Файл: Ненакаливаемые катоды..pdf

В работе [46] всесторонне обсуждены АЭК как источ­ ники электронов на СВЧ. Предполагается, что они най­ дут широкое применение в таких приборах, как усилите­ ли, умножители частоты, смесители и детекторы. Для двух первых случаев приведены данные экспериментов. В диапазоне миллиметровых волн осуществлялось усиле­ ние до 10 ... 15 дБ при выходной пиковой мощности 1 ... 100 кВт. Умножитель частоты со вторым резонато­ ром (рис. 7.8), настроенным на четвертую гармонику, позволял производить умножение от 9 до 36 ГГц. В ра­ боте [47] АЭК, помещенный в резонатор, длительно оста­ вался стабильным, несмотря па плохие вакуумные условия.

В заключение отметим, что применение АЭК. в СВЧ приборах требует встречных разработок с обеих сторон. Нет такой ситуации, когда в сегодняшнем СВЧ приборе можно было бы просто заменить термокатод соответ­ ствующим АЭК. Конструируя АЭК, с учетом их примене­ ния в области СВЧ, следует видоизменять и сами прибо­ ры СВЧ, с тем чтобы условия работы в них в большей

область, где АЭК используется вполне надежно вот уже более 35 лет. Это автозлектронная микроскопия — свое­ образная и самостоятельная ветвь электронной микро­ скопии и одновременно мощная и разносторонняя науч­ ная методика. Она отображена в ряде обзоров и книг [20, 48—52], которые, однако, не исчерпывают сегодняш­ него состояния этой бурно развивающейся методики. Здесь этот вопрос будет изложен предельно кратко, без претензий на какую либо полноту, ибо это выходит за рамки задач данной книги.

Если автоэмиссионный диод снабдить флуоресцирую­ щим экраном и, бросив на него электронный пучок с острия, обеспечить стекание заряда с экрана, получим прибор, называемый автоэлектронным микроскопом или электронным проектором. Одна из возможных конструк­ ций электронного проектора показана на рис. 7.9. По­ скольку электроны, выходящие нормально к поверхности конца острия (чаще всего скругленной сильным прогре­ вом), расходятся далее широким конусом, на экране, стоящем на пути электронов, появляется картина угло­ вого распределения плотности тока автоэмиссии, которая

коррелирует, как мы выдели ранее, с работой выхода ери электрическим полем В на поверхности эмиттера. Эмис­ сионная картина на экране — сильно увеличенная топо­ графия плотности тока / у поверхности, передаваемая обычно почти без искажений (т. е. с одним и тем же увеличением вдоль всей поверхности). Разрешающая спо­ собность электронного проектора 2 0 ...60А при увеличе­ нии примерно в 104...1 0 5 раза довольно высока. В тех случаях, когда она оказывается недостаточной, имеется принципиальная возможность превратить электронный проектор в ионный [53—56] для того же самого объекта и использовать его высокую разрешающую способность (2,5 ... 10А) *). Электронный проектор изобрел Эрвин В. Мюллер [57].

Итак, на экране электронного проектора эмиттирующая поверхность видна при сильном увеличении в «све­ те» собственных лучей. На эмиссионной картине ярки­

участки под влиянием поля, подогрева, ионной бомбар­

дировки и т. д. деформируются, перемещаются, это будет

о)

видно на экране с разрешающей способностью 2 0 ... 60 А

о

(тем выше, т. е. в А меньше, чем меньше 2 — радиус за­ кругления острия) и с увеличением в 104... IО5 раз. В электронном проекторе наблюдаются не только малые объекты, но и сверхмедленные перемещения по поверхно­ сти. Последнее весьма ценно для раздельного изучения термоактивируемых процессов (поверхностной мигра­ ции, испарения двумерного и трехмерного, химических реакций и т. п.), так как их можно исследовать при весьма низких температурах Т. Все то, что способно из­ менить работу выхода или микрорельеф поверхности острия локально или глобально, найдет свое выражение в изменении плотности тока и будет зарегистрировано

развита. Она содержит способы изучения раздельного влияния ф и Е на j, устранения вредного воздействия электрического поля на процесс, который следует изу­

*} Из-за недостатка места здесь не приводятся теория электрон­ ного проектора, а также сведения об ионном проекторе. Читатель

может найти подробный материал по этому поводу в литературе

[48—56].

228

7.3. А Ж на основе металлоподобных соединений

Исследование автоэмиссионных свойств металлопо­ добных тугоплавких соединений стимулировалось жела­ нием понизить жесткие требования к условиям эксплуа­ тации АЭК из вольфрама. В частности, речь могла идти о снижении требований к вакуумным условиям в прибо­ рах, получении более высоких абсолютных токов эмиссии с одиночных острий и т. д. Некоторые из металлоподоб­ ных тугоплавких соединений — карбидов и боридов пере­ ходных металлов, исследуемые в качестве термоэмитте­ ров, зарекомендовали себя как высокоэмиссионные хими­ чески стойкие, устойчивые к ионной бомбардировке ма­ териалы. Кроме того, эти соединения отличаются боль­ шой механической прочностью и высокой температурой плавления.

Впервые идея использования тугоплавких металлопо­ добных соединений (в частности, гексаборида лантана) в качестве АЭК и первые обнадеживающие эксперимен­ тальные результаты были изложены в работе [58]. Даль­ нейшее развитие эта идея нашла в работах {59—61].

Методика изготовления АЭК на основе боридов и карбидов металлов. Бориды и карбиды, как правило, получают в виде порошков, изделия из которых готовят­ ся методами порошковой металлургии. Эти методы (прессование и спекание изделий) не обеспечивают, од­ нако, степени чистоты образцов, необходимой для изго­ товления автоэмиттеров. Поэтому во всех экспериментах с металлоподобными соединениями предусматриваются дополнительные способы очистки: длительные прогревы в вакууме при температуре, близкой к температуре плав­ ления [58], либо переплавка исходного материала и изго­ товление заготовок для травления из плавленого мате­ риала [59]. Переплавленные металлоподобные соединения имеют крупнокристаллическую структуру, которая легко поддается злектрополировке и, как правило, обеспечи­ вает получение монокристаллического кончика острия. Острия из металлоподобных соединений обычно получа­

Установлено, что общие положения электролитиче­ ской полировки металлов могут быть отнесены и к ме­ таллоподобным соединениям. Следует только учитывать

232

то обстоятельство, что для двухкомпонентных систем, ка­ ковыми являются металлоподобные соединения, анодные процессы могут усложняться избирательным растворени­ ем одного из компонентов.

Для гексаборида лантана в качестве электролита применяются либо концентрированная серная кислота, либо 50%-ный раствор ортофосфорной кислоты. Приме­ нение серной кислоты удобно тем, что режимы электро­ полировки не чувствительны к концентрации кислоты. Анодный процесс протекает по следующей схеме:

S O ~ —2е— wSOa+ O,

LaB2+ 0 + H2S 0 4— ►'В2Р 3 + Ьаг^ О Дз+ Н гО .

Образующаяся соль лантана, вследствие большой вязкости концентрированной серной кислоты, плохо уда­ ляется из зоны реакции. Задержка твердых продуктов реакции у поверхности, подвергающейся полированию, нарушает режимы полирования и вызывает растравли­ вание поверхности острия. Для получения качественной электрополировки необходимо интенсивно перемешивать электролит, например вращением анода. В работе [63] проблема удаления продуктов реакции от полируемой

При изготовлении острий из карбида циркония (ZrC) в качестве электролита применяется фтористый калий. Процесс электрополировки идет в ограниченном интерва­ ле концентраций, лучше всего в 4%-ном растворе. В ра­ боте [62] рекомендуется процесс изготовления острий проводить в две стадии: вначале электролиз вести при напряжении 15... 20 В в статическом режиме, затем на­ пряжение снижать приблизительно до 10 В и вести элек­ трополировку. В режиме электрополировки напряжение должно подаваться импульсами.

Для получения из штабика металлоподобного соедине­ ния острия заданной формы кончик штабика покрывает­ ся тонким диэлектрическим слоем (например, пленкой полистирола), затем штабик погружается в электролит таким образом, чтобы он покрыл изолированную часть и открытую часть штабика длиной 3 .. .4 мм. Так как ниж­ ний конец штабика изолирован, травление идет по грани­ це изолирующей пленки, на штабике образуется «пере­ тяжка», по которой в дальнейшем происходит образова­

233