Ашкинази Л.А. - Эмиссия

ЭМИССИЯ? "ЭТО ПРОСТО"

Введение. Общий взгляд на электронную эмиссию

Электронная эмиссия - это испускание электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости. Для того, чтобы выйти из твердого тела в вакуум, электрон должен иметь энергию, которую называют работой выхода, должен преодолеть "потенциальный барьер". Эмиссия имеет место всегда, поскольку всегда есть электроны, имеющие такую энергию. Однако количество таких электронов очень быстро убывает с ростом энергии, и процесс эмиссии при отсутствии каких-либо воздействий на электроны твердого тела и при отсутствии внешних электрических полей прекращается. Поддерживать эмиссию из тела можно при выполнении следующих двух условий. Первое - создание внешнего электрического поля, обеспечивающего увод от тела эмитированных электронов. Для этого, в частности, необходим подвод к телу электронов от источника, дабы суммарный заряд тела не возрастал. Второе - подвод к электронам тела энергии, обеспечивающей преодоление потенциального барьера, либо создание такого сильного внешнего поля, что потенциальный барьер делается тонким и становится существенен туннельный эффект (автоэлектронная эмиссия), квантовое проникновение электронов сквозь потенциальный барьер, т.е. эмиссия электронов, имеющих энергию меньше работы выхода. При передаче энергии от бомбардирующих тело фотонов мы имеем фотоэмиссию, от электронов - вторичную электронную эмиссию, от ионов - ион-электронную эмиссию, от внутренних полей - эмиссию горячих электронов, от решетки - термоэлектронную эмиссию. Все перечисленные механизмы могут действовать одновременно (например - термоавтоэмиссия, фотоавтоэмиссия). Если внешнее поле, обеспечивающее увод от тела эмитированных электронов, недостаточно для автоэлектронной эмиссии, но достаточно для понижения потенциального барьера, становится заметен эффект Шоттки - зависимость эмиссии от внешнего поля.

В очень сильных импульсных электрических полях туннельная эмиссия приводит к быстрому разрушению (взрыву) микроострий на поверхности эмиттера и к образованию вблизи поверхности плотной плазмы (взрывная эмиссия). Взаимодействие этой плазмы с поверхностью эмиттера и эмиссия электронов из плазмы позволяют получить большие токи, но лишь в виде коротких импульсов и - в отличие от всех прочих видов эмиссии - ценой разрушения эмиттера.

В случае, когда эмитирующая поверхность неоднородна и на ней имеются "пятна" с различной работой выхода, над её поверхностью возникает электрическое поле "пятен". Это поле тормозит электроны, вылетающие из участков катода с меньшей, чем у соседних, работой выхода. Внешнее электрическое поле складывается с полем пятен и, возрастая, устраняет тормозящее действие последнего. Вследствие этого эмиссионный ток из неоднородного эмиттера растет при увеличении поля быстрее, чем в случае однородного эмиттера (аномальный эффект Шоттки). Влияние электрического поля на электронную эмиссию из полупроводников более сложно. Электрическое поле проникает в них на большую глубину (от сотен до десятков тысяч атомных слоев), а заряд, индуцированный эмитированным электроном, расположен не на поверхности, а в слое некоторой толщины, и внешнее электрическое поле, проникая в полупроводник, вызывает в нём перераспределение зарядов.

Основные виды эмиссии электронов были открыты при следующих обстоятельствах.

Термоэлектронная эмиссия: в середине XVIII века было известно, что вблизи нагретых твердых тел воздух теряет свое обычное свойство плохого проводника электричества, однако причина этого явления оставалась неясной. Ю.Эльстер и Г.Гейтель (1882-89) установили, что при пониженном давлении окружающего воздуха раскаленная добела поверхность металла приобретает положительный заряд. Протекание тока в вакууме между накаленным электродом и положительно заряженным электродом было открыто Т.Эдисоном (1884), объяснено испусканием электронов (отрицательно заряженных частиц) Дж.Томсоном (1887), теорию термоэлектронной эмиссии разработал О.Ричардсон (1902, иногда ему ошибочно приписывается открытие самого эффекта). Односторонняя проводимость была обнаружена Дж.Флемингом (1904, иногда это ошибочно приписывается Эдисону), хотя его диод был не вполне вакуумным, а с частичной компенсацией пространственного заряда.

Фотоэлектронную эмиссию открыл в 1887 году Г.Герц - он обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает проскакивание искры между ними. Систематические исследования провели В.Гальвакс, А.Риги, А.Г.Столетов (1885) и показали, что в опыте Герца дело сводится к освобождению зарядов под действием света. То, что это именно электроны, показали Ф.Ленард и Дж.Томсон (1898).

Автоэлектронную эмиссию открыл в 1897 году Р.Вуд. При исследовании вакуумного разряда Вуд заметил в сильном электрическом поле испускание электронов, наблюдая свечение стекла под их воздействием, и описал это явление.

Вторичную электронную эмиссию открыли Л.Остин и Г.Штарке (1902).

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Термоэлектронная эмиссия - это испускание электронов нагретой поверхностью. Ток термоэлектронной эмиссии определяется температурой катода, т. е. энергией электронов, и работой выхода - т. е. энергией, которая нужна электрону, чтобы покинуть материал. Если вне катода нет ускоряющего поля, то электроны возвращаются на катод, если ускоряющее поле есть, то эмитированные электроны начинают двигаться и в итоге достигают электрода, к которому приложено положительное относительно катода напряжение, анода. Максимальный ток эмиссии определяется отношением работы выхода к температуре, он называется током насыщения. Температура катода ограничивается, в свою очередь, испарением материала катода, т. е. сроком службы.

Из чистых металлов и сплавов в качестве термоэлектронных эмиттеров применяется почти исключительно вольфрам, обладающий наименьшей скоростью испарения (наибольшим сроком службы) при температурах, обеспечивающих необходимую эмиссию. К сожалению, по этому параметру оказался наилучшим элемент, имеющий наибольшую работу выхода, т. е. работающий при наибольшей температуре. Первые термокатоды были выполнены из вольфрамовой проволоки, в этом случае получить высокую температуру не трудно, позже иногда использовался электронный накал, т. е. нагрев электронной бомбардировкой. Недостаток вольфрама - низкая технологичность. Его трудно обрабатывать, он хрупок, особенно после нагрева. Для преодоления этих недостатков к нему добавляют рений. Эти сплавы при почти тех же эмиссии и испарении значительно технологичнее.

Идея применения сплавов в качестве термоэлектронных эмиттеров базируется также на надежде, что один из элементов сплава, диффундируя к поверхности другого и образуя на нем пленку (эмиттирующую структуру), понизит работу выхода. Эта идея всегда стимулировалась, во-первых, эффективностью работы катода из торированного вольфрама, имеющего на поверхности вольфрама монослой тория, а во-вторых - распространенной одно время ошибочной гипотезой о природе успешно работающего оксидного катода (монослой бария на оксиде бария-стронция).

Из сплавных катодов получили практическое применение в основном два: Ir-РЗМ (РЗМ - редкоземельные элементы) и Pt-Ba. В группе Ir-РЗМ оказались наиболее эффективны Ir-La, Ir-Ce и Ir-La-Ме, Ir-Ce-Ме, где Ме - металл, обычно тугоплавкий, например, Mo (молибден). Катоды Ir-La и Ir-Ce монослойные, лантан и церий образуют эмитирующую структуру на иридии, с нее они и испаряются, а подпитывается монослой диффузией из глубины катода. Диффузия идет через обедненный лантаном (церием) слой, толщина которого составляет единицы-десятки микрон, по мере работы толщина слоя растет, поток падает и катод выходит из строя. Катод оказался не очень технологичным - сплавы иридия с РЗМ-элементами хрупки. Второй пример сплавного катода - это сплав Pt-Ba, где барий образует твердый раствор и интерметаллид. Пленка бария на платине не слишком эффективна как термоэмиттер, но тем не менее такой катод нашел применение как вторичноэлектронный.

Для W (вольфрама) эмиссия 0,1 А/см² - 1 А/см² достигается при 2150№С - 2350№С, скорость испарения при этом 4^.10^-10 - 10^-8 г/см²с. Если катод является прямонакальным, он перегорает из-за лавинного процесса - испарения и разогрева, ускоряющих друг друга. Происходит это за время, примерно равное 0,1 отношения толщины к скорости испарения, т. е. 0,1 теоретического срока службы. Для катода IrLa при 1430 - 1830№С эмиссия составляет 8 - 130 А/см², скорость испарения 10^-11 - 1,5^.10^-8 г/см²с. Для IrCe - катода соответственно 10 - 150 А/см² и l0^-12 - l,5^.l0^-9  г/см²с. При этом срок службы, по данным эксперимента, составляет при 100 А/см² 1000 час. Если ориентироваться на данные по скорости испарения, то при меньших токоотборах срок службы должен быть существенно больше, так, при 10 А/см² он должен достигать 100.000 час.

С другой стороны, высокий срок службы этих катодов допускает при некотором увеличении испарения увеличение стойкости к "отравлению" ценою не слишком существенного уменьшения срока службы. С этой целью к сплавам Ir-РЗМ добавляют третий металл, например, Mo. Такие катоды действительно имеют большее испарение со всеми вытекающими отсюда последствиями. Изменяя количество третьего металла, можно управлять параметрами катода. Механизм действия третьего металла может быть различным. Он может ускорять разложение соединения иридия с РЗМ (в виде которого и находится основное количество РЗМ в катоде) или увеличивать скорость диффузии РЗМ в иридии.

Высокотемпературные оксидные катоды на основе оксидов ThO₂, Lа₂O₃, Y₂O₃ изучены не очень хорошо и применяются довольно ограниченно. Эти оксиды более стойки к электронной бомбардировке, поэтому чаще применяются в качестве катодов в ЭВП М-типа, в которых катод бомбардируется электронами и для работы которых важна вторичная электрон-электронная эмиссия.

Первоначально в катодной технике применялся чистый металл - вольфрам. Одним из путей улучшения параметров катода оказалось добавление к вольфраму окиси тория ThO₂. Торий диффундирует на поверхность вольфрама, образует на нем монослой, увеличивающий эмиссию, и затем испаряется. Поддержание монослойной (наиболее эффективной с точки зрения эмиссии) концентрации зависит от соотношения скорости испарения многослойного покрытия и скорости диффузии. Скорость диффузии зависит, в свою очередь, от коэффициента диффузии и от распределения диффузанта (частиц ThO₂) в матрице (вольфраме). Однако энергия связи монослоя тория на вольфраме такова, что и испаряется он быстрее, чем хотелось бы, и плохо работает в условиях ионной бомбардировки, разрушающей монослой тория. Для увеличения энергии связи было применено карбидирование WTh-катода - выдержка при нагреве в углеродсодержащем газе, при этом на некоторую глубину вольфрам переходит в карбид W₂C. После этого энергия связи тория с подложкой увеличивается, эмиссия практически не меняется, устойчивость к ионной бомбардировке возрастает. Однако в этом случае изменяется причина ограничения срока службы - ею становится декарбидизация, удаление углерода из катода (диффузия к поверхности и окисление). Вторым примером катода из композита на основе металла является катод Мо-Lа₂O₃. Этот катод нашел применение в мощных электронных лампах. Для собственно WCTh-катода при 1700 - 1880№С токоотбор составляет 2 - 10 А/см², срок службы 100.000 - 3.000 ч, скорость испарения 10^-11  - 10^-10 г/см²с. Для катода Мо-Lа₂O₃ при 1460 - 1500№С эмиссия 2 - 10 А/см², срок службы 100.000 - 5.000 ч.

Катод из LaB₆ традиционно применяется в плохих вакуумных условиях, в первую очередь не в электронных лампах (где известны лишь единичные применения), а в технологических и экспериментальных установках - вакуумных печах с плавкой электронным пучком, вакуумных сварочных установках со сваркой электронным лучом, ускорителях и т. д. Маленькие (до 8 мм) катоды можно вырезать из монокристалла, большие обычно получают горячим прессованием из порошка в углеродных формах или/и спеканием, LaB₆-покрытия на подложках - спеканием. Предельный токоотбор при 1400 - 1500 - 1600 - 1700№С доходит до 1 - 3 -10 - 30 А/см² соответственно, минимальные значения, полученные в исследованиях, примерно в 2 раза меньше, а реально применяемые в приборах - еще раза в 2-3 меньше. Это связано как с необходимостью иметь в приборах запас эмиссии для увеличения стабильности, так и с условиями работы катода в приборе.

Срок службы катодов обычно определяется разрушением контактов между LaB₆ и держателем. В качестве держателя чаще всего применяют тантал и графит; предлагались также рений, карбиды, бориды, нитриды, даже оксиды (те, которые при рабочей температуре имеют достаточную проводимость). Достигнутый срок службы - 1000 ч при 1600№С, 200 ч при 1700№С, 30 ч при 2000№С. Скорость испарения при 1500 - 1700 - 2000№С составляет соответственно 3^.10^-10 - 3^.10^-8 - 3^.10^-5 г/см²с. В области обычных рабочих температур 1500 - 1700№С, при парциальном давлении кислорода выше 3^.10^-6-10^-4 Па скорость испарения увеличивается за счет окисления и испарения оксидов лантана и бора.

Карбидные катоды могут эффективно применяться в двух случаях - когда по каким-то причинам фиксирован материал (карбид металлов IV, V групп) и надо с деталей из этого материала получить термоэмиссию, и когда по каким-то причинам фиксирована температура и надо от деталей, работающих при этой температуре, получить эмиссию, причем температура слишком велика для гексаборидов, но мала для тугоплавких металлов. Такие ситуации в технике встречаются, хотя они и довольно редки. Из карбидов наибольшую эмиссию имеет, скорее всего, NbC - при 1800-2000№С 1 - 10 А/см² соответственно. Эмиссия ТаС и ZrC меньше в 2 раза, а TiC - еще в 2 раза. Наименьшее испарение имеет ТаС, при этих же температурах потоки испарения составляют 5^.10^-11 г/см²с - 5^.10^-10 г/см²с, NbC и HfC испаряются на порядок быстрее, ZrC - еще быстрее на порядок, TiC - еще на 1 - 2 порядка. Надежность этих данных невысока.