Исследован переход автоэмиссионных электронов в режим убегания в области усиленного электрического поля, обусловленного геометрией микроострия на катоде, при различных давлениях газовой среды. Задача решалась моделированием движения электрона в неоднородном электрическом поле методом Монте-Карло в 2D-геометрии. В качестве рабочего газа был взят азот. Обнаружено, что прохождение небольшой по размеру области усиленного поля вблизи микроострия может существенно облегчить уход электрона в режим убегания, особенно при давлениях газа свыше 10 аtm. По нашему мнению, полученные таким образом убегающие электроны могут создать предварительную ионизацию газовой среды и обеспечить формирование начальной фазы разряда в объемной форме.
Разработана самосогласованная 1D-3V (1 координата – 3 скорости) модель на основе метода «частица-в-ячейке» для исследования динамики электронов, эмитируемых расширяющимся полусферическим фронтом взрывоэмиссионной плазмы. Модель описывает процесс формирования виртуального катода в непосредственной близости от фронта плазмы в зависимости от плотности плазмы, ее температуры и напряжения между границей плазмы и внешней границей расчетной области. Напряжение варьировалось от 0 В до 1000 В. Радиус плазменного образования rc рассматривался в диапазоне 10 мкм – 1 см. Плотность плазмы при этом изменялась в пределах 1015 см-3 – 1021 см-3, то есть предполагалось, что плотность плазмы вблизи эмитирующей границы уменьшается как rc-2. Распределение электронов по начальным скоростям описывалось максвелловской функцией распределения. Температура плазмы рассматривалась в диапазоне 1 эВ – 3 эВ. Получены зависимости плотности тока электронов на внешней границе расчетной области от приложенного напряжения и параметров плазмы. Рассчитаны параметры виртуального катода для различных условий. Определены границы применимости модели, обусловленные проникновением электрического поля в плазму.
В работе исследовалось изменение зарядового состава ионов вольфрама по мере разрушения наноструктурированного слоя на поверхности вольфрамового образца многократными вакуумными дуговыми разрядами микросекундной длительности. Измерения состава плазмы проводились при помощи спектрометра Томсона с автоматической регистрацией сигнала и цифровой обработкой данных. Результаты анализа данных показали монотонное увеличение среднего заряда ионов вольфрама в ходе эксперимента с 1–1.5 до 2–2.5. Высокий разброс параметров состава плазмы от разряда к разряду, а также тот факт, что уровня среднего заряда, характерного для ординарного вольфрамового катода (3.07) достичь не удалось, объясняются периодическим вовлечением в разряд неэродированных участков наноструктурированной поверхности.
С помощью прямого моделирования Монте-Карло исследовался процесс формирования электронной лавины и ускорения электронов вблизи микровыступа на катоде в азоте давлением 6 атм. Рассматривались два характерных сценария ускорения электронов: переход в режим убегания и движение с преобладанием «катастрофических» столкновений, приводящих к радикальному изменению направления движения электронов. Показано, что наличие даже относительно небольших микровыступов на катоде может приводить к генерации большого числа электронов с энергиями ~1 кэВ, которые быстро термализуются за счет ионизации и «катастрофических» столкновений. Эти электроны могут генерировать рентгеновские кванты или приводить к быстрому прорастанию проводящего канала за счет формирования вторичных лавин вблизи головки первичной лавины. Однако было обнаружено, что на результаты моделирования чрезвычайно сильное влияние оказывает вид аппроксимации дифференциального сечения рассеяния высокоэнергетичных электронов на молекулах азота. Необходим дополнительный анализ задачи рассеяния быстрых электронов на молекулах газа для проверки корректности проводимого моделирования.