Самозатачивающийся точечный автоэлектронный катод для работы в техническом вакууме
Владельцы патента RU 2343583:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова" (RU)
Изобретение относится к области электронной технике и может быть использовано в эмиссионной электронике, технологии обработки поверхности электронными пучками и электронной микроскопии. Техническим результатом является упрощение конструкции катодного узла, повышение допустимой плотности тока долговечности. Сердечник катода выполнен в виде микроострия из тугоплавкого стойкого к распылению материала и покрыт слоем материала с более высокой электропроводностью и меньшей стойкостью к распылению ионами остаточного газа, чем сердечник. 2 ил.
Изобретение относится к области эмиссионной электроники и решает задачу создания простого и миниатюрного точечного автоэлектронного катода, обладающего повышенной долговечностью (за счет повышенной устойчивости к ионной бомбардировке) при работе в техническом вакууме.
Актуальность этой задачи определяется тем, что имея рекордные параметры (высокая электронная яркость, низкий разброс энергий электронов) металлические точечные автоэлектронные катоды-микроострия устойчиво работают лишь в вакууме ≈10-8 Па. Основными причинами неустойчивости и снижения ресурса являются адсорбция газов и бомбардировка эмиттирующей поверхности ионами, образующимися из атомов остаточного газа вследствие электронного удара [1, 2, 3, 4]. Для уменьшения этих неблагоприятных воздействий был предложен ряд методов. Так, в [5] в катодном узле предусматривается разделение траекторий электронов и ионов за счет введения дополнительного анода. В [6, 7, 8, 9] проанализирован ряд методов повышения стабильности автокатодов. Это использование материалов, более устойчивых к ионной бомбардировке (например, LaB6, CeB6) подогрев эмиттера для залечивания повреждений, использование в качестве рабочей среды слабо распыляющих газов, переход к импульсному режиму работы. Такие методы могут сочетаться практически со всеми конструкциями катодов.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является так называемый автоэлектронный катод Шоттки (Schottky Emission Cathode), производимый, в частности, фирмой "Field Electron Emission Company" по цене ≈$500÷1500 (данные из проспекта фирмы). Он представляет собой острие, которое во время работы поддерживают при температуре 1800°С [10]. В этих условиях повышается диффузионная подвижность поверхностных атомов острия-катода, и они втягиваются в область максимальной напряженности электрического поля, которая находится на его вершине. За счет этого компенсируется распыление вершины ионами остаточных газов. В результате существенно повышена долговечность работы катода и снижена величина необходимого вакуума. Данный катод является в настоящее время наиболее подходящим для использования в техническом вакууме (чему подтверждением может служить факт его широкого использования в современных электронных микроскопах). Он обладает значительно более высокой долговечностью, чем известные ранее и сравнительно неплохими другими важнейшими параметрами.
Недостатками этого решения являются сложность поддержания требуемой температуры (необходим источник питания, система стабилизации температуры, цепь для пропускания тока). Кроме того, оказалось, что термически равновесная форма вершины при наличии электрического поля имеет радиус кривизны (0,4÷1,0 мкм) в несколько раз больше, чем тот, который можно получить при обычном изготовлении микроострий (≈0,1 мкм). Это соответственно снижает «точечность» источника, так важную, например, в электронной микроскопии. Недостатком прототипа является также пониженная плотность тока. Действительно, в этом катоде используется специально выращенный кристалл, удельное сопротивление которого значительно выше сопротивления чистых металлов. Как правило, желательно получить наивысшую плотность тока, но ток проводимости, протекающий через тело катода, вследствие интенсивного тепловыделения, разрушает его [8].
Цель настоящего изобретения - упрощение конструкции катода и повышение допустимой плотности тока (по сравнению с прототипом) при наличии высокой устойчивости к ионной бомбардировке.
Поставленная цель достигается за счет того, что катод выполнен в виде осесимметричного микроострия-сердечника из тугоплавкого и стойкого к распылению металлического материала, покрытого слоем другого металла с более высокой электропроводностью и меньшей стойкостью к катодному (ионному) распылению, чем материал микроострия-сердечника.
В предлагаемом устройстве нет необходимости поддерживать заданную температуру. Вся конструкция получается предельно миниатюрной.
Изготавливают автоэмиттер следующим образом:
Получают исходное острие-сердечник, например, методом электролитического травления. При этом его нужно сделать в несколько раз длиннее, чем обычно (ранее старались наоборот, сделать острие как можно короче для улучшения его охлаждения и уменьшения вибраций). Теперь же покрытие повышает электропроводность и жесткость конструкции.
Наносят на его боковую поверхность материал со сравнительно более высокой электропроводностью и меньшей стойкостью к распылению, чем материал сердечника.
В наших экспериментах наносили золото на вольфрам. На острие-сердечник подавали минус постоянного напряжения, а на ванночку из нержавеющей стали - плюс.
Для золочения использовали электролит:
| Хлорное золото | - 3 г/литр; |
| Железосинеродистый калий | - 15÷50 г/литр; |
| Сода безводная | - 20÷25 г/литр; |
Перед нанесением покрытия острие-сердечник промывалось в струе эфира и спирта. При напряжении 1В для получения ровного, блестящего покрытия толщиной 0,1÷0,5 мкм достаточно было одного импульса тока длительностью 0,1÷0,5 с.
Работа устройства происходит следующим образом.
На помещенный в вакуумную камеру катод подают отрицательное высокое напряжение из такого расчета, чтобы напряженность электрического поля Е у его вершины достигла 108÷109 В/м. При этом из катода происходит автоэлектронная эмиссия электронов. Под действием этих электронов атомы остаточного газа ионизуются и бомбардируют поверхность катода. Покрытие распыляется быстрее, чем сердечник, и в результате этого катод постоянно «самозатачивается» как показано на фиг.1А - до начала работы и фиг.1Б - в процессе работы. При этом затупления рабочей вершины не происходит до тех пор, пока весь сердечник не будет израсходован.
ПРИМЕР. Работа устройства опробована с эмиттерами-сердечниками из вольфрама, покрытых слоем золота. Оказалось, что в вакууме 10-5 Па обычный эмиттер-микроострие из вольфрама при начальном токе I=200 мкА уже через 1 час вследствие затупления даст ток 100 мкА при том же электрическом напряжении. Предложенная же конструкция давала снижение тока в 2 раза при сходных условиях не менее чем за 10 часов работы. Кроме того, с помощью катода с покрытием удалось получить ток в стабильном режиме более 1 мА. С катодом без покрытия ток такой величины с одного острия вообще не удается получить вследствие расплавления вершины из-за ее Джоулева нагрева при сравнительно плохом (по сравнению с предлагаемой конструкцией) теплоотводе.
Объяснить этот факт можно тем, что электросопротивление острия с покрытием из золота значительно ниже, чем без покрытия (золото шунтирует вольфрамовый сердечник) Поэтому Джоулев нагрев уменьшается, и острие выдерживает значительно больший ток без теплового разрушения.
Электронно-микроскопическое изображение вершины острия-эмиттера после интенсивной эксплуатации показано на фиг.2. Видно, что легкоплавкое покрытие диффундирует к вершине эмиттера и даже образует некоторое утолщение, но сама вершина от покрытия свободна.
Отличительными признаками данного предложения являются:
1. Боковая поверхность острия-эмиттера (катода) покрыта материалом, который относительно легче распыляется, чем сердечник катода.
2. Материал покрытия имеет меньшее удельное электросопротивление, чем сердечник катода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. V.S.Bormashov, A.S.Baturin, K.N.Nikolskiy. The influence of the ion bombardment on the current stability of field-emission cathodes. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Volume 558, Issue 1, 1 March 2006, Pages 256-259.
2. Бондаренко Б.В. Эмиссия электронов и ионов из твердого тела в вакуум, учебное пособие. М., Изд. МФТИ, 1982, 321 с.
3. Елинсон М.И. - ред. Ненакаливаемые катоды. М.: Сов. Радио, 1974, 336 с.
4. J.S.Sovey S.D.Kovaleski Preliminary Results of Field Emission Cathode Tests. NASA/TM-2001-211318 IEPC-01-280.
5. Елинсон М.И., Васильев Г.Ф. Автоэлектронная эмиссия М., Физматгиз, 1958, 230 с.
6. Бондаренко Б.В. Способы повышения стабильности и срока службы автоэлектронных катодов. Обзоры по электронной технике. Сер. Эл. - вакуумные и газоразрядные приборы, М., 1981, вып.4/418/, 59 с.
7. В.Jüttner, H.Wolff, В. Altrichter Stability of Field Electron Emission and Vacuum Breakdown. Physica Status Solidi (a) Volume 27, Issue 2, 2006, Pages 403-412.
8. Фурсей Г.Н. Автоэлектронная эмиссия. Соросовский образовательный журнал т.6, № 11, 2000 c.96-101.
9. A-J Cheng, D.Wang, H.W.Seo, M.Park, and Y.Tzeng Cold Cathodes for Applications in Poor Vacuum and Low-Pressure Gas Environments. 8th International Conference on Applications of Diamond and Related Materials/Ist NanoCarbon Joint Conference Argonne National Laboratory May 15-19, 2005.
10. Schottky emission cathode and a method of stabilizing the same. United States Patent 5616926, lapril 1997.
Самозатачивающийся точечный автоэлектронный катод для работы в техническом вакууме, состоящий из электропроводящего микроострия-сердечника, отличающийся тем, что его боковая поверхность покрыта материалом, который относительно легче распыляется и имеет меньшее удельное электросопротивление, чем сердечник катода.
