Мы публикуем текст доклада академика РАН, директора Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Геннадия Андреевича Месяца на тему "Взрывная электронная эмиссия: Порционная концепция электрической дуги" , с которым он выступил на Президиуме РАН 15 октября 2013 года. 

В настоящее время во многих учебниках, научных книгах и энциклопедиях утверждается, что электрическая дуга – это один из стационарных электрических разрядов. Электрические дуги – явление очень распространённое. Мы говорим о дуге, которая горит сколько угодно долго при изначально холодных электродах. В этом явлении есть много фактов, которые очень трудно объяснить с точки зрения классической физики электрических разрядов.

Катодное падение низкое и находится на уровне первого потенциала ионизации паров катода. Положительные ионы с катода движутся против электрического поля. Катод испускает струю плазмы с такой скоростью, как будто он нагрет до миллиона градусов, а реальная температура катодного пятна равна только нескольким тысячам градусов. Плазменный столб дугового разряда в магнитном поле движется в сторону обратную, чем предсказывает правило Ампера и т.д. 

Физическое явление считается одним из нераскрытыхнаучных символов XX-го века. Над ним работали многие выдающиеся ученые: Комптон, Вуд, Штарк, Холл, Лэнгмюр, Фаулер, Милликен, Дайк, Оппенгеймер, Штенбек, Ромпе и др. Среди российских ученых следует назвать имена Арцимовича, Кесаева, Грановского, Елинсона, Мандельштама и др. 

Первый ключ к разгадке этого явления был получен в 1966 г. благодаря открытию нами в Томском политехническом институте явления взрывной эмиссии электронов (далее – ВЭЭ). Это было сделано благодаря разработке техники мощных наносекундных импульсов. 

На основе разработок и открытия была создана сильноточная наносекундная импульсная энергетика и электроника, оказавшая огромное влияние на создание техники мощных импульсных генераторов электрической энергии, ускорителей электронов, мощных газовых лазеров, сверхвысокочастотных устройств, импульсных рентгеновских устройств большой мощности и т.д. Используя высоковольтную наносекундную технику, было показано, что ВЭЭ является порционным процессом.

Опираясь на многолетние исследования ВЭЭ, нами была найдена аналогия с процессами в дуге. Было показано, что на катоде дуги происходят самоподдерживающиеся электрические взрывы струй жидкого металла из-за большой концентрации энергии в них. При каждом таком взрыве испускается порция плазмы, получившая название «эктон».

В одном эктоне, в среднем, содержится триллион электронов и сто миллиардов ионов. Зона, где разыгрывается это явление, имеет размер порядка микрон. При таком микроскопическом взрыве давление на катодное пятно превышает десять тысяч атмосфер. Плотность тока – сто миллионов ампер на квадратный сантиметр. Длится этот взрывной процесс примерно 10 наносекунд и далее постоянно возобновляется. Пространство, где образуется эктон, называется ячейкой. Процессы в ней обусловливают все свойства дуги.

Последние новые результаты в этой области были получены нами в конце прошлого года и в этом году. Во-первых, проведена работа по измерению зависимости скорости ионов в дуге от тока. Было показано, что одно-, двух-, трех- и четырехзарядные ионы меди, несмотря на разные заряды, движутся с одной и той же скоростью, а средний заряд ионов не зависит от тока. Во-вторых, пороговый ток дуги можно объяснить критерием брызгообразования в жидком металле из-за взаимодействия их с плазмой.

Таким образом, дуги горят не на твёрдом катоде, а на жидком. В-третьих, при очень большом увеличении в электронном микроскопе отдельных струй жидкого металла, мы обнаружили, что их средняя масса равна массе ионов в эктоне. Всё это стало окончательным доказательством того, что электрическая дуга – это процесс порционный, обусловленный взрывами струй жидкого металла.

Эта модель была предложена и разработана нами в ходе совместной многолетней работы Томского политехнического университета, а также Института сильноточной электроники СО РАН и Института электрофизики УрО РАН, которые были основаны мной в Томске и Екатеринбурге в 1970-х и 1980-х годах.

 

Явление электрической дуги широко известно. Это явление мы наблюдаем в обычных выключателях, резке, плавке и сварке металлов, в напылении, в электроискровой обработке металлов, в вакуумных выключателях и т.д. Оно было открыто ещё в 1802 г. русским ученым, профессором Медико-хирургической академии Санкт-Петербурга В.В. Петровым, который впоследствии стал академиком. Он испытывал вольтов столб, у него произошло короткое замыкание, он увидел мощную вспышку и описал ее в своей книге. Так как она была написана на русском языке, то об этом не знали в Европе. В 1808 г. англичанин Дэви также наблюдал это явление и опубликовал сообщение о нем.

Исследовать физику этого процесса начали более сто лет назад, в конце 90-ых гг. XIX века. Объяснения этого явления, которые приводятся во всех научных книгах такое: за счет автоэлектронной эмиссии происходит нагрев микроучастков катода, потом начинается испарение, ионизация этого пара, ионы пара идут на катод, усиливают электронную эмиссию, происходит процесс самоподдержания дуги. Таким образом, считалось, что дуга – процесс стационарный.

На этом слайде я показал компактные импульсные наносекундные генераторы, разработанные членами-корреспондентами РАН В.Г. Шпаком и М.И. Яландиным в Институте сильноточной электроники СО РАН и Институте электрофизики УрО РАН, которые до сих пор пользуются большим спросом, в частности, для исследования вакуумных и газовых разрядов.

Решить эту проблему оказалось возможным только разработав технику мощных наносекундных импульсов и методы сверхскоростной регистрации электрических и оптических процессов. Разработка наносекундной мощной импульсной техники позволила выяснить это. Фактически в этих установках были проведены основные эксперименты, которые привели к открытию порционности дуги. 

Этот генератор позволяет получить более миллиона ампер электрического тока и первоначально использовался для нагрева мишеней и получения плотной горячей плазмы.

  

Это огромная установка на принципах наносекундной техники, сделанная в Томске академиком Б.М. Ковальчуком. 

 

Это еще один наносекундный генератор с напряжением до миллиона вольт, с частотой следования импульсов до килогерц. Видна шестиметровая плазменная корона на проводе.

 

Это полупроводниковые SOS-диоды, которые работают на эффекте быстрого обрыва тока при плотностях до 10⁴ ампер на квадратный сантиметр. При этих плотностях тока происходит резкий обрыв тока. Этот эффект был открыт доктором наук С.Н. Рукиным в Институте электрофизики УрО РАН. На этом была построена фактически целая индустрия полупроводниковых импульсивных генераторов большой мощности.

Взрывная электронная эмиссия позволила получать огромные электронные токи. Возникло совершенно новое направление в технике ускорителей электронов. Токи, которые получаем мы, например, в Томске, составляют многие миллионов ампер. Можно привести три важных примера приложения этих мощных пучков для получения мощных электромагнитных импульсов. 

Во-первых, это мощная импульсная рентгеновская техника. Здесь на схеме показано как всё это происходит.  

Это пример установки, которая была сделана в Институте сильноточной электроники. Здесь присутствует член-корреспондент Н.А. Ратахин, который является у нас главным специалистом в этом деле.

Для получения мощного СВЧ-излучения эти электронные пучки пропускают через резонатор. В 1973 году на ускорителях, которые были сделаны в Томске, в ФИАНе, был поставлен эксперимент с участием Института прикладной физики РАН. Было получено излучение 300 мегаватт. Это было выдающееся событие – 300 мегаватт в импульсе длительностью 50 наносекунд. Эта идеология получила очень широкое приложение. Эта идеология получила очень широкое приложение.

Это крупнейшая в мире импульснопериодическая установка «Синус-7» с импульсами СВЧ-излучения длительностью порядка 50 наносекунд, с мощностью в импульсе до 6 гигаватт. 

Это самая мощная в мире установка – 5-10¹⁰ Ватт. Она называется «Гамма». В свое время она наделала много шума, но, к сожалению, финансирование прекратилось. 

Физические исследования этих СВЧ-генераторов проводятся также на настольных установках на базе «Радан», которые я показывал выше. Такие работы сейчас у проводятся у нас на Урале. 

Техника мощных наносекундных импульсов и взрывная эмиссия электронов оказали огромное влияние на развитие работ по мощным газовым лазерам. Я покажу только последнюю разработку ИСЭ и ФИАН – это комбинированный лазер, в котором электронный пучок до полмиллиона ампер цилиндрическим образом накачивает газовую смесь и получается 15 тераватт лазерной энергии в видимом диапазоне света при 50 фемтосекунд. 

Здесь показано, как на базе наносекундной техники было открыто явление взрывной электронной эмиссии, которое было официально признано открытием. И открытием была признана закономерность протекания тока в газах высокого давления при интенсивной ионизации газа. Это, по существу, и послужило основой разработки мощных газовых лазеров. 

С чего начинался у нас интерес к электрической дуге? Разрабатывая высоковольтную наносекундную технику в рамках моей докторской диссертации, возникла проблема вакуумного ключа. Нам нужно было быстро включать электрический ток. Но быстро не получилось.

Решая эту, абсолютно прикладную задачу, в 1965 году в Новосибирске, в Институте ядерной физике СО РАН, я и два моих аспиранта С.П. Бугаев и Д.И. Проскуровский провели эксперименты, чтобы понять, что происходит в вакууме между катодом и анодом, как ускорить процесс замыкания тока. Позже один из них стал академиком (С.П. Бугаев), а другой профессором (Д.И. Проскуровский). 

Оказалось, что получить короткое время ~10^-9 с включения тока в вакууме нельзя. Для ускорения включения нужно между катодом и анодом вставить диэлектрик. Однако само явление пробоя оказалось очень интересным.

Здесь показано нарастание тока в вакууме и представлены несколько фотографий свечения с экспозицией 3 наносекунды каждая. В начале там нет плазмы. Это время называется пробоем, то есть подготовкой. Потом на катоде появляется плазма, которая двигается в сторону анода со скоростью 10⁶ см/с. Через некоторое время она появляется и на аноде, и происходит замыкание промежутка.

Показаны, по существу, три фазы электрического разряда в вакууме. Первая — пробой, вторая — искра, и окончательная — дуга. В стадии искры и происходит взрывная электронная эмиссия, т.к. в этой стадии между катодной плазмой и анодом течет ток, который оказался электронным.

Вывод из этого следовал такой. На поверхности катода имеются микронеоднородности. За счет тока автоэлектронной эмиссии они взрываются, и на катоде образуется плазма. Между катодной плазмой и анодом протекает электронный ток. Таким образом, была открыта взрывная электронная эмиссия, которая в дальнейшем сыграла огромную роль в становлении того, что мы называем сильноточной электроникой.

На очищенных электродах видны микровыступы, на кончиках которых электрическое поле может усиливаться до сотни раз. 

 

Здесь показаны коэффициенты усиления поля на микроостриях в зависимости от геометрии. Фактически они могут быть стократные и более.

 

Здесь показан взрыв специально подготовленного острия, а также появление плазмы на нем и тока ВЭЭ. Показана формула Фаулера-Нордгейма, из которой следует, что при больших электрических полях F=10⁸ вольт на сантиметр, ток может достигать 10⁹ ампер на квадратный сантиметр. Такие условия приводят к взрыву острий на катоде за время ~10^-9 секунд.

 

Здесь показана зависимость времени задержки взрыва острия t от электрического поля Е (кривая 1) и плотности тока j (кривая 2).

 

Как возникает взрывная электронная эмиссия? В стадии пробоя течет ток автоэлектронной эмиссии.

Затем начинается взрывная электронная эмиссия из-за большого усиления поля на микронеоднородностях. Возникают электрические взрывы металла за счет колоссальной плотности тока на остриях.

Плотность энергии по оценкам скорости ионов, которые оттуда идут, составляет примерно до 10⁵ джоулей в грамме.

На этой фотографии показан рост свечения на катоде (а) и на аноде (б) со временем.

 

В рамках джоулевой модели нагрева катода ток электронов взрывной эмиссии прекращается из-за охлаждения зоны эмиссии за счет теплопроводности. 

Ток взрывной эмиссии течет в виде порций – эктонов. Доказывается это так. Если в центре анода сделать отверстие, то видно, что электронный ток из нее течет отдельными порциями. Этот факт натолкнул нас на мысль, что реально рост тока в искре носит циклический характер и что именно такая же цикличность может быть в электрической дуге. Когда мы стали сравнивать свойства плазмы при ВЭЭ со свойствами плазмы в дуге, то оказалось, что они очень близки. Речь идет о скорости движения плазмы, удельном уносе массы с катода, плотности тока, пороговом токе, составе плазмы и т.д.

Стали внимательно выяснять, что происходит на катоде. На катоде происходит обычный взрыв, примерно такой, как мы видим на поверхности Земли, Луны или Марса из-за падения на них метеоритов. Но все это микронные размеры. 

Здесь видны кратеры от взрывов на катоде, струи металла и капли. Это кратеры на плоском катоде при различных длительностях взаимодействующего импульса напряжения.

Это типичный кратер, полученный при длительности импульса тока 10 нс, микронный размер, где мы видим струю металла, которая застыла. А это капля, которая от нее оторвалась. То есть, это цикл, где четко показано, что это взрыв, что существуют струи жидкого металла и летят капли.

Все это навело на нас на мысль о том, что электрическая дуга и все непонятные явления, которые, на первый взгляд, противоречат современной физике, можно объяснить, если считать, что в электрической дуге происходят постоянные взрывы, погасание этих взрывов, а дальше предыдущий взрыв оказывает такое влияние на рядом стоящие струи металла, что они взрываются тоже. Физика таких взрывов частично известна из исследований электрического взрыва проводников.

 

Условия эксперимента очень важны, потому что вакуум должен быть 10^-8 мм ртутного столба, ток – меньше 100 ампер, параметры электрических цепей L и С должны быть такие, чтобы не влияли на временной процесс. Цикл, в течение которого происходит взрыв, равен примерно 10^-8 секунд. Должна быть очень глубокая очистка поверхности катода.

 

Здесь показано распределение потенциала между катодом и анодом в электрической дуге и анодной зоне. У анода наибольшее падение потенциала. Один из самых непонятных эффектов – то, что катодное падение имеет очень низкое значение и величину порядка первого потенциала ионизации атомов катода, то есть порядка 10 вольт, в то время как в газе это падение – 100-200 вольт.

В 1930-ых гг. выдающийся физики Комптон, который занимался этой проблемой, дал такое определение электрической дуги. Он сказал, что дуга – это разряд, при котором наблюдается очень низкое катодное падение потенциала, сравнимое с потенциалом ионизации атомов металла катода.

Видно, как при горении дуги разлетаются нагретые капли металла. Эта фотография была сделана обычным фотоаппаратом.

Здесь показаны кратеры на катоде при наличии диэлектрических загрязнений на его поверхности. Видно, что если катод загрязнен, образуется очень много кратеров. Поэтому физику дуги с таким катодом изучить нельзя.

При чистом катоде и условиях, о которых я говорил выше, кратеры выстраиваются по-другому. Они возникают на местах, где дуга уже горела.

Как видно, образуется очень много ячеек. Они привязаны друг к другу. Это значит, что одна ячейка образуется на том месте, где образовались струи жидкого металла от предыдущей ячейки. 

Эти фотографии получены недавно. Мы тщательно рассмотрели и статистически обработали эти струи. Оказалось, что одна струя имеет примерно ту же массу, что ионы в эктоне, которые покидают эту ячейку за одним цикл. Это доказывает, что ионный ток образуется за счет электрического взрыва этих струй. Эти струи были получены в дуге с вольфрамовыми электродами.

Здесь видны струи и капля вольфрама, которая не успела оторваться от струи. Долго шел спор, почему происходит самоподдержание дугового процесса, отчего происходят новые взрывы.

Для термоэмиссий не хватает температуры. Автоэлектронной эмиссией –тоже трудно объяснить, так как мало электрическое поле, всего 10⁵ вольт/см, а нужно 10⁸.

Возможно, что в узком перешейке при отрыве капли весь ток проходит через перешеек капля-струя и взрывается. В этом перешейке будет очень высокая плотность тока (~10⁹ А/см²). Это подтверждает мою идею о том, что для того, чтобы произошло самоподдержание дуги и появился новый электрический взрыв, не обязательно наличие большого электрического поля. Это может произойти от взрыва перешейка.

Это катодные пятна дуги на катоде. В качестве катода используется медная проволока, на которой течет ток. За счет магнитного поля тока в проводнике, пятно движется против направления Ампера. Это еще одно противоречие, которое никто не мог объяснить, почему здесь не работает обычная электродинамика.

Это видно внизу. Для дуги это примерно 15 вольт.

Здесь показано, как на катодном падении потенциала возникают колебания. Эти колебания возникают от того, что в каждой ячейке, когда происходит взрыв и образуется неидеальная плазма, падение потенциала на этой неидеальной плазме дает, так называемое, катодное падение. Но как только этот взрыв прекращается, то, как и при всяком обрыве тока в электрической цепи, потенциал подскакивает.

Цикл имеет две части – электронную, когда работает ВЭЭ, и ионную, когда электронная эмиссия прекращается и готовится новый микровзрыв. Короче говоря, мы имеем цикл. Мы имеем ячейку, в которой происходят циклические процессы.

Было сделано очень много исследований, связанных с математическим моделированием. В одной этой маленькой ячейке микронного размера происходит электрический взрыв. Образуется плазма. Сразу несколько состояний вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Эта область научных интересов академика В.Е. Фортова, совместно с которым у нас было выполнен ряд работ.

Здесь одновременно работает несколько физических процессов: эмиссионная электроника, физика плазмы, гидродинамика, физика взрыва и т.д. Это исключительно сложный процесс в металле в объемах микронных размеров. Выводы, к которым мы пришли, состоят в том, что вся физика катодного пятна находится и делается в одной ячейке и проходит за один цикл. В этой ячейке происходит взрыв. Из нее испускаются ионы, которые со скоростью 10⁶ см в секунду летят в сторону анода.

Там же заложена возможность погасания дуги, потому что, как я говорил, в цикле имеется две части: одна – когда идет взрыв, другая – когда взрыв прекращается, и напряжение на катодной зоне резко увеличивается. Однако предыдущий взрыв должен создать возможность для следующего. Вот так и происходит самоподдержание электрической дуги.

Не продолжая дальше, я покажу, как мы на основании наших экспериментов и экспериментов других ученых расшифровали параметры эктонного цикла и параметров процессов в ячейке на медном катоде при тех условиях эксперимента, о которых я говорил выше.

Вот некоторые параметры эктонного цикла в ячейке: 

1. Ток ячейки i_я = 3.2 А

2. Плотность тока в ячейке ~10⁸ А/см²

3. Длительность цикла в ячейке ~30 нс

4. Электронная доля цикла ~25 нс

5. Ионная доля цикла ~5 нс

6. Зарядность ионов: +1 (16%); +2 (63%); +3 (20%); +4 (1%)

7. Средний заряд ионов 2.1

8. Среднее число ионов с таким зарядом ~10¹⁰ штук

9. Удельная масса ионов ~40^.10^-6 г/кул

10. Скорость ионов не зависит от их заряда и составляет 1.3^.10⁶ см/с

11. Давление плазмы на катод в зоне ячейки ~10⁴ атм.

Для оценки этих параметров мы использовали как экспериментальные результаты наших институтов ИСЭ СО РАН и ИЭФ УрО РАН, так и некоторые данные других ученых: Даалдера (Голландия), Кимблина (США), Ютнера (ФРГ), Кесаева (СССР), Танберга (США).

Для достижения поставленной цели мы использовали все лучшие приборы,  которые в то время существовали в мире. Эксперименты проводились не только в России, но и в Великобритании, Германии, США, Франции и Японии. Это позволило нам провести идентификацию процессов в ячейке. Ячейка – это некий ген электрической дуги, от которого зависят все ее свойства.

Таким образом, мы доказали, что дуга – это не стационарный процесс, а порционный, и что происходит он на жидком металле. Подтверждением этому служат также три линейных закона вакуумной дуги, которые не нашли однозначного подтверждения в существующих теориях.

Танбергом (1930) было показано, что в процессе функционирования дуги на катод действует сила пропорциональная току дуги, т.е. F=K_T^.i.

Кимблин (1971) показал, что ток ионов в дуге определяется зависимостью i_i=K_K^.i.

Даалдер (1976) показал, что энергия, которая не передается катоду при фиксированном времени функционирования дуги t составляет W=K_D^.i.

Здесь K_T, K_K и K_D – коэффициенты Танберга, Кимблина и Даалдера.

Эти три линейные зависимости величин F, i_i и W от тока i очень просто объединяются в рамках порционной модели дуги, т.к. ток дуги растет пропорционально числу ячеек на катоде и эктонов, которые они испускают.

Кроме того, что взрывная электронная эмиссия объясняет вакуумный разряд в целом (пробой, искра, дуга), она еще является вторичным процессом во многих разрядах наравне с автоэлектронной, термоэлектронной, электронно-ионной, фотоэлектронной эмиссиями, которые широко используются в физике плазмы и электрических разрядов. В частности, она имеет место в электрических разрядах в газах в правой и левой ветвях Пашена, при переходе тлеющего разряда в дуговой, в униполярных дугах, и электрических контактах в газах при высоких электрических полях.

А сейчас я дам перечень некоторых книг, которые были написаны мной лично и совместно с моими коллегами. Всего их 22, а здесь только те, которые имеют отношение к теме.

1. Г.А. Воробьев, Г.А. Месяц. Техника формирования высоковольтных наносекундных импульсов. Госиздат, 1963.

2. Г.А. Месяц, Д.И. Проскуровский. Импульсный электрический разряд в вакууме. Наука, 1976.

3. Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц. Автоэлектронные и взрывные процессы в газовом разряде. Наука, 1973.

4. Г.А. Месяц. Генерирование мощных наносекундных импульсов. Советское радио, 1974.

5. Г.А. Месяц. Эктоны (в трех томах). Екатеринбург, 1993.

6. Г.А. Месяц. Импульсная энергетика и электроника. Наука, 2004.

7. Г.А. Месяц. Эктоны в вакуумном разряде. Наука, 2000.

8. Г.А. Месяц. Взрывная электронная эмиссия. Физматлит, 2011.

Пять из этих книг и ряд других переведены на английский и китайский языки. Кроме того, мы с профессором И.В. Пегелем написали учебник «Введение в наносекундную импульсную энергетику и электронику». Он используется на наших кафедрах «Физика плазмы» в Томском университете, кафедре «Сильноточная электроника» в Томском политехническом университете, кафедре «Электрофизика» в Уральском политехническом университете, а также на кафедре «Электрофизика» в МФТИ.

Спасибо за внимание!

 

Источник: polit.ru