книги из ГПНТБ / Ненакаливаемые катоды

зано, что электронная эмиссия также идет из отдельных

центров [20].

Для сопоставления центров электронной эмиссии и

личеством центров, недостаточное разрешение системы не позволяет провести детального сопоставления центров электронной эмиссии и свечения, однако в этом случае достоверно можно говорить о совпадении эмиттирующей и светящейся областей пленки. При уменьшении напря­ женности электрического поля в пленке, уменьшается количество центров свечения и электронной эмиссии, что дает возможность отчетливо их сопоставить (рис. 1.8,6). Проведенные исследования показали, что большинству центров свечения соответствуют центры электронной эмиссии. Это приводит к заключению, что с точностью доступной оптической микроскопии, центры электронной и световой эмиссии совпадают. Совмещение в одном цен­ тре таких двух фундаментальных свойств представляет большой интерес.

Получение энергетического спектра эмиттированных

20

электронов в чистом виде невозможно из-за неэквипотенциальности пленки, но все же из кривых задержки тока электронной эмиссии некоторое грубое представление об этом можно получить. Типичный вид кривой задержки, полученной в системе плоского конденсатора, показан на рис. 1.9,а из которого видно, что она характеризуется двумя участками насыщения. Такая характеристика мо­ жет быть получена в том случае, если эмиссия идет из

двух групп центров эмиссии, расположенных в различи ных участках на пленке, отличающихся по величине потенциала. Действительно, в данном случае центры эмис­ сии были расположены преимущественно у двух контак­ тов, что естественным образом объясняет такой вид кривой задержки.

В тех случаях, когда эмиссионные центры располо­ жены по всей поверхности пленки, кривая задержки имеет обычный вид, причем «ширина» кривой задержки по оси напряжений близка к напряжению, приложенно­ му к пленке.

21

При малых напряжениях, когда эмиссия идет из не­ большого количества центров, расположенных преиму­ щественно .у одного из контактов, кривая задержки также имеет обычный вид, но «ширина» кривой задерж­ ки гораздо меньше величины напряжения, приложенного к пленке.

Полученные результаты указывают на необходимость исследования кривой задержки для отдельного эмисси­ онного центра. Для этой цели использовался прибор ти­ па сферического конденсатора (рис. 1.10). Он представ­ лял собой стеклянный баллон диаметром 150 мм, с на­ несенным на внутреннюю поверхность прозрачным про­ водящим слоем, на который наносился слой люмино­ фора. В сфере имелось отверстие диаметром 1,5 мм для ввода электронного пучка в анализатор.

Исследуемая пленка наносилась на подложку, изго­ товленную в виде шарика диаметром около 2 мм, рас­ положенного на конце тонкой стеклянной палочки. По­ следняя закреплялась на сильфоне так, чтобы исследуе­ мая пленка размещалась примерно в центре баллона, а затем небольшой корректировкой эмиттера электрон­ ный пучок из отдельного центра выводился в анализа­ тор.

Типичный вид кривых задержки при различных на­ пряжениях на пленке представлен на рис. 1.9,6. Раз­ ность напряжений, при которых ток меняется от нуля до насыщения, определяется падением напряжения на центре, распределением эмиттированных электронов по энергиям, а также разрешением системы. Результаты эксперимента [20] не указывают на существенную зави­ симость A<U от напряжения на пленке. Поскольку в та­ кой системе трудно добиться хорошего разрешения, то из рис. 1.9,6 можно лишь заключить, что сумма падения напряжения на центре и распределения электронов по энергиям Us^i3 В, т. е. значительно меньше приложен­ ного к пленке напряжения.

Ток электронной эмиссии появляется при некотором пороговом напряжении U,т, которое складывается из разности работ выхода эмиттера и коллектора и паде­ ния напряжения на пленке до центра эмиссии. Оказа­ лось, что наблюдается линейная зависимость порогового напряжения от напряжения на пленке. Это является

22

Использование электронной эмиссии из диспергиро­ ванных плевок для получения катодов в первую очередь определяется стабильностью эмиссии. Эксперимент по­ казывает, что сразу после приготовления диспергирован­ ной пленки со сниженной с помощью адпленки окиси бария работой выхода происходит начальный быстрый спад тока эмиссии во времени, который затем перехо­ дит к относительно стабильному уровню (рис. 1.11).

исследованы в интервале времени, охватывающем как области быстрого, так и медленного изменения / и /э [23]. Оказалось, что в области быстрого спада /э эконо­ мичность растет. Время относительной стабилизации экономичности катода примерно совпадает со временем стабилизации токов эмиссии и проводимости.

Основываясь на приведенных материалах, авторы работы [23] пришли к заключению, что основной причи­ ной падения во времени (при £/ = const) тока эмиссии катодов, изготовленных по обычному способу, является падение мощности, подводимой к пленке вследствие роста ее сопротивления.

Изменение работы выхода в процессе спада тока эмиссии исследовалось по кривым задержки тока элек­ тронной эмиссии из отдельного центра [22]. По зависи­ мости порогового напряжения U„ от времени можно судить об изменениях падения напряжения на пленке

23

Дб центра эмиссии и работы выхода электронов из цен­ тра эмиссии ф, так как £/п= ф а—ф + ЛН, где <ра — работа выхода электронов из анода, которая принималась по­ стоянной. Поскольку изменение AU обусловлено, глав­ ным образом, изменением структуры пленки, его влияние можно исключить, если структуру пленки стабилизиро­ вать длительным пропусканием тока через пленку. На такую застабилизированную пленку напылялся слой ВаО и при том же напряжении на пленке наблюдалось изменение эмиссионного тока и сдвига во времени кри­ вых задержки у одного эмиттирующего центра.

Поскольку оказалось, что при больших токах через пленку основное изменение Ua происходит в течение первых нескольких минут, а время записи кривой за­ держки с требуемой точностью занимало тоже около минуты, пришлось разработать специальную методику измерения. Она заключалась в том, что ток, при котором происходило быстрое изменение Un, периодически вклю­ чался на короткое время, а затем каждый раз измеря­ лось Uп при малом токе через пленку, так что за время измерения величина Ua практически не менялась.

На рис. 1.12 показано изменение порогового напря­ жения кривой задержки тока электронной эмиссии Un и изменение тока электронной эмиссии из отдельного центра /э со временем. На основании приведенных ре­ зультатов делается заключение, что изменение порогово­ го напряжения обусловлено изменением работы выхода электронов из отдельного центра.

24

Для оценки справедливости этого вывода можно вос­ пользоваться следующими соображениями. Если считать, что электронная температура в центре эмиссии слабо меняется при изменении работы выхода, поскольку вво­ димая в пленку мощность мало менялась, то согласно (1.9) зависимость In /э от изменения работы выхода должна описываться прямой с углом наклона, опреде­ ляемым электронной температурой 0е. Оказалось, что зависимость тока электронной эмиссии от изменения ра­ боты выхода в этих координатах действительно хорошо описывается прямой линией, а значение электронной температуры согласуется с определенным другими ме­ тодами значением электронной температуры, и близко к ожидаемому на основании теоретических расчетов.

Таким образом, после того как через диспергирован­ ную пленку золота, активированную окисью бария, на­ чинает идти ток, происходит быстрое, в течение не­ скольких минут, изменение работы выхода электронов из отдельных центров на несколько десятых электронвольт. Относительно механизма процессов, приводящих к изменению работы выхода, можно высказать сообра­ жения о том, что изменение ер может быть связано с ми­ грацией ВаО по поверхности островка, растворением ВаО в золоте, отравлением ВаО газами, выделяющими­ ся из подложки при ее нагревании.

Из сказанного выше следует, что перестройка струк­ туры пленки и рост работы выхода электронов приводят к росту ее сопротивления и уменьшению тока электрон­ ной эмиссии, однако эти процессы не создают принципи­ альных трудностей при создании ненакаливаемых като­ дов.

Параметры и свойства катодов на основе дисперги­ рованной пленки золота, активированной окисью бария.

Для создания ненакаливаемого катода использовались диспергированные пленки, полученные термическим осаждением золота на диэлектрические подложки, нахо­ дящиеся при комнатной температуре. Подложкой в боль­ шинстве случаев служило полированное или оплавлен­ ное стекло, хотя аналогичные исследования проводились с другими подложками (из кварца, слюды, сапфира) и принципиального отличия не было замечено. На под­ ложку предварительно напылялись золотые электроды

25

пленке. Эффективность катода (отношение тока эмиссии

эмиссионного тока катода может быть оценена, если при­ нять видимый размер площадки, занятой центрами све­ чения, за истинный. Для при­

эмиссии относительно напряжения между электродами катода с точностью 0,1 ... 0,2 мкс не была замечена.

Шумовые свойства катода исследовались в высоко­ частотной области спектра на частоте 5,5 МГц в режиме насыщения при сравнении с шумами диода с вольфра­ мовым термокатодом. При этом предполагалось, что шу­ мы тока эмиссии в режиме насыщения зависят от по­ стоянной составляющей тока эмиссии по закону Шоттки. Шумовые токи проводимости пленки и эмиссии неста­ бильны во времени даже после длительной стабилиза­ ции катода. Их усредненные по многократным измере­ ниям типичные зависимости от постоянных составляю­ щих токов приведены на рис. 1.15.

Для шумового тока проводимости эта зависимость в исследуемом диапазоне изменения постоянной состав­ ляющей, который соответствует участку нелинейной за­ висимости тока проводимости пленки от напряжения па

27

электродах, близка к Линейной, с не очень явно выра­ женной тенденцией к насыщению. При равных постоян­ ных составляющих шумовой ток проводимости пленки оказался в 20 ... 50 раз (для различных катодов) выше шумового тока эмиссии шумового диода. Зависимость шумового тока эмиссии от постоянной составляющей (рис. 1.15) существенно отличается от аналогичной за­ висимости дробового эффекта. В исследованном диа­ пазоне изменения тока эмиссии шумовой ток в 5 . . . 15 раз превышал шумовой ток шумового диода.

Рис. 1.15. Зависимость величины шумовых токов эмиссии / шэ и про­ водимости / ш от величины постоянной составляющей токов эмис­ сии / э и проводимости / соответственно на частоте 5,5 МГц (при по­ лосе пропускания ±6,5 МГц).

Стойкость катода к отравлению газами исследовалась в диапазоне давлений 10~7 ... 10~4 мм рт. ст. Атмосфера прибора содержала в основном аргон и метан. При дав­ лении. 10~7 мм рт. ст. катод обеспечивает стабильность тока эмиссии в указанных выше пределах. Дальнейшее снижение давления газов в приборе до 10“9 мм рт. ст. не приводило к повышению стабильности параметров катода. Повышение давления в приборе осуществлялось за счет дозированного поступления через натекатель воздуха при непрерывной откачке прибора паромасля­ ным насосом. Атмосфера прибора содержала при этом в основном пары воды, кислород, углеводороды и водород (в порядке убывания парциальных давлений). До давле­ ний около 10-5 мм рт. ст. токи эмиссии и проводимости менялись мало в пределах выбранного времени испыта­ ния в десятки минут. При давлениях 10~5 мм рт. ст. и выше наблюдается заметное снижение тока эмиссии и

28

проводимости. Скорость снижения быстро растет с уве­ личением давления. Предельное давление и скорость спа­ да параметров катода зависят от особенностей изготов­ ления катода.

1.3. Ненакаливаемые катоды на основе пленок двуокиси олова

Двуокись олова Sn02 как широкозонный, химически устойчивый полупроводник с удельным сопротивлением, регулируемым в широких пределах, легко получаемый в виде пленок, является интересным объектом для иссле­ дования «холодной» эмиссии. По данным [24], получен­ ным для естественных кристаллов Sn02, оптическая ши­ рина запрещенной зоны <§*= 3,54 зВ. Кристаллы обычно являются электронными полупроводниками с уровнями залегания доноров <§д= 0,12 и 0,31 эВ и их концентра­ цией, доходящей до величины порядка 1021 см~3. Кон­ центрация электронов проводимости при комнатной тем­ пературе п=1014 ... 1018 см-3, а подвижность р=10 ...

... 315 см2/ В - с, что соответствует проводимости 10~4. ..

... 60 Ом-1 • см-1. Sn02 является кристаллом с ионными связями. Ее работа выхода существенно зависит от спо­ соба получения образца и может изменяться от 3,5 до 4,5 эВ. Вторично-эмиссионные свойства исследованы в работах [25, 26] на пленках, осажденных на диэлектри­ ческую подложку. Максимальный коэффициент вторич­ ной эмиссии составляет сгмакс = 2,7 при энергии первич­ ных электронов 300 эВ.

В работе [27] впервые исследовалась эмиссия горячих электронов и автоэлектронная эмиссия (АЭЭ) из тонких пленок Sn02, подвергнутых специальной обработке. По­ лучены высокие плотности эмиссионного тока (более 10 А/см2) и высокая эффективность эмиссии у (отноше­ ние тока эмиссии к сквозному току). Для разных образ­ цов величина у находилась в пределах 0,25 ... 1.

Эта работа послужила толчком для проведения более глубокого исследования условий получения эмиссии из пленок Sn02, определения ее механизма, а также выбора конструктивных форм катодов [26, 29]. Технология полу­ чения тонких слоев Sn02 разработана достаточно хоро­ шо, поскольку эти пленки широко используются в каче­ стве проводящих прозрачных покрытий и просветляющих пленок в оптических системах.

29