Этот пост посвящен удивительному физическому явлению, за открытие которого группе советских ученых могла бы быть присуждена Нобелевская премия по физике. Премии по разным причинам не случилось, но случился прорыв в развитии технологий по формированию мощных потоков энергии, электронных и ионных пучков, технологий по модификации различных материалов. Об этих технологиях я расскажу в дальнейших статьях, а сегодня я познакомлю читателей с явлением взрывной электронной эмиссии — открытия советских ученых, зарегистрированного 25 июня 1976 года и внесенного в список фундаментальных открытий в физике наравне с открытием электрона, рентгеновских лучей, лазерного излучения и сверхпроводимости.

Исторический экскурс

Любому открытию предшествует цепь различных событий, наблюдений и экспериментов. Так и в этом случае, в основе развития множества технологий, которые окружают нас, лежат простейшие (для нас сейчас), но уникальные вещи. Это опыты Фарадея, Гальвани, Вольта, Петрова, Штарка.

Спустя почти сто лет, в 1896 году, на поверхности ртутного катода были замечены яркие точки, которые позже детально исследовал Штарк. Он доказал, что данные точки присущи всем формам дугового разряда независимо от материала катода, а в 1904 году им впервые было введено понятие «катодного пятна». Однако, причины и механизм возникновения катодных пятен остался не выясненным.

Я не случайно пишу эту статью. В 1998 году, после окончания Томского госуниверситета, я совсем молодым человеком пришел работать в Институт сильноточной электроники. В лабораторию вакуумной электроники. После курса «молодого бойца» по сборке-разборке форвакуумного оборудования и сдачи различных допусков, я решил получить и исследовать катодные пятна на установке по генерации сильноточных (вообще по норме русского языка логичней сказать «сильнотоковых», но термин «сильноточный» устоялся, поэтому будет использоваться далее. Прим. автора) пучков. Пригодились навыки любительской фотографии, так как в лаборатории ещё не было скоростных видеокамер и матриц, съемки велись фотоаппаратом «Зенит» на специальную фотопленку «Микрат». Чудесные времена! Сквозь запах гидрохинона проявлялись катодные пятна.

Фото исследовательской установки

Схема эксперимента достаточно простая. В вакуумной камере между катодами 1 и 3 и плазменным анодом 2 зажигается отражательный разряд. Через прозрачное окно 4 можно наблюдать катодные пятна. Именно через это окно велась фотосъёмка явления. Для того, чтобы зафиксировать пятна, катод отражательного разряда 3 был выполнен из металлической сетки. Примерно такие фотографии были получены в этом эксперименте. Вот три кадра из нескольких сотен, полученных тогда.

Разряд существует всего несколько десятков милисекунд, но этого хватает для регистрации катодных пятен в режиме «открытого затвора» на чувствительную фотопленку «Микрат». Яркие точки и есть катодные пятна. При этом они возникают равновероятно как на катоде 1, так и на сетке 3. Очевидно, что размытые пятна принадлежат катоду 1 (не в фокусе), а четкие — сетке. Конечно, это интегральный снимок. По нему нельзя понять динамику катодных пятен, момент и время образования первого пятна и многое другое. Но этот эксперимент был для меня очень полезен, так как я увидел воочию само явление в целом.

Механизм развития взрывной электронной эмиссии

С времен экспериментов Штарка прошло более шестидесяти лет до момента понимания детальных механизмов взрывной электронной эмиссии. Но всё по порядку.

Шаг 1

Представим себе вакуумную камеру. Внутри камеры находится катод и анод. Подано напряжение. На катоде — отрицательный потенциал, на аноде, соответственно — положительный.

На поверхности катода возникает эмиссионный центр (ЭЦ). Эта стадия характеризуется мизерными токами — от наноампер до единиц миллиампер. Данную стадию называют предпробойной.

Шаг 2

Инициирование пробоя. Происходит микровзрыв эмиссионного центра. Теперь это взрывной эмиссионный центр (ВЭЦ). Создается «шарик» катодной плазмы, с поверхности которого эмитируются электроны в сторону анода. Это старт процесса взрывной электронной эмиссии.

При этом скорость разлета катодной плазмы много больше соответствующей тепловой скорости частиц, поэтому принято говорить о взрывном характере явления, в точном подобии со взрывом, к примеру, динамита, когда ударная волна приходит раньше поражающих при взрыве осколков. Поэтому явление названо «взрывная» электронная эмиссия.

Шаг 3

Стадия развития вакуумного пробоя. Всё бОльшее количество электронов эмитируются из катодной плазмы. Начинается разогрев анода, но анодной плазмы ещё нет.

Шаг 4

Начало появления анодной плазмы и её распространения в разрядный промежуток.

Шаг 5

Полное закорачивание разрядного промежутка. Плазма заполняет весь объем межэлектродного пространства, явление взрывной электронной эмиссии прекращается. Разряд переходит в дугу и вот вам чудо — на катоде появилось катодное пятно (КП), о котором я рассказывал выше. Теперь роль катодного пятна в дуговом разряде — поддерживать плотность носиелей заряда за счёт термоэмиссии электронов. Этот процесс приводит к ещё бОльшему дополнительному разогреву катодного пятна.

Время развития взрывной электронной эмиссии не велико — от единиц до сотен наносекунд. Катодные же пятна могут гореть значительно дольше — до тех пор, пока существует дуга.

При этом взрывная электронная эмиссия единственный вид эмиссии, позволяющий получать плотность тока величиной 10⁹ А/см2, и потоки электронов мощностью — 10¹³ Вт.

Таким образом, причиной появления катодного пятна является взрывная электронная эмиссия, а что же такое тот самый пресловутый эмиссионный центр, с которого она начинается? Оказывается всё просто. Это неоднородности и шероховатости поверхности катода и, подчас, элементарная грязь!

На поверхности катода имеются неоднородности. Это, так называемые, микроострия или микроэмиттеры. На рисунке показано, как протекает явление взрывной электронной эмиссии непосредственно в эмиссионном центре. Таким образом, некачественная обработка катодов, наличие неоднородности и шероховатости поверхности повышает вероятность появления эмиссионных центров и, как следствие, катодных пятен в дальнейшем. А так выглядит поверхность катода после взрывной эмиссии. Просматривается наличие кратеров и следов разлета вещества катода.

Если сгладить поверхность или оплавить её мощным электронным пучком, то количество эмиссионных центров резко падает, что значительно усложняет процесс образования катодных пятен. Это очень важно в технологических применениях, когда требуется высокая прочность вакуумной изоляции, к примеру, в разрядниках, где главная задача держать высокое напряжение между катодом и анодом до момента отдачи запасенной энергии (как правило, от высоковольтного конденсатора) в полезную нагрузку. И наоборот. Если требуется высокая эмиссионная способность катодов, то их изготавливают с «развитой» поверхностью. К примеру, из лезвий для бритья, оплетки медного кабеля или вспененных проводящих материалов. Голь на выдумки хитра, как говорится…

На этом будем считать теоретическую часть достаточной. Не смотря на кажущуюся простоту всего того, что я рассказал в этой статье, на самом деле за этим лежат годы увлекательных научных исследований различных групп ученых со всего мира и, в первую очередь, советских и российских ученых под руководством Геннадия Месяца, его последователей и учеников — создателей целого направления в исследовании физики мощных потоков энергии. Главное в открытии взрывной электронной эмиссии — прикладные применения, связанные с созданием оборудования для генерации мощных электронных пучков, рентгеновских источников, технологий модификации металлов и сплавов. Всего более сотни уникальных технологий.

Вскоре для примера я опишу технологию и оборудование по генерации сильноточных электронных пучков для модификации металлов и сплавов. Такое оборудование поставляется в Японию, США, Китай и в Европу. В науке нет санкций. Ну или значительно меньше, чем в политике)))

На фото пример обработки детали высоковольтного разрядника. Из исходной детали (слева) после обработки получается деталь с беспрецедентной электрической прочностью. Подробнее об этой технологии и интересных сферах её применения (к примеру, в стоматологии), я напишу в самые ближайшие дни! Как говорится, не пропустите!)))

Я также хочу поблагодарить моих коллег за помощь в подготовке этого материала. Благодарю Александра Батракова, Алексея Маркова и Евгения Нефёдцева за полезные консультации. Все эти люди — научные сотрудники ИСЭ СО РАН в Томске. Об этом уникальном Институте и о технологиях, в основе которых, в частности, лежит взрывная электронная эмиссия, можно посмотреть в научно-популярном ролике ниже (13 минут)