Физики раскрыли процессы взрывного разрушения тонких металлических катодов во время импульсного разряда в вакууме

Лазерные теневые изображения (кадры 1–8) диодов с острийным катодом (медная проволока диаметром 10 мкм и длиной около 1 мм) в вакууме. Изображения показывают состояние катода до разряда и через определенное время после резкого возрастания тока, протекающего через систему.

© Егор Паркевич / ФИАН.

Исследователи изучили ключевые процессы, происходящие при электрическом взрыве тонких металлических катодов (отрицательно заряженных электродов) во время импульсного разряда в вакууме. Полученные данные позволяют по-новому взглянуть на механизмы разрушения электродов при высоких плотностях тока и помогают понять, как контролировать режимы работы взрывоэмиссионных катодов — важнейших элементов для импульсной электротехники и вакуумной электроники высоких мощностей. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Review E.

Взрывоэмиссионные катоды — это устройства для генерации электронов. Испускание заряженных частиц происходит с поверхности металла в результате взрывного разрушения его микроскопических областей и перехода вещества в плотную плазму. Этот процесс позволяет генерировать мощные потоки электронов. Благодаря этому взрывоэмиссионные катоды находят применение в широком спектре научных и промышленных задач. Они активно используются в мощных импульсных устройствах: сильноточных ускорителях электронов, импульсных источниках рентгеновского излучения высокой интенсивности, системах накачки газовых лазеров, а также в установках для модификации поверхности материалов и электронно-лучевой сварки.

Несмотря на широкое практическое использование взрывоэмиссионных катодов, многие аспекты их работы остаются недостаточно изученными. Фазовые превращения материала, динамика формирования плазмы и механизмы шунтирования тока (переключение тока с разрушающегося проводника на формирующуюся вокруг него плазму) и продукты взрыва остаются во многом неясны в силу экстремальной скоротечности этих явлений (единицы–десятки наносекунд) и их реализации в микронном масштабе.

Ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва) провели эксперименты с острийными катодами, сделанными из медной проволоки диаметром около 10 микрометров и длиной порядка 1 миллиметра, на которые подавался высоковольтный импульс. Напротив такого катода разместили плоский цилиндрический анод (заземленный электрод) так, чтобы зазор между вершиной катодного острия и поверхностью анода составлял 100–200 микрометров.

Образованный таким образом диод (систему «острийный катод — плоский анод») авторы поместили в вакуумную камеру. При подаче высоковольтного импульса наблюдался резкий рост тока через диод до порядка тысячи ампер за десятки наносекунд и взрывное разрушение материала катода.

Исследователи также обнаружили сильную неоднородность взрыва острийного катода — при полностью взорванном основании его привершинная часть оставалась не разрушенной во время разряда. Процесс разрушения сопровождался формированием локальных зон продольного уплотнения продуктов взрыва и появлением выбросов плотной плазмы. При этом между взорванным основанием и неповрежденной вершиной эмиттера возникала переходная зона, где вещество находилось в некотором промежуточном состоянии.

Неоднородная картина взрыва острийного катода вдоль его длины отражает сложную конкуренцию между процессами нагрева его материала протекающим током высокой плотности и шунтирования — переключения тока с острийного катода на плазму, формирующуюся возле его поверхности и вблизи продуктов взрыва.

При электрическом взрыве острийных катодов, сделанных из вольфрамовой проволочки диаметром 8 микрометров, распределение продуктов взрыва оказалось относительно однородным вдоль их длины — исчезли области продольного уплотнения взорванного вещества, а скорость поперечного расширения продуктов взрыва была на порядок меньше, чем в случае взрыва медных катодов.

Выявленные различия в картинах взрыва острийных катодов, изготовленных из металлов с различными электрофизическими и теплофизическими свойствами, связаны с особенностями развития процессов шунтирования тока от их поверхности. У вольфрамовых эмиттеров плазменная оболочка формируется на более ранней стадии, что ограничивает дальнейший нагрев материала и приводит к меньшей степени расширения продуктов взрыва. Это обусловлено тем, что протекающий ток переключается на сформированную плазму рядом с поверхностью вольфрамого катода раньше, чем в случае меди.

«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. Ключевым условием для этого выступает возможность управлять процессами генерации плазмы и перераспределения тока. Как показано в исследовании, варьируя такие параметры как материал эмиттера, его геометрию, микроструктуру поверхности и функциональные покрытия, можно влиять на зону первичного разогрева и динамику взрывного разрушения», — поясняет один из авторов работы, Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ФИАН.

Авторы отмечают, что глубокое понимание процессов генерации плазмы и шунтирования тока может способствовать разработке новых взрывоэмиссионных катодов, в которых будет возможно задавать требуемые характеристики разрушения и плазмообразования. Это важно для повышения их эрозионной стойкости при пропускании большого количества импульсов тока. В свою очередь, такие катоды актуальны для развития новых компактных источников пучков высокоэнергетических частиц и рентгеновского излучения.

Источник: indicator.ru