Исследование автоэмиссионных и радиационных свойств углеродных материалов и возможности их применения в катодах люминесцентных источников света

• Автор: Попов, Максим Олегович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 162 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

Глава I. Автоэлектронная эмиссия, ее использование и изучение

§ 1. Физические основы автоэлектронной эмиссии

§ 2. Процессы, сопровождающие автоэпектронную эмиссию

2.1 Деформации, обусловленные пондеромоторными сипами

2.2 Испарение полем и ионная бомбардировка

§ 3. Автоэмиссионные катоды; материалы и

области применения

3.1 Углерод. Общие сведения

3.2 Углеродные волокна
3.3 Высокоориентированный пиролитический графит
3.4 Высокопрочный графит
3.5 Типы автоэмиссионных катодов и их применение
§ 4. Методы исследования структуры и поверхности
эмиссионных материалов
4.1 Автоэлектронная микроскопия
4.2 Автоионная микроскопия
4.3 Растровая электронная микроскопия
4.4 Сканирующая зондовая микроскопия
4.5 Масс-спектрометрия
4.6 Рентгеновская дифрактометрия
§ 5. Катодолюминесцентные источники света
Выводы
Глава II. Методика, оборудование и задачи экспериментов
§ 1. Цели и задачи экспериментов
§ 2. Методика изготовления образцов
§ 3. Установки для проведения экспериментов и исследования состояния поверхности материалов катодов
3.1 Экспериментальная установка
3.1.1 Универсальная измерительная ячейка
3.1.2 Автоматизированная система управления экспериментом, сбора и обработки информации
3.1.3 Автоионный микроскоп
3.2 Сканирующий туннельный и атомно-силовой микроскопы
§ 4. Методика проведения экспериментов и исследования
состояния поверхности автоэмиссионных катодов
Выводы

Глава III. Результаты исследования автоэмиссионных свойств материалов
§ 1. Исследование состояния рабочей поверхности и эмиссионных
свойств исходных углеродных волокон
§ 2. Тренировка, как метод создания развитой поверхности
автоэлектронного эмиттера
§ 3. Исследование автоэмиссионных свойств углеродных волокон
в процессе работы в различных режимах
§ 4. Влияние макродефектов волокон на работу автоэмиссионных
катодов
§ 5. Исследование влияния геометрических параметров узла
«катод - анод» на параметры эмиссии
§ 6. Изменение рельефа рабочей поверхности волокон при
различных токовых нагрузках
§ 7. Анализ результатов исследования автоэмиссионных свойств высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ),
реакторного графита (МПГ) и углеродных волокон
Выводы
ГЛАВА IV. Углеродные автоэмиссионные катоды люминесцентных источников света
§ 1. Катодолюминесценция и возможности ее применения в
источниках света
§ 2. Катодолюминесцентные источники света с использованием
углеродных автоэмиссионных катодов
§ 3. Модельный элементарный КЛИС триодной конфигурации. Оптимизация токовых нагрузок и геометрических
параметров
Выводы
Заключение
Литература

Введение.
Актуальность темы:
Исследование автоэмиссионных свойств углеродных материалов представляет собой большой научный и практический интерес. Фундаментальное явление автоэлектронной эмиссии [1-3] лежит в основе работы многих типов эмиссионных катодов, которые, в свою очередь, применяются в различных устройствах (плоских дисплейных экранах, рентгеновских трубках, ускорителях, вакуумных электронных приборах и электронных микроскопах [4]). В последние годы использование катодов на основе явления автоэлектронной эмиссии нашло применение в активно разрабатываемых катодолюминесцентных источниках света (КПИС) [5-6].
Первое время основным материалом для автоэмиссионных катодов являлся вольфрам. Затем перечень материалов, используемых для них, значительно расширился: это металлы переходных групп, такие, как хром, ниобий, гафний, а также полупроводниковые материалы -кремний, германий. Однако, существенным недостатком указанных материалов является невозможность их долгой работы в условиях технического вакуума (10'5-10"7 Topp). Это объясняется увеличением радиусов вершин эмиссионных острий, определяющих автоэлектронную эмиссию с их рабочей поверхности, что, в свою очередь, приводит к снижению напряженности локального электрического поля и уменьшению автоэлектронного тока вплоть до его прекращения. Причина затупления острий - бомбардировка их вершины ионами остаточных газов. При этом образование ионов происходит по механизму электронного удара в пространстве «катод - анод». В последние годы большое внимание было уделено исследованию эмиссионных свойств углеродных материалов, которые, как выяснилось, в значительной степени свободны от этого недостатка.
Углеродные автоэмиссионные катоды являются основным конструктивным элементом разрабатываемых в настоящее время источников света. В силу специфических свойств углерода (анизотропия аморфно-кристаллической структуры в случае углеродных волокон и

из углеродных ядер коллоидных размеров, окруженных углеводородами с меньшей относительной молекулярной массой. Взаимодействие связующего и исходного порошка на всех стадиях производства графита сопровождается образованием химических связей между компонентами. Кроме того, связующее скрепляет частицы порошка и определяет структуру получаемого материала.
Прессование материала применяется для того, чтобы удалить пустоты, присутствующие в материале и увеличить поверхность контакта между отдельными частицами исходного материала.
При температурной обработке при 1300°С происходит формирование химических и физических связей между углеродом и связующим материалом, изменение геометрических размеров и плотности а также свойств материала. В частности, анизотропия высокопрочного графита не столь значительна как у углеродных волокон и высокоориентированного пиролитического графита, хотя и присутствует. Она связана с анизотропией исходного материала, возникающей в процессе перемешивания и прессования компонентов, а также неравномерностью прогрева материала при температурной обработке.
3.5. Типы автоэмиссионных катодов и их применение.
Токи, получаемые с холодных эмиссионных источников варьируются в широких пределах и плотность тока может достигать значений порядка 1,0-105А/м2 [7]. Конструкции катодов достаточно разнообразны и определяются условиями работы и целями их использования. Рассмотрим устройства, в которых могут применяться автоэмиссионные катоды и конкретные конструкции этих катодов.
По типам автоэмиссионные катоды подразделяются на острийные (игольчатые), многоострийные, лезвийные и пленочные. Острийные катоды получили наиболее широкое распространение.
Металлические катоды изготавливаются методом
электрохимического травления тонких проволок или небольших прутков в объеме электролита, в тлеющем разряде [28] или методами механической обработки. В последнем случае катоды имеют достаточно