Взрывная электронная эмиссия

Для создателей рентгеновских трубок важно, чтобы с катода, источника свободных электронов, при возбуждении эмиссии, электронов вылетало как можно больше. В обычных условиях электроны не могут выходить за пределы металла из-за поверхностного потенциального барьера. Чтобы этот барьер преодолеть, электронам требуется дополнительная энергия, которой им обычно не хватает. Испускание электронов называется эмиссией.

Чтобы передать электрону необходимую энергию, было придумано много различных способов:

  • с помощью тепла — термоэлектронная эмиссия;
  • стукнуть электрон другим электроном — вторичная электронная эмиссия;
  • облучить фотонами — фотоэлектронная эмиссия;
  • бомбардировать ионами — ионно-электронная;
  • охладить до ультрахолодных температур — криогенная электронная эмиссия;
  • и другие виды эмиссий.

Проще всего было бы получить дополнительную энергию путём нагрева эмиттера, либо путём облучения его мощным сфокусированным лучом лазера. Однако эти методы оказались недостаточными для создания большой плотности тока, так как его величина ограничена термической стойкостью материала эмиттера.

Существует принципиально другой метод инициирования эмиссии электронов — автоэлектронная эмиссия. Потенциальный барьер, который препятствует свободному вылету электронов, под воздействием сильного электрического поля истончается. Электроны с той же энергией, что у них уже есть, начинают проходить через барьер — туннелировать. Чем сильнее внешнее поле, тем тоньше становится барьер. Интенсивность потока электронов растёт с увеличением напряжения. Возрастает и плотность автоэлектронного тока. Такую эмиссию называют автоэлектронной, туннельной или полевой. Впервые она была обнаружена в 1897 году американским физиком Р. У. Вудом.

Позже опыты по автоэлектронной эмиссии проводились в Советском Союзе коллективами учёных Сибирского отделения АН СССР под руководством доктора технических наук Геннадия Андреевича Месяца и физиками Ленинградского университета под руководством доктора физико-математических наук Георгия Николаевича Фурсея. Результатом таких экспериментов явилось открытие в 1971 году взрывной электронной эмиссии. Физика этого процесса состоит в том, что подача на электровакуумный диод напряжения приводит к возникновению на его катоде автоэлектронного тока, протекающего через игольчатое остриё микровыступа. А при увеличении напряжения на катоде, в попытке получить больший ток, выяснилось, что катод нагревается и переходит в состояние взрывной эмиссии.

Взрывная электронная эмиссия — испускание электронов с металлической поверхности эмиттера при переходе металла из твёрдого состояния в плазму. Такой переход возможен при микровзрывах на локальных участках эмиттера. Его поверхность никогда не бывает идеально гладкой: на ней всегда есть микроскопические неоднородности и шероховатости. Если приложить к электродам достаточную разность потенциалов, то электромагнитное поле, концентрируясь на микроскопических остриях, спровоцирует образование плазмы с лавинообразным выбросом гигантского потока электронов. Таким образом, ценой частичного разрушения эмиттера, мы получаем очень сильный ток. Это принципиальное отличие взрывной эмиссии от других видов эмиссий.

Чуть позднее оказалось, что разрушение одних выступов на поверхности эмиттера приводит к образованию других, примерно в таком же количестве. На это обратили внимание, что и послужило толчком к созданию электровакуумных приборов, способных работать в режиме, где импульсы следуют один за другим. Для того, чтобы ограничить импульсы по времени до 10-7 долей секунды применяют разрядник-обостритель. Столь короткие импульсы способствуют сохранению работоспособности катода, который имеет форму стержня. Классическая схема питания взрывоэмиссионных приборов основана на циклическом накоплении энергии в конденсаторе и его быстром разряде через электровакуумный прибор и разрядник.

Взрывная электронная эмиссия позволяет получать огромные потоки электронов с высокой плотностью тока. На явлении взрывной эмиссии основана работа импульсных рентгеновских трубок. В неразрушающем контроле на базе взрывоэмиссионных трубок налажено производство целого класса компактных и лёгких рентгеновских аппаратов. Правда, регулировка параметров излучения у таких приборов отсутствует, поэтому они выпускаются сериями с различным напряжением и расчётом на определённую толщину просвечивания. В качестве примера можно привести семейство импульсных рентгенаппаратов «Арина-3, -7, -9» производства «Спектрофлэш».

Кроме неразрушающего контроля, импульсные рентген-аппараты благодаря своей портативности подходят для использования во время катастроф, для экстренного обеззараживания. Именно импульсным аппаратом можно снимать быстрое кино с баллистическими задачами и быстропротекающими процессами: взрыв снаряда, выстрел пули и тому подобное. Для этого генератор оборудуют схемой синхронизации, где разрядник-обостритель управляется внешним сигналом.

Взрывная электронная эмиссия

На основе взрывной электронной эмиссии были созданы электровакуумные диоды, способные генерировать импульсы длительностью ≈10-7 с при плотности тока до 107 А/см2. Они нашли применение при обнаружении дефектов в кристаллах, при исследовании плазмы, для накачки газовых лазеров, генерации рентгеновских лучей и т.д. Проводятся эксперименты с использованием модифицированного углерода: графенов, нанотрубок, фуллеренов и других новых материалов, которые при правильной подготовке расходуются гораздо меньше металла. Замена катода на более износостойкий материал позволит продлить срок службы импульсной трубки. Идёт поиск возможностей возбудить автоэмиссию при значительно более слабых полях.

Просмотров: 598
Редакция Автор материала 19.02.2020, 09:34
Взрывная электронная эмиссия

Введите ваше Имя и Фамилию:

Отправить

или

Войдите, чтобы оставить комментарий