Исследование электрических свойств вольфрамового "пуха", индуцированного гелием

Внедрение: 2021 г.

В работе [1] проведено исследование электрических свойств "пуха" вольфрама, индуцированного гелием. Для исследования была разработана автоматизированная экспериментальная установка. В основе установки лежала вакуумная камера, работающая в условиях высокого вакуума (~10^–7 Па). Исследуемый вакуумный диод состоял из плоского вольфрамового «пухового» катода площадью около 1 см² и цилиндрического медного анода радиусом 2 мм с полусферическим наконечником. Расстояние "катод – анод" составляло около 100 мкм. Прикладываемое напряжение составляло до 10 кВ. Модуль ЦАП/АЦП E20‑10 управлял источником питания высокого напряжения и автоматически регистрировал токи и напряжения в цепи. Наблюдался эффект самопроизвольного изменения излучательной способности исследуемого участка поверхности. Эти изменения могут существенно различаться по величине. Масштабные изменения могут привести к постоянному увеличению излучательной способности конкретного участка или к пробою зазора. Небольшие изменения, как правило, обратимы, имеют ступенчатый характер и затрудняют регистрацию и интерпретацию вольт-амперных характеристик (ВАХ) полевого эмиттера.

Авторы объясняют, что в термоядерных сборках развитие униполярных дуг между высокотемпературной плазмой и обращенными к плазме диверторами является крайне нежелательным побочным эффектом, возникающим в термоядерных устройствах с магнитным удержанием. Наиболее подходящим материалом для изготовления диверторов является вольфрам. Но после воздействия потоков гелия при определённых условиях на поверхности дивертора может образовываться тонкий (около 1 мкм) наноструктурный слой, так называемый вольфрамовый «пух». Слой состоит из стержнеобразных наноструктур диаметром около 10 нм. Стержни обеспечивают достаточно высокий коэффициент усиления электрического поля, поэтому наличие наноструктурированного слоя вольфрамового «пуха» увеличивает вероятность возникновения электрической дуги. Поэтому исследование электрических свойств такого «пуха» в предпробойном и пробойном режимах является актуальной задачей. В экспериментальной установке авторы проводили исследования вакуумного диода с катодом из вольфрама с наноструктурированной поверхностью.

Схема экспериментальной установки для исследования электрических свойств наноструктур на вольфрамовом катоде представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема автоматизированной экспериментальной установки для исследования электрических свойств «пуха» вольфрама.

Модуль E20‑10 обеспечивал автоматизированное управление высоковольтным источником питания (HVPS) с помощью канала ЦАП, а каналы АЦП позволяли одновременно получать данные о напряжении на исследуемом вакуумном диоде и токе, протекающем через него. HVPS представлял собой источник постоянного напряжения в диапазоне 0‑30 кВ. Ток через установку ограничивался резистором R_b. Напряжение, подаваемое на диод, измерялось резистивным делителем, состоящим из резисторов R₁ и R₂. Ток через диод измерялся с помощью делителя R_c1-R_c2, который использовался как токовый шунт. Изображение системы электродов показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Вид сбоку на расположение электродов.

За анодом устанавливался люминофорный экран. Примеры свечения люминофорного экрана при протекании тока автоэмиссии показаны на рисунке 3. Свечение частично перекрывается тенью от перекладины, на которой закреплен анод.

Рисунок 3. Свечение экрана до пробоя, напряжение промежутка 10,5 кВ, затвор камеры 0,3" (слева). Свечение экрана после пробоя, напряжение промежутка 9 кВ, затвор камеры 1/15" (справа).

Рисунок 4. Пример вольт-амперной характеристики с резким изменением излучательной способности в координатах вольт-амперная (а) и Фаулера-Нордгейма (b).

С помощью автоматизированной измерительной системы авторами получены данные об электрической прочности диода с наноструктурированным вольфрамовым катодом. Исследованы также эмиссионные свойства катода с вольфрамовым «пухом». В ходе исследования были выявлены некоторые особенности поведения этого типа наноструктурированных излучателей, усложняющие проведение эксперимента и интерпретацию полученных данных.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 20‑19‑00323).

Источник:
Yu A Zemskov et al 2021 J. Phys.: Conf. Ser. 2064 012004.

Разработчик: Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург; НИЯУ МИФИ, Москва; Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва