УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ОДНОРОДНОСТИ АВТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ С ПОВЕРХНОСТИ ЭМИССИОННОЙ СРЕДЫ
DEVICE FOR FIELD-EMISSION HOMOGENEITY DEGREE DETERMINATION FROM EMISSION MEDIUM SURFACE

Изобретение выполняет функцию устройства, предназначенного для визуализации в потоках электронов автоэмиттирующей поверхности и диагностирования ее характеристик - однородности автоэмиссии в плоскости, кинетики процесса автоэмиссии и наблюдений за динамикой деградации локальных областей автоэмиттирующей поверхности.
В настоящее время контроль однородности автоэмиссии с поверхности в режиме "on line" осуществляется только посредством контроля электрофизических характеристик, что позволяет лишь судить только лишь о качестве автоэмиттирующей среды и автокатоде в целом. Характеристика локальных свойств поверхности при этом недоступна, и о них судят косвенно, изучая по окончании испытаний морфологические изменения (деградация) поверхности посредством сканирующей зондовой микроскопии, либо растровой электронной микроскопии а фазовые изменения - посредством локального рентгеновского микроанализа и полевой ионной микроскопии [1-2]. Способ локального контроля, реализующий изучение автоэмиссионных характеристик с локальных областей поверхности автокатода, реализуется посредством устройства, позволяющего осуществлять измерения автоэмиссионного тока с локального участка поверхности автокатода при перемещении вдоль нее анода, выполненного в виде диагностического зонда шаровой формы [3]. Однако реализация такого устройства требует владения точностью сканирования над изучаемой поверхностью с зазором около микрона диагностическим зондом, имеющим размеры порядка миллиметра с «острием» шаровой формы, имеющим размеры ~100 мкм. Устройство это может быть изготовлено на платформе сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), посему становится дорогим изделием. Более того, не существует тиражируемых современной промышленностью СЗМ, позволяющих изучать при указанных условиях поверхности протяженностью в ~10 мм. Однако именно такие размеры имеют автокатоды, необходимые при разработках по изучению автоэмиссии с локальных областей автоэмиттирующей поверхности. Кроме того, при сканировании шаровым зондом вдоль поверхности мы получаем информацию в условиях, когда автоэмиссия реализуется только из локальной области (под зондом) поверхности, но в условиях когда работа всей остальной части поверхности не активизирована. Эти условия далеки от рабочих условий автокатода с большой поверхностью, в которых картина распределения электрических полей обусловлена суперпозицией процессов автоэмиссии различных локальных областей автокатода.
Таким образом, актуальными являются конструкция и способ, реализующие диагностику автоэмиссионных характеристик поверхности автокатода в режиме "on line".
Наиболее близкой конструкцией - прототипом - к заявляемому изобретению и используемым в его работе физическим эффектам (т.е. способу) может быть конструкция электронно-оптического преобразователя (ЭОП) [4]. Прототип конструктивно представляет собой оптический прибор, выполненный в металлокерамическом корпусе, с входным оптическим окном из материала, прозрачного в оптическом диапазоне, и оптическим трактом в составе последовательно расположенных элементов: фотокатода (источника фотоэлектронов), нанесенного на вакуумно-плотное входное окно, электродов ускоряющего промежутка; микроканальной пластины (МКП), осуществляющей умножение потока электронов; люминесцентного экрана, осуществляющего преобразование усиленного потока электронов в свет и расположенного на волоконно-оптической пластине (ВОП), являющейся к тому же вакуумно-плотным выходным окном корпуса ЭОП.
Задачей предлагаемого изобретения является реализация возможности диагностики степени однородности автоэмиссии с поверхности автокатода автоэмиссионных характеристик с локальностью не хуже 40-50 мкм в режиме "on line". Это достигается тем, что в конструкции прототипа, за входным оптическим окном располагают автокатод (автоэмиттирующую среду), а люминесцирующий экран, являющийся одновременно анодом, нанесен на ВОП и расположен на расстоянии 200-500 мкм непосредственно за автоэмиттирующей поверхностью автокатода.
-8
-9
Суть заявляемого устройства представлена Фиг. 1, где: 1 - корпус устройства; 2 - входное окно для излучения оптического либо радиочастотного диапазонов; 3 - съемный исследуемый автокатод электрически изолированный от других элементов устройства, но гальванически связанный с контактом 4; 5 - слой люминофора субмикронной толщины; 6 - проводящий слой наноразмерной толщины; 7 - волоконно-оптическая пластина (ВОП); при этом слои 5 и 6 имеют общую границу, гальванически связаны с контактом 8 и расположены в указанной последовательности на плоскости ВОП, обращенной к поверхности автокатода. ВОП одновременно является вакуумно-плотным выходным оптическим окном, выводящим излучение через вторую свою плоскость, и позволяет откачивать внутренний объем корпуса устройства до остаточного атмосферного давления в 10-10 мм рт. ст.
В предлагаемом устройстве источником электронов является автоэмиссионная среда (либо автокатод), на которую подают отрицательный потенциал относительно люминесцентного экрана, являющегося анодом. Способ визуализации процесса автоэмиссии электронов с изучаемой поверхности автокатода заключается в пропорциональном преобразовании потока автоэлектронов в световой поток, испускаемый при катодолюминесценции в результате взаимодействия потоков автоэлектронов с активным веществом люминесцирующего экрана. Поэтому существующее изображение в автоэлектронах поверхности автокатода преобразуется люминофором экрана в изображение оптического диапазона, чувствительного для восприятия глазом наблюдателя, затем выводится через противоположную плоскость ВОП и регистрируется наблюдателем визуально либо посредством приемника оптических изображений, например посредством ПЗС.
т
т
*
0,5
*
6
7
Локальность диагностики предлагаемым методом определяется размером зерен люминофора (5-10 мкм), размером ячеек ВОП (10-50 мкм), а также расстоянием между активной поверхностью автокатода и поверхностью люминофора экрана. Чувствительность метода определяется пороговой разностью потенциалов для процесса автоэмиссии и пороговой энергией образования неравновесных электронно-дырочных пар (квантовой эффективностью люминофора). Несложно показать, что «размазку» (пространственное разрешение) изображения в автоэлектронах можно оценить по формуле ΔL=υ (2·d·m/q·Е). При пороговых полях Е=5×10 В/см, величине зазора (d) между автокатодом и люминофором в 200 мкм, тепловой скорости (υ) в 10 см/с, для линейного размера (ΔL) размытия (пространственного разрешения) пятна в автоэлектронах получаем значение в 40 мкм (m - масса электрона q - элементарный заряд). Таким образом, локальность метода определяется, в основном, размытием электронного пятна (т.е. расстоянием d между эмитирующей и преобразующей поверхностями). Задача ВОП - не ухудшить ситуацию, поэтому под требования конкретной задачи выбирается ВОП с заданным размером ячеек.
-10
8
0.5
-12
min
aвт.э
a.э.
min
Для оценки предельной чувствительности устройства и предлагаемого метода диагностики однородности будем (для объективности оценки) исходить из данных чувствительности существующих приемников (для стандартных ПЗС приемников ~10 Вт/Гц) и энергии образования неравновесной электронно-дырочной пары (для люминофора из CdS ε~5 эВ). Несложно показать, что для оценки пороговой чувствительности в автоэлектронах по величине минимальной мощности детектируемой матрицей ПЗС устройства можно использовать соотношение P=(ħω/t)·N. Отсюда, с учетом существующего минимального порога чувствительности по квантам света для ПЗС для числа автоэлектронов получаем N=5×10 шт. В силу равноускоренного движения электронов в промежутке автокатод - экран, для соответствующего тока в исследуемой конструкции получаем выражение J=(q·U/m)·x·[q·P/(d·ħ·ω·η]. Тогда, для напряжения в 5 кВ, в стационарном режиме и для зазора d=200 мкм при квантовой эффективности η=0,5 для полного тока получим значение в J≈10 A, что примерно соответствует величине статистических шумов катоде-люминесценции преобразовательного экрана, существенно меньше шумов самой ПЗС, и все это указывает на более чем достаточность использования для наблюдения за процессами автоэмиссии матричного фотоприемника ПЗС.
Реализованные в устройстве локальность и чувствительность можно улучшить. Для этого всего лишь необходимо уменьшить расстояние между катодом и анодом. Это несложно сделать, если линейные размеры автоэмиттирующих поверхностей невелики. Однако в случаях сильноточных автокатодов (где особенно важны использование предлагаемого устройства и метода на его основе) реализовать зазор, меньший 150-200 мкм, представляет определенную техническую сложность. Напротив, увеличивать зазор свыше 500 мкм также представляется неэффективным, так как потребуются недопустимо высокие величины рабочих напряжений. Действительно, при острийных автоэмиссионных автокатодах (а только автокатоды на основе массивов острий и могут позволить получить большие токи) со средними размерами острий в 20 нм, при средних пороговых полях в 10 В/мкм (соответствует аспектным отношениям ~3) при зазоре в 500 мкм необходимые величины рабочих напряжений составят ~5000 В. Однако эта величина является предельной, так как в стандартных условиях (атмосферное давление и влажность) здесь велика вероятность электрического пробоя вне корпуса между электродами устройства, отстоящими относительно друг друга, как правило, на расстояние ~3-5 мм. Кроме того, как было отмечено выше, при увеличении упомянутого зазора между автокатодом и экраном резко ухудшается пространственное разрешение результатов измерений.
Таким образом:
- расположение люминесцентного экрана на расстоянии не более чем в 200 мкм - 500 мкм предотвращает размытие изображений в потоке электронов в плоскости люминесцентного экрана более чем в 40-100 мкм, соответственно;
- использование ВОП позволяет изображение автоэмиттирующей поверхности далее передать в форме оптического изображения без значительных искажений и с разрешением не хуже характерных размеров ячеек (10-50 мкм);
- наличие входного (оптического либо радиочастотного) окна позволяет изучать влияние на пороговые характеристики и кинетику процесса автоэмиссии стимулирующее этот процесс фото- либо радиочастотное излучение;
- использование вакуумно-плотного керамического корпуса позволяет изучать автоэмиссионные среды с пороговыми характеристиками в широком диапазоне величин (вплоть до 10 В/мкм).
2
2
2
3
2
3
2
W
Si
острия
Концепция предлагаемого изобретения основана на пропорциональном преобразовании изображения поверхности в автоэмиттируемых ею электронах в изображение в потоках фотонов, получаемых в результате взаимодействия упомянутых автоэлектронов с люминофором люминесцирующего экрана. Это позволяет в режиме «on line» с высоким разрешением наблюдать автоэмиссию с локальных участков поверхности автокатодов. Актуальность задачи в том, что на практике пока никому не удалось изготовить стабильные автокатоды с плотностями токов, больших 0,1 А/см и 1 А/см, для постоянного и импульсного режимов работы, соответственно, и при полном токе, составляющем хотя бы сотню миллиампер. Причинами, препятствующими успешной реализации эффективных сильноточных автокатодов, является следующий ряд факторов: отсутствие технологий формирования массивов наноразмерных острий с малой дисперсией аспектных отношений; низкий предел текучести (σ) исходных материалов (для вольфрама и кремния σ≈300 Н/мм и σ≈10 Н/мм, а минимально допустимое значение предела текучести автоэмиссионного острия при его диаметре ≈50 А составит σ≈7×10 Н/мм); проблемы отвода тепла от наноразмерных острий (перегрев острий на основе кремния достигает 1500-1700°С); недопустимо большие величины потенциальных барьеров автоэмиссионных острий на основе металлов и полупроводников (~4÷5 эВ), требующие использования больших величин рабочих напряжений, что приводит к значительным механическим нагрузкам на автоэмитирующие электроны острия. Все перечисленное и является причинами неудачи в реализации автоэмиссионной ЭКБ для вакуумной силовой электроники, в том числе и ее СВЧ-сектора. Из перечисленных выше причин наиболее серьезной, мешающей реализации сильноточных острийных автокатодов, является проблема формирования массива наноразмерных острий с малой дисперсией аспектных отношений. Наличие упомянутой дисперсии аспектных отношений приводит к тому, что автоэмитировать электроны начинает, как правило, группа наноразмерных острий, имеющих наилучшие аспектные отношения. Попытка далее распространить процесс автоэмиссии на больший массив (большую площадь) и получить большие токи приводит к разрушению уже эмитирующих острий и включению другой группы острий, имеющей лучшие аспектные отношения, но уже из числа оставшихся острий массива. В результате полный ток автоэмиттера с ростом напряжения не только не подрастает, но подчас и уменьшается.
В настоящее время межоперационный контроль качества автоэмиссионной среды при разработке автокатодов осуществляется на специализированных стендах, индивидуально создаваемых разработчиками, которые реализуют условия, далекие от рабочих. Поэтому разработка эффективных автоэмиссионных сред сильноточных автокатодов нуждается в создании способов и конструкций, позволяющих в условиях, близких к реальным, визуализировать статику и кинетику автоэмиссии из любого элемента поверхности автоэмиттирующей среды или автокатода на ее основе.
Работа заявляемого устройства происходит следующим образом. На автокатод и люминесцентный экран подают разность потенциалов (минус на автокатод) величиной, соответствующей началу процесса автоэмиссии электронов, момент которой будет соответствовать началу процесса свечения локальных областей экрана. Параллельно наблюдению через выходное окно (визуальному, либо посредством ПЗС) за процессами (статикой и динамикой) катодолюминесценции поверхности экрана, во внешней цепи регистрируется зависимость автоэмиссионного тока от напряжения (разности потенциалов) в цепи автокатод - люминесцентный экран.
Примеры реализации
Примеры результатов измерений иллюстрируются Фиг. 2а-2в, где даны результаты визуальных наблюдений поверхностей автокатодов в режиме "on line", выполненные с помощью заявляемой конструкции. Здесь представлены фотоизображения автоэмиссии с поверхностей автокатодов экспериментальных образцов устройств, имеющих три различных типа автокатодов. На фотоизображении автоэмиттирующей поверхности на Фиг. 2а представлено устройство с автокатодом первого тип, выполненным в виде массива наноразмерных острий, сформированных в кремниевой подложке КЭС-0,1. На Фиг. 2б представлено фотоизображение автоэмиттирующей поверхности автокатода другого типа, по окончании испытаний. Это образец был выполнен также в виде массива наноразмерных острий в кремниевой подложке КЭС-0,1 но в отличие от образца первого типа, массив наноразмерных кремниевых острий здесь покрыт пленкой слабо легированного акцепторами поликристаллического алмаза субмикронной толщины. На Фиг. 2в представлен автокатод третьего типа, выполненный также в виде массива наноразмерных острий в кремниевой подложке КЭС-0,1, но в отличие от образцов первого и второго типов, образец третьего типа был покрыт не только пленкой поликристаллического алмаза субмикронной толщины, но и проводящей металл углеродной пленкой наноразмерной толщины.
Для образца с автокатодом первого типа (фиг. 2а) результаты визуальной диагностики свечения экрана указывают на значительную неоднородность процесса автоэмиссии с поверхности данного автокатода. При этом параллельный контроль зависимости тока от напряжения указывает на отсутствие роста полного тока с ростом разности потенциалов между анодом и автокатодом и на отсутствие увеличения площади эмитирующей поверхности. Для автокатода другого типа (фиг. 2б) (выполненного также в виде массива наноразмерных острий в кремниевой подложке КЭС-0,1, но в отличие от образца первого типа массив наноразмерных кремниевых острий покрыт пленкой слабо легированного акцепторами поликристаллического алмаза субмикронной толщины), результаты диагностики также указали на неоднородность процесса автоэмиссии с поверхности автокатода второго типа. Но при этом, в отличие от первого случая, наблюдается рост тока автоэмиссии с ростом разности потенциалов вплоть до момента выгорания локальных участков люминесцентного экрана, выполняющего параллельно функцию анода. Для автокатода третьего типа (фиг. 2в), выполненного также в виде массива наноразмерных острий в кремниевой подложке КЭС-0,1, но в отличие от образцов первого и второго типов покрытого не только пленкой поликристаллического алмаза субмикронной толщины, но и проводящей металл углеродной пленкой наноразмерной толщины, результаты диагностики указывают на существенно более высокую однородность процесса автоэмиссии с поверхности образца; при этом с ростом разности потенциалов между катодом и анодом не только растет площадь люминесцирующей поверхности, но и продолжается экспоненциальный рост тока. В результате это приводит к локальным выгораниям активного вещества люминесцентного экрана из-за невозможности отвести выделяющеееся джоулевое тепло в силу высокоомности материала люминофора. Выгорание активного вещества экрана происходит по всей поверхности экрана, что позволяет сделать аргументированное заключение о предпочтительности использования автоэмиттеров с архитектурой образцов третьего типа.
Таким образом, использование предложенной конструкции позволяет с высоким пространственным разрешением визуально либо посредством фотоприемников изображений и в широком диапазоне автоэмиссионных токов проследить статику и динамику процессов автоэмиссии электронов с поверхности автокатодов с локальностью размера ячеек ВОП (~50 мкм), определять степень однородности эмитирующей электроны поверхности автокатода, динамику деградации активных точек, пороговое напряжение начала процесса автоэмиссии.
Источники информации
1. Мазилова Т.И., Михайловский И.М. Эрозия поверхности автоэмиттеров под действием низкоэнергетичной ионной бомбардировки // ЖТФ, 2002, т. 72, вып. 7, стр. 117.
2. Торгашов И.Г. Экспериментальные исследования и моделирование автоэлектронной эмиссии из синтезированных тонких углеродных нанокластерных пленок. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Саратов, 2005. 144 с.
3. Израэльянц К.Р. Эмиссионные характеристики углеродных нанотрубок в постоянном и слабом высокочастотном электрических полях. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М., 2014.
4. Козелкин В.В., Усольцев И.Ф. Основы инфракрасной техники, 3-е изд., М., 1985.
5. Куклев С.В., Соколов Д.С., Зайдель И.Н. Электронно-оптические преобразователи. М., НИИ ЭПР, 2004, 188 с.