[論文レビュー] 21st Century Planar Field Emission Theory and its Role in Vacuum Breakdown Science

Richard G. Forbes|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2021

Vacuum and Plasma Arcs参考文献 30被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、真空中の破壊科学における古くさい1950〜60年代のモデルの代わりに、21世紀の場発射（FE）理論、特にMurphy-Goodフレームワークの採用を提唱する。Zenerトンネル効果がCuO被膜における主な破壊メカニズムである可能性は否定され、実験的値をはるかに上回る必要となる場の強さを要する。本論文は、自然対数、スケーリングされた場f、および正統性の検証を含む、FEデータ解析の更新された基準を提言し、実験的解釈における正確性と一貫性を向上させる。

ABSTRACT

For explaining electrical breakdown, field electron emission (FE) is a mechanism of interest. In the period 2006 to 2010 there were significant developments in basic FE theory, but these have not yet fully entered general thinking in technological FE areas, which are often still based on 1960s thinking or (in some contexts) 1920s thinking about FE theory. This paper outlines the history of FE theory and provides an overview of modern developments and of some related topics, in so far as these affect the interpretation of experiments and the explanation of physical phenomena. The paper concentrates on principles, with references given where details can be found. Some suggestions are made about moving to the use of "21st-Century" FE theory. In addition, an error in Feynman's treatment of the electrostatics of pointed conductors is displayed, and it is found that Zener tunneling is implausible as a primary cause of vacuum breakdown from a CuO overlayer.

研究の動機と目的

• 真空中の破壊研究において、古くさい1920〜60年代の場発射理論が引き続き使用されている問題に対処すること。
• 場発射モデルにおける長年の理論的誤り、特に1928年のFowler-Nordheim論文における誤りを是正すること。
• 正確な実験的解釈とパラメータ抽出を可能にするために、現代のFE理論（特にMurphy-Good式）の採用を促進すること。
• 表記、プロット、発射面積の定義を含む、FEデータ解析の更新された基準を確立すること。
• CuO被膜における真空中の破壊メカニズムとしてのZenerトンネル効果の妥当性に疑問を呈すること。

提案手法

• Murphy-Goodの零温度場発射式を連結形で使用：JLMG0 = tF⁻² JkLSN で、JkLSN はSchottky-Nordheim障壁により定義される。
• 場強度増幅係数vおよび関連特殊関数のための現代的近似式「F06」と「HP」を適用する。
• Nordheimパラメータyよりも自然なパラメータとして、スケーリングされた場f = f / (fC) を使用する。
• 共通対数に基づくFowler-Nordheimプロットの代わりに、自然対数に基づくプロット（Murphy-Goodプロット）を用いる。
• 発射開始の評価とデータの一貫性の検証に、orthodoxy test（式36）を適用する。
• 有効質量と誘電率を用いた修正されたSN障壁モデルを用いてZenerトンネル効果を評価し、最小場強度閾値を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常の印加場において、CuO被膜における真空中の破壊にZenerトンネル効果が信頼できるメカニズムであると言えるか？
• RQ2 既知の誤りがあるにもかかわらず、なぜ従来のFowler-Nordheim理論が、場発射および真空中の破壊研究において広く使用され続けているのか？
• RQ3 Murphy-Good理論を用いることと、元々のFowler-Nordheimモデルを用いることの間で、実験的データ解析にどのような定量的影響が生じるか？
• RQ4 場強度増幅係数vおよび関連関数のための現代的近似式は、場発射モデルの正確性をどのように向上させるか？
• RQ5 場発射実験における発射開始の基準は何か？そして、それらはどのように客観的に検証できるか？

主な発見

• CuO被膜におけるZenerトンネル効果は、破壊メカニズムとして現実的ではない。最小場強度は約2.6 GV/mを要し、通常の実験的値をはるかに上回る。
• 1928年のFowler-Nordheim論文には、大きな数値的誤差（約10¹⁷）が含まれており、後続の研究で是正された。この誤りにより、元の式に基づくすべての過去のFE解析は無効である。
• Schottky-Nordheim障壁を用いるMurphy-Good理論は、元のFowler-Nordheimモデルよりも正確で一貫性のある場発射の枠組みを提供する。
• 自然対数とスケーリングされた場fを用いることで、Nordheimパラメータyの代わりに、データ解釈が向上し、FE解析における曖昧さが低減される。
• orthodoxy test により、fC ≈ 0.20 が顕著に高い値を示す場合、これは非理想的な発射体状態を示唆するため、発射開始基準fC ≈ 0.20 が有効でない可能性がある。
• シミュレーションにおいて、発射行動の現実世界のばらつきを反映させるために、不確実性要因lCを含めるべきである。