Содержание к диссертации
Jfe стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭШССИЯ ИЗ МИКРОШЕРОХОВА-
ТОСТЕЙ НА ПОВЕРХНОСТИ АВТОКАТОДА .... 14
1.1. Уравнение автоэлектронной эмиссии в неод
нородном поле 14
1.2. Автоэлектронная эмиссия из отрицательно
заряженных сферических частиц 29
1.3. Автоэлектронная эмиссия из боковой поверх
ности цилиндра 35
1.4. Автоэлектронная эмиссия из полуэллипсои
дального выступа на плоскости 45
ГЛАВА 2. МЕХАНИЧЕСКАЯ И ТЕПЛОВАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РАБОТЫ
П-0ЕРАЗН0Г0 АВТОКАТОДА 58
2.1. Исследование механической прочности фольг
и металлических пленок бесконтактным спо
собом 58
2.2. Механическая устойчивость работы П-образ-
ного автокатода в диапазоне СВЧ .... 73
2.3. Тепловая устойчивость П-образного автока
тода в диапазоне СВЧ 82
ГЛАВА 3. СРАВНЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ К ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ АВТОКАТОДОВ .... 89 3.1. Влияние ионной бомбардировки на срок службы автокатодов (обзор литературы) .... 89 3.2. Описание созданного комплекта программ на фортране для БЭСМ-6 и ЕС ЭВМ для расчета распределения потенциала и траекторий за-
ряженных частиц 93
3.2. Расчеты распределения интенсивности ионной бомбардировки различных типов автокатодов
и ее влияние на срок службы 114
ГЛАВА 4. РАСЧЕТЫ НЕКОТОРЫХ КОНСТРУКЦИЙ С АВТОКАТОДАМИ 119
4.1. Расчет формфактора для диодов с автокато
дами разных типов . 119
4.2. Расчет параметров триода с пленочным авто
катодом 143
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 154
ЛИТЕРАТУРА 157
ПРИЛОЖЕНИЕ: Акт об использовании результатов работы 175
« 4 ~
Введение к работе
Для современных электровакуумных приборов важна возможность их работы в экстремальных условиях, например, при повышенных температурах, высоких уровнях радиации, с малым временем выхода на рабочий режим. Улучшение параметров современных электровакуумных приборов и разработка новых их типов в значительной степени связано с увеличением плотности тока, отбираемого с катода. Современные термокатоды фактически достигли своего совершенства и обеспечивают плотность тока в непрерывном режиме в лучшем случае десятки А/см . Ряд областей электроники, такие как электроника СВЧ больших мощностей, микроэлектроника, электроннолучевые приборы и другие, требуют больших значений плотностей тока. Возможностью обеспечить гораздо более высокие значения плотности тока характеризуются автоэмиссионные источники электронов.
Общеизвестны достоинства автоэлектронной эмиссии, такие как мгновенная готовность к работе, отсутствие накала, эконо-мичность, высокая плотность тока J Ю А/см , устойчивость к колебаниям температуры, нечувствительность к радиации (_1, 2 J . Тем не менее область применения автоэмиссионных источников электронов в электронной технике хоть и постоянно расширяется, остается довольно скромной, по сравнению, например, с оксидным катодом [з, 5 J. Основными причинами такого положения являются нестабильность тока эмиссии и недостаточный срок службы автокатодов в высоком техническом вакууме 10~-10 Тор, т.е. в вакууме серийных электровакуумных приборов. Работа автокатода в таких условиях сопровождается, во-первых, интенсивной ионной бомбардировкой, приводящей к изменению гео- метрии автокатода и, во-вторых, адсорбцией молекул остаточных газов, изменяющей работу выхода электронов автокатода. Ионная бомбардировка действует во время работы автокатода тем сильнее, чем хуже вакуум и чем больше плотность тока эмиссии. Поэтому многоигольчатые [б, 7J и лезвийные [8-12 J автокатоды, дающие одинаковый ток с классическим игольчатым катодом, работают в менее напряженных условиях, что приводит к большей стабильности и долговечности. Но и в этих случаях катодное распыление, вызванное ионной бомбардировкой, увеличивает радиус закругления эмиттирующей части автокатодов, что необратимо выводит автокатод из строя.
В недавно предложенных пленочных автокатодах [13-20J эмиттирующей частью является торец металлической пленки. Выбором материала можно значительно повысить устойчивость автокатода к катодному распылению. Известно [21] , что у металлов переходных групп образующийся на поверхности слой окисла обладает значительно меньшим коэффициентом катодного распыления чем сам чистый металл. Так, например, коэффициент катодного распыления окисла магния примерно на два порядка величины меньше, чем чистого металла. Важная особенность такого слоя состоит в том, что он находится в состоянии динамического равновесия: разрушаясь в процессе ионной бомбардировки, он снова восстанавливается кислородом из атмосферы остаточных газов.
Пленочный автокатод изготовляется напылением металла на подложку и последующим селективным электрохимическим травлением подложки под пленкой таким образом, что в результате металлическая пленка постоянной толщины возвышается над подложкой. П-образность сечения автокатода дала новое решение проблемы увеличения срока службы автокатодов,резкого ослабления вредного влияния катодного распыления на срок службы. Такие автокатоды обладают тем ценным качеством, что распыление материала эмит-тирующей вершины вызывает не увеличение радиуса закругления эмиттирующей вершины, а лишь незначительное увеличение межэлектродного расстояния. Таким качеством обладают автокатоды из металлических фольг толщиной несколько микрон. Такие автокатоды в .литературе иногда не совсем точно тоже называются пленочными, точнее и те и другие следовало бы назвать П-образными протяженными автокатодами. Свойством сохранять неизменным радиус закругления вершины обладают и П-образные осесимметричные, так называемые стержневые автокатоды, в отличие от игольчатых не имеющие заостренной вершины. В качестве стержневых автокатодов успешно используется углеродное волокно, нитевидные волокна металлоподобных соединений.
Исследованиям П-образных автокатодов посвящено значительное количество работ [19-33J .
Говоря о пленочных автокатодах, нельзя не упомянуть о полученных методом Планерной технологии микроскопических конусообразных автокатодах, способных работать при напряжениях около 100 вольт в сверхвысоком вакууме Ю""9 Тор [34-3б] .
Экспериментальные исследования П-образных автокатодов, как протяженных, так и стержневых, показали, что эмиссионные характеристики таких катодов весьма значительно, на несколько порядков величины тока, отличаются от предсказываемых моделью автоэлектронной эмиссии Фаулера-Нордгейма.
Накопленные в течение десятилетий многими исследователями результаты изучения автоэлектронной эмиссии позволяют заключить, что основная причина указанного различия состоит в микрошероховатости эмиттирующей поверхности. Для автокатодов из пле- нок и фольг металлов микрошероховатость поверхности есть следствие их поликристаллической структуры, и это их качество сохраняется в процессе катодного распыления вершины. В случае стержневого автокатода из углеродного волокна устойчивость структуры поверхности к катодному распы* ению объясняется существованием фибрилл-образований из слоев атомов углерода диа- метром 20-50 А и длиной 250-1000 А. Микрошероховатость поверхности таких автокатодов присуща им постоянно.
Другим, недостаточно исследованным фактором, обусловливающим расхождение теоретических и экспериментальных характеристик автокатодов, является экранирующее влияние подложки катода и других электродов, уменьшающих напряженность поля на эмиттере.
Следует отметить, что влияние разрушающего фактора ионной бомбардировки на срок службы автокатодов рассматривалось до сих пор лишь качественно. Это обстоятельство в значительной степени затрудняет прогнозирование срока службы реальных автокатодов.
И, наконец, до настоящего времени оставались открытыми вопросы тепловой и механической устойчивости работы автокатодов в режиме СШ, как наиболее важной области их практического использования.
Задачи и цели исследований.
Задачи настоящей работы были сформулированы следующим образом: - дальнейшее развитие теории автоэлектронной эмиссии с учетом неоднородности электрического поля вблизи эмиттирующих микровыступов и получение формул для количественных оценок плотности тока в зависимости от размеров и формы геометричес- ких неоднородностей эмиттера; экспериментальные исследования автокатодов из различных материалов с целью получения данных об их механической прочности - важнейшем эксплуатационном параметре автокатодов, аналогичном предельной рабочей температуре для термокатодов; теоретический анализ механических и тепловых процессов в автокатодах в режиме СВЧ, необходимый для получения оценок частотного диапазона устойчивости их работы; теоретические оценки и расчеты на ЭВМ распределения интенсивности ионной бомбардировки по всей катодной системе с целью получения количественных оценок срока службы автокатодов в реальных условиях их эксплуатации; проведение расчетов различных конструкций приборов с автокатодами с учетом экранирующего влияния соседних эмиттеров и подложки с целью выбора оптимальных конструкций и рекомендации их для практического использования.
Научная новизна. В работе получены впервые следующие результаты: получено уравнение автоэлектронной эмиссии из полусфероида на плоскости, выбранного в качестве модели эмиттирующе-го микровыступа, существенно отличающееся от уравнения Фауле-ра-Нордгейма, и исследована область применимости этого уравнения; на основании проведенных экспериментальных исследований эмиссионных и прочностных характеристик танталовой, циркониевой, гафниевой и медной фольг, а также ниобиевых пленок даны рекомендации по их практическому применению в качестве автокатодов; получены выражения для оценок частотного диапазона ра- -S: - боты, тепловой и механической устойчивости автокатодов в режиме СВЧ с учетом физических и конструктивных особенностей материала; - создан комплект программ на фортране для БЭСМ-6 и ЕС ЭВМ для нахождения потенциала в межэлектродном пространстве при наличии области резко неоднородного поля и расчета траекторий заряженных частиц. Программы использовались для определения значения формфактора в приборах с автокатодами различных типов с учетом экранирующего влияния соседних автоэмиттеров и подложки, а также для расчета распределения интенсивности ионной бомбардировки по поверхности П-образных автокатодов с целью определения влияния катодного распыления на срок их службы.
Практическая ценность.
Практическая ценность работы состоит в том, что она вносит определенную ясность в сложные вопросы автоэмиссионной электроники, в частности, в теорию автоэлектронной эмиссии микрошероховатой поверхности катодов, устойчивости последних против ионной бомбардировки, тепловой и механической устойчивости автокатодов в режиме СВЧ.
Необходимые формулы получены в виде, пригодном для практических инженерных расчетов с учетом конструкционных особенностей и технологических свойств материала автокатода и конструкции прибора в целом.
Получены также данные о предельной механической прочности материалов автоэмиссионной электроники, в частности: тантала, циркония, гафния, меди и ниобия на основе развитого в работе метода пондеромоторных нагрузок.
Разработанные программы расчета автокатодов, а также -ііо;-. диодных и триодных конструкций на их основе нашли применение на предприятиях МЭП.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинаре по безнакальным эмиттерам (Новосибирск, 1971); на Всесоюзных симпозиумах по ненакаливаемым катодам (Томск, 1977, 1980); на ХУІ Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Махачкала, 1976); на ХП, Ш, ХІУ научных конференциях МФТИ, опубликованы в 14 печатных работах.
