1) Требования к катодам

Источники электронов для приборов, основанных на исполь­зовании электронных пучков, называют катодами. К ним предъ­является ряд требований, зависящих от особенностей приборов.

Эти требования относятся к следующим характеристикам като­дов: однородности эмиссии по поверхности катода; плотности тока, требуемой от катода; энергетическому распределению эмиттированных электронов; временным флуктуациям тока; ис­парению материала с поверхности катода; способности катода работать в определенной среде; времени жизни катода в за­данных условиях работы.

При исследовании микрообъектов обычно необходимо сфо­кусировать пучок электронов до минимально возможного раз­мера при максимально возможном токе. Известное в электрон­ной оптике ленгмюровское ограничение на размер фокального пятна требует, чтобы плотность тока, отбирае­мого от катода, была максимально возможной, а разброс по энергии электронов был как можно меньше.

Термокатоды обычно эксплуатируются в режиме потоков, ограниченных пространственным зарядом.

Плотность тока в режиме потока, ограниченного простран­ственным зарядом, слабо зависит от температуры катода, тогда как термоэлектронная эмиссия в режиме насыщения зависит экспоненциально от температуры. Требования к температурной стабильности для обеспечения постоянства эмиссии обычно слишком строги для того, чтобы можно было использовать ка­тоды в режиме насыщения. Этот эффект еще более усугубля­ется тем фактом, что функция распределения работы выхода эмиттирующей поверхности может зависеть от времени и лю­бых изменений вакуумной среды, в которой эксплуатируется катод.

Если от данного термокатода требуется высокая плотность тока, необходимо увеличить рабочую температуру. Естествен­ные ограничения связаны либо с расплавлением материала ка­тода, либо с превышением давления паров испарившегося ма­териала некоторого предела, характерного для прибора, в ко­тором работает катод. Из-за существования таких ограничений очень небольшое число используемых на практике термокато­дов может непрерывно работать при плотностях тока, превы­шающих 10 А/см².

Катоды, принцип действия которых связан с диспенсированием к их поверхности активного материала, могут терять активность (отравляться) за счет небольших количеств веществ, которые либо изменяют химический состав катодной поверхно­сти, либо препятствуют потоку диспенсируемого материала.

В случае автоэлектронной эмиссии можно получить плотности тока, превышающие 10⁸ А/см². Од­нако такие плотности тока могут быть достигнуты только с очень малых поверхностей (площадью, меньшей чем не­сколько квадратных микрометров). Обнаружено, что электроны эмиттируются с макроскопических поверхностей (даже пред­ставляющих собой грани монокристалла), очищенных и обра­ботанных с использованием лучших из известных методов, при величине напряженности приложенного макроскопического электрического поля 10⁵ В/см вместо ожидаемых 10⁷—10⁸ В/см, характерных для возникновения автоэлектроиной эмиссии. Эти электроны испускаются сравнительно небольшим количеством топких усиков (микроостриев), на которых легко достигается коэффициент умножения напряженности поля, превышающий 100. Высота этих усиков варьируется в диапазоне 10—1000 ато­мов, причем на их копчиках находится 1 —100 атомов.

Проволочки, стравленные до чрезвычайно острых иголок, имеют разброс по эмиссионным характеристикам, если на их кончиках не сформированы в результате термической обра­ботки монокристаллы. Эти кристаллы обычно имеют размеры 0,2—1 мкм и ориентированы к поверхности различными гра­нями. Грани с наименьшей работой выхода отличаются наи­большей эмиссионной способностью, поэтому при использова­нии таких катодов в электронных источниках необходимо иметь возможность отбора электронов с определенной грани. Такие катоды характеризуются нестабильностью тока и малым сро­ком службы главным образом из-за распыления поверхности катода в результате бомбардировки ионами остаточного газа, образующимися в приповерхностной зоне. Для того чтобы исключить повреждения из-за распыления на длительное время, требуется обеспечить остаточное давление около 10^-12 Па, хотя при проведении краткосрочных экспе­риментов могут быть получены приемлемые сроки службы в несколько часов при давлении 10^-8 Па. По этим причинам стали использовать термоавтоэлектронную эмиссию, поскольку нагрев приводит к эффекту самовос­становления кончика острия, поврежденного в результате рас­пыления. Увеличение стабильности достигается за счет увеличе­ния энергетического разброса эмиттированных электронов.

Уравнение Фаулера-Нордгейма для автоэмиссии:

(2.7)

где V(y),t(y) –эллиптические функции Нордгейма.

Автоэлектроны, туннелирующие при энергиях ниже уровня Ферми, отдают энергию кристаллической решетке, нагревая тем самым поверхность (эффект Ноттингема), тогда как электроны, туннелирующие при энергиях, превышающих уровень Ферми, охлаждают ее. Следовательно, при отборе автоэлектронного тока температура катодной поверхности приближается к зна­чению, при котором энергия, уносимая электронами, находящи­мися выше уровня Ферми, точно компенсируется энергией, отдаваемой электронами, находящимися ниже уровня Ферми. Такая температура называется критической и определяется при­ближенной формулой:

(2.8)

Реальная температура поверхности T_s будет определяться слож­ным балансом между разнообразными видами выделения и по­терь тепла однако, если T_s, превышает температуру плав­ления, можно ожидать мгновенного разрушения эмиттирующего острия.

Параметры термоэлектронных катодов. В большинстве электровакуумных и ион­ных приборов используются термоэлектронные катоды, эмиссия с поверхности кото­рых происходит в результате сообщения им тепловой энергии. Эти катоды характе­ризуются следующими основными параметрами.

Эмиссионная способность — величина тока эмиссии с одного квадратного сан­тиметра его поверхности — определяется формулой (2.2)

Величина I_eq, характеризующая эмиссионную способность катода, зависит от его физических свойств (коэффициент А₀), температуры Т и работы выхода E₀.

Рабочая температура катода Т_раб определяет наиболее эффективный тепловой режим катода. Величина Т_раб выбирается из условий энергетического баланса, учитывающего получение тепловой энергии за счет подогрева катода, бомбардировки его электронами и ионами, а также расход энергии на излучение, нагрев дер­жателей катода, испарение .вещества, эмиссию электронов и т.д.

Эффективность катода характеризует отношение тока эмиссии к мощности, подводимой к катоду для его подогрева:

(2.9)

Здесь I_н и U_н — ток и напряжение накала соответственно.

Согласно экспериментальным исследованиям сообщаемая катоду мощность рас­ходуется в основном (около 70%) на излучение и лишь незначительная часть — непосредственно на эмиссию электронов.

Долговечность или срок службы катода — параметр, имеющий существенное значение для оценки его эксплуатационных качеств. Наиболее употребительным критерием оценки долговечности катода является относительное уменьшение его тока эмиссии. Обычно эту величину измеряют некоторым средним для данного типа катода временем, в течение которого ток эмиссии уменьшается до 80% от номинального значения.

Причины выхода катода из строя чрезвычайно разнообразны, и в зависимости от типа катода и условий его эксплуатации те или иные из них могут быть преобла­дающими или второстепенными. Одна из наиболее важных причин — это распыление активирующего катод вещества. Уменьшение эмиссии катода может произойти также в результате разрушения его бомбардирующими нонами, образования на поверхности окислов и химических соединении, повышающих работу выхода, и т. д.