Переход металл - плазма инициируется взрывом металла, который чаще всего происходит за счёт разогрева металла током автоэлектронной эмиссии большой плотности (j=10⁸-10⁹ А/см²). При этом время до взрыва

где А - коэффициент, определяемый теплофизическими свойствами катода. Начальный взрыв и дальнейшая взрывная электронная эмиссия сопровождаются образованием у катода плазмы, которая расширяется со скоростью v=10⁶ см/с. Ток взрывной электронной эмиссии при взрыве одиночного острия

,

где U - напряжение между катодом и анодом в процессе взрывной электронной эмиссии, d — расстояние между ними, t — время. Взрывная электронная эмиссия сопровождается уносом материала с катода. Для уменьшения этого эффекта необходимо уменьшать электронный ток. Однако если этот ток становится меньше некоторой критической величины, то взрывная электронная эмиссия прекращается.

Взрывная электронная эмиссия используется в сильноточных ускорителях электронов и импульсных источниках рентгеноских лучей высокой интенсивности. Это явление имеет также самостоятельное значение в физике электрических разрядов, главным образом, разрядов в вакууме.

Одним из практических приложений взрывной эмиссии стал серийный выпуск нового класса рентгеновской аппаратуры, отличающейся компактностью, высокой надежностью, мощностью и универсальностью. Созданные рентгеновские аппараты стали широко использоваться для неразрушающего контроля крупных сооружений в полевых условиях, исследования быстропротекающих процессов, калибровки детекторов ионизирующего излучения. Аппараты типа ИРА, РИНА, МИРА стали основными приборами, обеспечивающими контроль качества сварки металлоконструкций и магистральных газонефтепроводов. Высокое качество и уникальные свойства обеспечили им значительный спрос не только в СНГ, но и в ряде стран Запада.

Для получения взрывной электронной эмиссии необходимо создать на поверхности эмиттера первоначальный фазовый переход металл – плазма, который бы обеспечил ток электронов, способный затем поддерживать этот переход. Такой переход создается посредством концентрации большой энергии в микрообъеме эмиттера, достаточной для взрыва этого объема. Большая концентрация энергии в микрообъеме может осуществляться различными способами, например, ударом быстрой макрочастицы о катод, с помощью сфокусированного луча лазера и т.д. Наиболее часто для инициирования взрывной электронной эмиссии используется автоэлектронная эмиссия. Ток автоэлектронной эмиссии разогревает микрообъем за счет Джоулева тепла и эффекта Ноттингема. Оба эти эффекта приводят к повышению электронной температуры T_e. Температура кристаллической решетки повышается в результате электронно-фононного взаимодействия. Время запаздывания t_з взрыва кончика острия относительно подачи импульса напряжения определяется скоростью передачи энергии от электронного газа к решетке. Это создает возможность для получения мощных кратковременных импульсов электронного тока без разрушения эмиттера.

Автоэмиссия существенно зависит от поля и работы выхода и слабо зависит от температуры. Отбор тока при низких температуpax приводит к нагреванию эмиттера, т.к. уходящие электроны уносят энергию, в среднем меньшую, чем энергия Ферми, с возрастанием температуры нагрев сменяется охлаждением – эффект меняет знак, проходя через «температуру инверсии», соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределению вышедших электронов по полным энергиям. Особенности автоэлектронной эмиссии из полупроводников связаны с проникновением электрического поля в эмиттер, меньшей концентрацией электронов и наличием поверхностных состояний. Максимальные плотности тока, которые могут быть получены в режиме автоэмиссии, ограничены джоулевым разогревом эмиттера протекающим через него током и разрушением эмиттера электрическим полем. В режиме автоэмиссии получают токи порядка 10⁷ А/см² (на поверхности эмиттера) в стационарном и 10⁹ А/см² в импульсном режимах. При попытке в стационарном режиме получить больший ток эмиттер разрушается. В импульсном режиме при попытке увеличить ток эмиттер начинает работать в ином режиме, так называемом «режиме взрывной эмиссии».

Сильная зависимость автоэмиссии от работы выхода влечет за собой нестабильность работы автокатода. Работа выхода поверхности зависит как от процессов, происходящих на поверхности в высоком вакууме, так и от влияния недостаточно высокого вакуума: диффузии, миграции, перестройки поверхности, сорбции остаточных газов. Чаще всего применяемый материал – вольфрам – хорошо сорбирует газы. Это вызвало многочисленные попытки применения металлов, не так хорошо сорбирующих газы, например, рения или еще более пассивного углерода, имеющего, однако, большое сопротивление. Предлагалось покрывать металл пленкой углерода. Уменьшать сорбцию газа на поверхности можно постоянным небольшим нагревом автоэмиттера или периодическим сильным импульсным нагревом для очистки поверхности. В целом, для стабильной работы современных автокатодов требуется вакуум, на один-три порядка более высокий, чем тот, который нужен для термокатодов.

Второй после работы выхода параметр, от которого сильно зависит автоэмиссия – напряженность электрического поля на эмиттере, которая, в свою очередь, зависит от среднего поля в приборе (отношение внешнего напряжения к величине зазора) и геометрии эмиттера, ибо для увеличения поля на эмиттере применяются, как правило, «острые» формы – выступы, нити, острия, лезвия, торцы трубок или их системы – пучки нитей, пакеты лезвий, углеродные нанотрубки и т.п. Для отбора относительно больших токов используют многоострийные системы, многоэмиттерные системы на краях пленок и фольг и т.п. То, что в качестве эмиттеров используются острия, имеет следствием непараллельность траекторий электронов, причем компонента скорости, лежащая параллельно плоскости эмитирующего электрода, может быть сравнима с продольной компонентой. Пучок получается расширяющимся, веерным, а если катод многоострийный или многолезвийный, то не ламинарным.