способ определения работы выхода

Формула изобретения

Способ определения работы выхода, включающий подачу высокого напряжения на электроды вакуумного промежутка и определение напряженности электрического поля на катоде, отличающийся тем, что на электроды подают высоковольтные прямоугольные импульсы фиксированной длительности, постепенно увеличивают их амплитуду до величины достаточной лишь для инициирования пробоя, при этом осуществляют обработку электродов импульсами напряжения длительностью, равной времени запаздывания пробоя, обеспечивая оптимальность режима кондиционирования, формирующего поверхность катода с минимальным коэффициентом усиления поля на ее микронеоднородностях, определяют время запаздывания и соответствующую ему величину напряженности электрического поля на катоде, затем на электроды подают прямоугольные импульсы другой длительности, повторяют все упомянутые операции и вычисляют величину работы выхода по формуле

где - работа выхода материала катода, эВ;

E₁, E ₂ - значения напряженности электрического поля на катоде при разных длительностях высоковольтного импульса, В/м;

t_з1 и t_з2 - значения времени запаздывания, соответствующие напряженностям E₁, Е₂, с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к области электрической изоляции и разрядов в вакууме, и может быть использовано в электронной промышленности при определении работы выхода катодов высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций.

Известен способ определения работы выхода электронов материала катода из экспериментов с термоэлектронной эмиссией [1], включающий подачу напряжения на вакуумный промежуток нитевидный катод - цилиндрический анод, измерение температуры катода, измерение плотности термоэлектронного тока при разных температурах катода, построение прямой Ричардсона

где j_T - плотность тока термоэлектронной эмиссии;

Т - температура катода,

и расчет величины работы выхода по тангенсу угла наклона этой прямой.

Недостатком способа является необходимость применения специально изготовленных образцов материала катода и специальных ламп для определения эмиссионных констант металлов и невозможность его использования в случае рабочих электродов высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения работы выхода из экспериментов с автоэлектронной эмиссией [2]. Способ включает подачу высокого напряжения на вакуумный промежуток с катодом в виде тонкой цилиндрической нити или острия конического типа с малым радиусом вершины, измерение тока автоэлектронной эмиссии, определение напряженности электрического поля на катоде, построение вольтамперной характеристики в координатах Фаулера-Нордгейма log(I/E²)=f(1/E) и расчет величины работы выхода по тангенсу угла наклона этой прямой

где - работа выхода электронов материала катода, эВ;

I - эмиссионный ток, А;

Е - напряженность электрического поля на катоде, В/м.

Однако этот способ определения работы выхода предполагает использование эмиттера известной геометрии для расчета напряженности электрического поля и не применим в случае катодов электровакуумных приборов и конструкций с большими рабочими поверхностями, на которых присутствуют микровыступы неизвестной геометрии, напряженность поля на вершине которых также остается неизвестной.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности способа за счет расширения сферы его применения на рабочие электроды высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций.

Это достигается тем, что в известном способе определения работы выхода, включающем подачу высокого напряжения на электроды вакуумного промежутка и определение напряженности электрического поля на катоде, на электроды подают высоковольтные прямоугольные импульсы фиксированной длительности, постепенно увеличивают их амплитуду до величины, достаточной лишь для инициирования пробоя, при этом осуществляют обработку электродов импульсами напряжения длительностью, равной времени запаздывания пробоя, обеспечивая оптимальность режима кондиционирования, формирующего поверхность катода с минимальным коэффициентом усиления поля на ее микронеоднородностях, определяют время запаздывания и соответствующую ему величину напряженности электрического поля на катоде, затем на электроды подают прямоугольные импульсы другой длительности, повторяют все упомянутые операции и вычисляют величину работы выхода по формуле

где - работа выхода электронов материала катода, эВ;

E ₁, E₂ - значения напряженности электрического поля на катоде при разных длительностях высоковольтного импульса, В/м;

t_з1 и t_з2 - значения времени запаздывания, соответствующие напряженностям Е₁, Е ₂, с.

Введение операций подачи на электроды высоковольтных прямоугольных импульсов фиксированной длительности, постепенного увеличения их амплитуду до величины, достаточной лишь для инициирования пробоя, осуществления обработки электродов импульсами напряжения длительностью, равной времени запаздывания пробоя, обеспечивает реализацию оптимального режима импульсного кондиционирования и формирование поверхности катода с минимальным коэффициентом усиления поля на ее микронеоднородностях.

Использование прямоугольных импульсов фиксированной длительности позволяет определить величину Е₁ напряженности электрического поля на катоде, соответствующую времени запаздывания пробоя t _з1. Постепенное увеличение амплитуды импульсов до величины, достаточной лишь для инициирования пробоя, обеспечивает плавное приближение к оптимальному режиму импульсного кондиционирования, исключая возникновение пробоев промежутка. Обработка электродов импульсами напряжения длительностью, равной времени запаздывания пробоя t_и t_з, соответствует оптимальному режиму кондиционирования, формирующего поверхность катода с минимальным коэффициентом усиления поля.

Согласно критерию оптимальности импульсного кондиционирования [3],

основанному на механизме джоулева разогрева эмиттера протекающим автоэлектронным током, энергия, выделяемая в эмиттере за время действия импульса t_и, остается величиной постоянной и равной энергии его разрушения. При оптимальном режиме импульсы фиксированной длительности выделяют в эмиттере одну и ту же мощность, достаточную лишь для разрушения существующих микронеоднородностей катодной поверхности без образования новых, и формируют поверхность катода с минимальным значением коэффициента усиления поля. С изменением длительности кондиционирующих импульсов оптимального режима изменяется мощность, выделяемая на катоде, и изменяется состояние его поверхности. Для улучшения состояния поверхности катода следует уменьшать длительность импульсов оптимального режима, для ухудшения - увеличивать.

Достижение оптимального режима состоит в поддержании времени запаздывания пробоя, равным длительности кондиционирующих импульсов t_и t_з. В результате кондиционирования импульсами t_и t_з формируется строго определенное состояние поверхности катода, при этом время запаздывания пробоя оказывается функцией пробивной напряженности Е, работы выхода и совокупности физических постоянных c/к₀, определяющих удельную энергию разрушения материала катода, и для высоковольтных прямоугольных импульсов принимает вид [4]

где - плотность, кг/м³;

с - удельная теплоемкость, Дж/(кг· К);

к₀ - коэффициент пропорциональности в зависимости между удельным сопротивлением к и температурой Т (к=к₀T), Ом· м/К;

- безразмерная величина, медленно изменяющаяся с изменением напряженности Е.

Средством однозначного установления условия оптимальности импульсного кондиционирования является осциллографирование импульсов напряжения.

Из осциллограмм напряжения и геометрии электродов определяют пробивную напряженность Е₁, получаемую в результате оптимального режима кондиционирования импульсами фиксированной длительности, и соответствующее ей время запаздывания пробоя t_з1 t_и.

Подача на электроды импульсов другой длительности и повторение всех упомянутых операций позволяют реализовать оптимальный режим кондиционирования импульсами другой мощности. Изменение мощности, выделяемой в эмиттере при оптимальном режиме кондиционировании, сопровождается изменением состояния поверхности катода и приводит к другим значениям импульсной электрической прочности Е₂ и времени запаздывания t_з2 t_и.

На основании выражения (5) при использовании двух разных режимов оптимального кондиционирования катода импульсами длительностью t_и=t_з1 и t_и=t_з2 получена формула (3) для вычисления работы выхода.

Применение двух разных режимов оптимального импульсного кондиционирования с измерением характеристик электрической прочности: импульсной электрической прочности и времени запаздывания пробоя, приводит к повышению эффективности способа за счет расширения сферы его применения на рабочие катоды высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций.

Способ определения работы выхода осуществляют следующим образом. На электроды вакуумного промежутка, образованного рабочими электродами, подают высоковольтные прямоугольные импульсы фиксированной длительности, плавно увеличивают амплитуду импульсов до величины, достаточной лишь для инициирования пробоя, при этом осуществляют тренировку электродов высоковольтными импульсами длительностью, равной времени запаздывания пробоя. Кондиционирование импульсами t_и t_з соответствует оптимальному режиму и формирует поверхность катода с наименьшим значением коэффициента усиления на ее микронеоднородностях. По достижении установившегося режима определяют время запаздывания t_з1 и соответствующую ему напряженность Е₁ электрического поля на катоде. После чего подают на электроды прямоугольные импульсы другой длительности, повторяют все упомянутые операции и вычисляют значение работы выхода по формуле (3).

Для осуществления способа используют генератор высоковольтных прямоугольных импульсов наносекундной длительности.

Согласно заявляемому способу с помощью генератора, формировавшего на несогласованной нагрузке импульсы напряжением 5 U_и 60 кB, длительностью 4 t_и 800 нс и фронтом t_ф=4 нс, на электроды из хрома площадью S=500 мм² в однородном поле при величине межэлектродного промежутка d=0,9 мм подавали высоковольтные прямоугольные импульсы длительностью t_и=130 нс, постепенно увеличивали их амплитуду до величины достаточной лишь для инициирования пробоя, осуществляя при этом обработку электродов высоковольтными импульсами t_и t_з. По осциллограммам напряжения определено напряжение пробоя и рассчитана напряженность поля E₁ =2.1· 10⁷B/м, соответствующая времени запаздывания пробоя t_з1 t_и=130 нс. Затем подавали на электроды высоковольтные прямоугольные импульсы длительностью t_и =10 нс. При обработке электродов импульсами t_з2 t_и=10 нс напряженность составила E ₂=6.4· 10⁷ В/м. Вычисленное значение работы выхода по формуле (3) составило =4.6 эВ. Согласно [5], значение работы выхода для хрома равно =4.58 эВ.

Данный способ позволяет повысить эффективность известного способа за счет расширения сферы его применения на катоды высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций и может быть использован в электронной промышленности.

Источники информации

1. Соболев В.Д., Физические основы электронной техники - М.: Высшая школа, 1979, с.260-263.

2. Латам Р. Вакуумная изоляция установок высокого напряжения - М.: Энергоатомиздат, 1985, с.43.

3. Емельянов А.А., Запаздывание пробоя в вакууме // ЖТФ, 2003, Т.73, Вып.9, с.113-119.

4. Емельянов А.А., Об оптимальном режиме электроимпульсного кондиционирования напыленных электродов в вакууме // ПТЭ, 1998, №6, с.90-91.

5. Физический энциклопедический словарь / Под ред. А.М.Прохорова - М.: Сов. Энциклопедия, 1983. с.601.