Исследование и разработка высокостабильного и долговечного автоэмиссионного катода с электронно-оптической яркостью свыше 1.108 А.см-2.ср-1 для электронно-зондовой аппаратуры и других ЭВП, работающих в условиях высокого технического вакуума

• Автор: Иванов, Олег Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 200 с. : ил.

Глава I. Источники электронов на основе явления

автоэлектронной эмиссии

1.1 Физические основы автоэлектронной эмиссии

1.1.1 Автоэлектронная эмиссия металлов

1.1.2 Факторы, влияющие на автоэлектронную эмиссию проводников

1.1.3 Основные преимущества автоэмиссионных катодов

1.2 Пути повышения стабильности и долговечности работы АЭК

1.2.1 Традиционные автоэмиссионные катоды из заостренной вольфрамовой проволоки

1.2.2 Автоэмиссионные катоды из металлоподобных соединений

1.2.3 Автоэмиссионные катоды на основе углеродных волокон

1.2.4 Автоэмиссионный катод в виде кромки отверстия круговой формы в катодном материале
1.3 Конструктивно-технологические принципы построения эффективного автоэмиссионного катода для электронно-зондовой аппаратуры
1.4 Выводы
Глава II, Оборудование для проведения экспериментов, методики
2.1 Основная цель экспериментов
2.2 Универсальная конструкция автоэмиссионного катодного узла и его сборка
2.2.1. Конструкция и детали автоэмиссионного катодного узла
2.2.2 Сборка катодного узла с одиночным углеродным волокном или одиночной нитью нитевидного кристалла
2.2.3 Сборка катодного узла с пучком углеродных волокон
2.3 Оборудование для проведения экспериментов и исследования эмиттирующей поверхности катодов и их эмиссионных свойств
2.4 Макеты люминесцентного источника света для испытаний автоэмиссионных катодов в виде пучков углеродных волокон
2.4.1 Исходный макет люминесцентного источника света с автокатодом из пучка углеродных волокон
2.4.2 Макет люминесцентного источника света с многолучевой электронно-оптической системой

2.4.3 Конструкции катодно-модулирующих узлов
2.5 Растровый электронный микроскоп «Cwikscan 50А»
2.6 Сканирующий Оже-микроанализатор типа Jeol JAMP
2.7 Установка лазерная «Квант-15»
2.8 Устройство для испытания КУ на долговечность
2.9 Выводы
Глава III. Заточка автоэмиссионных катодов из одиночного углеродного волокна и из пучков углеродных волокон. Методики, исследования, электронно-оптические расчеты
3.1. Методика процесса заточки одиночного УВ
3.2. Исследование процесса заточки одиночного углеродного волокна
3.3 Расчет электронной оптики автоэлектронных катодов из углеродных волокон с микроуглублением на вершине
3.4 Исследование процесса заточки автоэлектронных катодов из пучка углеродных волокон
3.5 Расчет электронной оптики автоэмиссионных источников с катодами
из пучков углеродных волокон и вытягивающим электродом
3.6 Выводы
Глава IV. Испытания автоэмиссионных катодов из одиночных углеродных волокон и их пучков
4.1. Испытания автокатодов из одиночных углеродных волокон на
экспериментальном оборудовании
4.1.1 Испытания автокатодов из одиночных углеродных волокон в диодном режиме
4.1.2 Испытания автокатодов из одиночного углеродного волокна в пушке
с вытягивающим электродом
4.2 Результаты испытаний катодных узлов в макете ЮМ
4.3 Результаты испытаний в электронном микроскопе «Cwikscan-50A» в ЦАГИ
4.4 Испытания автоэмиссионных катодов из пучков углеродных волокон
4.5 Выводы
Заключение
Литература
Приложение

Актуальность темы
Вопрос создания «точечного» высокоэффективного безнакального источника электронов с мгновенным откликом при подаче управляющего напряжения и малым энергетическим разбросом испускаемых электронов привлекал внимание ученых с момента открытия явления автоэлектронной эмиссии. В последние годы научный интерес к автоэмиссионным катодам (АЭК) усилился в связи с наметившейся перспективой их использования в аппаратуре для исследования поверхности, в рентгеновских трубках и других
электровакуумных приборах [1-3]. Однако, широкое применение катодов этого типа в серийном производстве возможно только при условии радикального повышения стабильности тока эмиссии АЭК, повышения их срока службы и снижения уровня требований к вакууму в прикатодной области, а для использования в электронно-зондовой аппаратуре - решения проблемы сведения расходящегося электронного потока, испускаемого традиционными АЭК, в электронный луч с малым углом раствора эмиссионного конуса, обладающий высокой электронно-оптической яркостью.
Конструктивно АЭК - это всегда микровыступ в виде острия, штырька или лезвия с малым радиусом кривизны, благодаря чему на вершине этого выступа происходит усиление электрического поля и достигается необходимая

для автоэлектронной эмиссии напряженность -10 Всм'. Разработано
множество методов получения таких микровыступов: механическая заточка, химическое и ионное травление, выращивание из паровой фазы, ионно-лучевая литография и др. Полученные такими способами катоды имеют, как правило, конический профиль с малым радиусом закругления вершины вплоть до сотен ангстрем [4]. На практике наибольшее применение нашел острийный катод из монокристаллической вольфрамовой проволоки, заточенный в виде конуса с радиусом вершины 0.1 мкм и менее, используемый в сканирующих электронных микроскопах “С¥1кзсап-50А”. Монотонное падение уровня эмиссии во времени

вакууме. Однако, идея создания такого источника противоречила имевшемуся опыту. Известно, что автоэлектронные катоды острийного типа испускают расходящийся поток электронов с углом раствора эмиссионного конуса 60°-90° и выше. По этой причине для технической реализации такого источника необходим был поиск конструктивного решения, обеспечивающего сжатие расходящегося электронного потока.
Практически в то же время, автором данной работы была разработана конструкция электронной пушки [25, 26] с термокатодом кольцевой формы 1 и фокусирующими электродами, один из которых представляет собой диафрагму 2, расположенную по периферии катода, а другой - штырь 3, расположенный в отверстии катода (рис. 1.18 - показана верхняя часть сечения электроннооптической системы относительно оси симметрии 7). На этом же рисунке показана схема расположения электронных траекторий 4 в такой пушке, полученная в результате электронно-оптических расчетов.

Рис. 1.18 Схема электронной пушки, полученная в результате траєкторного
анализа:
1 - термокатод; 2- фокусирующий электрод-диафрагма; 3 - фокусирующий электрод-штырь; 4 - электронный поток; 5 - аноды; 6 - коллектор В данной системе электроны стартуют с катода, имеющего вогнутую сферическую поверхность, под некоторым углом к оси прибора. Благодаря этому наклону и фокусирующему действию диафрагмы, штыря, а также стенок самого катода, осуществляется фокусировка электронного потока, и при входе