Создание матричных автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода для приборов вакуумной электроники на основе комплекса лазерных технологических процессов

• Автор: Попов, Иван Андреевич
• Шифр специальности: 05.27.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 141 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

1. Современное состояние проблемы создания автоэмиссионных

катодов для вакуумной электроники. Обзор и анализ

1.1 Технологические особенности создания автоэмиссионных источников электронов

1.2 Автоэмиссионные катоды на основе углеродных материалов и способы их получения

1.2.1 Углеродные нанотрубки

1.2.2 Алмазные и алмазоподобные пленки

1.2.3 Углеродные волокна

1.2.4 Стеклоуглерод

1.3 Свойства стеклоуглерода
Выводы
2 Обоснование целесообразности применения ультракоротких
импульсов лазерного излучения при формировании малогабаритных МАЭК из монолитного стеклоуглерода
2.1 Теоретические основы взаимодействия лазерного излучения с веществом
2.2 Исследование особенностей микрообработки хрупких материалов импульсным лазерным излучением нано и пикосекундной длительности
2.3 Оценка прочности заготовок из монолитного стеклоуглерода при
воздействии серии мощных импульсов лазерного излучения нано- и пикосекундной длительности
2.3.1 Математическая модель исследуемого процесса
2.3.2 Постановка задачи
2.3.3 Решение поставленной задачи
2.3.4 Исследование поведения пластины при воздействии серии импульсов лазерного излучения
2.3.5 Оценка прочности заготовок из монолитного стеклоуглерода при
воздействии импульсов лазерного излучения нано - и

пикосекундной длительности
Выводы
3 Изготовление МАЭК из стеклоуглерода. Оборудование и
методика лазерной обработки стеклоуглерода.
3.1 Анализ использования специализированного лазерного
оборудования для создания МАЭК из стеклоуглерода
3.1.1 Твердотельные лазеры с модулированной добротностью
3.1.2 Иттербиевый волоконный лазер с модуляцией добротности
3.1.3 Фемтосекундная лазерная система на основе многопроходового
усилителя «МРА-30»
3.1.4 Фемтосекундный УЪ:КУ^У лазер с диодной накачкой
3.1.5 Твердотельный лазер ИбгУАИ с импульсной ламповой накачкой
и модулированной добротностью - ЛТИ-214
3.1.6 Установка на базе волоконного лазера УЬР-О,5-100-20- 10-1Ю
3.1.7 Установка на базе твердотельного лазера ИсРУАО КТ8-246
3.2 Создание МАЭК с микроструктурированной поверхностью с
применением лазерных технологий
3.2.1 Скрайбирование заготовки
3.2.2 Фрезерование.
3.2.3 Лазерная очистка
3.2.4 Применение лазерного микроспектрального анализа при
разработке способа создания МАЭК из стеклоуглерода
3.2.5 Лазерное микроструктурирование поверхности
автоэмиссионного катода
3.3 Испытания автоэмиссионных катодов в диодном режиме
Выводы
Заключение
Список использованных источников
Приложения

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы
Около пятидесяти лет назад в США были начаты работы по созданию матричных автоэмиссионных катодов (МАЭК), в результате получивших наименование катодов Спиндта. В настоящие время появилось множество публикаций по разработке и конструкции различных типов МАЭК и катодносеточных узлов (КСУ), построенных на принципах конструкции Спиндта. Существенный вклад в развитие физики и технологии автоэмиссионных источников электронов внесли и российские ученые: Бондаренко Б.В,
Горфинкель Б.И., Григорьев Ю.А., Гуляев Ю.В., Рахимов А.Т., Синицын Н.И., Торгашов Г.В., Фурсей Г.Н, Шешин Е.П. и многие другие.
Преимущества МАЭК по сравнению с другими источниками свободных электронов (устойчивость к колебаниям температуры, малая чувствительность к радиации, безынерционность, высокая крутизна вольтамперных характеристик) определяют их область применения, которая охватывает почти все типы электровакуумных приборов от ЛБВ и клистронов до быстродействующих коммутационных приборов. Конструктивно автоэмиссионные структуры МАЭК выполняются на основе различных материалов, в том числе углеродных, среди которых выделяются катодные структуры из монолитного стеклоуглерода. Они отличаются повышенной механической прочностью, хорошей стабильностью тока автоэмиссии, способны выдержать интенсивную бомбардировку ионами остаточных газов и пондеромоторные нагрузки в несколько кг/см2. Кроме того, стеклоуглерод обладает пониженной адсорбцией остаточных газов по сравнению с другими катодными материалами. Это обусловливает перспективность его использования в конструкциях электронно-оптических систем электровакуумных приборов.
Наиболее распространенная в настоящее время технология изготовления МАЭК содержит протяженный технологический маршрут, включающий фотолитографию, термохимическое травление в среде водорода в присутствии металлического катализатора, ионно-плазменное заострение, электроискровую

1.3 Свойства стеклоуглерода
Стеклоуглерод марки СУ-2000 получают термической обработкой подготовленных термореактивных полимеров, формованных в различные изделия. Данный материал характеризуется изотропностью структуры и свойств, монолитностью, очень малой, преимущественно закрытой пористостью, что обусловливает его практически полную газонепроницаемость (газопроницаемость по гелию 10'7-Н0'12 см2/с). По сравнению с другими конструкционными углеродными материалами его прочность и твердость значительно выше, электросопротивление в несколько раз больше, а теплопроводность на 1-2 порядка меньше. Стеклоуглерод обладает большой термической стойкостью, выдерживает многократный быстрый нагрев и последующее быстрое охлаждение. Он не реагирует на многие химически агрессивные жидкости. Скорости взаимодействия стеклоуглерода с большинством металлов, не образующих карбиды, весьма низки. Расплавы металлов и их соединений, как правило, не смачивают стеклоуглерод. Содержание примесных элементов 10"3-Д О'5 %.
Стеклоуглерод относится к неупорядоченным неграфитированным углеродным материалам. Его структура имеет трехмерное изотропное образование атомов углерода, сгруппированных в алмазоподобные и графитоподобные фрагменты. При этом элементы структуры с тетраэдрическим типом связи соединены между собой связью с кислородом, содержание которого в стеклоуглероде составляет 5-6 %. Меринг и некоторые другие авторы [78] считают, что структура элементарного слоя в турбостратных пакетах существенно отличается от графитового слоя. Атомы углерода в сетках не имеют идеальных положений и значительно смещены относительно их плоскости. Возникновение турбостратной структуры сопровождается поглощением энергии и ростом энтропии, что говорит о росте внутренней энергии системы и уменьшения ее упорядочения.
Основные физические и механические свойства данного материала сведены в таблицы 1.1 и 1.2 [79].