Электрические разряды в газе и вакууме

Умов Сергей Электрические разряды в газе и вакууме Очень интересное и неведомое до сей поры явление - электрические разряды в газе и вакууме. По сути дела - это микровзрывы, которые происходят в объе мах, измеряемых микронами, а по времени - продолжаются миллиардные доли с екунды. Это самые настоящие взрывы. Их можно представить как кратеры, под обные тем, что есть на Луне… Эти микроскопические взрывы в определенных условиях возникают и поддерживаются - заряженные частицы испускаются и з металла пакетами. Иными словами, металл способен выбрасывать заряженн ые частицы. Взрывные центры Г.А. Месяц назвал “эктонами”. Оказалось, что су ществует огромное количество явлений, которые до их открытия нельзя был о понять до конца. К примеру, ты включаешь свет в квартире, и он загорается. Но что происходит в этот момент в выключателе? Оказывается, между его кон тактами возникает “миллиард” взрывов. Подобные явления - а их великое мн ожество – Г.А Месяц и пытается понять и объяснить. За последние годы им было получено несколько крупных результатов. Перво е - это открытие эктонов. Второе - новые свойства кремниевых полупроводни ков при огромных плотностях тока. Сильноточная электроника - это электроника больших мощностей и сильных полей. Ученые шли к ней через исследования разряда в вакууме и газе. Пришл ось создавать новую технику, дающую короткие и мощные импульсы, приборы, способные запечатлеть изменения физических процессов за очень коротки е (миллионные и миллиардные доли секунды) промежутки времени. Обнаружили не описанное в литературе явление и, отбросив груз старых представлений и традиций, заинтересовались им как реальностью, назвав “взрывной элект ронной эмиссией”. Суть ее такова. Если в металлический катод быстро ввес ти энергию большой концентрации, то происходит мгновенный переход мета лла из твердого состояния в плазму и выделяется большой поток электроно в - это и есть микровзрыв. Процесс взрыва был известен и ранее, но его бояли сь, и многочисленные исследования разных институтов направлялись на то, чтобы его предотвратить. Новый вид эмиссии электронов позволяет избави ться от специального нагревания катодов, благодаря чему можно создать н адежные управляемые источники мощных электронных пучков, технику боль ших мощностей. Начался поиск материалов, способных дать наибольшую эмиссию электроно в. Результаты сразу же нашли применение в технике и в науке. Следующим шаг ом было развитие сильноточных ускорителей электронов, затем - термоядер ный синтез, исследования в области плазмы и так далее. И если раньше учены е занимались интервалами времени, измеряемыми наносекундами (миллиард ные доли секунды), то теперь оперируют пикосекундами (тысячными долями о т этой величины). Электрический разряд в вакууме состоит из трех стадий: пробой, искра и ду га. Вакуумный пробой является одним из способов возбуждения вакуумной д уги. Но прежде, чем наступает дуга, разряд переходит еще в искровую фазу. В акуумная дуга является наиболее загадочной фазой вакуумного разряда. Д ля нее характерны низкое напряжение горения разряда, сравнимое с иониза ционным потенциалом атомов материала катода, большая плотность тока в о бласти катодной привязки, высокая концентрация плазмы в прикатодной об ласти, испускание высокоскоростных плазменных струй из катодного пятн а, а также капель жидкого металла, наличие субструктуры в катодном пятне, которая выражается в мелких (~10-4 мкм) кратерах внутри значительно больших и т.д. Убедительного теоретического описания дугового разряда, которое бы об ъясняло все экспериментальные результаты, долго не было. Первыми, кто по пытался с помощью системы уравнений, описывающих совокупность процесс ов в пятне, определить параметры в пятне, были Ли и Гринвуд (1961). Они задавали сь известными значениями катодного падения потенциала, работы выхода к атода, коэффициента теплопроводности, констант испарения и т.д. Бейлис, Л юбимов, Раховский (1969) для описания процессов переноса тока в прикатодной области использовали совокупность уравнений движения и баланса энерги й тяжелых частиц и электронов в трехкомпонентной катодной плазме. Для оп исания процессов на катоде применялись обобщенное уравнение эмиссии и уравнение баланса энергии на катоде. Эти и другие теоретические подходы к катодному пятну на основе классических представлений об испарении ме талла не смогли объяснить известные экспериментальные данные. Кроме то го, авторы исходили из неверного предположения о том, что плотность тока в пятне не выше 105-106 А/см2. Сейчас можно считать однозначно установленным, чт о плотность тока в пятне порядка 108 А/см2. Именно поэтому изложенные выше ме тоды для описания дуги бесперспективны. Ни один из известных авторов не рассматривал вакуумный разряд как едино е целое: пробой, искра и дуга. Каждой из этих стадий посвящены многие тысяч и статей и десятки монографий. Считается, что все они существуют как бы са ми по себе, а не являются отдельными стадиями одного явления - вакуумного разряда. Г.А. Месяц впервые дал описание всех трех стадий разряда в вакууме (пробой , искра и дуга) с единых физических позиций Он показал, как эти стадии сове ршенно естественным образом переходят одна в другую. Эти позиции основы ваются на признании фундаментальной роли микровзрывов участков катода , которые приводят к взрывной эмиссии электронов (ВЭЭ). Так как взрывной пр оцесс длится сравнительно коротко, то испускание электронов в течение В ЭЭ идет отдельными порциями, которые назвали эктонами (от первых букв сл ов Explosive Centre). Появление каждого эктона сопровождается разрушением участка п оверхности катода, который затем превращается в кратер, появлением жидк ого металла в виде струй и капель, струй плазмы и т.д. Сюда следует добавит ь еще один важный физический эффект - это разогрев анода пучком электрон ов в искровой стадии и появление анодной плазмы и перенос жидкого металл а с анода на катод. Одной из главных причин возникновения микровзрывов я вляется джоулев разогрев микроучастков катода током большой плотности . Все эти процессы составляют основы рассматриваемой нами концепции вак уумного разряда. В рамках этого механизма все три стадии вакуумного разряда находят свое естественное физическое объяснение. Пробой и явления, которые называют предпробойными, - это процесс концентрирования энергии в микрообъеме по верхности катода. Как только удельная энергия, накопленная в этом микроо бъеме, превосходит некоторую предельную величину, начинается взрыв и ст адия пробоя завершается. Начало взрыва и появление ВЭЭ - это начало искро вой стадии. Сама искровая стадия сопровождается постоянным возобновле нием микровзрывов, которые инициируются плазмой и струями жидкого мета лла от предыдущих микровзрывов. Искровая стадия естественным образом п ереходит в дуговую после перемыкания катодной и анодной плазмы и уменьш ения скорости роста тока. Какие факты заставили ученого прийти к заключению о фундаментальной ро ли эктонов в вакуумном разряде? Можно назвать два направления исследова ний, которые этому способствовали. Прежде всего, это цикл работ Г.А. Месяца и его группы, которые привели к открытию явления взрывной эмиссии элект ронов (ВЭЭ) и пониманию физики импульсного вакуумного пробоя и вакуумной искры. В них впервые были использованы методы регистрации тока, напряже ния и свечения из промежутка с наносекундным разрешением, а световые пот оки усиливались в 106 раз. Это позволило визуально наблюдать процессы микр овзрывов на катоде и жестко связать их с появлением электронного тока ВЭ Э, который и определял начальную фазу искрового разряда в вакууме. Сравнение полученных данных для искрового разряда по удельной эрозии к атода и плотности тока на катоде, а также измеренных параметров катодной плазмы, жидкого металла, включая микрокапли и кратеры и т.д., с наиболее до стоверными данными для вакуумных дуг привело к важным выводам. Эти данны е оказались удивительно близкими, что привело автора к выводу об идентич ности процессов, происходящих в катодной области искры и дуги. Но поскол ьку уже было ясно, что основой существования искры являются микровзрывы на катоде и появление ВЭЭ (взрывной эмиссии электронов), то нужно было иск ать доказательства их существования и в самой дуге и объяснять причины и х появления. Для этого Г.А. Месяцем и его сотрудниками была поставлена сер ия экспериментов по исследованию дуги с наносекундным временным и субм икронным пространственным разрешением при токах, близких к пороговому. Эти исследования еще больше убедили ученого в правильности сделанного им предположения. В катодном пятне вакуумной дуги действительно фундам ентальную роль играли микровзрывы участков катода. Эти исследования пр ивели ученого к заключению, что испускание электронов, плазмы, жидкого м еталла и т.д. происходит порционно. Порция электронов и была названа экто ном. Эктон является первопричиной всякой порционности. Только благодар я идее порционности была получена возможность объяснить экспериментал ьные данные по катодным процессам. Это заставило заново пересмотреть известные экспериментальные данные по дуге, полученные и другими учеными. В первую очередь это относится к ис следованиям И.Г. Кесаева. Очень важные выводы, сделанные им, состоят в том, что катодное пятно дискретно в пространстве и времени. Оно содержит отде льные ячейки, ток которых не превышает двух пороговых, и в каждой ячейке п роисходят циклические процессы. Хотя временное разрешение осциллограф а не позволяло точно оценить длительность цикла, но по размерам следа ка тодного пятна (~ 10-4 см) и примерной скорости распространения тепла (104 см/с) мо жно было показать, что оно порядка 10-8 с. Интересно, что существование ячеек и циклов полностью вписывается в эктонный механизм дуги. Ячейка обуслов лена взрывом струи жидкого металла, а цикл - временем существования пред ыдущего взрыва и подготовкой к последующему. Сам И.Г. Кесаев не придержив ался идеи электрического взрыва металла в катодном пятне. Он считал, как и многие до него, что в пятне происходит обычное испарение металла. Однак о для объяснения многих неясных фактов он очень часто возвращался к мысл и о взрывных процессах. Например, анализируя плазменные струи с катода, о н говорил, что “не исключена возможность термического происхождения ст руй при участии взрывных явлений”. Несмотря на выдающиеся экспериментальные результаты, И.Г. Кесаев был нед оволен тем, что он не постиг первопричины катодных процессов дуги, не наш ел того феномена, от которого все зависит. Г.А. Месяц хорошо лично знал И.Г. К есаева и общался с ним в последние годы его жизни. Это был ученый, желавший дойти до самой сути любого явления. Он проявлял исключительно большой и нтерес к открытому Г.А. Месяцем явлению ВЭЭ, предполагая, что оно поможет р аскрыть механизм катодного пятна дуги. Эктон и есть тот феномен, которог о так не хватало Кесаеву для полного понимания проблем дуги в вакууме. Необходимо заметить, что идея взрыва металла в катодном пятне вакуумной дуги высказывалась неоднократно и ранее. Упомянем ряд работ. Например, Т анберг (1930), чтобы объяснить большую скорость разлета струй пара из катода (106 см/с), показал, что необходим разогрев катода до 105 К. Прямое же измерение т емпературы катода показало, что она не выше 3000 К. Поэтому он заметил, что та кой перегрев металла можно получить при взрыве проводников. Для объясне ния уноса массы с катода Некрашевич и Бакуто (1959) предположили, что верхние слои металла катода взрываются. Сравнивая свойства плазмы в катодном пя тне и при взрыве проводников, Ротштейн (1964) заключил, что катодное пятно мож но рассматривать как взрыв металла. Однако он не указал, что и отчего взры вается. Важный вклад в понимание физики катодных процессов в вакуумных р азрядах внесла серия работ Дайка и его сотрудников по автоэлектронной э миссии, опубликованных в 50-60-х годах. Они показали, что при большой плотност и автоэлектронного тока острийный катод разрушается, в результате чего образуется вакуумная дуга. Считалось, что разрушение острия происходит за счет его расплавления. Наиболее интересными среди ранних являются ид еи Фурсея (1967), предположившего, что в катодном пятне вакуумной дуги происх одит взрыв микроострий на поверхности катода током автоэлектронной эм иссии, а самоподдержание дуги обусловлено увеличением плотности тока с таких острий за счет поля в контакте плазма-катод. Однако настоящим прорывом, позволившим в конечном счете понять механиз м вакуумного разряда, включающего пробой, искру и дугу, было открытие в 1966 г оду Г.А.Месяцем и его сотрудниками явления взрывной электронной эмиссии . Тем не менее, Г.А.Месяц признает, что его идеи об эктонной природе катодны х процессов в вакуумном разряде не являются общепризнанными, хотя и имею т много сторонников, причем число сторонников этих идей увеличится. Отметим, что эктонная модель вакуумного разряда естественным образом о бъясняет наблюдаемые Любимовым и Раховским два типа катодных пятен дуг и. Пятна первого типа образуются из-за микровзрывов на катоде за счет вза имодействия катодной плазмы с поверхностью катода. Пятна же второго тип а - это результат взаимодействия плазмы со струями жидкого металла, прив одящего к их взрыву. Несмотря на кажущуюся сложность явлений, происходящих в трех стадиях ва куумного разряда, основными являются два процесса: во-первых, взрыв микр оучастка поверхности катода и сопутствующие ему явления (взрывная эмис сия электронов, эктоны, струи жидкого металла, капли и т.д.) и, во-вторых, вза имодействие плазмы, образуемой от этого микровзрыва или от внешнего ист очника, с катодом и появляющиеся в результате этого новые микровзрывы. Можно назвать три возможных результата взаимодействия плазмы с поверх ностью катода. Во-первых, при воздействии плазмы на диэлектрические плен ки и включения они заряжаются ионным потоком плазмы, а затем происходит их электрический пробой, приводящий к новому микровзрыву на катоде. Во-в торых, микровзрыв может возникать за счет высокой концентрации энергии в микровыступах катода, расположенных рядом с начальным взрывом. В-треть их, новый вторичный микровзрыв возникает при взаимодействии плазмы со с труями жидкого металла, которые образуются при самом взрыве. Второй и тр етий способы возбуждения микровзрывов близки по своей природе. Это созд ание высокой плотности тока в микровыступах катода, их быстрый джоулев р азогрев и взрыв. В результате микровзрывов на катоде возникает взрывная эмиссия электр онов, которая существует короткое время, а затем исчезает. Перед микровз рывом плотность тока составляет около 109 А/см2. Это приводит к быстрому раз огреву микрообъема поверхности катода и его взрыву, который сопровожда ется эффективной термоэлектронной эмиссией. По мере развития микровзр ыва происходит увеличение зоны эмиссии, теплоотвод, унос тепла за счет в ыброса плазмы и нагретого жидкого металла. Эти процессы снижают темпера туру зоны функционирования эктона и плотность тока эмиссии, что приводи т к еще более быстрому охлаждению из-за снижения эффективности джоулева разогрева. Посмотрим подробнее, что происходит в каждой из трех стадий вакуумного п робоя. Вакуумный пробой происходит тогда, когда достигается такая высок ая концентрация энергии в микрообъеме поверхности катода, которая прив одит к микровзрыву. Концентрирование энергии в микрообъеме катода, дост аточной для взрыва, происходит из-за несовершенства поверхности катода, так как невозможно получить абсолютно гладкую и чистую поверхность мет алла. Пробой определяется следующими основными факторами, приводящими к концентрированию энергии в микрообъеме катода и возникновению взрыв ной эмиссии электронов. Это микроскопические выступы на катоде, диэлект рические и полупроводниковые пленки и включения на нем, адсорбированны й газ, а также микрочастицы металла, диэлектрика или полупроводника, кот орые свободно лежат на поверхности. Однако одним из наиболее эффективны х методов создания катодного микровзрыва и взрывной эмиссии электроно в является джоулев разогрев микровыступов на катоде током автоэлектро нной эмиссии. Электрическое поле на кончике микровыступов может усилив аться до 100 и более раз. Следовательно, при среднем электрическом поле в пр омежутке 106 В/см поле на кончике может быть 108 В/см, что соответствует плотно сти тока автоэлектронной эмиссии 108-109 А/см2. При таких плотностях тока взры в микроострий происходит за время 10-8-10-9 с. Зависимость времени задержки вз рыва острия /э от плотности тока j определяется из зависимости j2t = h, где h - уде льное действие, которое зависит от сорта катода. При инициировании вакуумного пробоя важную роль играет плазма от каког о-либо источника, направляемая на катод. Для того чтобы эта плазма была эф фективной, достаточно затратить 10-8 Дж энергии. Эта плазма взаимодействуе т с катодом и приводит к появлению новых микровзрывов за счет зарядки и п робоя диэлектрических пленок и включений, а также за счет усиления плотн ости тока на микровыступах катода. Плазма на катоде может создаваться за счет различных внешних воздействий, таких, как луч лазера, удар ускоренн ой микрочастицы о катод, быстрый нагрев катода, воздействие на него элек тронного пучка и т.д. В первом и втором случаях плазма образуется за счет б ыстрого разогрева катода. В третьем и четвертом случаях происходит десо рбция газа и его ионизация в электрическом поле электронами термоэлект ронной эмиссии с катода или воздействующими на катод ускоренными элект ронами. Таким образом, всякое воздействие на катод, приводящее к пробою, произво дит этот пробой за счет создания на нем плазмы. Пробой возникает также при образовании плазмы на аноде. Однако энергии, необходимой для образования плазмы, в этом случае нужно на несколько пор ядков больше, чем при катодном инициировании пробоя. В этом случае пробо й возникнет тогда, когда появится хотя бы один микровзрыв на катоде. Ионы анодной плазмы попадают на катод. Они разогревают катод и заряжают диэле ктрические пленки и включения, что, в конечном счете, приводит к образова нию катодной плазмы, появлению микровзрывов, взрывной эмиссии и эктонов. Если считать, что пробой обусловлен взрывом микроострий на катоде током автоэлектронной эмиссии, то пробивное напряжение должно быть прямо про порционально длине промежутка. Однако в ряде случаев наблюдается откло нение от этой закономерности. Этот эффект получил название эффекта “пол ного напряжения”. Его существование часто используют как аргумент прот ив механизма вакуумного пробоя, обусловленного микровзрывами на катод е. Однако это не так. Этот эффект означает, что иногда для микровзрыва недо статочно только тока АЭЭ (анодной электронной эмиссии), а нужны другие яв ления, которые также приводят к концентрированию энергии в микрообъема х катода. К этим явлениям относятся отрыв микрочастиц от анода и удар их о катод, разогрев анода микропучками электронов автоэлектронной эмиссии из микровыступов на катоде, испарение участков анода при ударе о него ми крочастиц с катода и т.д. Все эти процессы приводят к образованию на катод е плазмы, которая ускоряет процесс концентрирования энергии в микрообъ емах катода. Следовательно, это те же эффекты, которые имеют место при про бое от набегания на катод плазмы от внешнего источника. После того, как в микрообъеме катода достигается энергия, необходимая дл я его взрыва, начинается взрыв, стадия пробоя завершается и начинается и скровая стадия. Появление микровзрыва сопровождается электронным токо м взрывной эмиссии. Этот ток в результате джоулева разогрева металла и п риводит к образованию плазмы и жидкого металла. Чтобы искровая стадия бы ла самоподдерживающейся, кроме самого факта взрыва необходимо еще выде ление некоторой критической массы для обеспечения нужного количества плазмы и жидкого металла. Их взаимодействие и приводит к самоподдержани ю искрового разряда. Микровзрывы на катоде обусловливают его эрозию, т.е. унос катодной массы. Она состоит из трех компонент: плазменной, жидкометаллической (капли), па ровой. Кроме того, с поверхности катода уносятся адсорбированные газы, а также диэлектрические и полупроводниковые загрязнения. Однако основны ми компонентами эрозии являются плазма и жидкий металл. Скорость разлет а катодной плазмы для большинства металлов лежит в пределах (1-2)-106 см/с. Като дная плазма содержит ионы с кратностью заряда от одного до пяти и более, а также нейтральные атомы. Электронная температура такой плазмы в катодн ой области составляет 4 - 5 эВ. Концентрация этой плазмы крайне неоднородна . В зоне микровзрыва она составляет порядка 1021 см-3, а затем спадает. Для меди удельная ионная эрозия составляет 4- 10~5 г/Кл. Капли жидкого металла образую тся в результате их отрыва от жидкометаллических струй. Скорость движен ия жидкого металла из зоны катодного пятна составляет порядка 104 см/с. Она определяется высоким давлением катодной плазмы на жидкий металл. Для ме ди общее удельное число капель составляет 2-Ю7 капель/кулон. Ток искры, который является током взрывной эмиссии электронов, содержит отдельные порции электронов - эктоны. Наличие эктонов приводит к цикличе скому характеру тока искры. Для меди средний ток электронов эктона не бо лее 10 А, длительность эктонного цикла ~~ 10-8с, а число электронов в нем примерн о 3-Ю11 штук. Взаимодействие этих эктонных электронов, ускоренных электрич еским полем, с ионами от предыдущих эктонных циклов приводит к возникнов ению положительных ионов, двигающихся в аномальном направлении в сторо ну анода. В зависимости от условий эксперимента энергия этих ионов может составлять 103-107 эВ. По-видимому, это коллективное ускорение ионов электрон ными сгустками эктонов. При токе искры 100 А и длине промежутка 1 см в искре п ротекает не менее 103 эктонных циклов. При таком большом числе эктонов в искровой стадии разряда есть ряд общих закономерностей протекания тока. Например, длительность искровой стад ии прямо пропорциональна длине промежутка. А теперь остановимся на механизме самоподдержания искрового разряда. О н обусловлен взаимодействием катодной плазмы с поверхностью катода. Ес ли катод содержит диэлектрические пленки и включения, то ионы плазмы зар яжают их до высокого электрического поля и вызывают их пробой или разряд по их поверхности. В том и другом случаях образуются значительно более п лотные сгустки плазмы, которые приводят к появлению новых вторичных экт онов. Если на поверхности катода нет загрязнений, то вторичные эктоны во зникают за счет эффекта усиления плотности тока на близлежащих микровы ступах катода или на микроструях жидкого металла, возникающих при давле ниях плазмы на жидкий металл. Кроме того, важно учесть разогрев анода. Электроны взрывной эмиссии в ис кровой стадии разогревают анод. Это приводит к появлению плазмы, паров м еталла, а также жидкометаллической фазы металла анода. Скорость анодной плазмы достигает 106 см/с. Это приводит к эрозии анода. Для меди удельный уно с массы составляет 10-2 г/Кл. При бомбардировке анода электронами взрывной эмиссии анод становится источником рентгеновского излучения. Заключительной стадией вакуумного разряда является дуга. Она возникае т после того, как катодная и анодная плазма соединятся, а ток выйдет на ста ционарное состояние. Все особенности дуговой стадии разряда обусловле ны в основном процессами на катоде в катодном пятне дуги. Катодные пятна бывают первого и второго типов. Пятна первого типа появляются на катодах с диэлектрическими пленками и включениями. Они оставляют после себя мно го мелких кратеров, которые отстоят друг от друга на довольно большом ра сстоянии и имеют сравнительно малую эрозию катода. Пятна второго типа по являются на очищенных поверхностях катода и имеют довольно большую эро зию. В этом случае кратеры налагаются друг на друга или касаются друг дру га. В основе анализа вакуумной дуги в этой монографии лежит изучение пят ен второго типа. Катодное пятно имеет ячейки, каждая из которых оставляе т микрократер. Ток ячейки равен двум пороговым токам дуги. Кроме того, про цессы в катодном пятне имеют циклический характер. Это проявляется, в ча стности, в том, что катодное пятно циклически меняет свой катодный потен циал. При этом происходит периодическое увеличение и уменьшение катодн ого потенциала, который, однако, не становится ниже катодного падения. Свойства дуги и искры очень близки. Например, удельная эрозия катода в ду ге и искре почти одинаковы. Близки также свойства катодной плазмы, к прим еру, скорость разлета плазмы ~ 106 см/с, концентрация плазмы в зоне пятна 1021 см-3 температура электронов в зоне 4-5 эВ, наличие многозарядных ионов и т.д. Все это говорит о том, что в основе функционирования катодного пятна дуги, ка к и искры, лежит взрывная эмиссия электронов и эктоны. В основу анализа ду говых процессов нужно брать экспериментальные данные по дугам, ток в кот орых порядка порогового. В этом случае можно изучать отдельную ячейку ка тодного пятна. Рассмотрим подробнее параметры этих ячеек. Для медного катода колебания напряжения в катодных циклах составляют 5-20 В над уровнем катодного падения потенциала UK= 16B. Средняя продолжительнос ть цикла для медного катода равняется 30 нс а для вольфрамового - 25 нс. Приче м в последнем случае подскоки потенциала достигали 50 В. В течение цикла ка тодного пятна существуют ячейки, о которых можно судить по микрократера м, которые остаются в местах функционирования катодных пятен. Через кажд ый микрократер протекает ток, равный двум пороговым. Диаметр кратера при токе близком к току ячейки определяется процессом распространения теп ла за счет теплопроводности в течение длительности цикла. Плотность ток а катодного пятна определяется плотностью тока в ячейке. Она меняется в течение цикла. При функционировании катодного пятна ячейки испускают струи плазмы, ск орости которых для многих металлов равны (1-2)-106 см/с. Эти струи образуются за счет джоулева разогрева и электрического взрыва жидкометаллических ос трий при их взаимодействии с катодной плазмой. Потоки жидкого металла им еют скорость разлета порядка 104 см/с за счет давления на жидкий металл упо мянутых выше плазменных струй. Средняя величина этого давления достига ет 108 Па и более. Жидкий металл выплескивается из катодного пятна в виде ка пель жидкого металла. Для катодов из серебра, кадмия и меди удельное числ о капель, как и для искры, составляет порядка 107 капель/кулон. При токе ячейк и близком к пороговому капля является элементом катодного цикла. Поэтом у по числу испускаемых капель за один кулон можно оценить длительность ц икла. Для указанных выше металлов она составляет 20-30 нс, что близко совпада ет с измерениями другими методами. Теперь рассмотрим природу порогового тока и катодного падения потенци ала в эктонном механизме вакуумной дуги. Пороговый ток это тот минимальн ый ток, при котором дуговой разряд будет самоподдерживающимся. Это проис ходит тогда, когда в каждой последующей струе жидкого металла масса и вл оженная в нее удельная энергия не ниже некоторой предельной величины. Уд ельная энергия для медной струи должна составлять порядка I05 Дж/г. Катодно е падение потенциала - это падение на прикатодном участке неидеальноЙ пл азмы, которая образуется при электрическом взрыве струи жидкого металл а. Например, для обеспечения катодного падения потенциала для медного ка тода (UK = 16 В) удельное сопротивление плазмы должно быть 10-4-10-3 Ом- см, а средняя к онцентрация плазмы не ниже 1021 см-3. При функционировании катодного пятна происходит унос катодной массы. О н, как и в искре, происходит в виде плазмы (ионы), жидкого металла (капли) и ег о паров. Наибольший удельный унос для меди происходит в виде ионов 40 мкг/К л, капельная фракция равна 25 мкг/Кл, а паровая фаза около 8 мкг/Кл. Для больши нства металлов доля ионного тока уносимого на анод составляет 8% от общег о тока дуги. Функционирование катодного пятна сопровождается его хаотическим движ ением. Если приложить магнитное поле перпендикулярное электрическому, то движение принимает направленный характер и происходит в направлени и, противоположном амперовскому, т.е. движению обычного проводника. Это д вижение получило название “обратного движения”. Фактически это движен ие кажущееся, так как происходит отмирание одних ячеек катодного пятна и появление новых. Физическая основа движения пятна второго типа связана с взаимодействием плазмы с микроструями жидкого металла. Это взаимодей ствие приводит к усилению плотности тока в струях, их джоулеву разогреву , взрыву и образованию вследствие этого новых ячеек катодного пятна на б руствере предыдущего кратера, так как именно там появляются струи жидко го металла. Одной из наиболее вероятных причин “обратного движения” явл яется аномальное движение ионов и электронов в катодной плазме. С одной стороны, это обратные электроны, которые возвращаются на катод из катодн ой плазмы, а с другой - положительные ионы, которые после микровзрыва двиг аются с катода на анод, т.е. в аномальном направлении. При функционировании вакуумной дуги имеется конечная вероятность того , что дуговой разряд может погаснуть. Эта вероятность описывается случай ным экспоненциальным законом, а время до погасания разряда растет с рост ом тока экспоненциально. С точки зрения эктонного механизма дуги это явл ение кажется очевидным, так как взрывная эмиссия периодически исчезает и возникает вновь в эктонных циклах. Поэтому всегда есть вероятность тог о, что при каком-то токе значительная часть эктонов исчезнет “почти” одн овременно, приводя к погасанию всей дуги. Существование тока через катодное пятно, на один-два порядка превышающе го ток ячейки, часто используется как аргумент против эктонного механиз ма. Как было показано выше, в этом случае происходит группировка ячеек ка тодного пятна в непосредственной близости друг от друга. Здесь реализую тся энергетически более выгодные условия для воспроизводства эктонных процессов: выше плотность тока, температура поверхности, концентрация п рикатодной плазмы. Когда плотность тока в таком коллективном пятне сниж ается до средней плотности тока одиночной ячейки, происходит его делени е. Наличие субструктуры катодного пятна подтверждено экспериментальны ми данными по колебаниям светового излучения пятна, его электронно- опти ческой съемкой и эрозионными следами, оставляемыми на катоде. Итак, мы показали, что в основе функционирования всех трех стадий вакуум ного разряда, - пробоя, искры и дуги, лежат микровзрывы поверхности катода , взрывная эмиссия электронов и эктоны. Исходя из этого подхода, можно удо влетворительно объяснить многообразие процессов в катодной области ва куумного разряда. Никакой другой подход к изучению вакуумного разряда э того сделать не позволяет. Существуют два механизма возбуждения вакуумного пробоя плазмой на кат оде: один за счет зарядки диэлектрических пленок и включений и их пробоя, а второй за счет усиления плотности тока на микровыступах катода. В перв ом случае плотность плазмы, инициирующей разряд, на несколько порядков м еньше, чем во втором. Есть различные методы инициирования вакуумного пробоя за счет внешнег о воздействия. Наиболее хорошо изученными являются лазерное иницииров ание, а также удар ускоренной микрочастицы об электрод. Во всех этих мето дах главным для пробоя является достижение большой концентрации энерг ии в микрообъеме катода, образование первичных эктонов и начало взрывно й эмиссии электронов. Несмотря на различные методы инициирования, основ ными физическими эффектами являются образование плазмы и ее взаимодей ствие с поверхностью катода, которое приводит к образованию эктона. Минимальная энергия, необходимая для инициирования пробоя вакуумного промежутка при воздействии на катод ускоренной микрочастицы, составля ет ~ 10-8 Дж, как и в случае прямого воздействия плазмы искры на катод. При возд ействии плазмы на анод в сторону катода будет направлен поток ионов, кот орый, с одной стороны, разогревает катод и создает условия для возникнов ения на нем плазмы, а с другой - может приводить к зарядке диэлектрических пленок и включений и их пробою. При этом создаются первичные эктоны, кото рые и инициируют вакуумный пробой в основном промежутке. В этом случае ф актом, значительно облегчающим создание плазмы на катоде, является газ, адсорбированный на его поверхности. Итак, при электрическом взрыве металла вещество проходит несколько сос тояний: твердое, жидкое, смесь фаз, фазовые переходы, газ, плазма. Теоретич еское исследование этого явления чрезвычайно трудно. Точные аналитиче ские решения задачи невозможны. Поэтому очень важную роль играют экспер иментальные исследования уравнений состояния металла и зависимости уд ельного сопротивления и теплопроводности от удельной энергии. Экспери ментальные результаты для широкого диапазона состояния вещества испол ьзуются для построения полуэмпирических моделей, которые анализируютс я компьютерными методами. Кроме того, существуют физические модели, осно ванные на фундаментальных представлениях о строении вещества и строящ иеся с помощью основополагающих принципов. При этом для каждого состоян ия металла используется своя модель. Теоретически наиболее хорошо изуч ены область газовых состояний и область сверхвысоких параметров, когда вещество переходит в чисто атомарное состояние. В этом случае происходи т перестройка атомарных оболочек, которая сопровождается отрывом нару жных оболочек. Все эти эффекты имеют место также и при взрыве проводнико в. Приложения. В последние два десятилетия особо получила развитие физика сильноточных релятивистских электронных пучков (СРЭП), не только потому , что СРЭП явились интересным объектом для научных исследований – они н ашли широкое применение. СРЭП расшифровывается следующим образом. Силь ноточные - это большие токи, до нескольких миллионов ампер; релятивистск ие - это электроны в пучке разогнаны до скоростей, близких к скорости свет а. Энергия электронов может составлять несколько миллионов электронво льт. При создании СРЭП необходимо решить несколько проблем: реализовать эле ктронную эмиссию с высокой плотностью тока; транспортировать пучки в ус ловиях влияния собственного заряда электронов пучка; обеспечить соотв етствующие условия для эффективного использования СРЭП. Устройством д ля получения СРЭП является сильноточный ускоритель заряженных частиц, основной элемент которого - диод - система металлических электродов, раз деленных либо вакуумным промежутком, либо газовым промежутком с соотве тствующим давлением газа. К электродам прикладывается высокое напряже ние, под действием которого происходят эмиссия (выход) электронов из отр ицательного электрода (катода) и их ускорение. Релятивистские электронные пучки сейчас используются для разогрева пл азмы до высоких температур (в задачах управляемого термоядерного синте за), для получение вспышек мощного электромагнитного излучения - от рент геновского до СВЧ-диапазона, для возбуждение квантовых генераторов, для модификация поверхности твердых тел и т.д. В настоящее время ведутся исс ледования в направлении расширения использования СРЭП для решения про блем экологии. Библиография Бугаев С.П., Литвинов Е.А., Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Взрывная эмиссия эле ктронов // Успехи физ. наук. 1975. Т. 115. Вып. 1 Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. М., 1968 Месяц Г.А. Эктоны в электрических разрядах // Письма в ЖЭТФ. 1993. Т. 57. Вып. 1-2 Месяц Г.А. Эктоны. Екатеринбург, 1994 Месяц Г.А. Эктон – лавина электронов из металла // УФН. 1995. Т. 165. № 6 Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М ., 2000 Mesyats G.A., Proskurovsky D.I. Pulsed electrical discharge in vacuum. Berlin, 1989 Mesyats G.A. Explosive Electron Emission. Ekaterinburg, 1998