Физики впервые выяснили подробности взрывов тонких металлических катодов в вакууме
Понимание того, как именно материал, геометрия, микроструктура поверхности и покрытия влияют на взрыв и образование плазмы, позволит создавать катоды с заранее заданными свойствами.
Источник: Егор Паркевич / ФИАН. Фотография научных сотрудников коллектива.
МОСКВА, 8 апреля. /Новости науки/. Физики из ФИАН впервые подробно изучили, как разрушаются тонкие металлические катоды при импульсном электрическом разряде в вакууме. Эксперименты показали, что взрыв таких электродов идет неравномерно, а характер разрушения сильно зависит от материала. Полученные данные помогут точнее управлять работой взрывоэмиссионных катодов, которые используются в мощной импульсной технике и вакуумной электронике. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review E, сообщает пресс-служба РНФ.
«Понимание механизмов генерации плазмы и факторов, определяющих интенсивность этого процесса, позволяет перейти к целенаправленному формированию катодов с заданными характеристиками разрушения и плазмообразования. Полученные результаты закладывают научную основу для разработки взрывоэмиссионных катодов нового типа с повышенной устойчивостью к разрушению под действием тока высокой плотности», — пояснил один из авторов работы, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ФИАН Егор Паркевич.
Как отмечают исследователи, взрывоэмиссионные катоды служат источниками электронов. Они работают за счет того, что микроскопические участки металла на поверхности катода при очень больших токах быстро разрушаются, переходят в плотную плазму и начинают испускать мощные потоки электронов.
Такие катоды применяются в сильноточных ускорителях электронов, импульсных рентгеновских источниках, системах накачки газовых лазеров, установках для обработки поверхности материалов и при электронно-лучевой сварке.
При этом многие детали их работы до сих пор оставались неясными. Все основные процессы — нагрев, плавление, образование плазмы, переключение тока с металла на плазму и выброс продуктов взрыва — разворачиваются за единицы или десятки наносекунд и происходят на микронных масштабах. Из-за этого наблюдать их чрезвычайно трудно.
В новой работе ученые исследовали острийные катоды из медной проволоки диаметром около 10 микрометров и длиной около 1 мм. Напротив них располагали плоский анод, а промежуток между катодом и анодом составлял 100–200 микрометров. Эту систему помещали в вакуумную камеру и подавали на нее высоковольтный импульс.
В результате ток через диод за десятки наносекунд резко возрастал примерно до тысячи ампер, а сам катод начинал взрывно разрушаться.
Оказалось, что этот взрыв идет очень неравномерно. У медных катодов основание могло быть уже полностью разрушено, тогда как вершина в тот же момент еще сохранялась. Одновременно формировались локальные зоны уплотнения продуктов взрыва и выбросы плотной плазмы. Между уже разрушенной нижней частью и сохранившейся вершиной возникала переходная область, где вещество находилось в промежуточном состоянии.
По словам исследователей, такая картина показывает сложную конкуренцию между двумя процессами: нагревом металла сильным током и так называемым шунтированием, когда ток начинает переходить с разрушающегося катода на плазму, возникающую рядом с его поверхностью.
Для сравнения ученые провели такие же эксперименты с вольфрамовыми катодами диаметром 8 микрометров. Здесь картина оказалась иной: продукты взрыва распределялись вдоль катода гораздо равномернее, продольные зоны уплотнения исчезали, а поперечное расширение было примерно на порядок меньше, чем у меди.
Исследователи объясняют это тем, что у вольфрама плазменная оболочка формируется раньше. Из-за этого ток быстрее переключается с поверхности металла на плазму, сам катод меньше нагревается и разрушается не так сильно, как медный.
Авторы считают, что результаты важны не только для фундаментальной физики, но и для практики. Понимание того, как именно материал, геометрия, микроструктура поверхности и покрытия влияют на взрыв и образование плазмы, позволит создавать катоды с заранее заданными свойствами.
Это, в свою очередь, поможет повысить их стойкость к разрушению при многократных импульсах тока и улучшить работу устройств, где нужны компактные источники пучков высокоэнергетических частиц и рентгеновского излучения.
«Понимание механизмов генерации плазмы и факторов, определяющих интенсивность этого процесса, позволяет перейти к целенаправленному формированию катодов с заданными характеристиками разрушения и плазмообразования. Полученные результаты закладывают научную основу для разработки взрывоэмиссионных катодов нового типа с повышенной устойчивостью к разрушению под действием тока высокой плотности», — пояснил один из авторов работы, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ФИАН Егор Паркевич.
Как отмечают исследователи, взрывоэмиссионные катоды служат источниками электронов. Они работают за счет того, что микроскопические участки металла на поверхности катода при очень больших токах быстро разрушаются, переходят в плотную плазму и начинают испускать мощные потоки электронов.
Такие катоды применяются в сильноточных ускорителях электронов, импульсных рентгеновских источниках, системах накачки газовых лазеров, установках для обработки поверхности материалов и при электронно-лучевой сварке.
При этом многие детали их работы до сих пор оставались неясными. Все основные процессы — нагрев, плавление, образование плазмы, переключение тока с металла на плазму и выброс продуктов взрыва — разворачиваются за единицы или десятки наносекунд и происходят на микронных масштабах. Из-за этого наблюдать их чрезвычайно трудно.
В новой работе ученые исследовали острийные катоды из медной проволоки диаметром около 10 микрометров и длиной около 1 мм. Напротив них располагали плоский анод, а промежуток между катодом и анодом составлял 100–200 микрометров. Эту систему помещали в вакуумную камеру и подавали на нее высоковольтный импульс.
В результате ток через диод за десятки наносекунд резко возрастал примерно до тысячи ампер, а сам катод начинал взрывно разрушаться.
Оказалось, что этот взрыв идет очень неравномерно. У медных катодов основание могло быть уже полностью разрушено, тогда как вершина в тот же момент еще сохранялась. Одновременно формировались локальные зоны уплотнения продуктов взрыва и выбросы плотной плазмы. Между уже разрушенной нижней частью и сохранившейся вершиной возникала переходная область, где вещество находилось в промежуточном состоянии.
По словам исследователей, такая картина показывает сложную конкуренцию между двумя процессами: нагревом металла сильным током и так называемым шунтированием, когда ток начинает переходить с разрушающегося катода на плазму, возникающую рядом с его поверхностью.
Для сравнения ученые провели такие же эксперименты с вольфрамовыми катодами диаметром 8 микрометров. Здесь картина оказалась иной: продукты взрыва распределялись вдоль катода гораздо равномернее, продольные зоны уплотнения исчезали, а поперечное расширение было примерно на порядок меньше, чем у меди.
Исследователи объясняют это тем, что у вольфрама плазменная оболочка формируется раньше. Из-за этого ток быстрее переключается с поверхности металла на плазму, сам катод меньше нагревается и разрушается не так сильно, как медный.
Авторы считают, что результаты важны не только для фундаментальной физики, но и для практики. Понимание того, как именно материал, геометрия, микроструктура поверхности и покрытия влияют на взрыв и образование плазмы, позволит создавать катоды с заранее заданными свойствами.
Это, в свою очередь, поможет повысить их стойкость к разрушению при многократных импульсах тока и улучшить работу устройств, где нужны компактные источники пучков высокоэнергетических частиц и рентгеновского излучения.
