Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 |

компьютерное моделирование и экспериментальные результаты Как известно, одним из важных эффектов, сопутствующих автоэлектронной эмиссии и весьма существенным образом влияющим на ее параметры, является непрерывная бомбардировка рабочей поверхности катодов ионами остаточных газов. Образование этих ионов происходит по механизму электронного удара в пространстве катод - анод. Особенно ощутимое влияние на автоэлектронную эмиссию указанная бомбардировка оказывает в тех случаях, когда катод работает в условиях технического вакуума (на уровне 10-4 Pa), а напряжение в диодном промежутке составляет несколько kV [20].

Рис. 3. Расчетные зависимости изменения распыляемого объДля оценки этих эффектов авторы развили аппарат ема автоэмиссионных катодов из вольфрама (1) и углерода (2) расчета и прогнозирования изменения рельефа рабочей ионами He+ (идеальные острия). Давление газа P0 = 10-4 Pa, напряжение V0 = 5.0kV.

поверхности автоэмиссионных катодов до и в процессе длительной эксплуатации. Основным этапом реализации этой цели явилось развитие количественного, научно обоснованного подхода к оценке радиационной нагрузки го углерода, пористого углерода, вольфрама, карбида на автоэмиссионные катоды. При анализе формирования вольфрама и окиси вольфрама, для нескольких чистых и эволюции рельефа рабочей поверхности автокатодов учитывались во взаимосвязи: исходная геометрия по- газов Ч H2, D2, He и Ar. В качестве примера на верхности; структура материала катода и его химический рис. 2 приведены расчетные зависимости числа ударов состав, включая состав поверхностного слоя; парциаль- Ni ионов в секунду о поверхность единичного острия из ный состав и давление газа в рабочем объеме прибора;

углерода, а на рис. 3 Ч временные зависимости измене распределение ионов по энергиям; характеристики и ния распыляемого объема автоэмиссионных катодов из параметры ионного распыления материала поверхности вольфрама и углерода ионами He. Расчеты показали, что (значение коэффициента распыления, тип распыления Ч в смысле радиационной стойкости и потерь материала химическое или физическое, поатомное или кластеркатодов за счет распыления углеродные материалы не ное, возможность перепыления) [21Ц23]. Для оценки имеют каких-либо принципиальных преимуществ перед радиационной нагрузки автоэмиссионных катодов исдругими материалами (мы не имеем здесь в виду нанопользованы формулы работы [24], модифицированные кластерные углеродные структуры [12], теоретическая для многоострийной, взаимноперекрывающей электроноценка и экспериментальные исследования радиационные потоки, поверхности. Оценки проведены по созданных свойств которых еще впереди).

ной компьютерной программе для чистого монолитноС помощью развитой в настоящей работе оригинальной экспериментальной методики (частично она изложена в [25,26]) были измерены коэффициенты распыления Ys рассматриваемых углеродных материалов в широком энергетическом интервале. Показано, что в случае графита при максимальной энергии ионов остаточных газов V 8keV Ys 0.5 атом/ион, тогда как значение Ys для случая углеродных волокон более чем на порядок выше Ч даже с учетом имеющего место ФперепыленияФ атомов углерода на выступающие фрагменты рабочей поверхности. Таким образом, если в случае ФмассивныхФ графитовых катодов с развитой поверхностью распыление поверхностных атомов в течение длительного времени эксплуатации может приводить к существенному изменению рельефа поверхности и связанному с ним изменению параметров эмиссии, то в случае катодов из углеродных волокон их распыление (в том числе и Рис. 2. Расчетные зависимости числа ударов Ni ионов в кластерное) будет приводить к существенному массопесекунду о поверхность острия из углерода при давлении газа P0 = 10-4 Pa и напряжении V0 = 5.0kV. реносу с катода на анод (или модулятор).

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Некоторые аспекты использования углеродных материалов в автоэлектронных эмиссионных катодах Рис. 4. СТМ изображение поверхности образца ВОПГ, подвергнутого воздействию высокоинтенсивной лазерной плазмы SiO2.

Экспериментальные результаты: тирующей поверхности возрастал с ростом величины фрактальной размерности, хотя зависимость эта не была радиационные технологии при создании линейной, а имела тенденцию к насыщению.

АЭ катодов Как было показано в ряде недавних работ авто- Экспериментальные результаты:

ров [7,10], облучение массивных углеродных материалов снижение работы выхода различными частицами может быть с успехом использоКак известно, по своим эмиссионным свойствам в вано как технология создания плоских автоэмиссионных первую очередь по величине работы выхода ( 4.7eV) катодов с развитой поверхностью. Причем облучение углеродные материалы уступают многим другим [30].

может приводить как к беспорядочному развитию поОднако характер их распыления при низкоэнергетичеверхности (см., например, рис. 4), так и к созданию ской ионной бомбардировке, обеспечивающий динамипериодического рельефа (рис. 5). Авторы провели деческое поддержание развитой рабочей поверхности с тальные исследования полученного радиационным спонабором необходимых центров эмиссии, обусловливает собом рельефа поверхности ВОПГ и высокопрочного реопределенную привлекательность использования углеакторного графита МПГ-6 при их облучении протонами, родных материалов в ряде автоэмиссионных катодов лазерной плазмой, ионами цезия и осколками деления. В конкретного назначения. Кроме того, углерод Ч хорокачестве метода исследования использовалась сканируюший вакуумный материал. Поэтому вполне логичной щая туннельная микроскопия [27], дающая количественпредставляется идея снижения величины работы выхода ные оценки степени развитости поверхности на осноуглеродных материалов, например, за счет имплантации ве представлений о фрактальных размерностях [28,29].

в него ионов другого материала, характеризующего суЭксперименты проводились на работающем на воздущественно более низкой величиной. В настоящей хе сканирующем мультимикроскопе SMM-2000T (KPD работе авторы реализовали попытку снизить величину Company limited, Russia). Один из результатов таких ВОПГ и углеродных волокон за счет имплантации исследований, соответствующий облучению ВОПГ, прив них ионов Cs ( 1.80 eV). Отметим, что в слуведен на рис. 6. Параллельно для каждого из облученных чае графита бомбардировка ионами цезия может выобразцов измерялись вольт-амперные характеристики;

ступать параллельно и как способ создания развитой для развитых поверхностей они качественно совпадали поверхности (СТМ изображение на рис. 7). ВОПГ (типичные характеристики соответствуют приведенным и углеродные волокна были облучены ионами Cs с в [7]). При этом токоотбор с единицы площади эмит- энергией 25 eV. В первом случае облучение велось пер7 Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 100 А.Ф. Бобков, Е.В. Давыдов, С.В. Зайцев, А.В. Карпов, М.А. Козодаев, И.Н. Николаева...

Рис. 5. СТМ изображение поверхности образца ВОПГ, облученного ионами Xe+ с энергией 210 MeV. Образование наблюдаемого периодического рельефа зафиксировано лишь на отдельных участках поверхности образца.

пендикулярно поверхности, во втором Ч перпендику- Экспериментальные результаты:

ярно или параллельно оси волокна. Для измерения конструкции АЭ катодов была использовала оригинальная методика, основанная и их эмиссионные параметры на статистическом анализе получаемых в координатах ФаулераЦНордгейма многих вольт-амперных характериАвтоэмиссионные катоды как составную часть вклюстик одного и того же образца и сравнении данных с чают в себя и модуляторы, если таковые используются;

подобными для необлученных катодов. Фактически же в этих случаях говорят о катодно-модуляторных узлах определялось относительное значение, или, что то в целом. Роль модуляторов и возможные конструкции же, уменьшение по отношению к исходному значению катодно-модуляторных узлов обсуждались в [8]. В на0 для неимплантированного углерода. В результате стоящей работе проведены детальные сравнительные анализы параметров катодно-модуляторных узлов следупроведенных измерений обнаружено снижение за счет имплантации Cs почти в 1.5 раза для углеродных волокон и в 2.0 раза для свежей поверхности ВОПГ. Однако в процессе генерации автоэлектронного тока эти значения, во-первых, уменьшались (величина возрастала) и, во-вторых, проявляли заметную нестабильность. Вполне очевидно предположить, что это связано с недостаточной энергией ионов Cs, с характером распределения ионов Cs по пробегам в углероде, а также с распылением последнего в процессе эксплуатации. По-видимому, наиболее благоприятные практические результаты можно ожидать от случая имплантации углеродных волокон ионами Cs с энергией, соответствующей среднему проективному про бегу R d/2, где d Ч диаметр волокна. В принципе же и Рис. 6. Графическая иллюстрация степени развитости (ведля углеродных волокон, и для ФмассивныхФ плоских граличин профильной фрактальной размерности P) поверхности фитовых образцов возможно применение сложных мнообразцов ВОПГ, подвергнутых различным радиационным возгоступенчатых последовательностей имплантации, обесдействиям: 1 Ч эталонный образец; 2 Ч p+, 3 MeV, под 90;

печивающей относительно равномерное распределение 3 Ч p+, 90 keV, 45; 4 Ч осколки деления; 5 Чионы цезия, Cs по объему материала. 25 keV; 6 Ч лазерная плазма SiO2; 7 Ч p+, 90 keV, под 90.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Некоторые аспекты использования углеродных материалов в автоэлектронных эмиссионных катодах Рис. 7. СТМ изображение поверхности образца ВОПГ, подвергнутого имплантации ионами Cs+ с энергией 25 keV.

ющих конструкций: катод Ч пучок углеродных волокон, ного разброса волокон по высоте и генерации автомодулятор Ч сетка (1); катод Ч одиночное углеродное электронного тока лишь единицами волокон в пучках, волокно, модулятор Ч сетка (2); катод Ч одиночное насчитывающих их десятки и сотни. Наилучшие реуглеродное волокно, модулятор Ч металлическая пла- зультаты были получены для конструкции (5) катодностина с соосным волокну отверстием (3); катод Ч модуляторного узла. Весьма неожиданным и отчасти периодически закрепленные одиночные углеродные во- удивительным оказалось то, что в пределах реализован локна, модулятор Ч сетка (4); катод Ч периодически ных временных интервалов измерений (до 5 h) катоднозакрепленные одиночные углеродные волокна, модуля- модуляторные узлы аналогичных конструкций, испольтор Ч металлическая пластина с отверстиями напротив зующие одиночные углеродные волокна или одиночкаждого волокна (5); катод Ч одиночная вольфрамовая ные вольфрамовые проволочки (пары узлов (2)Ц(6), проволочка, модулятор Ч сетка (6); катод Ч одиночная вольфрамовая проволочка, модулятор Ч металлическая пластина с соосным проволочке отверстием (7); катод Ч периодически закрепленные одиночные вольфрамовые проволочки, модулятор Ч сетка (8); катод Ч периодически закрепленные одиночные вольфрамовые проволочки, модулятор Ч металлическая пластина с отвестиями напротив каждой проволочки (9); катод ВОПГ с развитой поверхностью, модулятор Ч сетка (10). Во всех случаях и углеродные волокна, и вольфрамовые проволочки обрезались перпендикулярно оси и не подвергались какоголибо вида предварительного заострения.

Все измерения проводились в одних и тех же режимах, при одних и тех же потенциалах катода, модулятора и анода (разность потенциалов между катодом и анодом Vk-a во всех случаях составляла 6 kV). Для всех катодов был применен один и тот же режим предварительной Рис. 8. Временные зависимости изменения автоэлектронного тонировки. Давление остаточных газов во всех случаях тока, эмиттируемого катодами на основе одиночного углеродсоставляло 10-4 Pa. Количественные результаты выполного волокна (1) и одиночной вольфрамовой проволочки (2) ненных измерений будут обстоятельно рассмотрены в с модуляторами Ч металлическими пластинами с соосными подготавливаемой сейчас отдельной работе. Здесь же мы волокну и проволочке отверстиями. Специального заостреограничимся сообщением качественных результатов.

ния в обоих случаях не проводилось. Измерениям предшеПрежде всего было установлено, что использование ствовала тренировка катодов. Давление в вакуумной камере пучков углеродных волокон нецелесообразно ввиду силь- P0 = 10-4 Pa, напряжение Vk-a = 6.0kV.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 102 А.Ф. Бобков, Е.В. Давыдов, С.В. Зайцев, А.В. Карпов, М.А. Козодаев, И.Н. Николаева...

(3)Ц(7), (4)Ц(8) и (5)Ц(10)), показали весьма близкие величина этих размерностей пропорциональна достигаехарактеристики. На рис. 8 приведен пример изменения мому удельному токоотбору.

автоэмиссионного тока во времени для двух конструкций 5. Имплантация углеродных материалов автоэмиссикатодно-модуляторных узлов Ч (2) и (5).

онных катодов ионами Cs (или другого материала, характеризуемого существенно меньшей величиной работы выхода ) Ч реализуемый путь снижения величины Выводы катодов. При этом выбор энергии ионов и их флюенса должен в максимальной степени обеспечивать равно1. Термообработка углеродных волокон при мерность распределения имплантируемого материала по 500-600C в атмосфере в течение времени t 10 min объему катода. На практике такая имплантация может обеспечивает очистку поверхности от связующих позволить снизить работу выхода углеродного материала их в пучках органических веществ, не изменяя до значений 2.5-3.0eV.

при этом структурно-фазового состояния. Наличие 6. Использование пучков углеродных волокон нецелеорганических веществ на поверхности углеродных волокон способствует формированию исходной развитой сообразно ввиду значительного разброса волокон по вырабочей поверхности за счет ионной бомбардировки, соте и генерации автоэлектронного тока лишь единицами однако сильно ухудшает вакуумные условия в отпаянных волокон в пучка, насчитывающих их десятки и сотни.

стеклянных приборах. Наилучшие результаты дает, по-видимому, использова2. Компьютерный анализ формирования и эволюции ние периодических структур одиночных волокон с морельефа рабочей поверхности автоэмиссионных катодов дулятором Ч металлической пластиной с отверстиями, с необходимостью должен учитывать во взаимосвязи соосными каждому волокну.

исходную геометрию поверхности; структуру материала 7. По имеющейся на сегодняшний день информакатода и его химический состав, включая состав поверхции, наиболее перспективным направлением создания ностного слоя; парциальный состав и давление газа в равысокоэффективных автоэмиссионных катодов является бочем объеме прибора; распределение бомбардирующих разработка технологий производства различных наноклаионов по энергиям; характеристики и параметры ионного стерных углеродных структур.

Pages:     | 1 | 2 | 3 |    Книги по разным темам