Свойства автоэмиссионных катодов из углеродных материалов в условиях технического вакуума : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 01.04.13

Актуальность исследований
Одной из актуальных задач современной электроники является разработка и создание автоэмиссионных катодов, стабильно работающих длительное время в условиях высокого технического вакуума (10-7–10-6 торр), характерного для отпаянных приборов. К преимуществам автоэлектронных эмиттеров по сравнению с традиционными накальными и другими видами источников свободных электронов можно отнести отсутствие накала, высокую плотность тока, устойчивость к колебаниям температуры, малую чувствительность к внешней радиации, безынерционность, экспоненциально высокую крутизну вольт-амперных характеристик, узкий диапазон энергораспределения эмитированных электронов [1]. К тому же высокая плотность тока эмиссии сочетается с отсутствием необходимости расходовать энергию на сам процесс эмиссии [2]. Все вышеперечисленные достоинства делают перспективным применение автоэмиссионных катодов в электровакуумных устройствах, таких как электронно-лучевые приборы, плоские экраны, рентгеновские источники и т.д. [1].
Главная проблема создания стабильных автокатодов заключается в том, что автоэлектронная эмиссия очень чувствительна к состоянию поверхности катода, на которую влияют различные процессы: ионная бомбардировка, пондеромоторные нагрузки, адсорбция и десорбция молекул остаточных газов, поверхностная миграция и т.д. Сочетание особенностей конструкции катода, режима его эксплуатации, условий работы может вызывать ряд эффектов, влияющих на работоспособность источника электронов: катодное распыление материала, трансформацию формы эмитирующей поверхности, изменение количества и расположения микровыступов, а также работы выхода электронов, разогрев катода, механические напряжения и т.д. В результате этого возможны существенные изменения рабочих параметров эмиттера вплоть до деградации и его выхода из строя [1].
4
Для устойчивой, долговременной автоэмиссии необходимо выполнение
ряда требований: условие высокого вакуума, низкое и стабильное значение работы выхода электронов и коэффициента катодного распыления, а также высокие значения механической прочности, электро- и теплопроводности катодного материала. Во время работы автоэмиссионный катод подвергается воздействию множества факторов, поэтому выбор материала эмиттера не может основываться на табличных данных для какого-то одного параметра, так как это не позволит адекватно прогнозировать его свойства и ресурс [3]. Также материалы эмиттеров должны быть технологичными в плане изготовления катодов различной геометрии и быть достаточно доступными для широкого применения.
В настоящее время для изготовления автокатодов используется множество материалов: тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, рений, платина), металлы переходных групп (хром, ниобий, гафний), различные полупроводники и другие. На сегодняшний день основным фактором, определяющим срок службы серийных отпаянных изделий с автоэмиссионными узлами, работающих в условиях технического вакуума на уровне 10-7–10-6 торр, является ресурс катода. Дело в том, что в результате бомбардировки ионами остаточных газов происходит разрушение микровыступов, определяющих автоэмиссию с рабочей поверхности катода. В 70-х годах проведены первые эксперименты по использованию углеродных волокон в качестве автоэмиссионных катодов [4, 5]. Они показали принципиальную перспективность углеродных материалов [1]. Преимуществами углеродных автоэмиттеров по сравнению с традиционными металлическими острийными катодами являются хорошие вакуумные свойства, высокая температура плавления, высокая теплопроводность, устойчивость к радиационным воздействиям, способность формировать развитую поверхность с большим количеством эмиссионных центров.
В последние десятилетия интенсивно исследуются в качестве автоэмиттеров углеродные наноматериалы, а именно углеродные нанотрубки [6]. Они считаются перспективными в плане использования в качестве автоэмиссионных катодов, т.к.

5
геометрические размеры этих структур характеризуются высоким коэффициентом
усиления электрического поля, что инициирует автоэлектронную эмиссию при относительно малой напряженности макрополя на катоде (порядка единиц киловольт на миллиметр). Но существует ряд проблем, препятствующих успешному применению таких автокатодов. Среди них разрушение катодных структур в сильных электрических полях и под воздействием ионной бомбардировки, ограничение максимального эмиссионного тока с одной трубки из-за ее выгорания вследствие джоулева разогрева, а также вырывание нанотрубок электрическим полем [7, 8]. Также проблемными моментами являются получение углеродных нанотрубок с определенными свойствами, дороговизна оборудования и процесса изготовления материалов.
Альтернативой наноструктурным эмиттерам являются массивные катоды из искусственных углеродных материалов. Углеродные материалы, производимые промышленностью, являются доступным сырьем для изготовления катодов и достаточно дешевы. Актуальность задачи создания автоэмиссионного катода из массивных углеродных материалов диктуется необходимостью получения высокоресурсного катода для электровакуумных приборов. В настоящее время одним из таких приборов, широко применяемым в медицине и промышленной дефектоскопии, являются рентгеновские трубки. Но ресурс трубок с термокатодом определяется временем жизни самого слабого элемента, нити накала, играющей роль катода. Обычно время работы трубок с термокатодом составляет несколько сотен часов. Перегорание накального катода приводит к выходу из строя всей трубки. Разрушение нити происходит за счет испарения материала, воздействия ионов остаточных газов, образования хрупких окислов и других химических соединений. Графитовый же катод лишен этих недостатков. Углерод характеризуется высокой температурой плавления, устойчив к ионной бомбардировке, химически не активен, обладает низкой стоимостью. Также такой катод характеризуется безынерционностью и не требует источника питания для нагрева. Поэтому можно ожидать, что разработка автоэмиссионных катодов на базе промышленно производимых искусственных углеродных материалов,

6
конструкционных графитов, позволит создавать высокоресурсные
автоэмиссионные катоды для энергоэффективных электровакуумных приборов.
Цель и задачи исследований
Целью настоящей работы является исследование автоэмиссионных свойств массивных катодов из искусственных углеродных материалов и промышленных конструкционных графитов в условиях технического вакуума, а так же в условиях интенсивной бомбардировки ионами инертных газов. Проведенные исследования позволят оценить перспективу использования катодных узлов из углеродных материалов при создании рентгеновских трубок с высокостабильными характеристиками и с высоким ресурсом работы.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1. Создание экспериментальной установки, позволяющей измерять вольт- амперные характеристики катодов, а также исследовать работу эмиттеров в
течение длительного времени.
2. Разработка методики и проведение исследований эмиссионных свойств
катодов из углеродных материалов, в том числе изучение динамики вольтамперных характеристик и других рабочих параметров с течением времени.
3. Модернизация установки для визуализации эмиссионных процессов, проведение экспериментов по оценке эффективной площади эмиссии.
4. Изучение состояния рабочей поверхности катода, проведение исследований поверхностного слоя эмиттера методами рентгеновской фотоэлектронной и оже- спектроскопии.
5. Проверка возможности использования рассматриваемых катодов в электровакуумных приборах: создание и исследование рабочих параметров макета рентгеновской трубки с автоэмиссионным катодом из углеродного материала.
Научная новизна
 Исследованы автоэмиссионные свойства массивных автоэмиссионных катодов из конструкционных графитов, производимых промышленностью, в то

7
время как большая часть современных исследований посвящена изучению
автоэмиссии из углеродных нанотрубок и других наноструктур.
 Исследована работа катодов в условиях технического вакуума и при
повышенном давлении остаточных газов, а не в условиях сверхвысокого вакуума.  Исследованы автоэмиссионные свойства массивных катодов из углеродных материалов в условиях интенсивной ионной бомбардировки. Показано, что при напуске в вакуумный объем аргона углеродный автокатод способен работать в режиме самовосстановления. В этом случае наблюдаются периодические улучшения автоэмиссионных свойств: снижение рабочего напряжения и
повышение эмиссионного тока.
 На основе исследования рабочей поверхности эмиттера методом
рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии показано, что в процессе эксплуатации катода происходит изменение типа гибридизации связей атомов приповерхностного слоя. Так на поверхности графитового катода формируются алмазоподобные кластеры, изменяющие его автоэмиссионные свойства. Образование алмазоподобных включений приводит к необходимости более детального как экспериментального, так и теоретического исследования механизма автоэлектронной эмиссии из углеродных массивных катодов.
 Разработана конструкция рентгеновской трубки с массивным автоэмиссионным катодом из графита, и исследована работа прибора в условиях технического вакуума.
Практическая значимость
Практическая ценность работы определяется совокупностью полученных в диссертационной работе результатов:
 Разработана экспериментальная установка для исследования автоэмиссионных свойств различных материалов. Установка позволяет получать вольт-амперные характеристики катода, исследовать стабильность его работы в течение длительного времени, в том числе и в условиях повышенного давления остаточных газов. Использование анодного узла с люминесцентным экраном

8
позволяет визуализировать эмиссионный процесс, оценить эмитирующую
площадь массивного катода и однородность ее эмиссионных свойств.
 Полученные экспериментальные данные об автоэмиссионных свойствах промышленных конструкционных графитов могут служить основой для выбора
материала автоэмиссионного катода приборов физической электроники. Исследования эффективной площади эмиссии катода указывают на нераскрытый потенциал массивных катодов. Обработка поверхности катода с целью создания более равномерного рельефа позволит повысить эффективность
работы эмиттера.
 Разработана конструкция рентгеновской трубки с автоэмиссионным катодом
из искусственных углеродных материалов. Размер фокусного пятна полученного устройства составляет 1,8 мм. Трубка способна работать в условиях повышенного давления остаточных газов. Изделие может использоваться в стоматологии, в научных исследованиях, рентгенофлуоресцентном анализе, в качестве рентгеновского микроскопа для проверки целостности микросхем, плат и т.п.
Положения, выносимые на защиту
1. На основе результатов исследования автоэмиссионных характеристик промышленных графитов марок МГ, ГМЗ, МПГ-7, ГЭ и GS-1800 в условиях технического вакуума на уровне 2·10-4 Па показана возможность создания массивных катодов миллиамперного диапазона токов с характерной площадью 10 мм2, имеющих низкую напряженность поля, инициирующего эмиссионные процессы, и стабильную во времени автоэмиссионную вольт-амперную характеристику в стационарных режимах. При этом лучшими автоэмиссионными свойствами обладают катоды из малозольных и мелкозернистых графитов (марок МГ, ГМЗ, МПГ-7), для которых напряженность поля старта эмиссии в вакууме составляет 5-8 кВ/мм, а отклонение тока от среднего значения не превосходит 10%.
2. На основе результатов исследования влияния на автоэмиссионные свойства графитовых катодов атмосферы остаточных газов, моделируемой контролируемым напуском аргона в рабочую камеру до уровня 2·10-2 Па,

9
показано, что интенсивная ионная бомбардировка приводит к разрушению
эмиссионных центров на поверхности углеродных материалов, что характеризуется уменьшением коэффициента усиления электрического поля на катоде на 15-20%. В то же время под воздействием ионной бомбардировки эмиттеры способны реализовать режим самовосстановления: наблюдаются периодическое уменьшение рабочего напряжения и повышение тока эмиссии.
3. Анализ рабочей поверхности методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии углеродного автоэмиттера показывает, что в результате его эксплуатации на поверхности образуются структуры с иным типом гибридизации: на исходной графитовой поверхности формируются алмазоподобные включения.
Апробация работы
Основные результаты проведенной работы докладывались и обсуждались на конференциях молодых ученых ИЭФ УрО РАН (2009, 2010, 2011, 2013, 2015 г.), на следующих всероссийских и международных научных конференциях: Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-16, г. Волгоград, 2010 г.; ВНКСФ-18, г. Красноярск, 2012 г.), Всероссийской школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния (СПФКС-10, г. Екатеринбург, 2009 г., СПФКС-13, г. Екатеринбург, 2012 г.), конференции европейского сообщества исследователей материалов (EMRS Fall Meeting 2012, EMRS Fall Meeting 2013, г. Варшава, Польша), 25 Международной конференции по алмазным и углеродным материалам (International conference on diamond and carbon materials, г. Мадрид, Испания, 2014 г.), научной школе молодых ученых по вакуумной микро- и наноэлектронике (ЛЭТИ, г. Санкт-Петербург, 2017 г.).
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ No 10-08-00830-а «Исследование влияния рентгеновского излучения, электронных и ионных пучков на формирование углеродных наноструктур с высокой сорбционной емкостью водорода и высокими автоэмиссионными свойствами», Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «У.М.Н.И.К.».

10
Публикации
Результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах. Из них 6 тезисов в сборниках материалов конференций, 6 статей в рецензируемых изданиях, в том числе: 3 в российских [9–11] и 3 в зарубежных журналах [12-14].
Личный вклад автора
Постановка задачи и определение направлений исследования были проведены автором совместно с научным руководителем С.О. Чолахом и научными сотрудниками Института электрофизики УрО РАН С.Р. Корженевским и И.В. Уймановым.
Автор принимал участие в создании и модернизации экспериментальной установки, самостоятельно проводил эксперименты по исследованию автоэмиссионных свойств катодов из углеродных материалов. Конструкция макета рентгеновской трубки разработана автором и изготовлена по его чертежам. Также им произведена сборка трубки, монтаж в установку и проведение исследований ее параметров.
Автор внес определяющий вклад в обработку, анализ и интерпретацию полученных данных. Обобщение результатов диссертационного исследования, формулировка выводов и защищаемых положений принадлежат лично автору.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы. Общий объем диссертации составляет 133 страницы, содержит 104 рисунка, 2 таблицы, 18 формул. Список литературы включает 101 наименование.