Ашкинази Л.А. - Эмиссия, страница 7

Вторично-электронные катоды

Основными областями применения вторично-электронных катодов являются вторично-электронные (ВЭУ) и фотоэлектронные (ФЭУ) умножители, ЭВП М-типа (в которых электроны двигаются во взаимно-перпендикулярных электрическом и магнитном полях) и приемно-усилительные лампы со вторичной эмиссией. Для всех применений наиболее существенными вторично-эмиссионными параметрами являются: коэффициент вторичной эмиссии (КВЭ или s) в области малых энергий первичных электронов, обычно характеризуемый величиной E_I - энергией, при которой s = 1, максимальной величиной s - s_m и энергией первичных электронов Е_m, когда s достигает максимума s = s_m.

Чем ближе к выходу ВЭУ или ФЭУ стоит динод - электрод, который бомбардируется электронами, или чем в более мощном приборе М-типа работает катод, тем более мощной электронной бомбардировке он подвергается. Поэтому важным параметром вторично-электронных катодов является стойкость к электронной бомбардировке. Остальные параметры вторично-электронных катодов могут быть названы "общекатодными". К ним относятся: стойкость к вредным воздействиям со стороны прибора (отравление, распыление), вредные воздействия на прибор (газовыделение, испарение). Параметрами являются также рабочая температура и мощность накала, либо - что является особенностью вторично-электронных катодов - потребность в охлаждении, если мощность бомбардировки превышает потребную мощность накала.

Существуют методы расчета, позволяющие по параметрам ЭВП М-типа определить температуру катода и величины E_I, s_m, Е_m. Если от катода требуется не только вторичная, но и термоэмиссия, а температура получается ниже необходимой, необходим накал. Если температура получается выше допустимой, с учетом  допустимого испарения и необходимого срока службы, необходимо охлаждение. Для случаев, когда требования по вторичной и термоэмиссии совместить в одном материале не удается, предложены катоды, имеющие участки с различными свойствами. Во многих случаях бомбардировка электронами поверхности катода неравномерна, и это должно учитываться при выборе расположения участков. Например, в ЭВП М-типа с цилиндрическим катодом бомбардировка неоднородна как по образующей, так и по азимуту. При плоском катоде бомбардировка будет неоднородна по обеим координатам. Коэффициент вторичной эмиссии зависит от угла падения первичных электронов, поэтому она может быть увеличена гофрированием поверхности электрода.

Вторично-электронные катоды классифицируют (как и другие) по одному из двух параметров - составу или технологии - или по их комбинации. Мы будем классифицировать катоды прежде всего по эмитирующему веществу, т.е. именно тому, которое обеспечивает основную вторичную эмиссию. При одинаковом эмитирующем веществе классификация будет происходить по структуре и по технологии.

Вторично-электронные катоды делятся на:

- полупроводниковые, в том числе с отрицательным электронным сродством (ОЭС), т.е. с дном зоны проводимости, лежащем выше уровня вакуума;

- щелочногалоидные соединения и композиции с ними;

- сплавы и чистые металлы (неокисленные);

- SbCs и мультищелочные - SbNaKCs и др.;

- полимеры;

- на основе окислов, причем катоды на основе окислов делятся на:

 - собственно окислы;

 - композиции металл-оксид;

 - частично восстановленные окислы;

 - окисленные сплавы.

В тех или иных конкретных случаях может быть удобно и другое деление - на высокоомные (полимерные и на основе стекла) и низкоомные, или на тонкопленочные (SbCs и т.п.) и объемные, наконец, на имеющие слои с особыми свойствами: поверхностный (катоды с ОЭС, SbCs и т.п.), приповерхностный (на основе стекла или окисленного сплава) и не имеющие такового.

Любой вторично-электронный катод, если он может быть выполнен в пленочном варианте, может быть использован не только "на отражение", но и "на прострел". При этом вторичные электроны эмитируются с поверхности, противоположной той, которую бомбардируют первичные.

Полупроводниковые катоды

Полупроводниковые катоды - это, как правило, GaP, GaAs, GaPAs, чаще всего грань (100), но иногда и поликристалл; иногда это грань (100) Si (кремния). Во всех случаях поверхность активирована Cs (цезием) и слегка окислена. С ростом энергии первичных электронов s растет почти линейно до тех пор, пока глубина проникновения первичных электронов не станет больше максимальной глубины выхода вторичных. Значения s_m и Е_m определяются максимальной глубиной, с которой могут выходить получившие энергию электроны, и если она велика, значения Е_m могут вообще не достигаться (и тем самым s_m остается неизвестным). Так, известны работы, в которых при Е = 20 кВ получалось s_m = 1800, но при этом ни Е_m, ни s_m не достигалось. В других работах достигалось s_m = 200-500 при Е = 4-20 кВ. Величина E_I может быть уменьшена до 12 эВ. Покрытие поверхности монослоем Cs и O (кислорода) уменьшает электронное сродство (и может сделать его отрицательным) и тем самым увеличивает s. Предлагалось применение вместо Cs чередующихся слоев Cs и Sb (сурьмы) или Cs и Te (теллура). Поскольку при бомбардировке первичными электронами в катоде увеличивается количество электронно-дырочных пар, возникает так называемая "электронно-возбужденная проводимость".

На параметры катодов очевидным образом влияет совершенство кристалла или пленки - чем оно выше, тем больше максимальная глубина выхода вторичных электронов и, следовательно, s_m и Е_m. Далее, необходимы определенные структуры и состав поверхности, чтобы достичь отрицательного электронного сродства. Поскольку оно достигается покрытием определенным количеством Cs и О, то катоды, очевидно, весьма чувствительны к остаточной атмосфере.

Применяются катоды с отрицательным электронным сродством в электронных умножителях и электронно-умножительных системах, например, фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Применение таких катодов позволяет улучшить параметры, но, в силу вышесказанного, усложняет конструкцию и технологию.

Щелочногалоидные соединения и композиции с ними

Щелочногалоидные кристаллы имеют s_m порядка 10-30 при Е_m = 1-5 кэВ. Величина E_I составляет, по-видимому, около 30-50 эВ. Для этих катодов характерна низкая стойкость к бомбардировке электронами - по разным данным допустимый ток составляет 10^-6 - 3×10^-5 А/см². Понятно, что улучшение совершенства кристалла должно увеличивать s_m. Известна попытка изготовления катода в виде маленьких частиц щелочногалоидного соединения в полимерной матрице. Такой материал более технологичен, но величины s_m и Е_m оказываются существенно меньше. В целом работ по вторично-эмиссионным свойствам катодов этой группы мало, и на большинство вопросов ответов нет.

Сплавы и чистые металлы (неокисленные)

Из чистых металлов в качестве вторично-электронных эмиттеров применяется в основном Pt (платина). Для нее s_m = 1,85, E_I = 100 эВ, Е_m = 0,8 кэВ. Зафиксированный срок службы более 100 тыс.час., но в принципе он не ограничен. Почти такие значения вторичной эмиссии у Rh (родия), Pd (палладия), Ir (иридия), Os (осмия), Au (золота). Среди граней монокристаллов можно найти и лучшие эмиттеры (максимум у Ir (100) s_m = 2,1), но по технологическим причинам применяется исключительно Pt - в случаях, когда стоимость не является определяющим параметром, а важен срок службы. В случаях, когда стоимость важна, например, в магнетронах для бытовых СВЧ-печей, применяется WCTh-катод (вольфрам с присадкой ThO₂  и насыщенный с поверхности углеродом).

Заметим, что хотя в WCTh-катод Th (торий) вводится в виде ThO₂, но по механизму работы этот катод является монослойным. Собственно эмиттером является монослой Тh на W₂C с s_m, достигающем 1,9 (против чистого W (вольфрама) с s_m = 1,4). Такой катод, конечно, дешевле Pt, но срок службы его ограничен временем, в течение которого сохраняется монослой Th на поверхности, пополняющийся диффундирующим из объема W катода и расходующийся на испарение и распыление. Кроме того срок службы зависит от декарбидизации - ухода С (углерода) путем окисления. После расходования углерода скорость удаления Th с поверхности увеличивается и концентрация Th на поверхности падает.

Неоднократно предпринимались попытки сделать эффективный вторично-электронный катод из сплавов металлов (WHf, WTa, Re (рений) + тугоплавкие металлы), но данных по таким катодам мало, и эффективных эмиттеров среди них не найдено. Более подробно исследовались катоды Ni (никель) + щелочноземельные металлы (ЩЗМ), Pt + ЩЗМ, (Ir, Re, Os) + редкоземельные металлы (РЗМ). В группе катодов Ni +ЩЗМ достигнуто s_m = 4,2 при Е = 0,8 кэВ, для катода Ni + Al (алюминий) или Cu (медь) или Sn (олово) + Ва (барий). В группе Pt + ЩЗМ достигнуто s_m = 3,0 при Е = 0,8 кэВ и E_I = 30-50 для катодов Pt + Ba. В группе (Ir или Re или Os) + РЗМ достигнуто s_m = 2,6 при Е = 0,6 кэВ и E_I = 150 кэВ для катода Ir + La (лантан). Для некоторых из катодов этих трех групп известны скорости испарения и допустимые режимы бомбардировки. При энергии первичных электронов 1 кэВ допустимые токи бомбардировки составляют (1-4) ×10^-2 А/см² в течение 500-2000 часов.

Сложной технологической задачей является соединение Pt или Ir с дешевой подложкой. Чем слой Pt, Ir тоньше, тем катод дешевле, но тем быстрее взаимная диффузия покрытия и подложки выводит катод из строя. Не исключено, что в эмиссионную структуру этих катодов входит и кислород, хотя специально эти сплавы окислению не подвергались.

SbCs и мультищелочные - SbNaKCs и др.

Катоды этой группы - это SbCs₃, BiCs₃, TeCs₃ и мультищелочные SbNa₂KCs, SbK₂Cs и др. Для них характерны s_m = 20-40, Е_m = 0,7 кэВ и E_I = 10-15 эВ. Допустимый ток бомбардировки " 5×10^-5 А /см², т.е. в среднем чуть выше, чем для щелочногалоидных соединений. В основном катоды этой группы используются как фотокатоды.

Полимеры

Данных по вторично-эмиссионным свойствам полимеров мало. Во-первых, это те полимеры, которые, по мнению авторов, могут иметь какие-то перспективы при использовании в качестве вторично-электронных эмиттеров. Во-вторых, это композиционные материалы на основе полимера, например, содержащие NaCl или MgO. Как в тех, так и в других случаях в основном получены величины s_m от 2,5 до 3,5 при Е_m от 0,18 до 0,3 кэВ. Понятно, что мотивом для исследования полимеров и композитов на их основе в качестве вторичных эмиттеров были очевидные технологические преимущества, однако удовлетворительные параметры получены не были. По-видимому, катоды этого типа будут иметь и малую стойкость при бомбардировке и малый предельный ток.

Катоды на основе окислов

Собственно окислы и их композиции с металлами

Собственно окислы могут использоваться при температурах, когда их проводимость достаточна для того, чтобы не происходило их заряжания при тех токах, при которых они эксплуатируются. Поэтому в катодах, предназначенных для работы при больших плотностях тока (в магнетронах) используют ThO₂, Y₂O₃, Lu₂O₃ с s_m = 2,4 - 2,9, Е_m " 0,7 кэВ и E_I = 50 эВ при температурах, обеспечивающих проводимость (>1000№С). При работе прибора окись расходуется (испаряется, разрушается). Поэтому для увеличения срока службы стараются увеличить количество окисла в катоде. Но толстый слой окисла имеет низкую проводимость и его технологически трудно выполнить. Поэтому получили распространение всякого рода слои окислов на шероховатых подложках (аналог (BaSrCa)O - катода на шероховатой Ni-подложке) и прессованные или пропитанные композиции окисел - металл (аналог катода (BaSrCa)O + Ni, WBa-катода и т.п.). Так, для смеси W + 30%ThO₂, например, s_m = 2,5, Е_m " 0,8 кэВ и E_I =150 эВ и т.д. В качестве вторично-электронных эмиттеров применяются и обычные термокатоды этих классов, тем более что во многих случаях от катодов ЭВП М-типа требуются одновременно и термоэмиссия, и вторичная эмиссия. Так, для (BaSrCa)O s_m = 4-10, Е_m " 1-1,5 кэВ и E_I = 20 эВ - допустимый первичный ток порядка 0,01 А /см² , при энергии 0,3 кэВ. Для (BaSrCa)O + Ni, естественно, несколько ниже s_m, выше E_I и допустимый ток. Для WBa-катода s_m = 1,5 -2,5, Е_m " 0,8 кэВ и E_I = 100 эВ, допустимый ток бомбардировки как для (BaSrCa)O или немного выше. Конкретные значения всех этих величин зависят от рабочей температуры, а допустимый режим бомбардировки - еще и от требуемого срока службы, поэтому указать их точнее нельзя.

Поскольку ограничение срока службы окисла в условиях бомбардировки связано с его разложением, срок службы таких катодов может быть увеличен при введении в прибор кислорода от специального источника.

Известны немногочисленные попытки применения в качестве вторичных эмиттеров иных соединений, кроме ЩГК и окислов, например, боридов. Но обследованные соединения имели низкий КВЭ.

Частично восстановленные окислы