ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2026. №1

УДК: 537.533.2; 53.083.98; 53.082.722.4

СВЯЗЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПРОБОЯ ВАКУУМНОГО ПРОМЕЖУТКА

И ЕГО АВТОЭМИССИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Ю.А. Земсков, Ю.И. Мамонтов, И.В. Уйманов

Институт электрофизики Уральского отделения РАН,

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106

Статья поступила в редакцию 23 октября 2025 г.

Аннотация. Были исследованы общие тенденции изменения локального коэффициента усиления электрического поля β на катоде вакуумного промежутка и его статического пробивного напряжения (ПН) по мере эродирования поверхности катода вакуумными пробоями. Катод представлял собой медную иглу диаметром ~60 мкм и длиной ~15 мм со сферическим кончиком диаметром ~70 мкм, а анод – плоскость. Проводилась серия экспериментальных циклов, состоящих из последовательно выполняемых стадий снятия автоэмиссионной вольт-амперной характеристики (ВАХ) вакуумного промежутка и измерения ПН. При этом испытание ПН одновременно выступало эродирующим фактором, приводящим к изменению состояния поверхности катода для следующего цикла измерений. При анализе полученных автоэмиссионных ВАХ для каждого цикла определялся коэффициент β, по которому для значения пробивной напряженности поля медного катода 10×10⁷ В/см оценивалась величина ПН. В свою очередь, вычисленное значение ПН сравнивалось с измеренным ПН в данном экспериментальном цикле. Кроме того, к полученным автоэмиссионным ВАХ был применен тест ортодоксальности автоэлектронной эмиссии. Обнаружено, что для проведенных экспериментальных циклов было возможно предсказать величину ПН с ошибкой не более 10 %. Также показано, что для значений β, которые дают наилучшее совпадение рассчитываемой величины ПН с экспериментально измеренной, показатель ортодоксальности эмиссии лежит значительно выше диапазона для «чистой» полевой эмиссии. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что возможно разработать подход к экспериментальной оценке ПН вакуумных промежутков неразрушающим способом, то есть без непосредственного проведения испытаний ПН, учитывая только автоэмиссионные свойства катода промежутка. Такой подход может найти обширное применение при разработке мощных высоковольтных электрофизических устройств.

Ключевые слова: автоэлектронная эмиссия, полевая эмиссия, вакуумный пробой, напряжение пробоя.

Автор для переписки: Мамонтов Юрий Игоревич, mamontov@iep.uran.ru

Литература

1. Zemskov Y.A., Mamontov Y.I., Uimanov I.V. Investigation of Changes in the Field Emission Characteristics of the Eroded Cathode Surface after Submicrosecond Vacuum Arc Discharges with Different Current Amplitudes // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2023. – V. 87. – No. Suppl 2. – P. S202-S209. https://doi.org/10.1134/S1062873823704610

2. Mamontov Y.I. et al. Conditioning a Copper Cathode Surface by High-Voltage Subnanosecond Pulses // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2024 – V. 52. – No. 9 – P. 4439-4449. https://doi.org/10.1109/TPS.2024.3374898

3. Zemskov Y.A., Mamontov Y.I., Uimanov I.V. Study of the Parameters of the Electrode Surface Conditioning Process in a Multi-Mode Experimental Setup // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2025. – V. 89. – No. 9. – P. 1565-1572. https://doi.org/10.1134/S1062873825712243

4. Земсков Ю.А., Мамонтов Ю.И., Михайлов П.С., Музюкин И.Л., Уйманов И.В. Методика измерения субнаноамперных автоэмиссионных токов // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.12.3

5. Mesyats G.A., Proskurovsky D.I. Pulsed electrical discharge in vacuum / Berlin: Springer-Verlag. – 1989. https://link.springer.com/book/9783642837005

6. Marić R. et al. Electrical breakdown mechanisms in vacuum diodes // Vacuum. – 2010. – V. 84. – No. 11. – P. 1291-1295. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2010.02.005

7. Li Y. et al. Influence of material properties and surface conditions of metal electrodes on vacuum breakdown characteristics in small gaps // Journal of Applied Physics. – 2025. – V. 138. – No. 8. – Art. No. 083301. https://doi.org/10.1063/5.0276729

8. Hantzsche E. et al. Erosion of metal cathodes by arcs and breakdowns in vacuum // Journal of Physics D: Applied Physics. – 1976. – V. 9. – No. 12. – P. 1771. https://doi.org/10.1088/0022-3727/9/12/016

9. Kranjec P., Ruby L. Test of the critical theory of electrical breakdown in vacuum // Journal of Vacuum Science and Technology. – 1967. – V. 4. – No. 2. – P. 94-96. https://doi.org/10.1116/1.1492528

10. Forbes R.G. Development of a simple quantitative test for lack of field emission orthodoxy // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. – 2013. – V. 469. – No. 2158. – Art. No. 20130271. https://doi.org/10.1098/rspa.2013.0271

11. Fowler R.H., Nordheim L. Electron emission in intense electric fields // Proceedings of the royal society of London. Series A, containing papers of a mathematical and physical character. – 1928. – V 119. – No. 781. – P. 173-181. https://doi.org/10.1098/rspa.1928.0091

12. Houston J.M. The slope of logarithmic plots of the Fowler-Nordheim equation // Physical review. – 1952. – V. 88. – No. 2. – P. 349. https://doi.org/10.1103/PhysRev.88.349

13. Jayantha P.A., Turner I.W. A comparison of gradient approximations for use in finite-volume computational models for two-dimensional diffusion equations // Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals. – 2001. – V. 40. – No. 5. – P. 367-390. https://doi.org/10.1080/104077901753243179

14. Schnack D.D. et al. A finite-volume algorithm for three-dimensional magnetohydrodynamics on an unstructured, adaptive grid in axially symmetric geometry // Journal of Computational Physics. – 1998. – V. 140. – No. 1. – P. 71-121. https://doi.org/10.1006/jcph.1998.5873

Для цитирования:

Земсков Ю.А., Мамонтов Ю.И., Уйманов И.В. Связь напряжения пробоя вакуумного промежутка и его автоэмиссионных характеристик // Журнал радиоэлектроники. – 2026. – №. 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.1.8