Модель критической электронной эмиссии из диэлектрика, индуцированной инжекцией плотного наносекундного пучка электронов

• Автор: Тухфатуллин, Тимур Ахатович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 123 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена теоретическому исследованию явления мощной критической электронной эмиссии из диэлектрика, индуцированной ин-жекцией плотного электронного пучка наносекундной длительности. Исследование относится к физике радиационных воздействий на твердые тела, которая изучает изменение их свойств под влиянием ионизирующих излучений.
Актуальность темы. Современные источники радиационного воздействия можно разделить на три класса по их мощности [1]: слабые, умеренные и мощные, сверхмощные. К первым относятся реакторы, изотопные источники, микротроны, бетатроны, электронные и ионные ускорители, обеспечивающие плотность тока не более 0,1 А/см2. Вторые - лазерные и сильноточные ускорители с плотностью тока 10_1-у104 А/см2. Третьи -сверхмощные лазеры и ускорители с плотностью тока до 107 А/см2. Соответственно радиационная физика твердого тела часто подразделяется на три области: 1) слабых радиационных воздействий с мощностью дозы до 107 Вт/кг; 2) умеренных и мощных; 3) сверхмощных радиационных воздействий с мощностью дозы больше 1016 Вт/кг.
При слабых радиационных воздействиях происходит создание и накопление точечных дефектов, которые приводят к постепенной деструкции материала. Основным видом электронной эмиссии является вторичная. При мощном радиационном воздействии твердое тело ведет себя иначе. Наблюдается ряд катастрофических процессов типа неравновесных фазовых переходов: хрупкий раскол, пробой, неравновесное плавление и кипение, мощная эмиссия. Наиболее интенсивно эта область физики твердого тела стала развиваться после создания в 60-х годах сильноточных электронных ускорителей. Основными составляющими воздействия плотных электронных пучков, получаемых с помощью этих ускорителей, является: 1) вы-

сокий уровень и плотность ионизации; 2) высокий уровень электроннодырочной (ЭД) плазмы; 3) сильные электрические поля, создаваемые в результате прохождения и поглощения пучка; 4) высокий уровень мощности, отдаваемой решетке, и высокие скорости нагрева; 5) сильные механические поля.
Исследования воздействия плотных электронных пучков наносекунд-ной длительности на диэлектрики проводятся в лабораториях нелинейной физики Томского политехнического университета и Института сильноточной электроники СО РАН начиная с 1970 г. Исследованы следующие физические явления: генерация акустических импульсных продольных и из-гибных волн, хрупкое разрушение диэлектрических кристаллов и стекол, внутризонная радиолюминесценция диэлектриков, высокоэнергетическая проводимость и критическая 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.
Критическая мощная электронная эмиссия из диэлектрика была обнаружена в лаборатории нелинейной физики случайно, когда в ионных диэлектриках велись поиски явления, подобного келдышевской конденсации электронов в полупроводниках. Ожидалось, что плотная электроннодырочная плазма 101(,-р1018 см-3 теряет устойчивость против экранированного кулоновского притяжения и сжижается в сверхплотные сгустки -конденсат Френкеля - с равновесной плотностью порядка 1022 см-3. Одним из проявлений могло быть резкое уменьшение числа свободных носителей и соответственно электронно-дырочной проводимости. В первых экспериментах измеряли заряд, протекающий через пластинку диэлектрика под действием внешнего напряжения в результате импульса облучения плотным электронным пучком наносекундной длительности, источником которого служил наносекундный ускоритель электронов ГИН-600 [2]. Постепенно увеличивая плотность тока пучка, ожидали, что при некоторой критической амплитуде импульса облучения произойдет резкое уменьшение величины протекшего через диэлектрик заряда. Такие спады были действительно обнаружены. Однако они оказались следствием совершен-

но другого явления - мощной критической эмиссии электронов с поверхности диэлектрика, которая существенно изменяет баланс зарядов [3, 4] и приводит к выбросу ионно-электронной плазмы в вакуумный промежуток, вакуумному разряду между диэлектриком и металлическим анодом, объемному пробою диэлектрика.
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]. Однако полной количественной модели, описывающей критическую эмиссию, построено не было.
Цель работы - теоретический анализ и численное моделирование явления мощной критической электронной эмиссии из диэлектрика, индуцированной импульсным облучением плотным электронным пучком наносе-кундной длительности.
Конкретные задачи работы
1. Провести анализ экспериментальных данных о критической электронной эмиссии диэлектриков и выделить процессы, которые вносят основной вклад в это явление.
2. Выбрать приближения и составить систему уравнений и граничных условий, описывающих экспериментальную ситуацию.
3. Разработать алгоритм численного решения системы уравнений, описывающих эмиссию.
4. Провести компьютерный расчет эмиссии и сравнить результаты расчета с экспериментом.

кально отклоняющая пластина осциллографа. Поэтому, по отклонению зондирующего электронного луча на экране можно судить об изменении поля над поверхностью образца. На одной из сторон экспериментальной камеры был расположен плоский токовый коллектор, предназначенный для регистрации вторичнообразовавшихся частиц, эмиттирующихся с поверхности образца в процессе облучения. Торец образца фотографировался через оптическое окно экспериментальной камеры с помощью фотографического устройства.
По мере заряжения образца зондирующий луч отклонялся вверх, что свидетельствовало о росте внешнего к образцу поля. До значений и 105 В/см рост нормальной компоненты электрического был достаточно устойчив и соответствовал полному сохранению внесенного в образец заряда. Выше этого уровня внесенного заряда образец периодически терял заряд, приблизительно равный поглощенному. Диэлектрик в целом нейтрализовался. При этом поле вне него резко падало почти до нуля (по терминологии, используемой в [23, 70], происходил коллапс внешнего поля), и на экране наблюдались пилообразные импульсы, соответствующие изменению величины электрического поля вблизи поверхности диэлектрика в процессе облучения (рис. 1.5). Восходящая ветвь отражала медленное заряжение образца пучком, нисходящая - быстрый сброс заряда и поля в результате эмиссии. За время импульса облучения (40 мкс) циклы «заряжение - эмиссия» повторялись много раз. Длительность одного цикла составляла единицы микросекунд.
р 1. г“ .
/ УІ У /1 Г
Рис. 1.5. Осциллограммы импульсов напряженности электрического поля у поверхности диэлектрика У и тока эмиссии ./е за время импульса облучения ги.
Факт периодического импульсного сброса образцом заряда в результате эмиссии подтверждался как показаниями монитора, измеряющего ток