WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 10 10;11;12 Сильноточная электронная пушка на основе автоэмиссионного катода и алмазной сетки © Н.Н. Дзбановский, П.В. Минаков, А.А. Пилевский, А.Т. Рахимов, Б.В. Селезнев, Н.В. Суетин, А.Ю. Юрьев Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцина Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия e-mail: Yuriev@dnph.phys.msu.su (Поступило в Редакцию 28 января 2005 г.) Использование сеточного управления в сильноточных приборах с автоэмиссионными катодами приводит к необходимости поиска особого материала для создания сеток. Этот материал должен обладать высокой механической прочностью, теплопроводностью и электрической проводимостью. Кроме того, должна существовать возможность создания сеток толщиной в несколько микрон. Нами предложено в качестве такого материала использовать легированный бором алмаз.

Введение порядка 10 МВ/см. Единственным практически возможным способом создания столь больших напряженностей Электронные пушки на основе автоэмиссионных катоэлектрического поля является изготовление поверхнодов обладают целым рядом преимуществ по сравнению с сти эмиттера в форме микроострий. Тогда даже при термоэмиссионными аналогами, поскольку потребляют приложении сравнительно умеренного электрического существенно меньше энергии, практически безынерполя его реальная величина на микроостриях будет ционны, обладают более узким энергетическим спекна порядки больше за счет геометрического усиления.

тром эмиттируемых электронов. Немаловажно, что низКак показали многочисленные исследования последних кая (комнатная) температура работы автоэмиссионного лет, наиболее перспективным материалом для холодных электронного источника позволяет создавать приборы, катодов являются пленки, представляющие собой углеобласть применения которых недоступна для устройств родные нанопластины толщиной несколько нанометров, с термоэмиссионными источниками [1].

длиной и высотой до нескольких микрон, ориентированКроме собственно катода конструкция любого такого ные перпендикулярно поверхности катода [2,3].

прибора должна включать в себя элементы, обеспеОтметим проблемы, которые возникают при использочивающие независимое управление током и энергией вании сеточного управления в приборах с автоэмиссионпучка эмиттируемых электронов. В качестве управным ктаодом. С одной стороны, для снижения управляляющего устройства чаще всего используется сетка.

ющего напряжения необходимо уменьшать расстояние В отличие от термоэмиссионных электронных пушек, катод–сетка вплоть до десятков микрон (в принципе где модулирующая (управляющая) сетка обычно явможно уменьшить это расстояние и до долей микроляется запирающей (имеет отрицательный потенциал на [4], однако для этого придется привлекать микропо отношению к катоду), в устройствах на основе электронные технологии, что неизбежно увеличивает автокатодов первая сетка, как правило, вытягивающая, стоимость изделия). С другой стороны, для сохранения что обусловлено необходимостью создания на поверхновысокой однородности эмиссии по поверхности катода сти катода такой напряженности электрического поля, и токовой прозрачности сетки необходимо уменьшать которая обеспечит необходимую эмиссию электронов.

диаметр сеточной ячейки и увеличивать ее геометричеПоэтому ясно, что характерные параметры катодноскую прозрачность, что неизбежно приводит к снижению сеточного узла существенным образом должны зависеть механической прочности и теплопроводности сетки, а от физических характеристик автоэмиссионного катода.

это в свою очередь приводит к ее перегреву, провисанию В данной работе исследуется возможность эффективнои замыканию на катод.

го управления электронной пушкой, созданной на основе Отметим, что близкие проблемы возникают и в соразработанных нами нанокристаллических углеродных временных мощных СВЧ лампах с термокатодом, рабопленок [2,3].

тающих в режиме больших сеточных токов. Поэтому в Основным механизмом эмиссии электронов в „хобольшинстве такого рода устройств используются сетки, лодных“ катодах является их туннелирование через изготовленные из металлов с высокой температурой поверхностный потенциальный барьер в сильном элекплавления (например, W, Mo, Hf, Zr, Ta). Но, так как трическом поле. Вероятность такого туннелирования управляющая сетка в этих устройствах расположена определяется фундаментальными свойствами материала, и в лучшем случае для получения практически необ- вблизи катода (особенно в высокочастотных лампах), ее ходимых токов эмиссии требуется создать на поверх- термические деформации (провисание) могут приводить ности эмиттера очень большие электрические поля — к изменению зазора сетка–катод, что ведет к изменению 112 Н.Н. Дзбановский, П.В. Минаков, А.А. Пилевский, А.Т. Рахимов...

характеристик устройства. В связи с этим в последнее время ведется широкий поиск материалов, более подходящих для изготовления сеток в мощных электронновакуумных приборах. Одним из наиболее перспективных материалов считается пиролитический графит, имеющий хорошие термические свойства. Однако он является чрезвычайно хрупким и анизотропным материалом, и для дальнейшего использования в лампах приходится наносить его на металлическую основу, что технически сложно и малонадежно. Кроме того, термические напряжения, возникающие в местах контактов такой сетки с металлическим держателем, приводят к ее разрушению.

Рис. 1. Алмазная сетка. Изображение полученное с использоК недостаткам сеток из пирографита следует также отванием электронного микроскопа. Прозрачность около 50%.

нести наличие шероховатости поверхности, приводящее к сеточной вторичной электронной эмиссии и низкой высоковольтной стойкости. Причиной этих шероховаАлмазные сетки тостей могут быть прилипшие графитовые частицы, а также острые кромки отверстий, возникающие, в Алмаз хорошо известен как материал, обладающий частности, при изготовлении отверстий методом резки высокими теплопроводностью и механической прочнолазерным лучом. В этом случае конденсация углерода стью, прекрасной устойчивостью к воздействию агресвблизи отверстий приводит к образованию гранул на сивных сред и рядом других выдающихся свойств, что кромках отверстий или около них. Вообще говоря, определяет перспективы для широкого применения его.

углеродные частицы или другие образуются за счет При этом чистый алмаз обладает крайне низкой электроперекристаллизации материала во всех методах резки, проводностью. Метод создания дырочной проводимости не только лазерным лучом (ионное травление, элекв алмазе хорошо известен и состоит во введении в него тронный пучок, электроискровой метод, механические примеси бора, которая достаточно легко активируется или электромеханические методы). Для устранения этих уже при комнатной температуре [5].

частиц применяют метод отжига сеток в химически Сетки могут иметь плоскую, цилиндрическую или люактивной атмосфере при температурах 900-1000C в бую другую геометрию, необходимую для выполнения воздухе, кислороде или кислородно-азотной смеси при ее функций управления электронным потоком, в зависипониженных давлениях. Все это усложняет изготовление мости от типа прибора. Указанная алмазная сетка может и использование пирографитовых сеток.

быть получена методом травления сплошной алмазной Таким образом, для преодоления вышеизложенных мембраны или селективным газофазным осаждением.

проблем необходимо использовать сетку из материалов Осаждение легированных алмазных пленок проводились с высокой механической прочностью, малым коэффив реакторе с возбуждением среды сверхвысокочастотциентом теплового расширения и высокой теплопроным разрядом (частота 2.45 GHz, мощность до 1 kW).

водностью. Кроме того, материал сетки должен быть детальное описание установки и метода осаждения даны достаточно хорошо проводящим во избежание эффектов в [6].

зарядки. Исходя из этих соображений, нами предложено Типичный пример сетки, полученной таким способом, изготавливать управляющую и фокусирующую сетки из представлен на рис. 1. Видно, что сетка достаточно легированной алмазной пленки, которая, как известно, однородна и обладает достаточно высокой прозрачнообладает уникальными термическими и механическими стью. Исследование полученных сеток с использованием свойствами и высокой изотропной прочностью. Указанрамановской спектроскопии и рентгеновской дифрактоная пленка может быть как поликристаллической, так и метрии показало, что полученные сетки состоят из домонокристаллической, так как недавно появились техностаточно „качественного“ алмаза с низким содержанием логии гетероэпитаксиального роста алмаза на пленках неалмазной фазы.

иридия.

Возможность изготовить тонкую алмазную сетку (2-5 µm) и расположить ее вблизи катода (на рас- Исследование автоэмиссионного стоянии порядка десятка µm) позволяет уменьшить триода с алмазной сеткой управляющее напряжение и пролетное время электронов в пространстве катод–сетка, что существенно Использовался автоэмиссионный катод, характеристидля использования сетки в высокочастотных прибо- ки которого описаны в работах [2]. Диаметр эмиссионрах (более 2 GHz) (для сравнения, расстояние меж- ного пятна составлял 2.3 mm (S = 0.04 cm2). Эмиссиду термокатодом и металлической управляющей сет- онные характеристики используемого автокатода были кой в электронно-вакуумных приборах обычно бо- предварительно исследованы в диодной схеме с испольлее 100 µm). зованием люминофорного экрана. Результаты измерений Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Сильноточная электронная пушка на основе автоэмиссионного катода и алмазной сетки представлены на рис. 2. Как видно из этого рисунка, полученный катод имеет достаточно однородное распределение эмиссионного тока и высокую плотность центров эмиссии. Этот катод в дальнейшем использовался для измерений в триодной схеме с использованием алмазной сетки.

Зазор между катодом и алмазной сеткой устанавливался 40 µm. Такой зазор, с одной стороны, обеспечивал однородное распределение напряженности электрического поля на катоде, а с другой стороны, позволял управлять электронным потоком достаточно низкими потенциалами на сетке.

Рис. 4. Старение в режиме постоянного тока на зазоре 40 µm.

Исследования проводились как в непрерывном, так и в импульсном режимах. В последнем случае на катод подавались отрицательные импульсы длительностью 340 µs амплитуда модулирующего напряжения. В нашем слуи частотой 50 Hz. Отметим, что для алмазных сеточных чае для модуляции тока можно использовать только узлов (в отличие от металлических сеток) результаты, „активную“ часть, например, начиная с 3 V/µm. Как полученные в этих режимах, практически не отличались, видно из рисунка, на зазоре 40 µmток 6 mAможет быть что свидетельствует о высокой стойкости алмазных полностью промодулирован напряжением U = 120 V сеток. Типичная вольт-амперная характеристика одного (рис. 3). Этому соответствуют плотность тока на каиз исследованных нами сеточных узлов представлена тоде 150 mA/cm2 и плотность мощности на сетке окона рис. 3 (измерения проводились в импульсном рело 0.3 W/cm2.

жиме). Как видим, вольт-амперные характеристики как Как показали наши измерения, электронная прозрачв диодной, так и в триодной конструкции практически ность сетки 50%, что в точности соответствует геометсовпадают, что свидетельствует о достаточно высокой рической прозрачности. Сетка выдерживала импульсную однородности электрического поля на поверхности ка- плотность тока с катода 1 A/cm2 при напряжении 1.5 kV.

тода.

Ни одна из множества исследованных нами металличеВ целом ряде приложений принципиальное значение ских сеток даже близко не приближалась к подобным имеет не полная разность потенциалов катод–сетка, а параметрам.

Стабильность работы разработанного нами алмазного сеточного узла исследовалась в режиме постоянного тока на зазоре 40 µm. Результаты измерений долгосрочной стабильности тока представлены на рис. 4. Как видно, ток очень стабилен, не отмечено существенных осцилляций, в том числе и в импульсном режиме.

Отметим, что аналогичные измерения на металлических сетках неизбежно показывали наличие механических колебаний сетки, вызванных ее термическим расширением и провисанием в сильном электрическом поле.

Заключение Рис. 2. Эмиссия в диодной схеме с люминофором.

Предложено использовать в качестве вытягивающих сеток автокатодов легированные алмазные сетки, выращенные методами газофазного осаждения. Приведены сравнительные исследовани алмазных и металлических сеток.

Из проведенных нами зимерений следует, что алмазная сетка выдерживает импульсную плотность тока с катода 1 A/cm2 при напряжении 1.5 kV. Ни одна из металлических сеток даже близко не приближалась к подобным параметрам.

Продемонстрирована возможность управления током автоэмиссии до 150 mA/cm2 при модуляции напряжения не более 120 V.

Работа поддержана грантом по поддержке ведущих Рис. 3. Вольт-амперная характеристика на зазоре 40 µm. научных школ президента РФ (№ НШ-1713.2003.2).

8 Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 114 Н.Н. Дзбановский, П.В. Минаков, А.А. Пилевский, А.Т. Рахимов...

Список литературы [1] Busta H.H., Chem J.M., Shen Z. et al. // JVST B. 2003. Vol. 21.

P. 344–349.

[2] Bliablin A.A., Pilevsky A.V., Rakhimov A.N. et al. // IEEE Intern. Vacuum Electron Sources Conf. Orlando (Florida), 2000. Technical Digest. P. 44.

[3] Busta H.H., Espinosa R.J., Rakhimov A.T. et al. // Sol. St.

Electron. 2001. Vol. 45. N 6. P. 1039–1047.

[4] Busta H.H., Furst D., Samorodov S. et al. // Appl. Phys. Lett.

2001. Vol. 78. N 22. P. 3418–3420.

[5] Fontaine F., Gheeraert E., Deneuville A. // Diamond Relat.

Mater. 1996. N 5. P. 753–756.

[6] Дворкин В.В., Дзбановский Н.Н., Минаков П.В. и др. // Физика плазмы. 2003. Т. 29. № 9. С. 851–857.




© 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.