Ашкинази Л.А. - Эмиссия, страница 4

В качестве материалов автокатодов применяются чаще всего металлы или соединения с металлическим типом проводимости - как ввиду низкого сопротивления, так и ввиду высокой прочности. Однако в некоторых случаях возможно использование и полупроводников. Для них предельная эмиссия меньше, ток в некоторых случаях зависит от температуры и освещенности, а энергетическое распределение эмитированных электронов шире из-за проникновения поля в материал эмиттера.

Сильная зависимость автоэмиссии от работы выхода влечет за собой нестабильность работы автокатода. Ситуация аналогична той, которая возникает при эксплуатации термокатода в режиме насыщения, когда с катода отбирается ток насыщения, зависящий от работы выхода. Разница, однако, состоит в том, что у термокатода в режиме насыщения есть еще одна "ручка управления" - температура. И можно компенсировать влияние изменений работы выхода на токоотбор посредством управления температурой (через мощность накала). Такие схемы реализованы, и они обеспечивают необходимую стабильность токоотбора, заодно позволяя получить минимальную температуру катода и наивысшую экономичность. У автокатода нет удобной дополнительной "ручки управления" - управлять высоким напряжением сложно. В частности поэтому проблема стабильности работы для автокатодов становится еще более важной.

Работа выхода поверхности зависит как от процессов, происходящих на поверхности в высоком вакууме, так и от влияния недостаточно высокого вакуума. "Собственные" процессы - это диффузия, миграция, перестройка поверхности. Что касается диффузии, то она влияет не сильно, так как в качестве автоэмиттеров применяются чаще всего элементы - W (вольфрам) и C (углерод), а не соединения. Но даже если применяются соединения (LaB₆), то испаряющиеся конгруэнтно и поэтому имеющие стабильный состав поверхности. Техника термокатодов в борьбе за уменьшение работы выхода пошла по пути сложных соединений, поэтому роль диффузии в термоэмиссии значительно больше. Когда в качестве автоэмиттеров применяются соединения, диффузия тоже может сказываться на работе выходы и эмиссии.

Миграция может изменять локальный состав - если на поверхности есть атомы более чем одного сорта. Миграция может быть одним из процессов в ходе перестройки поверхности с изменением набора граней, выходящих на поверхность, и, следовательно, работы выхода. Высокие поля, в которых работает автокатод, способствуют перестройке поверхности, а нагрев протекающим током ускоряет миграцию (как и диффузию). Перестройка поверхности в поле применяется и для управления формой автоэмиттера.

Влияние недостаточно высокого вакуума состоит в том, что остаточные газы сорбируются автоэмиттером, изменяя его работу выхода. Причем наиболее часто применяемый материал - вольфрам - хорошо сорбирует газы. Это повлекло за собой многочисленные попытки применения металлов, не так хорошо сорбирующих газы, например, рения или еще более пассивного углерода, имеющего, к сожалению, большое сопротивление. Предлагалось, естественно, и покрывать металл пленкой углерода.

Уменьшать сорбцию газа на поверхности можно постоянным небольшим нагревом автоэмиттера или периодическим сильным импульсным нагревом для очистки поверхности. В целом современные автокатоды обычно требуют для стабильной работы вакуума на один - три порядка более высокого, чем термокатоды.

Второй после работы выхода параметр, от которого сильно зависит автоэмиссия - напряженность электрического поля на эмиттере. Она, в свою очередь, зависит от среднего поля в приборе (отношение внешнего напряжения к величине зазора) и геометрии эмиттера, ибо для увеличения поля на эмиттере применяются, как правило, "острые" формы - выступы, нити, острия, лезвия, торцы трубок или их системы - пучки нитей, пакеты лезвий, углеродные нанотрубки и т.п. Для отбора относительно больших токов используют многоострийные системы, многоэмиттерные системы на краях пленок и фольг и т. п. В зависимости от размеров эмиттеров и расстояния до анода напряжение, обеспечивающее величину электрического поля, достаточную для возникновения автоэлектронной эмиссии, может составлять от сотен вольт до нескольких десятков киловольт.

Ключевым вопросом техники автоэмиттеров является создание и стабилизация "острого" рельефа поверхности. Технологически острый рельеф создается чаще всего электрохимическим травлением, так как чисто механически получить острие или лезвие с радиусом в десятые доли мкм затруднительно. Второй возможный способ - изготовление не "острого" объекта, а тонкого с последующим его изломом. Например, тянутся нити или пучки нитей, их срез или слом становится группой острий. Или берется тонкая фольга, а ее торец, образующийся при разрезании или разрывании, становится острым. Использование торцов тонких нитей в качестве автоэмиттеров сопровождается интересным эффектом: нити некоторых материалов (в частности, углерода) при работе в высоких полях расщепляются, превращаясь в пучок еще более тонких суб-нитей. Третий способ получения "острого" рельефа - это непосредственное выращивание острий из пара по механизму пар-жидкость-кристалл, когда на подложке из конденсирующегося пара растут тонкие перпендикулярные подложке острия. Четвертый способ - напыление через маску, при котором можно получить на подложке острые конусы. Поддержание "остроты" рельефа во время работы является важной проблемой автокатодов. Во-первых, на рельеф влияет перестройка поверхности в поле, ускоряющаяся при нагреве. Причем нагрев без поля вызывает сглаживание, а в больших полях может происходить, напртив, "обострение". Формой острий можно управлять, и такой метод действительно применяется практически.

То, что в качестве эмиттеров используются не плоскости (как в термокатодах), а острия, имеет важное следствие - непараллельность траекторий электронов. Область высокого поля, в котором электроны приобретают основную энергию, лежит вблизи острия, и поэтому компонента скорости, лежащая параллельно плоскости эмитирующего электрода и, стало быть, перпендикулярно среднему полю, оказывается велика и может быть даже сравнима с продольной компонентой. Пучок получается расширяющимся, веерным, а если катод многоострийный или многолезвийный, то пучок получается неламинарный, с пересекающимися траекториями электронов. Поэтому автокатод нельзя, как правило, просто поставить в прибор, предназначенный для использования с термокатодом. Это верно даже для классических низкочастотных электронных ламп (диодов, триодов, пентодов и т.д.), а тем более для СВЧ-приборов, которые почти все работают со сфокусированными, определенным образом сформированными, чаще всего протяженными и часто - ламинарными электронными пучками. Для использования автокатода надо, как правило, специально разрабатывать прибор, и он будет отличаться от прибора, рассчитанного на работу с термокатодом. Только в лампе с параллельными и близкими анодом и катодом (и сетками) термокатод и многоострийный автокатод будут работать примерно одинаково.

Для сужения пучка можно попробовать организовать на поверхности одноострийного автокатода "эмиссионный рельеф" - т.е. неоднородность работы выхода (аналогичное решение применяется и в термокатодах). Эмиссионный рельеф в автокатодах может образовываться за счет двух процессов. Во-первых, за счет огранки поверхности. Острие оказывается состоящим из разных кристаллографических граней, и разные грани по разному эмитируют. Во-вторых, за счет избирательной сорбции. Например, цирконий сорбируется по разному на разных участках (гранях) вольфрамового острия, избирательно понижая работу выхода. В целом удается уменьшить угол расхождения пучка, для обычных автокатодов составляющий от 60№ до 100№, до примерно 10№.

По величине плотности тока при малых размерах источника (электронная яркость, точечность источника) автоэлектронные катоды не имеют равных, и в областях, где именно эти параметры имеют значение, применение автокатодов позволило получить качественно новые параметры приборов. Особенно важным оказалось применение автокатодов в электронной микроскопии предельного разрешения и в электронно-лучевой технологии. Перспективно, по-видимому, применение таких катодов в некоторых видах дисплеев и других электронных приборов - электронно-лучевых анализаторов, ионизаторов, ускорителей.

Свойства автокатодов имеют интересные следствия для приборов СВЧ. Например, малогабаритность позволяет применять их в СВЧ-приборах самых высоких частот, а высокая крутизна зависимости тока от напряжения - получить при синусоидальном напряжении короткие монохроматические сгустки электронов, эмитируемые в области максимума напряжения. Однако пока имеются лишь отдельные попытки применения в них автокатодов, точнее - разработки СВЧ-приборов с автокатодами.

Во многих случаях применений автокатодов важны не только (или не столько) значения плотности токов и электронной яркости, сколько полный ток. Для одноострийного катода он довольно скромен, несмотря на большую плотность тока - ведь все эти 10⁷ - 10⁹ А/см² отбираются с субмикронной площади. Для напряжений порядка 1-10-100 кВ, если мы хотим работать в стационарном режиме и отбирать даже ток предельной плотности 10⁷ А /см², ток одиночного острия составлит 10^-3-10^-1-10 А, в то время как и для низкочастотной лампы, и для СВЧ-прибора обычные значения тока при этих напряжениях будут в десятки и сотни раз больше. Поэтому для конкуренции с термокатодами в приборах этих классов автокатоды должны быть многоострийными. Число острий должно быть десятки тысяч с учетом того, что в области предельных плотностей тока работа всегда нестабильна. В импульсном режиме ситуация аналогична, хотя отношение традиционных токов приборов к предельным токам автокатодов несколько меньше.

При этом идти по пути увеличения напряжений нельзя; техника, "привыкшая" работать с электронными лампами при напряжении порядка 1 кВ (обычные) - 10 кВ (мощные) и СВЧ-приборами при 10 кВ (обычные) - 100 кВ (мощные) - 300 кВ (сверхмощные) не согласится на приборы - даже очень хорошие - с рабочим напряжением в мегавольты, ибо это будет означать переделку всех устройств, где стоят эти приборы. Иное дело - ситуации с неклассическими приборами, когда все делается заново и нужен "ток любой ценой". Такой прибор (сверхмощный импульсный генератор электронов) может иметь рабочее напряжение и в мегавольты, ибо прибор этого класса создается заново, конкурентов у него нет, и сравнивать его не с чем.

Многоострийные автокатоды позволяют увеличить ток и довести его до значений, обычных для электровакуумной техники. При этом преимущество - отсутствие цепи накала и мгновенная готовность к работе - сохраняются. Требование более высокого вакуума можно считать непринципиальным, ибо технология получения вакуума все время усовершенствуется. Термокатоды допускают низковольтное или сеточное управление - размещенная над катодом сетка позволяет управлять эмиссией посредством приложения относительно малого - десятки вольт - напряжения. Этот способ управления применяется в низкочастотных электронных лампах и в некоторых СВЧ-приборах. Над многоострийным автокатодом можно расположить сетку, согласовав отверстия в ней с остриями, но напряжение на ней, необходимое для управления эмиссией, будет слишком велико. Для получения приемлемого напряжения (хотя бы в сотни вольт) зазор между вершинами острий и сеткой должен составлять единицы микрон.

Такой катод был изготовлен методами микроэлектроники, хотя и предназначался для вакуумной техники. На проводящей подложке с помощью последовательных напылений, травлений через слой фоторезиста и окислений формировалась следующая структура: слой изолятора толщиной порядка мкм с отверстиями диаметром порядка мкм, расположенными с шагом в несколько мкм и доходящими до проводящей подложки, тонкий слой проводника, покрывающий этот изолятор (и не закрывающий отверстия в нем), а на дне каждого отверстия - т.е. на подложке - проводящий конус, доходящий по высоте до уровня металлического слоя на изоляторе. Т.е. образовывалась решетка колодцев с автоэмиттером (конусом) на дне, доходящим до его края и с проводящим покрытием на краю каждого колодца, т.е. управляющей сеткой. С таких структур были получены средние по площади токи до 100 А/см², а при средних токах в единицы А/см² были получены значения срока службы в десятки тысяч часов. Управляющее напряжение на "сетке" составляло при этом около 200 В. Такой катод вполне сопоставим по своим параметрам с термокатодами, при этом он не нуждается в накале, но имеет большие поперечные скорости электронов.

Что произойдет при попытке получить очень большой ток с автоэлектронного катода, поднимая все выше и выше напряжение? При этом такие катоды переходят в режим взрывной эмиссии. Внешне этот переход не очень заметен, поэтому различать эти два вида эмиссии стали позже, чем использовать. При взрывной эмиссии автоэлектронный ток нагревает эмиттер, он за несколько единиц или десятков наносекунд испаряется, причем пары частично ионизируются, а токоотбор происходит с поверхности стремительно расширяющегося (со скоростью " 10⁴ м/с) облака плазмы (атомов, ионов и электронов). Когда это облако долетает до противоположного электрода, оно замыкает зазор - это и называется вакуумным пробоем.