G.L. Space-charge effects in liquid metal ion sources. // J. Phys. D:

143. Rev. 1935. v. 48. P. 562-568. t-2. Thomson S.P, Prewett P.D. The dynamics of liquid metal ion source. // J. Phys. D:

144. Appl. Phys. 1984. V.17. №11. p. 2305-2323. t-3. Tonks L. The pressure of plasma electrons and the force on the cathode of an arc. //Phys. Rev. 1934. v.46. p.278. • t-4. Thompson S.P., A. von Engel. Field emission of metal ions and microparticles. //

145. Symp. on Disch. and Electrical Insul. in Vacuum. Berlin DDC. 1984. p. 125-126.