Профессор Ефим Михайлович Окс комментирует свежие данные лабораторных исследований катодных пятен вакуумной дуги. Интерес к изучению феномена катодного пятна обусловлен необыкновенно широким применением вакуумного дугового разряда в сильноточных коммутаторах, ионно-плазменных напылительных устройствах, источниках ионов металлов и других устройствах.

    Катодным пятном называется небольшая сильно разогретая область на катоде, которая характеризуется ярким свечением. Через нее осуществляется перенос тока между катодом и межэлектронным пространством в дуговом разряде. Катодное пятно вакуумной дуги представляет собой объект интенсивных исследований на протяжении уже более 100 лет. Интерес к изучению феномена катодного пятна обусловлен необыкновенно широким применением вакуумного дугового разряда в сильноточных коммутаторах, ионно-плазменных напылительных устройствах, источниках ионов металлов и других устройствах. Несмотря на то, вакуумная дуга интенсивно используется в промышленности, на сегодняшний день не существует единой замкнутой физической модели этого феномена, окончательно признанной научным сообществом. В недалеком прошлом ученые полагали, что катодные пятна все одинаковые. Однако в результате относительно недавних исследований стало ясно, что катодные пятна могут обладать абсолютно разными свойствами, что позволило разделить их на группы и глубже понять их природу.

    Заведующий лабораторией плазменных источников ИСЭ СО РАН (Институт сильноточной электроники Сибирского Отделения Академии Наук), доктор технических наук, профессор, Ефим Михайлович Окс, рассказал нам о совместной научной работе с ФИАН в области исследований фундаментальных процессов в катодном пятне вакуумного дугового разряда и о том, почему эти исследования так важны. Сотрудничество лаборатории плазменных источников ИСЭ и ФИАН началось уже давно и сейчас находится в активной стадии развития. Инициатором такой активности со стороны ФИАН выступил Месяц Г.А., который принимает непосредственное участие в исследованиях.

   Ефим Михайлович говорит о руководителе школы исследований электрической дуги: «Геннадий Андреевич  использует результаты наших экспериментальных исследований для верификации собственных физических моделей функционирования катодного пятна дуги. Его понимание феномена катодного пятна вакуумной дуги (взрывная электронная эмиссия) во многом определяет сегодняшний мировой уровень развития этого направления науки. »

    Различают два подхода к описанию модели катодного пятна: стационарный классический и нестационарный взрывной, лежащий в основе механизма, предложенного и развиваемого Г.А. Месяцем. Основная причина сложности изучения этого явления заключается в экспериментальных трудностях исследования катодного пятна вакуумной дуги, характеризующейся нестационарными цикличными процессами наносекундного временнóго диапазона с плотностью тока порядка 10⁸ А/см² и температурой порядка 10⁴ К. При этом вопросы, касающиеся измерений ключевых параметров катодного пятна (плотность тока в пятне, скорость ионной эрозии и др.) и объяснения наблюдаемых явлений (существование направленных скоростей ионов, обратное движение катодного пятна) остаются дискуссионными.

    Е.М. Окс: «По мере развития и совершенствования экспериментальной техники, позволяющей проводить исследования с большей точностью и с лучшим временным разрешением, надежность результатов экспериментального исследования катодного пятна повышается. Но это также приводит и к появлению новых и ранее неизвестных явлений. В данном случае уместно перефразирование известного выражения о неисчерпаемости катодного пятна, так же как и ленинского электрона. Именно поэтому получение достоверных экспериментальных данных для верификации физических моделей катодного пятна представляет собой одно из важнейших направлений исследования.»

    Лаборатория плазменных источников ИСЭ получает информацию о параметрах и явлениях в катодном пятне на основе эмиссионных методов исследования. Эмиссионный метод заключается в анализе параметров и характеристик ионных пучков, извлеченных из плазмы вакуумного дугового разряда. Уже сегодня работа лаборатории в рамках данного исследования ознаменовалась очень интересными результатами, рассказывает Е.М. Окс:

    «Среди наиболее важных результатов, полученных в нашем коллективе, можно назвать: установление факта равенства направленных скоростей ионов в плазме вакуумной дуги для различных зарядовых состояний; повышение доли многозарядных ионов в плазме вакуумной дуги в результате нагрева электронного компонента плазмы внешним ускоренным пучком электронов, а также мощным СВЧ излучением в условиях ЭЦР (электронно циклотронного резонанса); измерение скорости эрозии материала катода для различных материалов катода, а также измерение углового распределения ионного потока из катодного пятна для различных материалов катода, включая композиционные катоды, и при повышенном давлении газа».

    Когда мы говорим о результатах тех или иных исследований, всегда важно понимать каким образом эти результаты могут быть применены на практике в обычной жизни. Практическое применение результатов исследований вакуумного дугового разряда имеет необыкновенно широкие перспективы. В качестве примера, можно привести создание на основе вакуумной дуги сильноточных источников многозарядных ионов металлов. Такие устройства востребованы для инжекторов ускорителей тяжелых ионов и ионных имплантеров, поскольку позволяют при относительно низких значениях ускоряющего напряжения получить высокоэнергетичные ионные пучки. 

    «Инновационный выход — это главная наша задача. В моем понимании это требование к науке сегодняшнего дня. Такой подход совершенно не снижает важности и необходимости проведения «чисто» фундаментальных исследований. Однако эти исследования кроме научной новизны должны иметь и практическую ценность. Мы надеемся, что наши совместные исследования с ФИАН в области изучения феномена катодного пятна вакуумной дуги продолжатся и дальше и впереди нас ждут новые хорошие результаты».

Е. Барчугова, АНИ «ФИАН-информ»