Актуальность темы исследований. Одной из актуальных задач современной электроники является разработка и создание автоэмиссионных катодов, стабильно работающих длительное время в условиях высокого технического вакуума (10-7-10-6 торр), характерного для отпаянных приборов. К преимуществам автоэлектронных эмиттеров можно отнести отсутствие накала, высокую плотность тока, устойчивость к колебаниям температуры, малую чувствительность к внешней радиации, безынерционность, экспоненциально высокую крутизну вольт-амперных характеристик, узкий диапазон
энергораспределения эмитированных электронов, отсутствие необходимости расходовать энергию на сам процесс эмиссии. Вышеперечисленные достоинства делают перспективным применение автоэмиссионных катодов в электровакуумных устройствах, таких как электронно-лучевые приборы, плоские экраны, рентгеновские источники и т.д.
Основной недостаток традиционных металлических автокатодов - необходимость изготовления катода в виде острия с малым радиусом закругления, что является очень трудоемкой процедурой. В процессе работы острийный эмиттер разрушается под воздействием ионов остаточных газов, катод деградирует. Для уменьшения этого эффекта необходим сверхвысокий вакуум (давление ниже 10-7 торр), что тоже составляет сложную техническую задачу.
В 70-х годах XX века проведены первые эксперименты по использованию углеродных волокон в качестве автоэмиссионных катодов, которые продемонстрировали принципиальную перспективность данного направления. К преимуществам углеродных автоэмиттеров относятся хорошие вакуумные свойства, высокая температура плавления, высокая теплопроводность, устойчивость к радиационным воздействиям, способность формировать развитую поверхность с большим количеством эмиссионных центров.
В последние десятилетия в качестве автокатодов интенсивно исследуются углеродные наноматериалы, а именно углеродные нанотрубки. Они считаются перспективными благодаря геометрическим размерам этих структур,
4 характеризующимся высоким коэффициентом усиления электрического поля. Это позволяет инициировать автоэлектронную эмиссию при малой напряженности макрополя на катоде (единицы киловольт на миллиметр). Но существует ряд проблем, препятствующих успешному применению таких автокатодов. Среди них разрушение катодных структур в сильных электрических полях и под воздействием ионной бомбардировки, ограничение максимального эмиссионного тока с одной трубки из-за ее выгорания в следствие джоулева разогрева, а также вырывание нанотрубок электрическим полем. Также проблемными моментами являются получение углеродных нанотрубок с определенными свойствами, их монтаж на рабочую поверхность, дороговизна оборудования и процесса изготовления материалов.
Альтернативой наноструктурным эмиттерам являются массивные катоды из искусственных углеродных материалов. Углеродные материалы, производимые промышленностью, являются доступным сырьем для изготовления катодов и достаточно дешевы. Актуальность задачи создания автоэмиссионного катода из массивных углеродных материалов диктуется необходимостью получения высокоресурсного катода для электровакуумных приборов. В настоящее время одним из таких приборов, широко применяемым в медицине и промышленной дефектоскопии, является рентгеновские трубки. Но ресурс трубок с термокатодом определяется временем жизни самого слабого элемента, нити накала, играющей роль катода. Обычно время работы трубок с термокатодом составляет несколько сотен часов. Перегорание накального катода приводит к выходу из строя всей трубки. Разрушение нити происходит за счет испарения материала, воздействия ионов остаточных газов, образования хрупких окислов и других химических соединений. Графитовый же катод лишен этих недостатков. Углерод характеризуется высокой температурой плавления, устойчив к ионной бомбардировке, химически не активен, обладает низкой стоимостью. Также такой катод характеризуется безынерционностью и не требует источника питания для нагрева. Поэтому можно ожидать, что разработка автоэмиссионных катодов на базе промышленно производимых искусственных углеродных материалов,
конструкционных графитов, позволит создавать высокоресурсные автоэмиссионные катоды для энергоэффективных электровакуумных приборов.
Цели и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование автоэмиссионных свойств массивных катодов из искусственных углеродных материалов и промышленных конструкционных графитов в условиях технического вакуума, а так же в условиях интенсивной бомбардировки ионами инертных газов. Исследования позволят оценить перспективу использования катодных узлов из углеродных материалов для создания рентгеновских трубок с высокостабильными характеристиками и с высоким ресурсом работы.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1. Создание экспериментальной установки, позволяющей измерять вольт- амперные характеристики катодов, а также исследовать работу эмиттеров в течение длительного времени.
2. Разработка методики и проведение исследований эмиссионных свойств катодов из углеродных материалов, в том числе изучение динамики вольтамперных характеристик и других рабочих параметров с течением времени.
3. Модернизация установки для визуализации эмиссионных процессов, проведение экспериментов по оценке эффективной площади эмиссии.
4. Анализ состояния рабочей поверхности катода, исследование поверхностного слоя эмиттера методами рентгеновской фотоэлектронной и оже- спектроскопии.
5. Демонстрация возможности использования рассматриваемых катодов в электровакуумных приборах: создание и исследование рабочих параметров макета рентгеновской трубки с автоэмиссионным катодом из графита.
Научная новизна. Исследованы автоэмиссионные свойства массивных автоэмиссионных катодов из конструкционных графитов, производимых промышленностью, в то время как большая часть современных исследований посвящена автоэмиссии из углеродных нанотрубок и других наноструктур.
Исследована работа катодов в условиях технического вакуума и при повышенном давлении остаточных газов, а не в условиях сверхвысокого вакуума.
Исследованы автоэмиссионные свойства массивных катодов из углеродных материалов в условиях интенсивной ионной бомбардировки. Обнаружено, что при напуске в вакуумный объем аргона углеродный автокатод способен работать в режиме самовосстановления. В этом случае наблюдаются периодические улучшения автоэмиссионных свойств: снижение рабочего напряжения и повышение эмиссионного тока.
На основе исследования рабочей поверхности эмиттера методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии показано, что в процессе эксплуатации катода происходит изменение типа гибридизации связей атомов приповерхностного слоя. Так на поверхности графитового катода формируются алмазоподобные кластеры, изменяющие его автоэмиссионные свойства. Образование алмазоподобных включений приводит к необходимости более детального как экспериментального, так и теоретического исследования механизма автоэлектронной эмиссии из углеродных массивных катодов.
Разработана рентгеновская трубка с массивным автоэмиссионным катодом из графита, и исследована работа прибора в условиях технического вакуума.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
