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.
7 1 для автоэлектроннои эмиссии напряженность -10 В •см". 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?1к8сап-50А». Монотонное падение уровня эмиссии во времени у таких катодов связано с постепенным увеличением радиуса кривизны вершины катода, происходящим вследствие затупления конуса под действием ионной бомбардировки. Реально этот катод может устойчиво работать в вакууме не хуже 10″ 8Па. Но даже в аппаратуре уровня «Су1к5сап-50А» получение и поддержание столь высокого вакуума представляет собой сложную техническую задачу и мало оправдано в экономическом плане. В связи с необходимостью снизить степень влияния этого фактора были разработаны АЭК из нитевидных монокристаллов (НК) металлоподобных соединений малого диаметра (около 1 мкм), отличающиеся повышенной устойчивостью к ионной бомбардировке и имеющие П-образный профиль с полусферической конфигурацией вершины [5]. При работе такого катода происходит лишь его небольшое укорачивание (т.н. «обнижение»), не сопровождающееся уменьшением кривизны эмитирующей поверхности и, как следствие, падением локальной напряженности электрического поля и эмиссии с этой поверхности.
Катоды из индивидуальных НК являются более стабильными и долговечными, однако они также как и заостренные металлические формируют расходящийся электронный поток с углом раствора эмиссионного конуса более 90°, и кроме того, из-за чрезвычайной миниатюрности их монтаж абсолютно несовместим с промышленным производством, по крайней мере в настоящее время.
Проблема сведения автоэлектронного тока в эмиссионный конус с малым углом раствора может быть решена в катодном узле с АЭК в виде кромки отверстия круговой формы в пленке, фольге или пластине малой толщины из катодного материала. Система электродов обеспечивала поворот электронных траекторий в прикатодной области, стартующих по нормали к поверхности, примерно на 90° так, чтобы они асимптотически приближались к оси системы либо пересекались с ней под небольшими углами, образуя кроссовер с малым размером поперечника вплоть до единиц микронов, за счет чего достигается необходимое повышение электронно-оптической яркости источника. Помимо этого поворот траекторий в прикатодной области формирует своего рода ионную ловушку, защищая эмитирующую поверхность от прямой ионной бомбардировки [6]. Однако, эта конструкция крайне чувствительна к точности взаимной установки электродов и правильности круговой формы катода, отверстия в вытягивающем электроде и точности установки центрального электрода по оси системы. Цель работы.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка высокостабильного и долговечного автоэлектронного эмиттера, осуществляющего сведение испускаемого катодом электронного потока в малый телесный угол по оси системы за счет формирования самовоспроизводящейся конфигурации эмитирующей поверхности, работающего в условиях высокого технического вакуума.
В соответствии с поставленной целью основными направлениями работы являлись:
• исследование и разработка конфигурации эмитирующей поверхности автоэмиссионного катода, самовоспроизводящейся в процессе его работы и осуществляющей сведение электронного потока в эмиссионный конус с малым углом раствора;
• исследование и разработка метода заточки окончания углеродного волокна в электрическом разряде с целью придания ему необходимой формы;
• разработка универсальных вариантов конструкции катодных узлов (КУ) (с охранным кольцом и вытягивающим электродом) для проведения испытаний разрабатываемых АЭК как в лабораторных установках, так и в промышленной электронно-зондовой аппаратуре;
• разработка цельнометаллической сверхвысоковакуумной аппаратуры для проведения исследований эмиссионных свойств КУ: угла раствора эмиссионного конуса, картины эмитирующей поверхности, ее яркости и однородности свечения;
• проведение комплексных исследований эмиссионных свойств разработанных катодов на лабораторном оборудовании и в промышленной электронно-зондовой аппаратуре.
Методы исследований.
При решении поставленных задач применялись следующие основные методы исследований:
• анализ и обобщение литературных данных в области теории автоэлектронной эмиссии и практического опыта, направленного на повышение электронно-оптической яркости, стабильности и долговечности автоэмиссионных источников;
• электронно-оптические расчеты проводились по методу решения уравнений Максвелла — Лоренца с граничными условиями 1 и 2 рода, без пространственного заряда, где поле замкнутой области находится с помощью суперпозиции полей кольцевых зарядов;
• лазерная обработка углеродных материалов на установке «Квант-15»;
• заточка углеродных волокон в электрическом разряде;
• эмиссионо-микроскопический метод исследования картины эмиссии и угла раствора эмиссионного конуса, яркости и однородности свечения многоэлементных катодных узлов;
• получение изображения эмитирующей поверхности АЭК в сканирующем электронном микроскопе;
• исследования эмиссионных свойств автокатода в составе лабораторной аппаратуры и промышленных сканирующих электронных микроскопов.
Научная новизна работы.
• Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, позволивший создать конструкцию и технологию изготовления автоэмиссионного катода, отличающегося повышенной стабильностью и долговечностью работы, воспроизводимостью геометрии и эмиссионных свойств от одного экземпляра к другому и формирующего сходящийся электронный луч.
• Выполнены электронно-оптические расчеты, проведены исследования воздействия электрического разряда на окончание углеродного волокна (УВ) диаметром 7 мкм, и найден способ формирования на вершине катода из УВ микроуглубления радиусом менее 1 мкм, ограничивающего при работе катода угол раствора эмиссионного конуса и осуществляющего разделение электронных и ионных траекторий, защищающее эмитирующую поверхность от прямой ионной бомбардировки.
• Выполнены электронно-оптические расчеты, позволяющие определить оптимальную конфигурацию микроуглубления на вершине катода из УВ, обеспечивающую достижение максимальной электронно-оптической яркости.
• Выполнены расчеты величины электронно-оптической яркости с использованием экспериментальных данных, полученных при испытании катодов с микроуглублением на вершине в лабораторной и промышленной аппаратуре. Подтверждено сведение автоэмиссионного тока в электронный луч с малым углом раствора и, как следствие, достижение на практике электронно-оптической яркости 1 -г 2-Ю8 А-см" 2-ср" .
Практическая значимость.
• Создан автоэмиссионный катод из одиночного УВ, обладающий повышенной электронно-оптической яркостью, однородностью и стабильностью эмиссии, долговечностьюна базе этого катода разработаны два варианта универсальных КУ с охранным кольцом и вытягивающим электродом для электронно-зондовой аппаратуры и других применений.
• Разработанный АЭК использовался для получения низкоэнергетического зонда в макете РЭМ (Выборгский приборостроительный завод) — полученный на нем уровень разрешения микроскопа соответствовал теоретическим возможностям прибора.
• Разработанный АЭК внедрен и используется более 5 лет в РЭМ «Су]к8сап-50А» американского производства вместо фирменного вольфрамового. Достигнуто повышение яркости и контрастности изображения, а также снята зависимость от снятых с производства импортных катодов.
• Разработанный метод заточки УВ в электрическом коронном разряде внедрен в технологию изготовления КУ из пучков УВ для люминесцентных источников света, благодаря чему достигнуты лучшие характеристики по стабильности токоотбора, яркости и равномерности свечения пятна и по воспроизводимости уровня токоотбора от одного экземпляра к другому, а также создана методика запуска работы множества КУ от одного вытягивающего напряжения.
Достоверность полученных данных.
• Хорошая согласованность результатов расчетов электронно-оптической яркости, полученных теоретическим путем и на основании экспериментальных данных при работе катодов в лабораторной и промышленной аппаратуре.
• Положительные результаты работы катодов и катодных узлов в испытательном оборудовании и в промышленном сканирующем электронном микроскопе.
• Согласованность полученных экспериментальных данных с основными положениями теории Фаулера-Нордгейма, а также с экспериментальными данными других авторов, изучающих вопросы автоэлектронной эмиссии углеродных материалов и металлоподобных соединений, и разрабатывающих автоэлектронные катоды.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Воздействие электрического коронного разряда по разработанной методике на окончание углеродного волокна придает ему самовоспроизводящуюся пулевидную форму с микроуглублением на вершине по оси волокна.
2. Кромки и стенки микроуглубления на вершине заточенного волокна осуществляют фокусировку испускаемого катодом электронного потока и сведение его в малый телесный угол по оси системы, при этом определенная численными методами оптимальная величина диаметра микроуглубления Д составляющая 0.2 мкм, позволяет достичь значение электронно-оптической яркости, равное 1.3−109 А-см" 2-ср'.
3. Разворот электронных траекторий в прикатодной области почти на 90° за счет фокусирующего действия кромок и стенок микроуглубления, помимо сведения электронного потока в малый телесный угол, благодаря разделению траекторий электронов и ионов, защищает эмитирующую поверхность от ионной бомбардировки, чем объясняется высокая стабильность токоотбора до величины ±0.5% в течение часа работы при номинальном значении тока 10−20 мкА, высокая долговечность до 1000 часов и выше и полная воспроизводимость эмиссионных свойств от одного экземпляра катода к другому.
4. Величины электронно-оптической яркости, рассчитанные по результатам работы АЭК в низкоэнергетическом сканирующем микроскопе (по величине аберраций объективной линзы РЭМ в однолинзовом режиме и по следу на диафрагме), а также в лабораторной аппаратуре по размеру электронного пятна на люминесцентном экране имеют хорошо совпадающие значения: 1-Ю8- 2-Ю8 и 5-Ю8 А-см^-ср" 1 соответственно и подтверждают фокусирующее действие углубления на вершине.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях 1 у.е.С-2003 (Юж. Корея, Сеул) — 1 у.е.8С-2004 (Китай, Пекин) — X, XI науч.-тех. конф. «Вакуумная наука и техника» (Крым, Судак, 2003,2004).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 4 статьи, патент, 6 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации
.
Диссертация состоит из введения, 4-х глав с выводами, заключения и списка цитированной литературы. Работа содержит 200 страниц печатного текста, 75 рисунков и 9 таблиц.
4.5 Выводы.
1. Выполнены исследования разработанного КУ из одиночного УВ на лабораторном оборудовании, подтвердившие его высокую стабильность с максимальным отклонением тока автоэмиссии 0.5% в час от среднего значения 10 мкА в течение не менее 1000 часов непрерывной работы, а также сведение электронного потока в эмиссионный конус с углом расходимости не более 8°.
2. При испытаниях разработанного КУ в низкоэнергетическом сканирующем электронном микроскопе была достигнутая разрешающая способность до 70 А и до 500 А на ускоряющих напряжениях 500 В и 100 В соответственно, что соответствовало теоретическим возможностям РЭМ.
3. По результатам испытаний разработанных автокатодов в лабораторном испытательном оборудовании и в низкоэнергетическом сканирующем электронном микроскопе выполнены расчеты электронно-оптической яркости источника. Полученные результаты (5-Ю8, МО8, 2-Ю8 А-см'^ср" 1) дают близкие значения и подтверждают фокусирующее действие микроуглубления на вершине, что позволяет значительно упростить систему фокусирующих электронных линз колонны для формирования электронного зонда.
4. Полученные решения позволяют использовать разработанные КУ на основе индивидуальных УВ в электронно-зондовой аппаратуре («Су1к5сап-50А») и добиться увеличения стабильности, однородности эмиссии, повышения долговечности катода по сравнению с существующим уровнем и увеличения электронно-оптической яркости.
5. Выполнены испытания КУ из пучков УВ на лабораторном оборудовании и в макетах ЛИС, в которых за счет придания окончанию пучка формы раной напряженности поля при помощи заточки в электрическом коронном разряде достигнуты удовлетворительные характеристики по стабильности токоотбора (не более 20% от среднего значения за 2 часа), по яркости и равномерности свечения пятна, а также по воспроизводимости эмиссионных характеристик от одного экземпляра катода к другому.
6. Разработанные КУ на основе пучков УВ открывают перспективу их применения в многоэлементных системах люминесцентных источников света и других электровакуумных приборах с токами катода сотни и тысячи мкА, в которых время готовности или отклика на управляющий сигнал существенно ниже, чем у термокатодов и отсутствуют затраты энергии на разогрев катода.
Заключение
.
В результате выполнения диссертационной работы решена актуальная научно-техническая задача создания научных основ формирования эмитирующей поверхности автоэмиссионного катода из углеродного волокна с использованием заточки в электрическом разряде, обеспечивающей повышение электронно-оптической яркости, стабильности и долговечности работы катода в условиях высокого технического вакуума.
При выполнении диссертационной работы получены следующие научные и технические результаты:
1. Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований основных автоэмиссионных катодов из заостренных тугоплавких металлов, нитевидных монокристаллов металлоподобных соединений и углеродных волокон, кромок отверстий круговой формы в фольгах из катодных материалов и предложен оригинальный конструктивно-технологический принцип построения разрабатываемого катода.
2. Исследован процесс воздействия электрического коронного разряда на окончание УВ и формирования на данной автоэмиссионной поверхности микроуглубления радиусом менее 1 мкм, осуществляющего сведение испускаемого катодом электронного потока в малый телесный угол по оси системы, впервые поставлены и решены задачи аналитического и численного моделирования влияния конфигурации микроуглубления, локализованного на вершине УВ, на токоотбор и угол раствора эмиссионного конуса и найдены условия достижения максимальной электронно-оптической яркости.
3. В результате проведенных расчетов и исследований на лабораторном оборудовании создан автоэмиссионный катод из одиночного УВ, обладающий полным углом эмиссии менее 8°, электронно-оптической яркостью свыше 1.0−108 А-см" 2-ср" долговечностью свыше 1000 час, стабильностью тока эмиссии ± 0.5 мкА за час работы при токоотборе на уровне 10−20 мкА в непрерывном режиме.
4. На основе накопленного научного опыта по физико-механическим свойствам используемых материалов созданы оригинальные методики пайки углеродных волокон и нитевидных монокристаллов в прорези дужки-держателя из проволоки ВР-20 с использованием разработанного состава активного припоя, методики лазерной резки углеродных материалов, методик прецизионной сборки и юстировки катодных узлов.
5. Созданы две универсальные конструкции катодных узлов (с охранным кольцом и вытягивающим электродом) для проведения всесторонних эмиссионных испытаний разрабатываемых автоэмиссионных катодов как в лабораторном оборудовании, так и в промышленной электронно-зондовой аппаратуре. Разработана сверхвысоковакуумная аппаратура, укомплектованная многопозиционным устройством для испытания в диодном режиме семи катодов за одну загрузкувводами движения и люминесцентным экраном для наблюдения картины эмиссии в процессе проведения экспериментаиллюминатором и необходимой оснасткой для исследования яркости и однородности свечения эмиссионной картины.
6. При испытаниях разработанного КУ с автокатодом из одиночного УВ в низкоэнергетическом сканирующем электронном микроскопе была о о достигнутая разрешающая способность до 70 А и до 500 А на ускоряющих напряжениях 500 В и 100 В соответственно, что соответствовало теоретическим возможностям ЮМ, а также подтверждена повышенная устойчивость катодов к ионной бомбардировке и отравлению остаточными газами, высокая наработка свыше 1000 час, точная установка катода в пазу держателя с малым эксцентриситетом, исключающая возможность его смещения относительно оптической оси прибора в процессе эксплуатации и отсутствие на поверхности катода паразитных центров эмиссии, что позволяет значительно упростить систему фокусирующих электронных линз колонны для формирования электронного зонда.
7. По результатам испытаний разработанных автокатодов в лабораторном испытательном оборудовании и в низко энергетическом сканирующем электронном микроскопе выполнены расчеты электронно-оптической яркости источника. Полученные результаты дают близкие значения (5−108,.
8 8 2 1 1−10 и 2−10 А-см" -ср") и подтверждают фокусирующее действие микроуглубления на вершине.
8. Полученные решения позволяют использовать разработанные КУ на основе индивидуальных УВ в электронно-зондовой аппаратуре («Cwikscan-50A») и добиться увеличения стабильности, однородности эмиссии, повышения долговечности катода по сравнению с существующим уровнем и увеличения электронно-оптической яркости. Разработанные КУ на основе пучков УВ дают возможность с успехом применять их в многоэлементных системах люминесцентных источников света, а также в рентгеновских трубках и других электровакуумных приборах с токами катода сотни и тысячи мкА, в которых время готовности или отклика на управляющий сигнал существенно ниже, чем у термокатодов и отсутствуют затраты энергии на разогрев катода.
9. Разработанный метод заточки УВ в электрическом коронном разряде исследован и внедрен в технологию обработки вершин пучков УВ с целью придания им конфигурации поверхности равной напряженности поля, благодаря чему достигнуты лучшие по сравнению с незаточенными пучками характеристики по стабильности токоотбора, яркости и равномерности свечения пятна и по воспроизводимости уровня токоотбора от одного экземпляра к другому, а также создана методика запуска работы множества КУ от одного вытягивающего напряжения.
