ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2026, № 1 · ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Связь напряжения пробоя вакуумного промежутка и его автоэмиссионных характеристик

Ю.А. Земсков1, Ю.И. Мамонтов1, И.В. Уйманов1

1 Институт электрофизики Уральского отделения РАН, Екатеринбург, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2026.1.8 УДК 537.533.2 EDN MFWELD

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.

  • автоэлектронная эмиссия
  • полевая эмиссия
  • вакуумный пробой
  • напряжение пробоя
Abstract (in English)

Interconnection between the breakdown voltage of a vacuum gap and its field-emission characteristics

The general trends in changing the local electric field enhancement factor β at a cathode surface of a vacuum gap simultaneously with its static breakdown voltage (BV) were investigated as the cathode surface was eroded by vacuum breakdowns. The cathode was a pure-copper needle with a diameter of ~60 μm and a length of ~15 mm with a spherical tip with a diameter of ~70 μm; the anode was flat. A series of experimental cycles was carried out; each cycle incorporated sequentially performed stages of investigating the field-emission current-voltage characteristics (CVC) of the vacuum gap and testing its BV. The BV test also acted as an eroding factor, which led to a change in the cathode surface state for the next measurement cycle. By analyzing the obtained field-emission CVCs for each cycle, the β coefficient was determined, based on which the BV value was estimated for the accepted value of the copper breakdown electric field strength of 10×107 V/cm. In turn, the calculated BV value was compared with those directly measured within the particular experimental cycle. Furthermore, a field emission orthodoxy test was applied to the obtained field-emission CVCs. It was found that it was possible to predict the BV value with a relative error of no more than 10 %. It was also shown that for β values providing the best match between the calculated and experimentally measured BV values, the emission orthodoxy factor was significantly above the range associated with “pure” field emission. The obtained results allow the conclusion that it is possible to develop an approach to experimentally estimating the BV of vacuum gaps in a non-destructive way, that is, without direct BV tests, but considering only the field emission properties of the gap. This approach may find wide application when developing and testing high-power, high-voltage electrophysical devices.

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

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