《Vacuum》：The dependence of vacuum gap breakdown voltage on field emission properties
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真空击穿电压与阴极场发射特性的关联性研究
采用纯铜阴极，通过场发射电流-电压特性测量和击穿电压实验，分析电场增强因子β与正则化因子f的规律。研究发现，在特定f值范围内，基于β值的击穿电压估算误差约10%，表明阴极场发射特性可用于预测静态真空击穿电压。
S.A. Barengolts|Yu.I. Mamontov|I.V. Uimanov|Yu.A. Zemskov
俄罗斯科学院A.M. Prokhorov通用物理研究所，Vavilova街38号，莫斯科，119991
摘要
高压真空间隙的介电强度是开发和高功率电物理设备运行中的关键问题。众所周知，真空间隙阴极产生显著场发射电流的现象先于真空击穿发生。在这项研究中，我们探讨了静态真空击穿电压与阴极场发射特性之间的相关性。我们研究了尺寸在数十微米量级的纯铜阴极。进行了一系列连续的场发射电流-电压测量和真空击穿测试。此外，还计算了场发射正交因子。对于不同的阴极表面状态，我们获得了局部电场增强因子β、发射正交因子和击穿电压的数据集。在假设特定击穿电场强度的情况下，利用确定的β值，我们估算了击穿电压，并将其与实验测量值进行了比较。分析结果表明，在特定的场发射正交因子范围内，相应的β值可以使得击穿电压的估算误差控制在约10%以内。这些结果表明，有可能仅基于阴极的场发射特性来开发预测静态真空击穿电压的方法。
章节摘录
引言
如今，许多现有的和计划中的电物理设备都利用了真空的介电特性或依赖于真空击穿现象[1]、[2]、[3]。真空击穿对设备运行既有负面影响也有正面影响。例如，在设计宇宙等离子推进器或多电荷金属离子源时，稳定的真空击穿是设置运行的关键阶段。相反，对于粒子加速的射频系统，
实验装置
我们关于场发射特性和击穿电压测试的实验是在残余气体压力不高于10-6 Pa的高真空室内进行的。该装置（见图2和图3）由直流高压电源（HVPS）供电。HVPS的最大输出电压为30 kV。输出电流通过阻值为11.3 MOhm的镇流电阻Rb1进行调节。施加到被研究真空间隙上的电压U是在镇流电阻Rb1之后测量的
局部电场增强因子的计算
电极表面的局部电场增强是影响装置工作状态下击穿概率的最关键因素之一[3]、[4]、[17]。通常用局部电场增强因子β（无量纲）来表征β。可以根据Fowler-Nordheim（FN）理论[24]、[25]对场发射电流-电压特性（FE-CVC）进行分析来计算β。基本原理如下：
局部电场增强和场发射正交因子
图6展示了实验过程中获得的FE-CVC示例。图6-(a)显示了电流-电压坐标下的FE-CVC。图6-(b)、(c)和(d)分别展示了按FN坐标重新排列的FE-CVC；对于每个CVC，提供了可能的线性近似及其参数（β和tan α）。显然，在测量过程中场发射电流并不完全稳定。对于CVC1和CVC2（见图6），至少有两种可能的线性拟合
讨论
首先，让我们更详细地研究图9中呈现的数据。图10展示了每个测量周期以及所有Ebr值的相对击穿电压δ（用红色圆圈表示）、因子β值（通过FE-CVC分析确定的——用绿色阴影三角形表示）以及用公式（13）计算的值（用绿色实心三角形表示）和正交因子f值（用蓝色星号表示）。这里，我们关注图9中δ最接近
结论
在本文中，我们实验研究了真空间隙中阴极的场发射特性与间隙介电强度之间的关系。阴极是一根长15毫米的纯铜针，其尖端呈球形。其曲率尺寸小于100 μm。作为表征阴极场发射特性的参数，我们考虑了局部电场增强因子β和Forbes[19]提出的场发射正交因子f
CRediT作者贡献声明
Yuriy I. Mamontov：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，可视化，监督，研究，形式分析。Sergey A. Barengolts：监督，项目管理，资金获取，数据管理，概念构思。Yury A. Zemskov：可视化，资源管理，方法学，研究，形式分析。Igor V. Uimanov：验证，资源管理，项目管理，形式分析，数据管理，概念构思
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本项工作得到了俄罗斯科学基金会在Grant No. 25-19-00580下的资助。
