Файл: Ненакаливаемые катоды..pdf

гой стороны, вольфрам относительно прочно удерживает адсорбированные газы, встречающиеся в наборе типич­ ных остаточных газов (СО, N2, Н2, 0 2, Н20 и др.), и при этом заметно изменяет свои эмиссионные свойства. Име­ ются сообщения, что другой тугоплавкий металл — рений отличается от вольфрама меньшей адсорбционной актив­ ностью и может оказаться материалом более стабильных АЭК [12, 13]. АЭ микроскопия накопила большой опыт использования в качестве материала острий самых раз­ нообразных металлов. Однако наиболе употребительны­ ми металлическими АЭК-остриями, по-видимому, оста­ нутся острия из тугоплавких металлов: W, Re, Та, Nb, Мо и, возможно, из их сплавов. Проволоки из перечислен­ ных материалов обычно имеют типичную для каждого ти­ на кристаллической решетки текстуру, связанную с про­ тяжкой. Грань, располагающаяся в вершине острия, на­ пример {110} для W, Та, Mo, Nb, иногда оказывается наименее эмиттирующей. Когда это ухудшает качество электронного пучка для той или иной задачи, применяют специально выращенные ориентированные проволоки или же активируют эмиссию грани на вершине с помощью подходящего адсорбата.

Проблема стабильности автоэмиесионных катодов.

Эта проблема — главная в использовании АЭК. Потен­ циальные возможности АЭК были очевидны задолго до первых попыток их внедрения в технику, однако широкое применение их в технических и научных приборах свя­ зано всецело с преодолением нестабильности АЭК.

Под нестабильностью АЭК понимают: изменения тока АЭЭ во времени при постоянном напряжении, носящие монотонный характер; статистические изменения, боль­ шие флюктуации тока, значительные низкочастотные шумы; недолговечность, внезапное прекращение эмиссии вследствие пробоя и оплавления, т. е. сильного затупле­ ния острия.

Систематические исследования физических причин нестабильности АЭК всех видов проводились группой Елинсо'на {14] и группой Дайка [15]. Б итоге были опреде­ лены пути повышения стабильности и долговечности автоэмиттеров.

Ясно, что для стабильной и долговечной работы АЭК необходим вакуум на несколько порядков выше, чем достигаемый сегодня в массовых приборах с термокато­ дами. Путь повышения стабильности АЭК был также най-

213

ден в снижении эффективности воздействия вредных факторов, сопутствующих недостаточному вакууму: адсорбции остаточных газов или каких-либо паров, имеющихся б приборе, и бомбардировки поверхности ионами остаточных газов и загрязнений или материалов анода, создаваемыми рабочим электронным пучком.

Адсорбция может приводить ко всем вышеперечислен­ ным видам нестабильности АЭЭ и, кроме того, продол­ жаясь в период, когда АЭК не работает и изменяя <р поверхности, она обусловливает невоспроизводимость, постоянный уход эмиссионных характеристик. Изменяя <р в ту или иную сторону, адсорбция приводит к монотон­ ным изменениям тока АЭЭ при постоянном U. В работе [16] X. Кляйнт показал, что низкочастотные шумы (мер­ цания) автоэмиссионного тока связаны с адсорбцией. Адсорбция вызывает и более значительные флюктуации тока, наконец может привести к пробою, если процессы нарастания тока будут развиваться лавинно [17]. При используемых температурах (например, при комнатной Т) многие адсорбаты подвижны и в сильном электричес­ ком поле мигрируют, образуя скопления и наросты. Часто небольшого повышения Т достаточно для начала объемных химических процессов, необратимо изменяю­ щих микрогеометрию эмиттера. Область повышенной эмиссии может разогреваться (прежде всего из-за эффекта Ноттингама), что усиливает подвижность адсор­ бата и коррозионные процессы, рост микрошероховато­ сти, усиление локального поля и соответственно тока

АЭЭ. Все это и может привести к лавинному нарастанию тока.

Методы борьбы с вредным воздействием адсорбции на АЭЭ довольно очевидны: применение более высокого вакуума; снижение коэффициента конденсации адсорба­ та за счет повышения температуры и применения поверх­ ностей с насыщенными химическими связями: соедине­ ний, прочных специально созданных адсорбционных покрытий и т. п. [18]; сильное охлаждение автоэмиттера

до температур, исключающих или затрудняющих ми­ грацию.

Ионная бомбардировка действует во время работы автоэмиссионного прибора тем сильнее, чем больше ток и чем хуже вакуум. Изъязвляя автоэмиттер, ионная бомбардировка приводит к монотонному росту тока. Если же эмиттер был покрыт пленкой, понижающей ра-

214

боту выхода, ионная бомбардировка приводит к монотоному убыванию тока. Начиная с какого-то момента изъязвления достигают состояния нестабильных, подвиж­ ных микровыступов, и тогда становятся значительными флюктуации тока АЭЭ. При обычных конфигурациях поля Е ионы, порожденные электронным ударом, попада­ ют приблизительно в область выхода электрона. Боль­ ший локальный ток соответствует, таким образом, боль­ шей ионной бомбардировке. Это создает условия для ла­ винного нарастания тока и пробоя.

При ионной бомбардировке (в отличие от адсорбции) даже инертные газы, находящиеся в приборе, оказывают вредное действие. Это тем более неприятно, что инерт­ ные газы сложнее откачать, связать на поверхности и т. п., а некоторые из них, в частности гелий, могут до­ вольно быстро натекать сквозь стекло из атмосферы.

Методы борьбы с вредным влиянием ионной бомбар­ дировки на АЭК сводятся к:

—получению возможно более высокого вакуума и наилучшей очистке деталей анода, облучаемых электрон­ ным пучком;

—использованию материалов, наиболее устойчивых

ккатодному распылению (например, металлоподобных соединений и др.);

—подогреву эмиттера для «залечивания» изъязвле­

ний;

—разделению траекторий электронов и ионов, возни­ кающих в объеме; описаны два пути; а) создание вир­ туального анода вблизи острия [7] и б) наложение маг­ нитного поля (19].

Поскольку прогрев эмиттера увеличивает его ста­

бильность, следует особо обсудить особенности работы в режиме подогретого АЭК. То, что в этом случае АЭК перестает быть безнакальным, часто представляет собой небольшую жертву за реализацию его достоинств. Бо­ лее существенным обстоятельством является включение явлений самодиффузии в сильном поле, начиная с опре­ деленных Т и Е.

Эти явления, называемые часто «перестройкой в по­ ле», приводят к значительным изменениям конфигурации эмиттера [20]. Сильный прогрев острия в отсутствие поля приводит к сглаживанию эмиттера за счет сил поверхно­ стного натяжения. Они действуют тем эффективнее, чем выше Т и приводят к затуплению острий, особенно тон-

215

ких. Поскольку электрическое поле меняет направлений миграции собственных атомов, затягивая их к вершине, была высказана мысль о существовании таких Т и Е, когда тенденции к затуплению и заострению взаимно компенсируются, и острие длительное время, будучи на­ гретым, сохраняет стабильность конфигурации [21].

В вакууме 10”s мм рт. сг. и хуже, когда моноатомный слой остаточных газов оседает на поверхности весьма быстро, при нагреве в присутствии поля возникает на­ правленная диффузия, которая может привести к образо­ ванию выступов и пробою.

1,А

Рис. 7.2. Изменение эмиссионного тока во времени при фиксирован­ ном напряжении для дв,ух автоэмиссионных диодов.

Очистить АЭК от загрязнений, минуя нежелательные диффузионно-полевые эффекты, можно кратковременной «вспышкой» резким повышением 7 при выключенном поле. Наконец, импульсный режим с подогревом допуска­ ет такой подбор Е, Т и скважности, что изменения, вно­ симые за время импульса т, не успевают достигнуть кри­ тических размеров, и вместе с тем за период между импульсами эти изменения полностью релаксируют. Спе­ циальные опыты с длительными (от 10_и до 10 с) импульсами показали, что в таком режиме можно до­ биться относительной долговечности АЭЭ в вакууме вплоть до 10 5 мм рт. ст. [22, 23], у = 107 А/см2, в режиме, близком по условиям к стационарному..

Некоторые результаты испытаний АЭК на стабиль­ ность и срок службы в стационарном режиме показаны на рис. 7.2 и 7.3 [19]. В первом случае острие в сверхвы­ соком вакууме работало в диоде с хорошо обезгаженным металлическим анодом, который экранировал значитель­ ную часть дужки, поддерживающей острие. Это улучши­ ло режим работы, поскольку при этом вторичные и отра­ женные электроны не облучали плохо очищенные поверх­ ности (например, стенки диода). Во втором случае

216

автоэмиссионный диод функционировал при наложенном магнитном поле. Как следует из рис. 7.2 и 7.3, долговеч­ ность порядка 1000 ч при токах около 1 ... 10 мА с одного острия вполне достижима.

Применения АЭК в стационарном режиме. Сегодняш­ ние уже апробированные, а также мыслимые применения А Э К легко разделяются на «мощные», т. е. связанные с выделением больших мощностей, и «изящные». Послед­ ние названы так потому, что в тех случаях, когда от А Э К

I , М/5

8 ................................................

Рис. 7.3. Изменение эмиссионного тока во времени при двух фиксированных значениях напряжения для автоэмиссионного диода с магнитным полем, перпендикулярным оси эмиттера.

отбирается относительно небольшой ток, сам по себе этот ток, как правило, еще не обеспечивает достижения цели. Цель в этих случаях достигается в совокупности с другими, весьма специфическими особенностями АЭК, такими, как точечнос.ть, высокая крутизна вольт-ампер- ной характеристики, сверхминиатюрность и т. п.

«Мощные» применения АЭК — это прежде всего като­ ды в импульсных источниках рентгеновских лучей, элек­ тронных ускорителях и т. п. Они будут описаны далее в разделе о мощных импульсных источниках электронов. Из «мощных» применений здесь будет рассмотрен лишь случай использования АЭК в приборах СВЧ, где ста­ ционарный режим не менее типичен, чем импульсный. Главным же образом, в данном параграфе будут обсуж­ дены «изящные» применения АЭК и связанные с ними специфические проблемы.

Применения АЭК из полупроводников вынесены в особый параграф, поскольку они существенно исполь­ зуют характерные физические особенности полупровод­

217

стоинство АЭК, как высокая плотность тока АЭЭ при малых размерах источника (большая электронная яркость и точечность источника). Кроме того, такому применению способствуют не слишком высокие требуе­ мые токи и относительно высокие напряжения. Основным затруднением на пути подобных применений является необходимость поддержания вакуума не ниже 10~9ммрт. ст., а желательно выше. Полное или частичное устранение затрат мощности на накал может стать су­ щественным фактором лишь при внедрении АЭК в при­ боры массового производства (например, в телевизион­ ные кинескопы). В настоящее время применение АЭК в электронно-оптических системах оправдано тогда, ког­ да идет борьба за минимальные размеры сфокусирован­ ного электронного пятна при высокой плотности тока. Неудивительно поэтому, что первые подобные примене­

ния связаны с электронными и рентгеновскими микро­ скопами.

Обстоятельный анализ работы точечного игольчатого эмиттера в режиме автоэмиссии, импульсной АЭЭ с по­ догревом и стационарной термоавтоэмиссии дан Дрехслером, Кослетом и Никсоном {24] применительно к за­ дачам электронной микроскопии. Наименее подходящим для этого случаем оказался импульсный режим, по­ скольку здесь трудно обеспечить достаточную моноэнергетичность электронов, необходимую для фокусировки. В режиме холодного АЭК при / не выше 105 А/см2 в ва­ кууме примерно 107 мм рт. ст. долговечность катода с ра­ диусом закругления г от 0,02 до 1 мкм варьировалась от 10 до 104 ч. Отклонение эмиссионного тока в течение часа составляло 10 и 3% в вакууме 10~7 и 10-9 мм рт. ст. со­ ответственно. Для стационарной термоавтоэмиссии при /~ Ю 4 А/см2 и г~0,5 ... 2 мкм часовой уход тока за 1 ч составлял 20% и время жизни 1 ... 102 ч. Но зато в этом

В данной работе ;[24] сравнивались возможности точечно­ го термоэлектронного и автоэлектронного катодов и было показано, что АЭК оказывается предпочтительнее термо-

218