Интенсивная электронная эмиссия диэлектрика, индуцированная наносекундной инжекцией пучка электронов умеренной и высокой плотности тока

• Автор: Евдокимов, Кирилл Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 97 с. : ил.

Диссертация посвящена теоретическому исследованию и компьютерному моделированию процессов в диэлектрике, приводящих к возникновению интенсивной электронной эмиссии диэлектрика, индуцированная наносекундной инжекцией пучка электронов умеренной и высокой плотности тока. Исследование относится к физике радиационных воздействий на твердые тела, которая изучает изменение их свойств под влиянием ионизирующих излучений.

Актуальность исследований

Современную радиационную физику твердого тела можно разделить на три области [1]: слабых, умеренных и мощных, сверхмощных радиационных воздействий. Первая изучает воздействие на материал слабых источников с
плотностью тока не более 0,1 А/см таких как: реакторы, изотопные источники, микротроны, бетатроны, электронные и ионные ускорители, обеспечивающие плотность тока не более 0,1 А/см2. Мощность дозы не превышает 107 Вт/кг. Вторая область изучает воздействие умеренных и мощных источников излучения, таких как лазеры и сильноточные ускорители с плотностью тока 10''-Н04 А/см2. Третья рассматривает взаимодействие с твердым телом излучения сверхмощных источников, таких как сверхмощные лазеры и ускорители с плотностью тока до 107 А/см2. Мощность дозы больше 1016 Вт/кг. При слабых радиационных воздействиях происходит создание и накопление точечных дефектов, которые приводят к постепенной деструкции материала. В этом случае основным видом электронной эмиссии является вторичная. При более мощном радиационном воздействии твердое тело ведет себя иначе. Наблюдается ряд катастрофических процессов типа неравновесных фазовых переходов: хрупкий раскол, пробой, мощная эмиссия. Наиболее интенсивно эта область физики твердого тела стала развиваться после создания в 60-х годах сильноточных электронных ускорителей.
Начиная с конца 1960х годов, в лаборатории нелинейной физики Томского политехнического университет проводятся исследования воздействия на диэлектрики электронных пучков умеренной и высокой плотности тока и наносекундной длительности. Исследованы следующие физические явления: генерация акустических импульсных продольных и изгибных волн, хрупкое разрушение диэлектрических кристаллов и стекол, внутризонная радиолюминесценция диэлектриков, высокоэнергетическая проводимость и мощная электронная эмиссия из диэлектриков, многоканальный электрический пробой. Подробный обзор открытых явлений и экспериментальных результатов, полученных до 1980 г., приведен в монографии [2]. Настоящая работа является продолжением этих исследований.
Интенсивная электронная эмиссия из диэлектрика была обнаружена в лаборатории нелинейной физики в конце 1960х годов. Это явление представляет большую опасность для изоляционных материалов, которые подвергаются облучению плотным электронным пучком. С другой стороны, оно таит в себе потенциальные возможности практического применения. Первые экспериментальные исследования этого явления проводились с использованием гальванометрической схемы измерений, которая дает информацию только о порогах эмиссии и не позволяет проследить за последовательностью и развитием процессов во времени [3,4]. Для исследования временных и амплитудных характеристик мощной критической электронной эмиссии из диэлектрика была разработана осциллографическая схема измерений [5]. Эта методика позволила определить критические параметры эмиссии, амплитудные и временные характеристики, исследовать эффекты накопления, переход критической эмиссии в вакуумный разряд, объемный пробой и пробой по поверхности диэлектрика, индуцированные критической эмиссией [6]. Первая модель явления и результаты численного расчета опубликованы в работе [25]. Дальнейшее развитие этой модели опубликовано в работах [72, 73]. Последняя описывает такие свойства эмиссии, как критический характер явления, длительность импульса эмиссии,
пространственную неоднородность, способность эмиссии инициировать внутренний объемный пробой диэлектрика. Однако остались необъясненными такие важные свойства явления как время задержки импульса эмиссии относительно импульса облучения, достигающее десятков наносекунд, и коэффициент эмиссии - отношение эмитированного заряда к инжектированному - достигающий 1.

Цель диссертационной работы

Построение теоретической модели и компьютерное моделирование интенсивной электронной эмиссии, возникающей при наносекундной инжекции пучка электронов умеренной и высокой плотности тока, описывающей основные свойства явления, наблюдаемые экспериментально.

Задачи работы

1) Исследовать первичную ударную ионизацию диэлектрика электронным пучком.

2) Изучить эволюцию энергетического спектра электронов от спектра первичного пучка до так называемого «мгновенного» распределения. Исследовать релаксацию энергии ионизационно-пассивных электронов и дырок путем электрон-фононных столкновений.
3) Построить модель интенсивной электронной эмиссии диэлектриков (ИЭЭД) при наносекундной инжекцией пучка электронов умеренной и высокой плотности тока, объясняющую возникновение задержки импульса эмиссии относительно импульса облучения и коэффициент эмиссии достигающий 1.
4) Провести численные расчеты согласно модели ИЭЭД и получить согласие с экспериментом.
Научная новизна работы
Следует считать новыми следующие результаты:
1 Теоретическая модель и компьютерное моделирование интенсивной электронной эмиссии, индуцированной наносекундной инжекцией пучка

Е, эВ
Рис. 25. Полное сечение ионизации для N2. Точки - экспериментальные данные: 1 - [47], 2 - [48], 3 - [53], 4 - [55], 5 - [54]. Кривые вычислены по формулам: 6 -Бете (18), 7 - Лотца (19), 8 - Кима и Радда (25), 9 - (27)

Рис. 26. Полное сечение ионизации для 02. Точки - экспериментальные данные: 1 - [47], 2 - [56], 3 - [48], 4 - [53]. Кривые вычислены по формулам: 5 -Бете (18), 6 - Лотца (19), 7 - Кима и Радда (25), 8 -(27)