Формовка матричных автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода в сильных электрических полях

УДК 621.382.029.6

В.И. Шестеркин

ФОРМОВКА МАТРИЧНЫХ АВТОЭМИССИОННЫХ КАТОДОВ ИЗ СТЕКЛОУГЛЕРОДА

В СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

Приведены результаты экспериментального исследования процессов, протекающих на поверхности матричных автоэмиссионных катодов (МАЭК) из стеклоуглерода СУ-2000 при их формовке. Определены временные рамки процесса формовки МАЭК от первого включения до получения стабильной автоэлектронной эмиссии. Исследовано влияние давления остаточных газов в макетах на величину автоэмиссионного тока катода и амплитуду его флуктуаций во времени. Показано, что МАЭК из стеклоуглерода стабильно работают в условиях технического вакуума (1 *10-6 - 1*10-7 тор) и восстанавливают эмиссионную способность после работы при вакууме ~ 1*10" тор.

Матричный автоэмиссионный катод, углеродный автоэмиссионный катод, стабильность автоэлектронной эмиссии, формовка

V.I. Shesterkin

ACTIVATION OF FIELD EMISSION ARRAY CATHODES FROM GLASSY-CARBON WITHIN THE HIGH ELECTRICAL FIELD

Physical processes on the surface of field-emission array cathodes from glassylike carbon (SU-2000) are investigated during the experiment with the diode end triode mock-up at their activation. The time limits are determined for the process offield emission cathode activation from the first turning to stable field-emission condition. The influence of vacuum on the value of the cathode current and its fluctuations in time is investigated. It is shown that field-emission array cathodes are characterizedfor stable operation under the condition of technical vacuum (1*.10~6 - 1*107 tore) and maintain the regeneration ability of emission at the vacuum level 1*10-5 tore.

Field-emission array cathode, carbon field-emission cathode, stability field-emission

Введение

Процесс активировки металлопористых термоэмиссионных катодов является важным технологическим процессом, направленным на стабилизацию работы выхода электронов, повышение равномерности термической эмиссии по поверхности катода и стабилизации ее во времени. Для авто-эмиссионных катодов также необходимо проводить процесс его активировки, который в литературе получил название - процесс формовки [1]. Для термоэмиссионных катодов активировку осуществляют повышением температуры, как параметра, определяющего величину плотности тока. Для авто-эмиссионных катодов аналогичным параметром, определяющим плотность тока автоэлектронной миссии, является напряженность электрического поля. Процесс формовки автоэмиссионных катодов направлен на стабилизацию работы выхода ф, форм-фактора в, связывающего напряжение анода Ua и напряженность электрического поля Ео на эмиссионных центрах и эффективной площади эмиссии 8эф автоэмиссионного катода. Изменения работы выхода во времени обусловлены процессами адсорбции-десорбции молекул и радикалов остаточных газов (далее адсорбаты), а изменение форм-фактора - геометрией микроострий и их взаимным расположением [2]. Поскольку эффективная площадь эмиссии автоэмиссионного катода определяется количеством эмиссионных центров на вершинах микроост-рий, то процесс формовки направлен на увеличение количества работающих эмиссионных центров.

Процесс формовки автоэмиссионных катодов из углеродных волокон достаточно подробно исследован в [3]. Процесс формовки МАЭК из стеклоуглерода СУ-2000 как способ введения его в режим стабильной автоэлектронной эмиссии, а также его влияние на величину и амплитуду флуктуаций автоэмиссионного тока в условиях технического вакуума изучены недостаточно [4] и требуют дальнейших исследований.

Целью работы является экспериментальное исследование физических процессов на поверхности микроострий в процессе формовки МАЭК из стеклоуглерода в зависимости от давления остаточных газов в сильных электрических полях (1х107 В/см 7*107 В/см).

Объекты экспериментальных исследований

В работе исследовались эмиссионные свойства матричных автоэмиссионных катодов, изготовленных с использованием тонкопленочной технологии, фотолитографии и термохимического травления монолитного стеклоуглерода СУ-2000 [5]. Стеклоуглерод выбран в качестве материала МАЭК из-за его уникальных характеристик [6]:

- по своему химическому составу на 99.99 % состоит из углерода;

- не образует устойчивых химических связей с атомами и молекулами остаточных газов, что обеспечивает постоянство работы выхода;

- имеет хорошую газонепроницаемость;

- обладает высокой температурой фазового перехода ~ 5000оС.

Следует отметить, что только на стеклоуглероде удалось сформировать воспроизводимую топологию матриц микроострий с использованием технологии термохимического травления.

МАЭК представляли собой диски диаметром 3 мм, высотой 2 мм с плоскими торцами на одном из которых была сформирована матрица микроострий в форме усеченного конуса высотой h=15 мкм, диаметрами основания d=14 мкм и вершины d=1.5 мкм. Микроострия располагались в углах квадрата со стороной Ь= 20 мкм, что соответствовало плотности упаковки Д,=2.5*105 см-2. Поверхность вершин микроострий представляла собой топологию хаотически расположенных наноострий высотой )ср ~ 7нм, радиусом кривизны г ср ~ 0.5 нм и усредненным значением расстояния между ними Ь ср ~ 80 нм, что соответствовало плотности упаковки Ыа ~ 1.6*1010 см-2 [7].

Учитывая, что напряженность поля на вершине наноострия определяется его аспектным отношением (к/гср), а плотность автоэмиссионного тока изменяется от напряженности поля по экспоненциальному закону, то физический смысл формовки состоит в формировании на вершинах микро-острий максимально возможного количества идентичных по своим геометрическим размерам нано-острий. Это необходимое условие обеспечения примерно одинаковой напряженности электрического поля на каждом из них. При этом возрастает эффективная площадь эмиссии катода, токовая нагрузка на эмиссионные центры снижается до значений плотности тока, существенно меньших, чем предельно допустимые для стабильной автоэлектронной миссии ( ~ 1* 109 А / см2) [8 ].

Исследования процесса формовки и оценка стабильности автоэлектронной миссии проводились на макетах диода и триода с плоскими электродами. Для защиты от пробоев в цепь катода последовательно было включено сопротивление Я = 84 кОм. Токи на электродах регистрировались в непрерывном режиме микроамперметрами класса точности 1.5, а в импульсном режиме - с помощью осциллографа. Измерения параметров МАЭК проводились при непрерывной откачке. Вакуумный стенд был снабжен смотровым окном для визуального наблюдения пробойных явлений и измерения температуры катода с помощью пирометра.

Исследование процесса формовки МАЭК в диодном режиме

Исследования эмиссионных характеристик МАЭК проводились на макетах диодов аноды которых были изготовлены из стеклоуглерода. Использование анодов из молибдена или меди не привели к положительным результатам. Это было связано с выделением на поверхности анода высоких значений мощности электронного потока до («2.2*.103 Вт /см2), что приводило к расплавлению участков анода напротив микроострий и осаждению материала анода на микроострия. На аноде из меди был обнаружен отпечаток матрицы микроострий в виде кратеров. На аноде из молибдена обнаружен отпечаток матрицы микроострий. В процессе непродолжительной работы обоих диодов автоэмиссионный катод постепенно деградировал. Формовка МАЭК в диоде проводилась в непрерывном режиме, что позволяло осуществлять процесс десорбции молекул остаточных газов с поверхности микроострий не только за счет воздействия пондеромоторных сил электрического поля, но и за счет их разогрева джоулевым теплом и излучением с поверхности анода. Измерения температуры катода через смотровое окно вакуумной камеры методом пирометрирования показали, что температура в диодном промежутке достигала «1200°С. Естественно предположить, что температура непосредственно на эмиссионных центрах была значительно выше.

Формовка диодов начиналась при давлении остаточных газов ~ 5*10"7 тор и напряженности электрического поля в диоде Ед«1*105 В/см. На начальном этапе наблюдался самопроизвольный рост автоэмис-сионного тока катода с кратковременными выбросами тока, на порядок превышающими его среднее значение (рис. 1).С течением времени по мере увеличения напряженности поля среднее значение тока катода увеличивалось, амплитуда флуктуаций тока ЛІ уменьшалась. При этом начало эмиссии смещалось в сторо-

ну более высоких напряжений. Флуктуации тока автоэлектронной эмиссии после 2-3 часов работы диода уменьшились до 3.5%. Вольт-амперные характеристики диода воспроизводились. Наблюдаемые процессы изменения тока и его флуктуации обусловлены процессами десорбции молекул и атомов остаточных газов с поверхности микроострий. Работа выхода и напряженность электрического поля на эмиссионных центрах все в большей степени определялись непосредственно материалом автоэмиссионного катода и геометрией эмиссионных центров на вершинах микроострий.

Ь, мА

2.25 2,0

1,75

1,5

1.25 1,0

0,75 0,5

0 6 12 18 I, мин

Рис. 1. Изменение тока катода от времени

Когда поверхность микроострий в основном была очищена от адсорбатов, дальнейшее увеличение напряжения на аноде диода приводило к запредельному увеличению тока некоторых наноост-рий, имеющих наиболее высокий коэффициент усиления поля. За счет термического разогрева значительно уменьшалось их аспектное отношение вплоть до единицы (разрушение наноострия). В результате этого напряженность поля на вершинах соседних наноострий возрастала, что приводило к увеличению их тока автоэлектронной миссии. Гибель старых и рождение новых эмиссионных центров приводили к изменению эффективной площади автоэлектронной эмиссии катода (рис. 2).

см-1,5-10'12 -

1,4-10-12

1,3-Ю12 -

і 1

4-10‘|31

0,4 0,8 1,8 и, кВ

Рис. 2. Изменение эффективной площади эмиссии катода от напряжения анода при зазоре диодного промежутка сі ка = 30 мкм

В ходе экспериментов возникали настолько мощные пробои, в результате которых эмиссия МАЭК уменьшалась на 30-50% и потом не восстанавливалась. В этом случае происходило разрушение одного или нескольких микроострий на поверхности автоэмиссионного катода (рис. 3).

54

а б

Рис. 3. Фотография поверхности МАЭК: а - до пробоя; б - после пробоя

Изучение процессов формовки показали, что для каждого типа МАЭК, отличающихся геометрией микроострий и плотностью их упаковки, существует индивидуальное значение критической напряженности поля в диоде Ед.кр., выше которой происходили необратимые процессы в результате которых эмиссия катода не восстанавливалась. Для МАЭК с плотностью упаковки N0 = 2.5* 105 см-2, высотой h ~ 15 мкм и радиусом вершин г ~ 0.75мкм и зазора диодного промежутка гїка ~ 1-2 мкм величина критической напряженности поля составляла Ед.кр ~ 90 В /мкм , а для промежутка d ка ~ 5 мкм Ед.кр ~ 120 В /мкм.

Формовка МАЭК в макете триода. Конструктивно макет триода состоял из МАЭК, вытягивающей сетки и анода. МАЭК был выполнен в форме диска с диаметром 3 мм и высотой 2 мм. Матрица имела микроострия высотой h ~ 15 мкм, с радиусом кривизны вершин г ~ 1.5 мкм и плотностью упаковки N„=2.5*10 см- ' Вытягивающая сетка, изготовленная из танталовой фольги толщиной 0.1 мм, имела ячейки в форме круглых отверстий диаметром 0.3 мм, расположенных на расстоянии 0.1 мм друг от друга. Геометрическая прозрачность сетки составляла 30%. Расстояние от вершин микроострий до сетки составляло 0.05 мм. Анод был выполнен из стеклоуглерода в виде диска диаметром 10 мм и толщиной 2 мм. Он размещался на расстоянии 0.5 мм от сетки и имел потенциал на 200 вольт выше, чем ее потенциал. Перед постановкой МАЭК в макет триода он подвергался процессу формовки в диодном режиме.

Формовка МАЭК начиналась при вакууме 1 *. 10-7 тор. Напряжение на сетке повышали, начиная от иа = 500 В, с интервалом 20 В. На рис. 4 представлены вольт-амперные характеристики триода после их работы в течение 6, 10,14 и 20 часов в непрерывном режиме. В процессе формовки МАЭК начало вольт-амперных характеристик триода смещалось в область более низких напряжений. После 20 часов тренировки его ВАХ стабильно воспроизводились и процесс формовки считался завершенным.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики МАЭК в триоде от времени:

1 - 6 часов; 2 - 10 часов; 3 - 14 часов; 4 - 20 часов

На этом же макете были проведены исследования влияния давления остаточных газов на эмиссию и флуктуации катодного тока (рис. 5). Было установлено, что величина тока автоэлектрон-ной миссии МАЭК не изменяется при увеличении давления до р ~ 1х10"6 тор. Увеличение давления остаточных газов до 5*10-6 тор приводило к уменьшению тока автоэлектронной эмиссии примерно на 10% и увеличению амплитуды его флуктуаций до 12%. При достижении давления остаточных газов

2*10-5 тор ток катода уменьшалось почти на 30%, а амплитуда флуктуаций увеличивалась до 15%. При восстановлении давления остаточных газов до 1*10-7 тор в течение примерно 12 часов первоначальные значения катодного тока и амплитуда его флуктуации на уровне 3.5% полностью восстановились.

То, мА

0,4 0 3 0,2 0,1

ЛЛ

1.2-10-7. 6,8-10'7. 4,8-І0-'' 240^ . 3,5-IQ-7.

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 ^час

Рис. 5. Изменение катодного тока от давления остаточных газов

Заключение

В работе исследованы закономерности автоэмиссионных процессов МАЭК из стеклоуглерода в диодах и триодах при его активировке от момента постановки в вакуумную камеру до момента получения стабильной автоэлектронной эмиссии. Показано, что процесс активировки МАЭК состоит из двух этапов. На первом этапе - очищения поверхности катода от адсорбатов наблюдался самопроизвольный рост эмиссионного тока, который сопровождался микропробоями. Однако это не приводило к существенному снижению общего тока автоэлектронной эмиссии. Микропробои на этом этапе формовки МАЭК были обусловлены миграцией атомов и молекул остаточных газов к вершинам мик-роострий, что приводило к возрастанию коэффициента усиления и эмиссионного тока и последующей их десорбции. После процесса очищения поверхности МАЭК от адсорбатов наступал этап его формовки в сильных электрических полях. В процессе этой фазы процесса формовки происходили изменения геометрических размеров наноострий вследствие их разрушения под действием термического нагрева, и изменения напряженности электрического поля на соседних микроостриях и тока автоэлектрон-ной эмиссии с них. Эти явления на этапе формовки приводили к флуктуации эффективной площади эмиссии с последующей ее стабилизацией. Экспериментально подтверждена стабильная автоэлектронная эмиссия МАЭК из стеклоуглерода при давлении остаточных газов не хуже 5*10'6 тор.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бондаренко Б.В. Автоэлектронные эмиттеры с развитой рабочей поверхностью / Б.В. Бондаренко, В.И.Макуха, Е.П. Шешин // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1984. Вып. 10 (370).

С. 44-47.

2. Бондаренко Б.В.Проблема стабильности автоэлектронной эмиссии и некоторые пути ее решения / Б.В.Бондаренко // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1980. Вып. 9 (321). С. 3-8.

3. Бондаренко Б.В. Флуктуации автоэмиссионного тока катода из углеродного волокна / Б.В. Бондаренко, Ю.В. Писаренко, Е.П. Шешин // Радиотехника и электроника. 1986. Вып. 10. С. 2056-2060.

4. Григорьев Ю.А. Экспериментальное исследование стабильности эмиссионных характеристик матричных углеродных автокатодов из стеклоуглерода марки СУ-2000 в условиях технического вакуума / Ю.А.Григорьев, В.И.Шестеркин // Электронные приборы и устройства СВЧ: тез. докл. конф. Саратов, 5-7 сентября 2012 г. Саратов, 2012. С. 66-69.

5. Способ формирования топологии преимущественно многоострийного автокатода: Пат.1738013, Российская Федерация, МКИ Н01 j 1/ 30 / Ю.А. Григорьев, С.В. Васильковский, В.И. Шестеркин, З.А.Ярцева. № 481/973/24-21; Заявл. 09.04.90; Опубл. 06.04.93.

6. Федоров В.Б. Углерод и его взаимодействие с металлами / В.Б. Федоров, М.Х. Шоршоров, Д.К. Хакимова. М.: Металлургия, 1978. 208 с.

7. Гуляев Ю.В.Исследование автоэмиссионных характеристик фрактальных структур / Ю.В. Гуляев, Ю.А. Григорьев, В.Н. Король и др. // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2005. №1-2. Т. 13. С. 88-97.

8. Елинсон М.И. Ненакаливаемые катоды / М.И. Елинсон. М.: Сов. радио, 1974. 336 с.

Шестеркин Василий Иванович - Vasily I. Shesterkin -

кандидат физико-математических наук, ведущий Ph. D., Senior Research Fellow

научный сотрудник OAO «НІ II І» Aлмаз», JSC NPP Almaz, Saratov

Саратов

Статья поступила в редакцию 12.10.13, принята к опубликованию 15.12.13