WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 3 05;11;12 Внедрение щелочноземельного металла в структуру графита с целью снижения работы выхода © А.С. Батурин, К.Н. Никольский, А.И. Князев, Р.Г. Чесов, Е.П. Шешин Московский физико-технический институт (Государственный университет), 141700 Долгопрудный, Московская область, Россия e-mail: roman@lafeet.mipt.ru (Поступило в Редакцию 25 марта 2003 г. В окончательной редакции 30 июля 2003 г.) Рассмотрена методика снижения работы выхода автоэмиссионного катода из графита путем внедрения щелочноземельного металла в его структуру. Был разработан метод внедрения бария в структуру графита.

Рассмотрена модель образования монослоя бария на поверхности катода. Результаты автоэмиссионных испытаний показали уменьшение рабочих напряжений допированного катода по сравнению с недопированным при одном и том же токе эмиссии.

Введение личиваются размеры конструкции, часть потребляемой мощности идет на получение атомного пучка, что увеВ настоящее время автоэмиссионные катоды из уг- личивает энергопотребление системы в целом. Третий леродных материалов получают широкое распростране- способ — это диффузия активатора на поверхность ние [1] в связи с низкой стоимостью изготовления, высо- из объема разогретого термокатода. Такой механизм позволяет получать активный слой на поверхности и ким сроком службы. Основным недостатком углеродных обеспечивает его возобновление во время работы катоволокон [2] и графита естественного по сравнению с нанотрубками [3] и алмазоподобными пленками [4] яв- да. Однако он не совсем применим для автокатодов из-за малой рабочей температуры катода.

ляется относительно большая работа выхода электронов, В данной работе исследованы некоторые методики что приводит к высоким рабочим напряжениям катода.

нанесения слоя активного вещества на поверхность авВ основном методы снижения рабочих напряжений можтокатода и обеспечение возобновления слоя активатора но разделить на две большие группы: технологические методы и физические или физико-химические. К техно- во время работы.

логическим методам можно отнести уменьшение расстояния анод–катод. К физическим методам можно отнести Методика внедрения изменение структуры эмитирующей поверхности, например тренировка катода [5]. Физико-химическим методом В настоящее время существует несколько способов улучшения автоэмиссионных свойств катода является внедрения щелочных и щелочноземельных металлов нанесение активирующего материала на поверхность в структуру графита и получения межслоевых соедикатода с целью снижения работы выхода электрона.

нений углерода [7] например, нагревание графитового В производстве термокатодов [6] широко применяпорошка с порошком внедряемого металла в запаянной ется технология покрытия керна активирующим слоем ампуле [7]. Такой способ для нас пока неприемлем (в основном щелочной, щелочноземельный или редкозеиз-за сложностей, возникающих с подготовкой образцов мельный металл). Образование на поверхности керна дидля последующих автоэмиссионных испытаний. Остапольного слоя, который снижает потенциальный барьер, ется не ясным, как из полученного порошка изготоприводит к уменьшению работы выхода. Наибольший вить автокатод известными методами [8], не подвергая эффект достигается, когда толщина активирующего слоя физико-химическому воздействию графитовые частицы сравнима с монослоем.

с внедренным активатором. Поэтому для приготовления В основном для нанесения активатора на поверхность образцов использовался метод пропитки графитовой пользуются тремя методами. Получение активного слоя пластины солями внедряемого металла с последующим в парах осаждаемого металла. Такой способ позволяет вакуумным отжигом до температуры, заведомо большей получить на поверхности керна активный монослой ме- разложения используемой соли. Такой подход позволяет талла. Однако под действием ионной бомбардировки при получать активатор, равномерно распределенный по всеработе катода в технологическом вакууме ( 10-6 Torr) му объему образца. Дальнейшие исследования при помопроисходит разрушение активного слоя, что приводит щи оже-спектроскопии и вторичной ионной масс-спектк снижению эффективности катода и не позволяет роскопии показали, что внедряемый металл находится изготовлять катоды с большим сроком службы. Вто- в порах и в основном в окисленном состоянии. Однако рой способ получения монослоя активного металла на на углеродной поверхности никаких следов активатоповерхности — направленный атомный пучок. В этом ра не было обнаружено. Автоэмиссионные испытания случае усложняется конструкция катодной системы, уве- показали, что при относительно высоких напряжениях Внедрение щелочноземельного металла в структуру графита с целью снижения работы выхода и, как следствие, образование монослоя на поверхности катода.

Изучение структуры образцов после вакуумного отжига показали наличие всех трех процессов. Концентрация бария на поверхности образца очень низка и увеличивается с увеличением глубины. Иногда концентрация бария намного выше в кристаллитах, чем в порах, что говорит о диффузии бария в структуру графита.

Автоэмиссионные испытания Автоэмиссионные испытания полученных образцов Рис. 1. Схема процессов возобновления и удаления монослоя проводились в диодной конструкции. Остаточное давлебария на поверхности катода: 1 —анод; 2 —графитовыйкатод;

ние в камере было 10-6 Torr. В данной работе при3 — оксид бария, находящийся в порах.

водятся результаты автоэмиссионных испытаний только для образцов, допированных барием. Сначала были изучены характеристики чистого графита МПГ-6.

происходит улучшение автоэмиссионных свойств авто- На рис. 2 показаны вольт-амперные характеристики катода. Это можно объяснить так: под действием ионной одного из таких образцов и приведена серия вольт-амбомбардировки происходит удаление оксида металла из перных характеристик для „чистого“ катода в тех же поры и его разложение. Затем атом металла попадает условиях автоэмиссионных испытаний.

на поверхность катода, образуя монослой активного Хорошо заметен существенный сдвиг характеристики вещества, что приводит к снижению работы выхода в область малых напряжений для образца с внедренэлектронов (рис. 1). Однако существует другой процесс, ным Ba, что может говорить об увеличении эффективнокогда под действием ионной бомбардировки разруша- сти катода. Под эффективностью катода мы будет пониется монослой активатора. Это приводит к ухудшению мать напряжение между анодом и катодом, необходимое эмиссионных свойств катода. для получения заданного тока эмиссии.

Для различных технических применений важной характеристикой автокатода является долговременная стабильность эмиссионного тока. Для изучения стабильПриготовление образцов ности эмиссионного тока изготовленного автокатода между анодом и катодом прикладывалось постоянное наПластины графита МПГ-6 были пропитаны раствопряжение, которое составляло 1400 V. В режиме стабирами двух различных солей: BaBr2 и Ba(ClO4)2. Затем лизации напряжения в течение 20 min с интервалом 10 s они были подвергнуты импульсному отжигу в вакууизмерялся ток катода. Зависимость тока эмиссии от ме 10-5 Torr до температуры 1000... 1100C. Следует времени (рис. 3) показывает, что за время испытания отметить, что температура плавления соли BaBr2 составляет 857C, т. е. достигнутые в опыте температуры выше температуры плавления. Для Ba(ClO4)2 точные данные найдены не были, однако оценки показывают, что температура плавления этой соли должна быть более 1300 C, т. е. температуры, достигнутой в опыте, недостаточно для плавления этой соли.

Таким образом, мы ожидали для BaBr2 разложения в вакууме при отжиге, в результате чего более летучий Br (температура кипения 59.2C) должен был покинуть образец и графитовая матрица должна быть пропитана расплавленным Ba.

Дальнейшее поведение бария в графитовом образце определяется температурой образца и состоит из трех процессов. Первый процесс — это диффузия бария через поры на поверхность образца и дальнейшее его испарение. Следующий процесс — это диффузия бария в кристаллы графита. И третий процесс — образование оксида бария в порах образца. Наиболее предпочтительРис. 2. Серии вольт-амперных характеристик для автокатодов ные второй и третий процессы, так как во время работы из МПГ-6 допированного (1) барием и „чистого“ (2) при автокатода будут происходить разложение оксида бария одинаковых условиях испытаний.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 64 А.С. Батурин, К.Н. Никольский, А.И. Князев, Р.Г. Чесов, Е.П. Шешин [7] Setton R. // Proc. IX Polish Graphite Conf. Zakopane (Poland), 1988. P. 531–546.

[8] Baturin A.S., Sheshin E.P. et al. // Tech. Digest IVESC 2000.

Orlando (USA), 2000. P. 51.

Рис. 3. Зависимость эмиссионного тока от времени для автокатода с внедренным барием при постоянном напряжении 1400 V.

не произошло значительного снижения тока. Тем не менее нестабильность эмиссионного тока составляла более 20%. Полученный результат говорит о том, что режим стабилизации напряжения не совсем подходит для катодов такого класса. Эти катоды могут быть использованы в приборах, имеющих схему токовой стабилизации.

Заключение Таким образом, было показано, что допирование щелочноземельным металлом (например, барием) может уменьшить значение работы выхода катода. На данном этапе удалось заметно снизить рабочие напряжения.

Применение полученных результатов не ограничивается только графитом. Такое же поведение автоэмиссионных катодов может наблюдаться и для автокатодов, изготовленных из углеродных волокон. Поэтому применение методики допирования углеродных материалов является новым достижением в области улучшения эмиссионных свойств автокатодов из углеродных материалов.

Список литературы [1] Kwi Seor Choi, Sang Jin Lee et al. // Technical Digest IVMC 99. Darmstadt (Germany), 1999. P. 32.

[2] Sheshin E.P. // Ultramicroscopy. 1999. Vol. 79. P. 101–108.

[3] Bonard J.-M., Chtelain J.-P.A. et al. // Appl. Phys. Lett. 1998.

Vol. 73. P. 918.

[4] Sinitsyn N.I., Gulyaev Yu.V. et al. // Appl. Surf. Sci. 1997.

Vol. 111. P.145.

[5] Бондаренко Б.В., Шешин Е.П. и др. // РиЭ. 1985. Т. XXX.

№ 11. С. 2234–2238.

[6] Масленников О.Ю. Эффективные активируемые термокатоды. М.: МФТИ, 1999. 128 с.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.