Экспериментальное исследование аномальной электронной эмиссии иридия и родия при импульсном нагревании электрическим током тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, кандидат физико-математических наук Степанова, Наталья Викторовна

• Степанова, Наталья Викторовна
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Степанова, Наталья Викторовна

1 Аннотация

2 Введение

2.1 Место представляемой работы в исследовании металлов импульсным методом.

2.2 Постановка задачи.

3 Обзор литературы

3.1 Эксперименты с шунтирующим разрядом.

3.2 Явления в вакуумной лампе с вольфрамовым эмиттером, нагреваемым импульсом электрического тока

3.2.1 Эксперименты в двухэлектродной лампе

3.2.2 Эксперименты в трехэлектр одной лампе

3.3 Нарушение закона Богуславского-Лэнгмюра при нагревании катода из вольфрамовой проволоки импульсом тока большой плотности.

3.4 О роли поверхностных загрязнений.

3.5 Аномалии электронной эмиссии никелевой проволоки

3.6 Прохождение электронного тока через запирающее магнитное поле.

3.7 Измерение аномальной теплоемкости.

3.8 Выводы из предшествующих работ по аномальной электронной эмиссии металлических проволок.

3.9 О влиянии структуры поверхности металлов на его эмиссионные свойства.

4 Качественная физическая модель, предлагаемая для объяснения наблюдаемых явлений

4.1 Используемые положения теории.

4.2 Модель неравновесных электронных поверхностных состояний

4.3 Вывод.

5 Методика эксперимента

5.1 Электрическая схема установки

5.1.1 Цепь 1.

5.1.2 Цепь 2.

5.2 Вакуумная система

5.3 Импульсы нагревающего тока

5.4 Магнитное поле нагревающего тока и падение напряжения вдоль катода

5.5 Влияние объемного заряда.

6 Описание экспериментов

6.1 Предварительная термообработка иридиевого катода

6.2 Оценка температуры иридиевого катода при импульсном нагревании

6.3 Электронная эмиссия иридиевого катода при квазистационарном нагревании

6.3.1 Методика определения температуры катода при квазистационарном нагревании.

6.3.2 Результаты эксперимента.

6.4 Зависимость электронной эмиссии иридиевого катода от температуры при импульсном нагревании.

6.4.1 Методика и результаты экспериментов

6.4.2 Сопоставление электронной эмиссии иридиевого катода, регистрируемой при импульсном и квазистационарном нагревании.

6.5 Оценка остывания катода.

6.5.1 Уменьшение температуры иридиевого катода в результате светового излучения.

6.5.2 Уменьшение температуры иридиевого катода в результате отвода тепла через его торцы.

6.5.3 Вывод.

6.6 Электронная эмиссия иридиевого катода при различной скорости его остывания.

6.7 Зависимость электронной эмиссии от температуры предыдущего импульсного нагрева (эффект предыстории).

6.8 Теоретические значения нормального коэффициента Шоттки

6.9 Экспериментальные значения коэффициента Шоттки для иридиевого катода в процессе его импульсного нагревания электрическим током.

6.9.1 Методика эксперимента.

6.9.2 Результаты экспериментов.

6.10 Экспериментальные кривые Шоттки иридиевого катода при импульсном нагревании.

6.10.1 Оценка погрешности в определении величины ке/кп

6.10.2 Анализ кривых Шоттки.

6.10.3 Вывод.

6.11 Эмиссия положительно заряженных частиц с иридиевого катода при импульсном нагревании.

6.12 Внешний вид иридиевого катода после экспериментов

6.13 Электронная эмиссия родиевого катода при импульсном и квазистационарном нагревании.

6.14 Выводы.

7 Обсуждение результатов

7.1 Некоторые сведения об электронной эмиссии металлов платиновой группы.

7.2 Некоторые сведения о влиянии термообработки металлов на структуру их дефектов

7.3 О механизме образования ЭПС

7.4 О причинах нестабильности электронной эмиссии иридия при квазистационарном нагревании.

7.5 Эффект предыстории.

7.6 Влияние отбора электронного тока на электронную эмиссию при импульсном нагревании.

7.7 Кривые Шоттки.

7.8 Ток положительных ионов с иридиевой проволоки.

7.9 О причинах нарушения закона Лэнгмюра и о прохождении анодного тока через запирающее магнитное поле.

7.10 Электронная эмиссия родиевого катода при квазистационарном и импульсном нагревании.

7.11 Связь предлагаемых интерпретаций с предшествующими гипотезами

7.12 Выводы.

Заключение диссертации по теме «Электрофизика, электрофизические установки», Степанова, Наталья Викторовна

Основные результаты данной диссертации, которые выносятся на защиту :

1. Экспериментально найден режим термообработки иридиевого катода, обеспечивающий его механическую прочность и воспроизводимость электронной эмиссии при импульсном нагревании.

2. Экспериментально установлены условия нарушения воспроизводимости электронной эмиссии иридиевого катода при импульсном нагревании (эффект предыстории).

3. Измерен коэффициент Шоттки в импульсном процессе нагревания (1г) для широкой области температур (вплоть до температуры 0.95ТплаВл)

4. Обнаружено влияние отбора электронного тока на величину аномалий электронной эмиссии и эффекта Шоттки (1г).

5. Получены экспериментальные данные по электронной эмиссии иридиевого катода при его квазистационарном нагревании и проведено сопоставление с импульсными данными.

6. Обнаружена эмиссия положительно заряженных частиц при импульсном нагревании иридиевой проволоки.

7. Предложена точка зрения, что причиной аномальной электронной эмиссии является неравновесное распределение электронной плотности на поверхности металла, возникающее при импульсном нагревании при условии отбора эмиттируемых электронов.

Я благодарна своему научному руководителю Сергею Владимировичу Лебедеву, передавшему мне свой научный и жизненный опыт. Особую признательность выражаю Савватимскому Александру Ивановичу за безотказную профессиональную помощь на протяжении всей экспериментальной работы, а также Скворцову Владимиру Анатольевичу за поддержку на последнем этапе работы.

8 Заключение

Представленные в диссертации эксперименты с проволоками из 1г и Ш1 подтвердили вывод о существовании аномальной электронной эмиссии металлов в твердом состоянии в условиях импульсного нагревания электрическим током большой плотности, сделанный ранее [11] для проволок из и N1. Исследованные металлы (1г, Шэ.) относятся к металлам платиновой группы, которые отличаются нестабильностью термоэмиссии в стационарных условиях. Обнаружено существенное различие свойств проволочных катодов из 1г и ГШ таких, как воспроизводимость электронной эмиссии и механическая прочность (при импульсном и квазистационарном нагревании). Для катода из иридиевой проволоки посредством определенной термообработки достигнута высокая механическая прочность и воспроизводимость аномальной электронной эмиссии в процессе повторяющихся импульсных нагреваний выше температуры 0.9ТПЛ, а также определены условия нарушения этой воспроизводимости. Получена зависимость аномалий электронной эмиссии от температуры импульсного накала и обнаружена ее связь с нестабильностью термоэмиссии при квазистационарных измерениях (1г). Измерен эффект Шоттки для различных моментов времени импульсного нагревания иридиевого катода в широкой области температур (1900 - 2600 К). Установлено, что в процессе импульсного нагревания при условии запирания тока электронной эмиссии магнитным полем нагревающего тока в области температур 2100 - 2500 К происходит формирование эмиссионной способности катода под воздействием внешнего электрического поля у его поверхности (1г) . При изменении полярности напряжения, прикладываемого к межэлектродному промежутку, обнаружена эмиссия положительно заряженных частиц с проволоки (1г), которая имеет закономерности, аналогичные аномальной электронной эмиссии, но меньше ее на 3 порядка.

Предложена "Модель неравновесных электронных поверхностных состояний", в которой излагается новый подход к аномалиям электронной эмиссии с точки зрения термодинамики открытых неравновесных систем. Согласно этой модели, возрастание плотности электронов в объеме металла, связанное с дефицитом вакансий кристаллической решетки, приводит к возникновению электронных поверхностных состояний (ЭПС), которые при отборе эмиттируемых электронов остаются незаполненными, что является причиной снижения работы выхода.

Разработан физический механизм формирования эмиссионной способности металла в конкретных условиях эксперимента, который предлагается в качестве гипотезы. Основная роль при этом отводится перемещающимся к поверхности дислокациям, ядра которых несут с собой области сильной деформации кристаллической решетки. Причиной перемещения дислокаций по нормали к поверхности является диффузия вакансий кристаллическиой решетки, которая направлена на восстановление равновесного состояния металла. Обоснована возможность испарения положительных ионов и нейтральных атомов с поверхности проволоки при запирании тока аномальной электронной эмиссии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Степанова, Наталья Викторовна, 1998 год

1. Лебедев C.B., Хайкин С.Э. Аномалии электронной эмиссии вольфрама, нагреваемого импульсом тока большой плотности. ЖЭТФ. 1954. т.26. Вып.6. С.723.

2. Лебедев C.B. Исследование металлов в процессе импульсного нагревания электрическим током большой плотности. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук : 01.04.14. Москва, 1979.

3. Лебедев C.B. Нарушение закона Богуславского Лэнгмюра при нагревании вольфрамового катода вакуумной лампы импульсом тока большой плотности. ЖЭТФ. 1954. т.27. С.487.

4. Лебедев C.B. О начальной стадии нагревания взрывающихся проволочек. ЖЭТФ. 1966. т.50. С.509.

5. Лебедев C.B. Явления, связанные с электронной эмиссией "взрывающихся проволок" в стадии плавления. ТВТ. 1970. т.8. С.252.

6. Лебедев C.B. Об "аномальной электронной эмиссии" металлов. ТВТ. 1973. т.11. С.986.

7. Иванцова И.Л., Лебедев C.B. О роли поверхностных загрязнений металла в возникновении "аномальной эмиссии" электронов. ТВТ. 1971. т.9. С.1168.

8. Лебедев C.B. О методике измерения аномальной термоэлектронной эмиссии металлов. ТВТ. 1981. т. 19. С.203.

9. Бородовская Л.Н., Лебедев C.B. Зависимость электропроводности и электронной эмиссии от энергии металла в процессе его нагревания током большой плотности. ЖЭТФ. 1955. т.28. Вып.1. С.96.

10. Лебедев C.B. ТВТ. 1977. т.15. С.1099.

11. Лебедев C.B., Савватимский А.И. Металлы в процессе быстрого нагревания электрическим током большой плотности. УФН. 1984. т.144. Вып.2. С.215.

12. Лебедев C.B., Степанова Н.В. Аномальная электронная эмиссия иридия, нагреваемого импульсом тока большой плотности. Поверхность. Физика, химия, механика. 1982. Вып.5. С.101.

13. Степанова Н.В. Влияние закалки металла на импульсную электронную эмиссию. В сб. Исследование влияния разупорядочения на упругие и электрические свойства металлов и сплавов. Препринт КИЯИ-83-30, Киев, Институт ядерных исследований, 1983, С. 12.

14. Лебедев C.B., Степанова Н.В. Термоэлектронная эмиссия иридия при быстром импульсном нагревании. ТВТ. 1991. т.29. Вып.5. С.887.

15. Лебедев C.B., Степанова Н.В. Термоэлектронная эмиссия иридия в момент начала его плавления при быстром нагревании. М., 1991. 10 с. Деп. в ВИНИТИ 13.09.91, N 3645-В-91.

16. Степанова Н.В. Экспериментальное определение кривых Шоттки иридиевого эмиттера, нагреваемого импульсом электрического тока большой плотности. Препринт ИВТАН. N 1-369. М.:1993. С.28.

17. Степанова Н.В. О причинах аномальной электронной эмиссии металлов при импульсном нагревании электрическим током. ТВТ. 1997. т.35. N2. С.194.

18. Л. Нордгейм. УФН. т.15. 1935. С.800.

19. В.П. Шабанский. ЖЭТФ. т.27. С.142, 147. 1954.

20. В.Л. Гинзбург, В.П. Шабанский. ДАН СССР. т.ЮО. С.445. 1955.

21. Дихтер И.Я., Лебедев C.B. Теплоемкость вольфрама вблизи точки плавления. ТВТ. 1970. т.8. С.55.

22. Лебедев С.В., Савватимский А.И., Шейндлин М.А. О теплоемкости тугоплавких металлов вблизи точки плавления при быстром нагревании. ТВТ. 1976. т.14. С.285.

23. Лебедев С.В., Можаров Г.И. Теплоемкость тантала при быстром импульсном нагревании электрическим током большой плотности. ТВТ. 1977. т.15. С.53.

24. Можаров Г.И., Савватимский А.И. Теплоемкость твердого и жидкого ниобия до 5000 К. ТВТ. 1981. т. 19. С.954.

25. Можаров Г.И. Температурные зависимости теплоемкости и электросопротивления жидких тантала и ниобия до 5000 К. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук : 01.04.14. Москва, 1983.

26. Н. A. Jones, I. Langmur. Gen. Electr. Rev., 30, 310, 1927.

27. В. Эспе. Технология электровакуумных материалов, т.1. Госэнерго-издат. 1962.

28. В.Ф.Власов. Электровакуумные приборы. Связьиздат. 1949.

29. Крафтмахер Я.А. Теплоемкость при высоких температурах и образование вакансий в тугоплавких металлах. В кн.: Исследования при высоких температурах. Новосибирск: Наука, 1966.

30. В. Krahl-Urban, Е. A. Niekisch and Н. Wagner. Work function of stepped tungsten single crystal surfaces. Surface science, 1977, vol.64, p.52-68.

31. K. Besocke, B. Krahl-Urban and H. Wagner. Dipole moments associated with edge atoms; a comparative study on stepped Pt, Au and W surfaces. Surface science, 1977, vol.68, p.39-46.

32. И.Н. Абрамова, Е.Б. Александров, A.M. Бонч-Бруевич, В.В. Хромов. Фото стимулированная десорбция атомов металлов с поверхности прозрачных диэлектриков. Письма в ЖЭТФ, 1984, т. 39, вып. 4, с. 172-173.

33. A.M. Бонч-Бруевич, Ю.Н. Максимов, С.Г. Пржибельский, В.В. Хромов. Фотоэмиссия нейтральных атомов с поверхности металла. ЖЭТФ, 1987, т. 92, вып. 1, с. 285-290.

34. A.M. Бонч-Бруевич, Т.А. Вартанян, Ю.Н. Максимов, С.Г. Пржибельский, В.В. Хромов. Фотоотрыв атомов от сплошной поверхности металла. ЖЭТФ, 1990, т. 97, вып. 6, с. 1761-1766.

35. A.M. Бонч-Бруевич, Т.А. Вартанян, С.Г. Пржибельский, В.В. Хромов. Зарядовое состояние структурных дефектов однородной поверхности металла.

36. Huntington Н.В., Turk L.A., White W.W. Surface science, 1975, vol. 48, p. 187.

37. Г.Н. Фурсей, В.Э. Птицын, H.B. Егоров. Влияние магнитного поля на процесс автоэлектронной эмиссии из W. Письма в ЖЭТФ, 1979, т. 5, вып. 19, с. 1161.

38. В.Э. Птицын, Г.Н. Фурсей, Н.В. Егоров. Температурная зависимость магнитных эффектов при автоэлектронной эмиссии. Письма в ЖЭТФ, 1980, т. 6, вып. 10, с. 619.

39. В.Э. Птицын, Г.Н. Фурсей, Н.В. Егоров. Аномалии процессса автоэлектронной эмиссии в магнитном поле. Письма в ЖЭТФ, 1980, т. 31, вып. 12, с. 733.

40. Птицын В.Э. Исследование влияния магнитного поля на автоэлектронную эмиссию при больших плотностях тока. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук : 01.04.04. Ленинград, 1980.

41. К.Херинг и М.Никольс. Термоэлектронная эмиссия. М.: Изд-во иностранной литературы, 1950.

42. Теория неоднородного электронного газа. Под ред. С. Лундквиста и Н. Марча. Пер. с англ. М.: Мир, 1987.

43. Э.Зенгуил. Физика поверхности. Пер. с англ. М.: Мир, 1990.

44. С.Моррисон. Химическая физика поверхности твердого тела. М.: Мир, 1980.

45. И.П.Базаров, Э.В.Геворкян, П.Н.Николаев. Неравновесная термодинамика и физическая кинетика. Изд-во Московского университета, 1989.

46. С.В. Лебедев, А.И. Савватимский. Некоторые результаты исследования электрического взрыва проводников. Физика и химия обработки материалов, 1976, N 1, с. 6.

47. Лебедев С.В., Савватимский А.И., Смирнов Ю.Б. Об измерении теплоты плавления и электропроводности тугоплавких металлов методом электрического взрыва. ЖТФ, 1972, т. 42, N 8, с. 1752.

48. Савватимский А.И. Измерение теплоты плавления и электросопротивления жидких тугоплавких металлов в точке плавления при быстром нагревании электрическим током. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. по специальности 01. 04. 14. Москва, 1975.

49. Филипов Л.П., Юрчак Р.П. Инженерно-физический журнал, 1971, т. 21, с. 561.

50. Gathers G.R., Shaner J.W., Hixson R.S., Young D.A. Very high temperature thermophysical properties of solid and liquid vanadium and iridium. High Temperatures High Pressures, 1979, v. 11, p. 653.

51. Фоменко B.C. Эмиссионные свойства материалов. Справочник. 4-е изд., Киев : Наукова думка, 1981.

52. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.

53. М.М. Смирнов. Задачи по уравнениям математической физики. 6-е изд., дополнительное. М.: Наука, 1975.

54. Поверхностные свойства твердых тел. Под. ред. М. Грина. М.: Мир, 1972.

55. Зандберг Э.Я., Тонтегоде А.Я. ЖТФ, 1968, т.38, с.737.

56. X. Дж. Гольдшмидт. Сплавы внедрения. Выпуски 1 и 2. Пер. с англ. М.: Мир 1971.

57. P.M. Коттерилл. Скопления вакансий в чистых и загрязненных металлах с гранецентрированной кубической решеткой. В кн. Дефекты в закаленных металлах. Под ред. A.A. Цветаева. М.: Атомиздат 1969.

58. Ш. Иошида, М. Киритани, И. Шимомура. Образование вторичных дефектов в закаленном алюминии. В кн. Дефекты в закаленных металлах. Под ред. A.A. Цветаева. М.: Атомиздат 1969.

59. И.И. Новиков, K.M. Розин. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки. М.: Металлургия 1990.

60. В.И. Бойко, В.Ф. Бункин, Б.С. Лукьянчук, Е.Р. Царев. Образование микроскопических вакансионных пор в поверхностном слое материала при его пластической деформации. Препринт Института общей физики АН СССР N 205. М., 1985.

61. Бобырев В.А., Бойко В.И., Бункин Ф.В., Лукьянчук B.C., Царев Е.Р. Генерация и отжиг неравновесных дефектов под действием лазерного излучения. Известия АН СССР. Серия физическая. 1987, т. 51, N 6, с. 1180.

62. М.И. Маркевич, A.M. Чапланов. Закалка вакансий в тонких пленках никеля. Металлофизика. 1985, т. 7, N 3, с. 100.

63. А.Е. Вол, И.К. Каган. Строение и свойства двойных систем. М.: Наука 1976.

64. Г. Шульц. Закалка вакансий в вольфраме. В кн. Дефекты в закаленных металлах. Под ред. A.A. Цветаева. М.: Атомиздат 1969.

65. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Статистическая физика. Ч. 1, М.: Наука, 1976.

66. И.С. Каменичный. Краткий справочник термиста. М.: Машгиз, 1959.

67. Л.Н. Добрецов и М.В. Гомоюнова. Эмиссионная электронока. М.: Наука, 1966.