Взрывная электронная эмиссия

Взрывная электронная эмиссия - электронная эмиссия с поверхности металла при его переходе из твёрдой фазы в газообразную (плазму) в результате локальных взрывов микроскопических областей эмиттера. Это единственный вид электронной эмиссии, позволяющий получать плотность тока величиной 109 А/см2, и потоки электронов мощностью — 1013 Вт. Соавторами открытия этого явления являются выпускники Томского политехнического института (ТПУ), академики РАН Г.А. Месяц и С.П. Бугаев.

Описание явления

Для получения В. э. э. необходимо создать на поверхности эмиттера первоначальный фазовый переход металл- плазма, который бы обеспечил ток электронов, способный затем поддерживать этот переход. Такой переход создаётся посредством концентрации большой энергии в микрообъёме эмиттера, достаточной для взрыва этого объёма. Большая концентрация энергии в микрообъёме может осуществляться разл. способами, например, ударом быстрой макрочастицы о катод, с помощью сфо-кусированного луча лазера и т. д. Наиболее часто для инициирования В. э. э. используется автоэлектронная эмиссия. Ток автоэлектронной эмиссии разогревает микрообъём эмиттера за счёт джоулева тепла и Ноттингема эффекта. Оба эти эффекта приводят к повышению электронной темп-ры Те(к "разогреву" электронов; см. Горячие электроны). Температуpa кристаллической решётки повышается в результате электронно-фононного взаимодействия. Время запаздывания t3 взрыва кончика острия относительно подачи импульса напряжения определяется скоростью передачи энергии от электронного газа к решётке. Это создаёт возможность для получения мощных кратковременных импульсов электронного тока без разрушения эмиттера.

Теория явления

Испускание интенсивного электронного потока, обусловленное переходом вещества катода (металлического острия) из конденсированной фазы в плотную плазму в результате разогрева локальных областей катода. Переход металл — плазма инициируется взрывом металла, который чаще всего происходит за счёт разогрева металла током автоэлектронной эмиссии большой плотности (j'=108—109 А/см2). При этом время до взрыва t в =A/j2, где А —коэффициент, определяемый теплофизическими свойствами катода. Начальный взрыв и дальнейшая В. э. э. сопровождаются образованием у катода плазмы, которая расширяется со скоростью v=106 см/с. Ток В. э. э. при взрыве одиночного острия I= 3,7•10-5U3/2(vt/(d-vt)), где U — напряжение между катодом и анодом в процессе В. э. э., d — расстояние между ними, t — время. В. э. э. сопровождается уносом материала с катода. Для уменьшения этого эффекта необходимо уменьшать электронный ток. Однако если этот ток становится меньше некоторой критической величины, то В. э. э. прекращается.

Применение эффекта

Переносной импульсный рентгеновский аппарат

Взрывная электронная эмиссия используется в сильноточных ускорителях электронов и импульсных источниках рентгеноских лучей высокой интенсивности. Это явление имеет также самостоятельное значение в физике электрических разрядов, главным образом, разрядов в вакууме.

Одним из практических приложений взрывной эмиссии стал серийный выпуск нового класса рентгеновской аппаратуры, отличающейся компактностью, высокой надежностью, мощностью и универсальностью. Созданные рентгеновские аппараты стали широко использоваться для неразрушающего контроля крупных сооружений в полевых условиях, исследования быстропротекающих процессов, калибровки детекторов ионизирующего излучения. Аппараты типа ИРА, РИНА, МИРА стали основными приборами, обеспечивающими контроль качества сварки металлоконструкций и магистральных газонефтепроводов. Высокое качество и уникальные свойства обеспечили им значительный спрос не только в СНГ, но и в ряде стран Запада.

Ключевые слова

Плазма

Эмиссия электронов

Высокая плотность тока

Катод

Факел

Взрыв микрообъема

Плотная плазма

Взрывная эмиссия

Взрывная электронная эмиссия

Эмиттер

Электроны проводимости

Разделы наук

Термоэлектрические явления

Электрические токи в вакууме, газах и плазме

Электрическое поле

Плазмодинамика

Г.А. Месяц

Месяц Геннадий Андреевич (р. 29.02.1936 г., г. Кемерово) — советский, российский физик, основатель научного направления сильноточной электроники и импульсной электрофизики. Академик РАН, вице-президент (1987—2013) и член Президиума РАН (Москва). В 1958г. окончил электроэнергетический факультет Томского политехнического института (ТПУ). До 1969г. работал в НИИ ЯФ при ТПИ. В 1969-1977гг. – заместитель директора Института оптики атмосферы СО АН СССР. Организатор и директор Института сильноточной электроники СО АН СССР в 1976-1986гг. и Института электрофизики УрО АН СССР. Один из авторов открытия в области электрофизики – взрывной электронной эмиссии (1976г.).

С.П. Бугаев

Бугаев Сергей Петрович (03.08.1936—03.04.2002гг.) – российский физик, ученый в области сильноточной эмиссионной электроники, физики формирования интенсивных электронных и ионных пучков, генерации мощного СВЧ-излучения, разработки технологий вакуумного нанесения покрытий. Академик РАН. В 1959г. окончил радиофизический факультет Томского политехнического института (ТПУ). В 1986-2002гг. – директор Института сильноточной электроники СО РАН. Возглавлял Президиум ТНЦ СО РАН. Один из инициаторов создания в Томске Федерального центра науки и высоких технологий нефтегазового комплекса Сибири. Один из создателей нового научного направления в физике – сильноточной эмиссионной электроники. Соавтор научного открытия – взрывной электронной эмиссии.

Ссылки

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D1%83%D0%B3%D0%B0%D0%B5%D0%B2,_%D0%A1%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D0%B9_%D0%9F%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B7%D1%80%D1%8B%D0%B2%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BC%D0%B8%D1%81%D1%81%D0%B8%D1%8F

http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/339/%D0%92%D0%97%D0%A0%D0%AB%D0%92%D0%9D%D0%90%D0%AF

http://allchem.ru/pages/physic/503

http://www.heuristic.su/effects/catalog/est/byId/description/109/index.html

http://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%E5%F1%FF%F6,_%C3%E5%ED%ED%E0%E4%E8%E9_%C0%ED%E4%F0%E5%E5%E2%E8%F7#.D0.9D.D0.B0.D1.83.D1.87.D0.BD.D0.B0.D1.8F_.D0.B4.D0.B5.D1.8F.D1.82.D0.B5.D0.BB.D1.8C.D0.BD.D0.BE.D1.81.D1.82.D1.8C

http://www.uran.ru/sobitia/presid/lgep_2003/lgep_mga.htm

http://www-sbras.nsc.ru/HBC/2002/n15/f20.html

Литература

Журнал ТПУ «Томский политехник» Издание Ассоциации выпускников ТПУ. № 12, 2006 – 130с.