WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 6 05;11;12 Некоторые аспекты использования углеродных материалов в автоэлектронных эмиссионных катодах © А.Ф. Бобков, Е.В. Давыдов, С.В. Зайцев, А.В. Карпов, М.А. Козодаев, И.Н. Николаева, М.О. Попов, Е.Н. Скороходов, А.Л. Суворов, Ю.Н. Чеблуков Институт теоретической и экспериментальной физики, 117259 Москва, Россия (Поступило в Редакцию 23 июля 2000 г.) Проведен детальный анализ преимуществ и недостатков использования углеродных волокон и плоских графитов с развитой поверхностью в качестве материалов катодов на основе автоэлектронной эмиссии.

Приведены оригинальные результаты экспериментальных исследований элементного состава углеродных материалов, влияния термического отжига на их структуру и эмиссионные свойства, снижения работы выхода при имплантации в них цезия. Рассмотрены возможности радиационных технологий при создании плоских автоэмиссионных катодов с развитой поверхностью, оценена динамика изменения рельефа эмиттирующей поверхности в результате ее бомбардировки низкоэнергетичными ионами остаточных газов. Даны соображения о целесообразности реализации тех или иных конструктивных решений автоэмиссионных катодов для различных практических целей.

Введение К настоящему времени в литературе (в первую очередь в патентной) описано немало конструкций автоэмиссионных катодов на основе углеродных волокон Идея использования углеродных материалов в каче(ссылки на многие оригинальные и обзорные работы стве катодов на основе автоэлектронной эмиссии (АЭ даны в [8]). Так, в патенте США № 4728851 описан автокатодов) была, по-видимому, впервые реализована в эмиссионный катод в эмиттирующем устройстве с функ1972 г. [1], причем в первых работах [2,3] в качестве цией памяти, состоящий из одного углеродного волокна углеродных материалов выступали волокна [4]. Этому диаметром порядка 2.0 µm с эмиттирующей вершиной, предшествовало начало использования с 1957 г. в АЭ заостренной коронным разрядом до диаметра 0.2 µm.

катодах углесодержащих материалов — карбидов неПатент США № 4272699 описывает автоэмиссионный которых тугоплавких металлов [5]. Позже появилось катод для импульсного электронного источника. Катод весьма значительное количество работ, рассматриваюсостоит из жгута углеродных волокон диаметром от 2.щих параметры АЭ катодов из различных массивных до 10.0 µm каждое с эмиттирующими поверхностями, углеродных материалов с развитой поверхностью (см., полученными простым обрезанием волокон, а не заостренапример, [6,7]). Обращение к углеродным материалам нием с помощью какой-либо специальной процедуры.

в эмиссионной электронике было вызвано прежде всего Одним из последних патентов в этой области и, возвозможностью их использования в условиях техниче- можно, наиболее полным является, по-видимому, патент США № 5588893 [9], описывающий автоэмиссионный ского вакуума. Идеология использования углеродных катод и метод его изготовления. Весьма обнадеживаюволокон в АЭ катодах базировалась на том, что они щие результаты были получены к настоящему времени не требуют специального предварительного заострения при использовании радиационных технологий создания (необходимые эмиттирующие центры содержит простой или обработки АЭ катодов из массивных углеродных излом волокна); весьма устойчивы к бомбардировке пластин и пластин высокоориентированного пиролитиионами остаточных газов, имеющей место в приборах ческого графита (ВОПГ) [1].

с высоковольтным питанием и работающих в условиях Однако наиболее обещающими в плане использования технического вакуума; характер распыления их поверхуглеродных материалов для АЭ катодов являются на ности обеспечивает динамически устойчивую конфигусегодняшний день так называемые нанокластерные углерацию с наличием значительного числа эмиттирующих родные структуры, в частности нанотрубки — вытянутые центров (как было установлено, в указанных условиях образования, состоящие в основном из шестичленных эксплуатации одни эмиттирующие центры прекращали колец углерода [11,12]. Авторы [13] впервые оценили свое существование, другие же образовывались вновь);

эмиссионные свойства изготовленных ими нанотрубок, а они являются вакуумным материалом, выпускаются пров последующих работах [14] сделали указание на то, что мышленностью многих стран и имеют относительно величина работы выхода нанотрубок имеет порядок 1 eV.

невысокую стоимость. К преимуществам использования В случае подтверждения этого уникального факта АЭ углеродных волокон относили и тот факт, что промышкатоды из нанокластерных углеродных структур в больленность выпускает их в виде пучков (жгутов) из сотен шинстве случаев практического использования не будут и даже тысяч единичных волокон. иметь себе равных.

96 А.Ф. Бобков, Е.В. Давыдов, С.В. Зайцев, А.В. Карпов, М.А. Козодаев, И.Н. Николаева...

Цель настоящей работы — рассмотрение некоторых поступает в ЭВМ, где обрабатывается и используется преимуществ и недостатков АЭ катодов из углерод- для построения вольт-амперных характеристик (в том ных волокон и углеродных пластин с развитой по- числе и в координатах Фаулера–Нордгейма), зависимоверхностью, а также изложение некоторых последних стей температуры рабочих элементов от величины токов экспериментальных результатов авторов по исследова- эмиссии и т. п.

нию таких катодов. Многие рассмотренные здесь весь- В экспериментах по изучению эмиссионных свойств ма концептуально результаты будут приведены полно- материалов, работоспособности катодов и узлов в целом необходимая разность потенциалов обеспечивается стью в подготавливаемой параллельно этой серии работ.

В этом смысле настоящая работа носит в определен- источниками питания HCN 35-6500 и HCN 35-(оба — F.u.G. Electronic GmbH, Germany), одной из ной степени характер обзора оригинальных результатов особенностей которых является возможность работы в авторов.

режиме источников тока. Этот режим использовался в экспериментах по изучению стойкости АЭ катодов Экспериментальная процедура к бомбардировке ионами остаточных газов в течение длительных промежутков времени. Полярность напряДля изучения геометрии АЭ катодов использовались жения на источниках, подсоединенных к аноду и модутрадиционная сканирующая электронная микроскопия лятору соответственно, выбрана положительной. Этот (анализ рабочих поверхностей волокон) и сканируювыбор вызван тем, что камера изготовлена из металщая туннельная микроскопия (анализ геометрии поверхла, оказывающего заметное влияние на распределение ностей массивных катодов с развитой поверхностью).

напряженности электрического поля в межэлектродном Элементный состав материалов катодов определялся на пространстве. Оба источника питания оснащены цифросерийных масс-спектрометрах с магнитной разверткой выми аналоговыми преобразователями и подключены к с использованием лазерных твердотельных ионных исЭВМ, с помощью которой задаются программы изметочников. Внутренняя структура углеродных волокон нения напряжения и временные параметры. Показатели изучалась методом рентгеновского дифракционного ананапряжения записываются в информационные файлы лиза. Изучение эмиссионных свойств АЭ катодов пронаряду с другими параметрами (сила тока, температуводилось на специально созданной, полностью автомара). Основным элементом создания файлов, содержатизированной установке [15]. Ее экспериментальная щих в цифровом виде данные о различных параметрах вакуумная камера выполнена из нержавеющей стали изучаемых процессов, является аналого-цифровой преи оснащена высоковольтными электрическими вводами образователь. Он представляет собой печатную плату и просмотровым окном. Оригинальной частью камеL-264, размещенную внутри компьютера. Плата являры является универсальное устройство, позволяющее ется устройством для ввода, вывода и обработки анаустанавливать элементы измерительной системы (АЭ логовой и цифровой информации. На плате устанокатод, модулятор, анод) на определенном расстоянии влен сигнальный процессор ADSP-2105, который может друг от друга и варьировать их взаимное расположение обеспечивать ввод аналоговой информации и ее анализ во всех направлениях с высокой точностью. Диаметр в автономном режиме с последующим сообщением о анода варьируется от 10 до 40 mm в зависимости от результатах измерений. При настройке и калибровке вида и конструкции АЭ катода (одиночные углеродные основной системы сбора и обработки информации граволокна, пучки волокон, нанотрубки, кремниевые или фики и зависимости, полученные с помощью ЭВМ, вольфрамовые острия, одиночные вольфрамовые провосравниваются с такими же графиками и зависимостялочки и их пучки, плоские углеродные или графитовые ми, полученными после обработки экспериментальных пластины с развитой поверхностью), расстояния анод– данных цифрового мультиметра DMM-VC-506. Текукатод и задач эксперимента. Измерение температуры щие величины измеряемых параметров в обоих случаях модулятора и анода осуществляется с помощью теротображаются на экране ЭВМ в реальном масштабе модатчиков. Для изучения равномерности эмиссионного времени.

тока используются различные типы анодов: цельные, сегментные (до 4 сегментов, набраны из кольцевых Экспериментальные результаты:

элементов). В качестве модуляторов используются сетки различной прозрачности, пластины с отверстиями, про- элементный состав углеродных волочки и т. п. Электронный блок установки включает материалов в себя программируемые источники питания, делитель, усилитель и плату L-264, соединенную с электронной Анализы элементного состава углеродных материалов вычислительной машиной, и является основой систе- проводились на масс-спектрометре МИ-1201 и массмы сбора и обработки информации. Для настройки и спектрографе ЭМАЛ-2 (оба — АО ”Selmi”, Сумы, контроля основной системы в установке используется Украина). Были проанализированы углеродные волокна:

цифровой мультиметр DMM-VC-506 (Conrad Electronic на основе полиакрилонитрила (ПАН) марки УКН-П, GmbH, Germany). С его помощью цифровая информация УКН-400, УКН-5000, ВМН-РК, ВМН-4, ВЭН-280 и о токах эмиссии и температурах элементов конструкции Кулон-П (все российского производства, ВНИИПВ [16]) Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Некоторые аспекты использования углеродных материалов в автоэлектронных эмиссионных катодах и марки Т-50 и Т-300 (Thornel, USA); на основе нефтяного изотропного пека марки Р-25 и Р-75 (Thornel, USA [17]); на основе гидрата целлюлозы — опытный образец ВНИИПВ (Россия). Кроме того, анализу подверглись несколько марок отечественных реакторных графитов (марки МПГ-6, МПГ-8, КПГ, ГМР-1011, ГР-1, ГР-280, ВПГ) и ВОПГ также отечественного производства. Как выяснилось, все исследованные углеродные материалы содержат значительное количество примесей (до 3%). При этом порядка 2–2.3% составляет азот, по нескольку сотых процента — F, Na, Mg, Al, Si, S, Cl, Ca, K, Ti, Fe, Cr, Mg, Ni, Co, Cu, Zn, Sr.

Выявлен весьма существенный количественный разброс по примесям в зависимости от марки материала. Можно предположить, что в этом одна из основных причин различия механических и эмиссионных свойств углеродных материалов, а также их устойчивости к воздействию низкоэнергетичной ионной бомбардировки в режиме генерации автоэлектронного тока в условиях Рис. 1. Дифрактограммы эталонного образца и четырех образтехнического вакуума. Частично полученные результаты цов полиакрилонитрильных углеродных волокон УКН-400, подэлементного состава углеродных материалов содержатся вергнутых отжигу в атмосфере при различных температурах в в Приложениях к квартальным отчетам по проекту течение 10 min: — не отожжен, — отжиг при 100, — № 467-97, финансируемому Международным научно- 300, — 500, — 600C.

техническим центром. Полностью их предполагается опубликовать в ближайшее время в подготавливаемом Препринте ИТЭФ.

собой сильно аморфизированную структуру. В спектре присутствует один максимум, соответствующий межЭкспериментальные результаты: отжиг плоскостному расстоянию d = 0.36 nm. Полуширина углеродных волокон дифрактометрического пика составляет 0.15 nm, что свидетельствует о наличии упорядоченности на малом Как указывалось в некоторых работах [18,19], для уровне. Полученная дифракционная картина не позволяполучения наиболее подходящих параметров автоэлекет говорить о степени текстурированности образцов и тронной эмиссии углеродных волокон необходима их влиянии отжига в температурном интервале 100-600C предварительная термообработка. При этом оптимальна структурно-фазовое состояние волокон.

ным режимом термообработки для волокон большинПроведенные электронно-микроскопические исследоства типов назывался нагрев до температуры порядвания (использовался сканирующий электронный микрока 500C и время выдержки 10 min. Высказывалось скоп XL 30 TMP, Philips Electron Optics, The Netherlands) предположение, что при этом происходит ”нормалирельефа рабочей поверхности единичных углеродных возация” внутренней структуры волокон, становящейся локон нескольких типов после их тренировки в течение оптимальной с точки зрения формирования развитой, диодного и того же времени (порядка 1 h) при напряжении намически устойчивой рабочей поверхности при ионной 5 kV и давлении остаточных газов на уровне 1·10-4 Pa бомбардировке.

показали, что наиболее развитая поверхность образуется С целью прояснения этого вопроса в настоящей рау волокон, отожженных при T 400C или вообще не боте было проведено исследование фазового состояния подвергавшихся предварительной термообработке. Отуглеродных волокон нескольких типов и его изменения сюда может быть сделан вывод, что термообработка в в процессе отжига. Для исследований использовался указанном температурном интервале приводит лишь к рентгеновский дифрактометр HZG-4A (Carl Zeiss GmbH, частичному или полному удалению органики, связующей Germany). Измерения проводились при параллельной, перпендикулярной и смешанной укладке волокон в кюве- волокна в пучках. При этом присутствие органики споту для съемки. Использовалась трубка с медным антика- собствует формированию развитой рабочей поверхности волокна в процессе ионной бомбардировке в режиме тодом ( = 0.154 nm) с никелевым фильтром. Изучались генерации автоэлектронного тока. С другой стороны, волокна после отжига в течение 10 min при 100, 300, 500 и 600C. Отжиг волокон проводился на воздухе в даже частичное наличие органики отрицательно сказывапечи LM 111.10 (Linn Elektro Therm GmbH, Germany). ется как на использовании в качестве автоэмиссионных Типичные результаты, соответствующие отечественному катодов пучков волокон, так и на длительном поддерполиакрилонитрильному волокну типа УКН-400, при- жании необходимых вакуумных условий в отпаянных ведены на рис. 1. Видно, что волокна представляют стеклянных приборах.

7 Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 98 А.Ф. Бобков, Е.В. Давыдов, С.В. Зайцев, А.В. Карпов, М.А. Козодаев, И.Н. Николаева...

Ионная бомбардировка поверхности:

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.