2
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 иод влиянием ионизирующих излучений.
Актуальность темы. Современные источники радиационного воздействия можно разделить на три класса по их мощности [I]: 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-г104 А/см2. Третьи сверхмощные лазеры и ускорители с плотностью тока до 10' А/см2. Соответственно радиационная физика твердого тела часто подразделяется на три области: 1) слабых радиационных воздействий с мощностью дозы до 10' 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-
3
сокий уровень и плотность ионизации; 2) высокий уровень электронно-дырочной (ЭД) плазмы; 3) сильные электрические поля, создаваемые в результате прохождения и поглощения пучка; 4) высокий уровень мощности, отдаваемой решетке, и высокие скорости нагрева; о) сильные механические поля.
Исследования воздействия плотных электронных пучков наиосекунд-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 101б-г1018 см-3 теряет устойчивость против экранированного кулоновского притяжения и сжижается в сверхплотные сгустки --конденсат Френкеля - с равновесной плотностью порядка 102- 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 наносекуидной 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-
4
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 гальваиометрической 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 дл ительности.
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, опи-сываюзцих эмиссию.
4. Провести компьютерный расчет эмиссии и сравнить результаты расчета с экспериментом.
Научная новизна работы
1. Выполнен теоретический анализ и проведено численное моделирование мощной критической электронной эмиссии диэлектрика, индуцированной инжекцией плотного электронного пучка.
2. Разработаны две компьютерные модели явления - одномерная и двумерная. Составлены системы уравнений, которые исследовались на полноту, устойчивость и самосогласованность. Разработан алгоритм численного решения одномерной и двумерной систем уравнений.
3. Проведен численный расчет явления критической электронной эмиссии. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными
Практическая значимость работы
1. Мощная критическая электронная эмиссия представляет большую опасность для изоляционных материалов, которые подвергаются воздействию потоков заряженных частиц. Это явление способно инициировать с высокой эффективностью многие виды электрического пробоя: вакуумный разряд между диэлектриком и металлическими предметами, разряд по поверхности и объемный пробой диэлектрика. Результаты выполненного исследования позволяют прогнозировать поведение диэлектриков в таких условиях и конструировать соответствующие установки так, чтобы уменьшить опасность возникновения крити ческой эмиссии.
2. Явление мощной критической электронной эмиссии может быть использовано в управляемом вакуумном разряднике.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, раздела ’'Основные результаты и выводы’1 и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 123 стр. Из них основной текст с 29 рисунками и 1 таблицей занимает 107 стр., список литературы из 120 наименований - 12 стр., оглавление - 3 стр., титульный лист - 1 стр. В диссертации принята двойная нумерация рисунков и формул. Например, рис. 2.2 - рисунок 2 из главы 2. Защищаемые положения сформулированы в конце введения.
Первая глава - классификация и краткий обзор исследований по явлению электронной эмиссии металлов и диэлектриков. Приведены экспериментальные данные и рассмотрены основные свойства критической элек-
6
тронной эмиссии из диэлектриков. На основании анализа предшествующих исследований в заключение обзора сделаны выводы и поставлены конкретные задачи работы.
Вторая глава описывает одномерную модель критической электронной эмиссии из диэлектрика, индуцированной инжекцией плотного электронного пучка наносекундной длительности. В главе также приводятся результаты расчета по этой модели и их сравнение с экспериментальными данными.
Третья глава посвящена модели, учитывающей пространственную неоднородность критической мощной электронной эмиссии из диэлектрика. Приводятся результаты компьютерного моделирования и их сравнение с.-экспериментом.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 17 и 18 Международных симпозиумах но разряду и электрической изоляции в вакууме (Беркли, Калифорния, США, 1996 г.; Эйндховен, Нидерланды, 1998 г.); 9 и 10 Международных конференциях по радиационной физике и химии неорганических материалов РФХ (Томск, Россия, 1996 г.; Томск. Россия, 1999 г.); 11 Международной конференции 1ЕЕЕ по мощной импульсной технике (Балтимор, Мэриленд, США, 1997 г.); 1 Международном конгрессе по радиационной физике, сильноточной электронике и модификации материалов (Томск, Россия, 2000 г.); 2 Школе-семинаре молодых ученых ''Современные проблемы физики и технологии” (Томск, Россия, 2001 г.); 4 Международном семинаре но радиационной физике металлов и сплавов (Снежинск, Россия, 2001 г.); Школе-конференции молодых ученых ’’Современные проблемы радиационной физики твердого тела” (Томск, Россия, 2001 г.).
Публикации.
Результаты работы по теме диссертации отражены в двух статьях в центральных журналах, четырех статьях в сборниках трудов международных конференций и шести тезисах докладов международных конференций и семинаров.
Защищаемые положения
1. Разработаны две модели явления мощной критической электронной эмиссии из диэлектрика в вакуум, индуцированной наносекундной ин-
жекцией плотного электронного пучка в образец, которое ранее обнаружено и исследовано экспериментально. Первая модель - продольная одномерная. Вторая учитывает поперечную пространственную неоднородность эмиссии.
2. Для адекватного эксперименту описания критической электронной эмиссии из диэлектрика необходимо, чтобы модель учитывала следующие процессы: 1) поглощение и распределение заряда и энергии первичного пучка в диэлектрике; 2) генерацию и рекомбинацию зонных и квазисвободных электронов, дырок и экситонов, автолокализацию дырок; 3) дополнительное торможение первичного электронного пучка электрическим полем; 4) захват электронов проводимости на ”биографических” ловушках (примесях и собственных дефектах), а также наэкситонах; 5) ионизацию ловушек и генерацию носителей тока в сильных электрических полях; б) усиление поля на микроостриях; 7) перенос и перераспределение заряда в диэлектрике благодаря наведенной проводимости; 8) выход электронов в вакуум.
3. Одномерная модель описывает некоторые из установленных экспериментально свойств эмиссии: 1) возникновение п резкий рост тока эмиссии при некоторой напряженности электрического ноля; 2) форму импульса эмиссии; 3) коэффициент эмиссии; 4) запаздывание импульса эмиссии относительно импульса облучения и уменьшение времени запаздывания с ростом плотности инжектированного в образец заряда. Одномерная модель, однако, расходится с экспериментом в оценке следующих количественных параметров эмиссии: порога (критического поля) возникновения эмиссии, больших времен запаздывания импульса эмиссии относительно импульса инжекции первичного электронного пучка.
4. Вторая модель мощной критической эмиссии включает одномерную как элемент и учитывает поперечную пространственную неоднородность эмиссии в виде микронных острий на поверхности диэлектрика. Она позволяет вычислить следующие установленные экспериментально свойства эмиссии: 1) критическое поле; 2) пространственную неоднородность.
8
Глава 1 ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ ИЗ МЕТАЛЛОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ
1.1 Классификация видов электронной эмиссии
Электронная эмиссия - процесс испускания поверхностью твердых и жидких тел электронов во внешнее пространство.
Если электронам твердого тела тем или иным способом, с помощью внешнего воздействия, передается некоторое количество дополнительной энергии, то часть из них приобретает возможность преодолеть потенциальный барьер на границе тела и эмиттируется в вакуум. Этот класс эмиссии называется эмиссией с предварительным возбуждением электронов эмиттера [7].
К этому классу относятся следующие виды эмиссии, различающиеся по природе источника энергии возбуждения электронов.
Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов нагретыми телами. Источником энергии возбуждения электронов является тепловая энергия решетки. Если энергия электронов становится достаточной, чтобы преодолеть потенциальный барьер на поверхности тела, возникает термоэлектронная эмиссия. Она характеризуется величиной плотности тока насыщения.
Фотоэлектронная, эмиссия (фотоэффект.). Фотоэлектронной эмиссией называется испускание телом электронов при облучении его поверхности светом. Источником энергии возбуждения электронов тела в этом случае является энергия электромагнитной волны (энергия фотонов). Явление фотоэмиссии характеризуется квантовым выходом, равным среднему чи-
9
слу эмиттированных электронов на один фотон.
Вторичная электронная эмиссия. Вторичной электронной эмиссией называется испускание телом электронов (называемых вторичными) при облучении его поверхности потоками электронов (называемых первичными). Источником энергии возбуждения электронов тела является кинетическая энергия первичных электронов, движущихся в теле. Явление вторичной электронной эмиссии характеризуется коэффициентом вторичной электронной эмиссии, равным отношению числа вторичных электронов, испускаемых за некоторое время телом, к числу упавших на тело за то же время первичных электронов.
Эмиссия горячих электронов. Эмиссией горячих электронов называется испускание свободных электронов телом при наличии в нем электрического поля. Горячие электроны эмиттируются из зоны проводимости. Необходимым условием возникновения этого вида эмиссии является предварительное тепловое или иное возбуждение электронов с их состояний в зону проводимости. Наличие электрического поля в теле приводит к ускорению электронов, находящихся в зоне проводимости. При этом из-за. почти упругого взаимодействия электронов с решеткой средние энергии электронов в зоне проводимости оказываются выше средних энергий ионов. Электронный газ в теле оказывается перегретым, т.е. температура электронного газа оказывается выше температуры кристаллической решетки. Это приводит к появлению эмиссии электронов, хотя температура решетки кристалла сравнительно низкая и обычная квазиравновесная термоэлектронная эмиссия при этих условиях исчезающе мала.
Экзоэлектронпая эмисс ия. Экзоэлектрон ной эмиссией называется испускание электронов, запасенных на дефектах в поверхностном слое тела, после воздействия па поверхность механической обработкой или разрушением, ультрафиолетовым, рентгеновским или электронным пучком. Эмиссия под действием последних трех причин наблюдалась только у диэлектриков. Источником энергии возбуждения электронов является энергия, запасенная поверхностью тела при предшествующем на нее воздействии. Экзоэлектронпая эмиссия может быть стимулирована термически и оптически. Ее токи очень малы, и со временем эмиссия падает. Экзоэлектронпая эмиссия является одним из наиболее чувствительных и неразруша-
10
ющих методов обнаружения и исследования поверхностных состояний и дефектов.
Возможна также эмиссия электронов и без предварительного возбуждения. Она может возникать, если вне тела вблизи его поверхности имеется силовое иоле, тянущее электроны от границы тела. Например, если к поверхности приложено внешнее электрическое поле и потенциальный барьер становится тоньше с ростом напряженности поля, то возможен переход электрона из тела во внешнее пространство путем туннельного эффекта.
Л ото электронная эмиссия (АЭЭ) состоит в испускании электронов поверхностью тела при создании у границы тела (металла, полупроводника или диэлектрика) сильного внешнего электрического поля, ускоряющего электроны ^ 106 - 107 В/см). При этом и невозбужденные электроны могут выходить из тела путем туннельного эффекта. Чтобы стимулировать автоэлектронную эмиссию из диэлектрика или невырожденного полупроводника, необходимо создавать в них свободные электроны одним из способов: термически, электрическим полем, ионизирующим излучением. Автоэмиссия характеризуется величиной плотности тока, которая очень сильно зависит от напряженности поля у поверхности.
Возможна и комбинированная эмиссия, при которой действует механизм предварительного возбуждения электронов и туннельный эффект. К этому виду эмиссии относятся термоавтоэлектронная эмиссия и фо-тоав т о эмисс пя.
Наряд}' с перечисленными видами эмиссии существуют эмиссии, при которых действуют более сложные механизмы. К ним можно отнести следующие виды эмиссии.
Вторичная электронная эмиссия, усиленная толем (аномальная вторичная электронная эмиссия, эффект Малтера). Вторичной электронной эмиссией, усиленной полем, называется испускание электронов тонкими слоями диэлектриков под действием электронного облучения при наличии в них сильного электрического ноля. Источником энергии возбуждения электронов эмиттера в этом случае наряду с кинетической энергией первичных электронов является энергия электрического поля, созданного в эмиттере. Для некоторых диэлектриков, особенно обладающих пористой
- Київ+380960830922