Введение к работе
Актуальность работы. Диссертационная работа посвящена исследованию комплекса приповерхностных процессов в современных термоэмиссионных катодах на основе импрегнированной барием вольфрамовой матрицы. Стабильный поток электронов высокой плотности, испускаемый таким катодом, нашел применение в современной аппаратуре, где основным критерием являются высокая мощность и постоянство электронного пучка.
Источник эмиссии электронов - это присутствующий на разогретой до ~1000С поверхности катода электроположительный дипольный комплекс ВахОі_х с низкой работой выхода (~2 эВ). Постоянство состава комплекса определяет эмиссионные характеристики катода.
Работа катодов происходит в высоком вакууме. Тонкий слой комплекса Ва-О может быть легко удален с поверхности посредством термического испарения или же под воздействием прямого ионного потока, ионизированных атомов остаточных газов. Восстановление рабочих характеристик катода возможно при условии достаточно высокой скорости диффузии компонентов активного слоя через поры катодной матрицы.
Более чувствительным к ионной бомбардировке являются катоды, имеющие
на поверхности бариево - скандатный комплекс. Несмотря на их экстремально
высокие эмиссионные показатели (плотность тока
~400 А-см"2), широкое применение таких катодов затруднено, поскольку малейшее изменение состава поверхности влечет стремительное падение плотности эмиссии без возможности ее восстановления.
На данный момент известны результаты исследований в данной области, но сфокусированы они только на изучении влияния ионной бомбардировки на эмиссионные свойства катодов [1]. На основании этих исследований были сделаны косвенные выводы об изменении состава поверхности катода.
Отличительной особенностью настоящей работы является моделирование поверхностных процессов на простейших системах, с их подробным аналитическим описанием, а также совмещение двух типов анализа — количественного
4 определения состава поверхности и одновременного измерения эмиссионных характеристик в процессе ионной бомбардировки поверхности дисперсного катода.
Это позволило пересмотреть традиционное утверждение, что процессы истощения и пополнения поверхности катода барием определяют его поведение в процессе ионной бомбардировки. В реальности же, при достаточном количестве Ва в приповерхностном слое, скорость истощения и пополнения поверхности кислородом определяет концентрацию на ней дипольного комплекса Ва-0 в целом, а соответственно задает плотность электронной эмиссии.
Детальное изучение комплекса динамических процессов, происходящих на поверхности и в объеме катода; определение поверхностной и объемной (через поры матрицы) скорости диффузии активных компонентов; выявление их оптимальных концентраций; введение дополнительного, защитного слоя, препятствующего истощению дипольного комплекса на поверхности — всё это позволяет усовершенствовать термоэмисиионные дисперсные катоды.
Рассмотрению обозначенного спектра вопросов и посвящена настоящая работа. Следует отметить, что ранее вышеперечисленные задачи комплексно не исследовались.
Целью диссертационной работы является установление закономерностей динамических процессов, происходящих в объеме и на поверхности термоэмиссионного катода.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Получение атомарно-чистых поверхностей монокристаллов тугоплавких металлов особой чистоты, используемых для моделирования основных поверхностных процессов в реальных катодах.
-
Апробация метода рассеяния медленных ионов (РМИ) и выявление основных закономерностей взаимодействия ионов с поверхностью твердого тела.
-
Определение влияния работы выхода поверхности W, изменяемой посредством напыления слоя Ва, на характер рассеяния медленных ионов.
4. Анализ методом рассеяния медленных ионов термоэмиссионных
дисперсных катодов на основе трех различных систем, состоящих из матрицы W, импрегнированной Re, Іг и Os-Ru.
5. Изучение влияния процессов отравления и ионной бомбардировки на
эмиссионные характеристики термоэмиссионных дисперсных катодов.
Научная новизна:
-
Использование образцов тугоплавких металлов (W, Мо, Та, Nb) с чистотой ~99,999% с моно- и бикристаллическими поверхностями различной ориентации позволяет с большей достоверностью анализировать и моделировать поверхностные процессы в термоэмиссионных катодах.
-
При исследовании поверхности бикристаллов Мо и W впервые обнаружена чувствительность метода РМИ к кристаллографически различно ориентированным поверхностям зерен, проявляющаяся в различной интенсивности сигналов обратнорассеиваемых ионов гелия. Проведено тщательное исследование влияния кристаллографии поверхности монокристаллов Мо и W на сигнал. Для каждой кристаллографической поверхности монокристаллов Мо и W выявлены характерные спектры.
-
Впервые установлено влияние работы выхода поверхности монокристалла W, изменяемой нанесением адатомов О и Ва, на характер нейтрализации ионов инертных газов малых энергий. Выявлено, что основными процессами для всех поверхностей с разной работой выхода являются ударная и Оже нейтрализация, а для поверхностей, покрытых слоем Ва, доминирующим процессом является ударная нейтрализация.
-
При исследовании термоэмиссионных дисперсных катодов на основе матрицы W, импрегнированной Re, Іг и Os-Ru, было установлено, что низкая работа выхода обеспечивается присутствием на поверхности дипольного комплекса Ва-О. Впервые при помощи метода РМИ показано, что в рабочем режиме атом Ва оказывается всегда связанным с атомом О, в результате чего отношение концентраций этих элементов на поверхности практически равно единице.
-
Впервые обнаружено, что основную роль в процессе активного сопротивления катода разрушающему воздействию ионного облучения играет концентрация на поверхности кислорода, так как сегрегация, а значит и восстановление нарушенного слоя бария, возможны только при наличии несвязанных атомов кислорода.
-
Впервые установлена зависимость времени наработки термоэмиссионного катода от пористости его вольфрамовой губки. Определено значение оптимальной пористости, а также предложены технологические решения по ее оптимизации.
Практическая ценность
Полученные результаты позволили сформулировать рекомендации и определить пути оптимизации эмиссионных характеристик термоэмиссионных дисперсных катодов. Результаты работы также могут быть использованы для более точного анализа концентрации элементов на поверхности твердых тел методом рассеяния медленных ионов.
Научные положения, выносимые на защиту:
характер рассеяния ионов гелия малых энергий поверхностями тугоплавких металлов (W, Мо, Та, Nb) определяется их кристаллографической ориентировкой;
регистрация спектра рассеивания ионов малых энергий позволяет выявить особенности строения бикристаллических поверхностей тугоплавких металлов;
экспериментальное и теоретическое обоснование влияния работы выхода поверхности на эффективность нейтрализации ионов инертных газов малых энергий;
применение на практике аналитического метода характеристической скорости для анализа поверхностей с малой работой выхода позволяет определять динамику поверхностных и объемных процессов сорбции и диффузии элементов, ответственных за работу выхода электрона с поверхности катода;
- деградация параметров (отравление) бариевого катода связана с
недостаточной концентрацией О на его поверхности, а уменьшение деградации — с присутствием Ва-О дипольного комплекса.
конструктивно-технологические решения по увеличению минимальной наработки катодов и приборов СВЧ, повышение их эксплуатационной надежности.
Апробация результатов:
Результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
XV международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород, 2001);
бельгийско-голландском симпозиуме по вакуумным процессам NEVACDAG (Эйндховен/Голландия, 2001);
XVI международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород, 2003);
XI европейской конференции по применению анализа поверхности и границ раздела (Вена/Австрия, 2005);
55 национальной австрийской конференции по физике (Вена/Австрия, 2005);
XVII международной конференции по ионно-лучевому анализу (Севилья/Испания, 2005);
XVI международном семинаре по металлургии новых порошковых материалов PLANSEE 2005 (Ройте/Австрия, 2005);
XVII международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород, 2005);
IV международной конференции по фазовым превращениям и прочности кристаллов (Черноголовка, 2006);
XV международной конференции по высокочистым материалам функционального назначения (Суздаль, 2006).
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 6 научных работ.
8 Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Работа
изложена на 163 страницах, в 67 рисунках, 5 таблицах и содержит список
цитированной литературы из 172 наименования.