ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 97
Скачиваний: 0
диффузия оказывается существенной только при больших г(г>10~3 см) иочень высоких температурах (7'>ЗОООК).
Перемещение атомов по поверхности вследствие миг рации становится существенным при Гл;0,37’пл-. Экспе риментально установлено [112], что скорость изменения длины эмиттера dz/dt значительно больше соответствую щей скорости возрастания радиуса. Согласно [112] ско-
Рис. 7.23. Сравнение эффективности процесса поверхностной мигра ции и объемной самодиффузии в случае вольфрамовых острий:
а — у ч а с т о к п р е о б л а д а н и я |
п о ве р х н о с тн о й м и г р а ц и и ; |
б— у ч а с т о к п р е о б л а д а н и я |
о б ъ е м н о й с а м о д и ф ф у з и и ; в — о б л а с т ь , в ы б р а н н а я |
в д а н н о м э к с п е р и м е н т е . |
|
рость укорочения острия в случае соотношением
dz |
= |
— 2,6-Ю '11 |
ехр (- ■36 300/7') |
1 |
Ил |
|
|
Т |
г3 |
где г в см; Т в °К.
вольфрама |
задается |
|
_ _ С (Т) |
СМ |
*) |
г3 |
с |
, (7.13) |
|
||
Как можно видеть, dz/dt сильно зависит от радиуса эмиттера и температуры. Скорость загрубления радиуса острия, выраженная через dz/dt, в первом приближении имеет вид
dr/dt = —%(dz/dt), |
(7.14) |
где х — полуугол конуса острия.
Интегрирование (7.14) при подстановке в него dz/dt согласно (7.13) приводит к выражению, определяющему
связь г со временем прогрева: |
г4(/)—r04= 4 C(T)x(t —f0). |
|
Здесь /"о — исходное значение |
радиуса эмиттера |
в мо |
мент f0. Наиболее сильно затупляется острие при |
малых |
|
г (/"< 10—5 см), а с увеличением радиуса острия этот про-
*> В работе [112] в численном коэффициенте допущена описка: вместо —2,6-10_и указано значение -2,6-Ю -4.
£50
цесс резко замедляется. Этот эффект наглядно иллюст рируется рис. 7.22, на котором приведены профили осгрмй, полученные в электронном микроскопе в последова тельные моменты времени от начала прокаливания [83]
и табл. 7.2 [21].
Таблица 7.2
И з м е н е н и е |
р а д и у с о в |
э м и т т е р о в |
во в р е м е н и [21] |
|
|||
Время нагрева, ч |
0 |
0,1 |
1 |
10 |
102 |
10» |
10* |
г, (10-5 см) |
0,1 |
0,77 |
1,36 |
2,42 |
4,31 |
7,66 |
13,6 |
гг (10 -5 см) |
2,0 |
2,01 |
2,10 |
2,66 |
4,33 |
7,67 |
13,6 |
гг/г, |
20 |
2,63 |
1,54 |
1,1 |
1,0016 |
1,016 |
1,00616 |
Заметим, что вследствие замедления процесса зату пления с ростом г конечное значение г вольфрамового эмиттера практически не может быть сделано большим
1 мкм. |
можно видеть, для затупления г от 5 -10-5 до |
Как |
|
10-4 при |
Г= 1 800 К требуются десятки и сотни часов. |
С увеличением Т можно достичь значительного сокраще ния времени формовки. Так, при 7 = 2 800 К тот же ре зультат может быть получен за время приблизительно
8 мин [21].
Точность и быстрота формирования тождественных элементов существенно зависят от первоначального раз броса параметров эмиттеров — радиусов и углов конуса. На рис. 7.24 приведен график загрубления острия для различных х и г. Можно отметить, что при близких к
Рис. 7.24. Зависимость скорости |
выравнивания радиуса эмиттеров |
от угла конуса острия для различных диапазонов г: |
|
а) и=П ,5 и 12,5°; |
б) я - 17,5 и 1!.5°. |
251
«сходимость» параметров эмиттеров значительно облег чается. При исходных значениях г, изменяющихся в пре делах 0,4 .. . 0,3 мкм, и разбросе по углам конуса 28 . . .
.. . 32 град., выравнивание эмиттеров с точностью до 1% при 7 = 2 200 К может быть обеспечено за время всего порядка 5 мин. (83].
Недостатком метода термического выравнивания яв ляется довольно жесткое ограничение размеров эмигри рующих элементов, формируемых с его помощью. Прак тически он приемлем для ос.трий с радиусами от ЗХ ХЮ~5 до 10~4 см. Нижнее значение ограничивается ми нимальными размерами и однородностью исходных эле ментов, причем требования к однородности более высо кие, поскольку выравнивание при малых г ведется в режи мах, далеких от насыщения; верхнее — очень малой ско ростью затупления при больших радиусах острий (см. рис. 7.22 и табл. 7.2). Заметим, кроме того, что данный метод позволяет получать главным образом только рав ные радиусы эмиттеров, что само по себе еще не обеспе чивает одинаковой напряженности поля над каждым элементом. Разброс по углам конуса острий, высоте эмиттеров и эффекты экранировки не корректируются термическим способом выравнивания и должны 'учиты ваться при конструировании исходной геометрии катода
[ 120, 121].
Для получения тонких эмиттеров одинаковой конфи гурации в ряде работ предложен метод десорбции мате риала острия в сильном электрическом поле [46, 21]. Преимущество этой методики состоит в том, что процесс выравнивания оказывается непосредственно зависящим от напряженности электрического поля. Заметим, однако, что она, по-видимому, позволяет формировать только эмиттеры с малым радиусом, поскольку поля, необходи мые для десорбции в случае тугоплавких металлов, та ких, как W, Мо, Та, Re, приблизительно на порядок превосходят поля, требуемые для процесса АЭЭ. Суще ственным затруднением при эксплуатации сформирован ных таким способом катодов является также то, что при любом интенсивном нагреве, необходимом для обезгаживания и очистки катода, радиусы эмиттеров могут «ра зойтись» вследствие того, что неравновесная форма монокристаллического кончика острия после десорбции существенно отличается от формы, полученной после про каливания.
252
радиусе эмиттера порядка 10~4 см допускает в этой обла сти разброс по радиусам эмиттеров примерно 3%, а при глДО-3 см это требование снижается приблизительно до 8%. Еще больше демпфирование эмиссии пространст венным зарядом облегчает одновременное эмиттирование многоострийной системы при малых работах выхода. Результаты расчетов допустимого расхождения по гео метрии я соответственно по напряжению при учете про странственного заряда [137] сведены в табл. 7.3.
Таблица 7.3
Допустимый разброс напряжений при параллельной работе АЭК с учетом пространственного заряда
|
Допустимый |
разброс напряжений U , % |
||
/, А/см2 |
|
при Г, |
СМ |
без учета |
|
простран |
|||
|
|
|
|
ственного |
|
НГ3 |
10'» |
10-* |
заряда |
10» |
9,8 |
7,5 |
2,81 |
м |
10’ |
5,3 |
4,4 |
1,8 |
1,0 |
10е |
3,0 |
1,9 |
1,3 |
0,9 |
Интересные возможности построения эффективных многоэмиттерных систем открываются также при исполь зовании полупроводниковых материалов. Как мы видели, вольт-амперные характеристики полупроводников имеют участок насыщения (см. рис. 6.12). При эксплуатации катода в этой области изменения тока оказывается до пустимым расхождение конфигурации отдельных эмитте ров в ряде случаев на 30. .. 100%. Эта специфика полу проводниковых материалов может позволить в будущем создавать эффективные многоэмиттерные системы с ис пользованием более простых и технологичных приемов. В частности, оказывается возможным использовать мето ды направленного эпитаксиального выращивания микроострий из газовой фазы [74—76] и др.
Некоторые вопросы конструирования многоострийных катодов. Многоострийные катоды предложены и впервые применены в практических устройствах Дайком с сот рудниками [15, 30, 123]. Катод представляет собой набор острий, содержащий от десятков до нескольких тысяч
255
элементов, укрепленных на общем держателе (рис. 7.28, 7.32). Принципиально увеличение тока многоэмиттерной системы при заданном анодном напряжении по сравне нию с одиночным острием пропорционально числу эле ментов и эффективности их одновременного эмигриро вания. Зависимость первеанса системы от числа острий и их радиусов приведена на рис. 7.29 *).
Рис. 7.28. Основные геометри- |
Рис. 7.29. Первеапс системы |
ческие параметры многоострий- |
с многоострийным катодом в зави- |
ной системы. |
симости от числа и радиуса |
|
острий. |
Диаграмма рис. '7.29 отражает идеальный случай, когда все эмиттеры эмиттируют параллельно и наличие «соседей» не искажает напряженность поля около каждого отдельного элемента. На самом деле, начиная с некоторого критического расстояния между остриями начинает сказываться эффект взаимоэкранировки эле ментов. Согласно (105, 124] этот эффект определяется главным образом отношением расстояния между элемен тами d к их поперечному размеру b (см. рис. 7.28). Для
многоострийного |
катода |
взаимоэкранированне |
можно |
не учитывать при |
d/b ^ |
5. В случае системы |
из ряда |
лезвий условия менее жесткие и отсутствие экранировки определяется dfb^>3 (124]. При малых расстояниях анод — катод эффект взаимоэкранирования зависит так же от отношения R/d (рис. 7.30) [103].
Сохранение постоянства работы выхода и соответст венно эмиссионных свойств в процессе эксплуатации ка тода требует либо создания очень хороших вакуумных
Первеанс является мерой проводимости устройства с электрон ным пучком, ограниченной пространственным зарядом, и выражается отношением тока в пучке к ускоряющему анодному потенциалу в степени 3/2. Первеанс измеряется в мкЛ/ЕИ2,
25G
условий в рабочем объеме 10~9. ..10-12 мм рт. ст., либо периодического восстановления или искусственного под держания чистоты поверхности посредством подогрева. Заметим, что при этом основные преимущества автоэмис-
сионного |
источника (высокие /, |
миниатюрность и т. д.) |
|||||
сохраняются. |
В |
работах |
|
|
|
||
[22, |
23, 116] показано, что |
|
|
|
|||
в |
условиях |
подогрева |
|
|
|
||
ЛЭК способен |
устойчиво |
|
|
|
|||
работать |
в |
импульсном |
|
|
|
||
режиме |
при |
технических |
|
|
|
||
вакуумных |
|
условиях |
|
|
|
||
вплоть |
до |
|
давления |
|
|
|
|
10~5 мм рт. ст. |
В связи |
|
|
|
|||
с этим конструкция като |
Рис. |
7.30. |
Зависимость коэффи |
||||
да |
должна предусматри |
||||||
вать возможность нагре |
циента экранирования от .расстоя |
||||||
|
ния |
анод—катод. |
|||||
вания его элементов. Кро ме того, нагрев необхо дим также, как отмечалось ранее, для осуществле
ния процесса формовки многоэмиттерной системы. Как правило, нагрев осуществляется посредством пропуска ния тока накала через поддерживающие эмиттирующие элементы основания рис. 7.28. Вследствие малости самих эмиттеров <и поддерживающих электродов затраты на нагрев могут быть сведены к минимальным.
Взаимоэкранирование и необходимость обеспечения однородного распределения температуры вблизи кончи ков эмиттеров при нагреве накладывают дополнительные требования на качество изготовления поддерживающего электрода и методы закрепления эмиттирующих элемен тов. Наиболее известен способ закрепления острий то чечной сваркой [15, 30, 46, 103—105]. Детали технологии подробно описаны в работе [105]. Недостатками этого метода являются: неоднородность электрического и теп лового контактов с токопроводящей основой, малая ме ханическая прочность, непостоянство шага между остри ями, их высоты и параллельности, что затрудняет про цесс одновременного заострения эмиттеров и их фор мовки.
В работах [122, 125] предложена методика изготов ления матриц для АЭК из фольги тугоплавких металлов с использованием электроискровой обработки. Вырезан-
17—473 |
257 |