1) Материалы катодов

Термокатоды

Хотя для преодоления трудностей, характерных для кон­кретных приборов, предпринимались попытки использования чрезвычайно разнообразных типов и конструкции катодов, лишь относительно малое число катодов нашло широкое применение. Из чисто металлических катодов наиболее популярными яв­ляются вольфрамовые. Менее популярны танталовые, по­скольку при несколько меньшей рабочей температуре (для по­лучения той же величины эмиссии) тантал и плавится при более низкой температуре (2996 °С по сравнению с 3410 °С для вольф­рама).

Торированный вольфрамовый катод (содержащий около 2 % окиси тория по массе) является первым диспенсерным катодом, поскольку работа выхода вольфрама понижена адсорбирован­ным монослоем тория. Для того чтобы доставлять торий к по­верхности со скоростью, достаточной для поддержания низкой работы выхода при рабочей температуре и в нормальных ваку­умных условиях, катод карбидируют, т. е. на поверхности фор­мируют слой карбида вольфрама путем нагрева ее до высокой температуры в атмосфере углеводорода или в контакте с графи­товым порошком. В процессе работы карбид вольфрама взаимо­действует с окисью тория, образуя свободный торий и окись углерода. Присутствие углерода дает также возможность экс­плуатировать катод без отравления при относительно высоком парциальном давлении кислорода (10^-3 Па), поскольку окись углерода нe остается на эмиттирующей поверхности. Такие ка­тоды позволяют получать плотность тока до 3 А/см² при рабо­чей температуре 1720°С. Основной недостаток торированных вольфрамовых эмиттеров заключается в том, что они постоянно выделяют окись углерода. Это может создавать труд­ности в установках для получения вакуумного ультрафиолето­вого излучения и в приборах, чувствительных к присутствию ионов. Тем не менее в тех случаях, когда нужен стойкий катод, например в разборной системе или системах электронно-луче­вой литографии, используемых для серийного производства ма­сок и подложек, этот катод работает исключительно хорошо.

Принцип действия катода из гексаборида лантана также ос­нован на механизме диспенсирования. Кристаллическая структура гексаборида лантана необычна тем, что атомы бора соединены сильными валентными связями и образуют трехмер­ную структуру в виде клетки вокруг атома лантана, который не связан с атомами бора. Сильные связи между атомами бора делают кристалл тугоплавким, а валентные электроны лантана обеспечивают проводимость. При нагревании атомы лантана диффундируют к поверхности, образуя монослой с низкой ра­ботой выхода. Лантан, испаряющийся с поверхности, возобнов­ляется за счет поступления из внутренних слоев. Существует, однако, трудность с созданием катодного держателя, так как гексаборид лантана при рабочих температурах вступает в хи­мическую реакцию или образует сплав с большинством туго­плавких материалов. Первоначально катоды изготавливались из шлаковых порошков, однако в настоящее время предпочте­ние отдается монокристаллам. Кончики кристаллов, обычно в форме заостренных стержней, могут нагреваться электронной бомбардировкой, тогда как катодный держатель и электриче­ские контакты прикреплены к охлаждаемому основанию. Для получения максимальной яркости такие катоды использу­ются обычно в режиме насыщения (режиме Шотки). Дело в том, что эмиссия характеризуется различной интенсивностью в разных направлениях, и необходимо добиваться, чтобы на­правление с максимальной интенсивностью соответствовало оп­тической оси.

Оксидный катод привлекателен из-за его низкой рабочей температуры. Он состоит из неплотно упакованных кристал­лов окиси бария, стронция и кальция па никелевом основании. Кристаллы окиси, гигроскопичные в воздухе, необходимо фор­мировать в вакууме, нагревая карбонаты для удаления избы­точного углекислого газа. Необходимо предусмотреть меры, чтобы смесь карбонатов и окислов не плавилась во время этого процесса, что приводит к потере пористости катода. Никелевая подложка катода содержит примеси, такие как алюминий или цирконий, которые при рабочей температуре (750°С) взаимо­действуют с окисью бария, образуя свободный барий. Свобод­ный барий способствует как увеличению проводимости кристал­лов, так и образованию на поверхности монослоя с низкой ра­ботой выхода. Кроме электронной проводимости через кристалл имеет место перенос заряда от никелевого основания к эмигри­рующей поверхности через щели потоком, ограниченным прост­ранственным зарядом, а также за счет электролиза кристаллов. При длительном сроке службы могут быть получены непрерыв­ные токи плотностью около 0,5 А/см² и импульсные токи свыше 100 А/см².

К сожалению, оксидные катоды весьма чувствительны к ва­куумным условиям и их эмиссионные свойства легко могут быть надолго нарушены (отравление катода). Таким образом, они непригодны для разборных высоковольтных систем, харак­терных для электронной микроскопии и литографии, хотя наи­более предпочтительны для кинескопов и передающих трубок. Для преодоления этой трудности были предприняты попытки помещать эти катоды в никелевую матрицу. Хотя в этом слу­чае катоды становятся более стойкими, они имеют более высо­кую рабочую температуру, ограниченную к тому же сверху ве­личиной 1000°С, при которой скорость испарения никеля пре­вышает допустимую.

Бариевые диспенсерные катоды па основе вольфрама оказа­лись очень перспективными для получения высокой плотности тока. Они представляют собой изготовленную при помощи по­рошковой металлургии пористую вольфрамовую губку. Барий диспенсируется через поры к эмиттирующей поверхности и об­разует там монослой с низкой работой выхода. В наиболее пред­почтительной конструкции поры наполнены смесью алюминатов бария и кальция путем пропитки в жидкой фазе. В про­цессе работы алюминаты реагируют с вольфрамом, образуя свободный барий, который легко диффундирует через матрицу. В отпаянных генераторных лампах обычно получают плотности тока порядка 5 А/см² при рабочей температуре катода 1100°С.

Если эмиттирующая поверхность предварительно покрыта ос­мием (М-катод) или иридием, работа выхода сущест­венно понижается, и катоды могут обеспечивать плотность тока до 20 А/см² до возникновения ограничения, связанного с превы­шением допустимой величины скорости испарения бария. Не­смотря на то, что бариевые диспенсерные катоды чувствительны к окружающей среде, они обычно не отравляются надолго даже при высоких давлениях окружающих газов.

Автоэлектронные катоды

Малые площади эмиттирующей поверхности катодного ост­рия (радиусом 0,2—1,0 мкм), характерные для автоэлектронных катодов, очень привлекательны с точки зрения получения требуемых в электронной микроскопии и литографии малых размеров фокального пятна, поскольку в этом случае элек­тронно-оптическая система (ЭОС) должна обеспечить лишь не­большое уменьшение изображения микроострия. Чтобы полу­чить малый размер кроссовера в электронно-оптической си­стеме с термокатодом, требуется большое уменьшение изобра­жения. При этом получается кроссовер с настолько большой плотностью тока электронов, что возникает обмен энергиями между электронами и возрастает их эффективная температура.

Этого можно избежать в ЭОС с автоэлектронным катодом, где образуется виртуальный кроссовер.

Основными недостатками автоэлектронной эмиссии явля­ются следующие:

– эмиссия с микроострия может быть неоднородной вслед­ствие того, что она происходит с различных граней кристалла;

– эмиссия нестабильна.

Грани кристаллов на микроострие обычно расположены сим­метрично вокруг центральной грани, которая имеет наиболь­шую работу выхода и поэтому является неэмиттирующей (если не предприняты специальные меры для снижения работы вы­хода). Одним из способов устранения этого недостатка явля­ется использование вольфрамовой проволоки из монокристалла, ориентированного таким образом, чтобы кристаллическая грань с наименьшей работой выхода (110) находилась на оси. Од­нако такие катоды могут использоваться только в приборах, где можно поддерживать достаточно низкое давление (<10^-8Па) для предотвращения быстрой эрозии микроострия из-за распыления поверхности бомбардировкой ионами, обра­зующимися при взаимодействии пучка электронов с остаточ­ным газом. Для предотвращения эрозии можно поднять темпе­ратуру катода до значения, при котором разрушенное острие непрерывно самовосстанавливается за счет рекристаллизации. Это переводит катод в режим термоавтоэлектронной эмиссии. Обычно нагрев приводит к непрерывной переориентации кри­сталла, сопровождающейся появлением на оси различных гра­ней. Несмотря на эти трудности обиаружено, что работающий при температуре 1350±50 К ка­тод с цирконием, адсорбированным на вольфрамовом кристалле с ориентацией <100>, может в течение 1000 часов обеспечивать ток эмиссии 100 мкА при приложенном напряжении (2500—3000) В, если давление не превышает 2·10^-6 Па.

В табл. 2.1 сведены характеристики наиболее широко приме­няемых катодов.

Таблица 2.1 – Катоды и их свойства

Тип эмиссии	Тип катода	Плотность тока эмиссии, А/см2	Рабочая температура,К	Верхний предел по давлению,Па	Яркость A/(см2·cp) при 20 кВ
Термоэлект- ронная	Вольфрамовый	0,6 7,3	2470 2700	10-2	1,8·10-4 1,9·105
Термоэлект- ронная	Танталовый	0,5	2300	10-3	1,6·10-4
Термоэлект- ронная	Торированный вольфрамовый	1–3	2000	5·10-4	3,75·10-4÷ ÷1,1·105
Термоэлект- ронная	Оксидный	0,5	1050	10-4	3,4·104
Тип эмиссии	Тип катода	Плотность тока эмиссии, А/см2	Рабочая температура,К	Верхний предел по давлению,Па	Яркость A/(см2·cp) при 20 кВ
Термоэлект- ронная	Бариевый диспенсерный	0,5–6	1050–1400	5·10-4	3,4·104 3,2·105
Термоэлект- ронная	Гексаборид- лантановый	20,4	2100	10-4	9,5·105
Автоэлект- ронная	Вольфрамовый монокристаллический	до 106	Комнатная	10-8	108
Термоэлект- ронная	Вольфрамовый с циркониевым покрытием		1400–1800 (1,5эВ)	10-7	1010
Фотоэлект- ронная	Палладиевый	2·10-5	Комнатная (2эВ)	10-5	2·10-1
Фотоэлект- ронная	Иодно-цезиевый	2·10-6	Комнатная (0,5эВ)	10-2	2·10-1

Совершенно другой подход к предотвращению эрозии заключается в уменьшении расстояния между анодом и катод­ным острием до величины, достаточной для того, чтобы необхо­димая для возникновения автоэлектронной эмиссии напряжен­ность электрического поля 5·10⁷В/см вблизи поверхности ка­тода возникала при небольшом приложенном напряжении. В этом случае ионы, образующиеся в межэлектродном проме­жутке, не смогут приобретать энергию для разрушения микро­острия. С использованием приемов нанотехнологии были по­лучены молибденовые острия радиусом 50 нм в центре анод­ного отверстия радиусом 0,6 мкм. В этом случае могут быть получены токи эмиссии от 1 до 150 мкА при напряжениях от 25 до 250 В, и катоды могут, работать при давлениях до 10^-3 Па. Поскольку острия образуются за счет испарения в вакууме, они не представляют собой монокристаллы, и их поверхности не являютcя идеально чистыми. В результате эмитирующая по­верхность распадается на множество микрокоспически малых (несколько атомных размеров) участков, что вызывает флук­туации тока эмиссии по поверхности. Эти флуктуации существенно уменьшаются при рабочей температуре катода около 400 °С.

Жидкие металлы под действием сильного электрического поля могут вытягиваться из крошечных сопел; при этом обра­зуются микроострия с очень малыми радиусами. Если электри­ческое поле имеет нужную направленность, с остриев возникает автоэлектронная эмиссия. Ис­пользование индиево-галлиевого сплава позволяет получать плотности тока до 250 А в импульсе.

Несмотря на значительный прогресс в применении автоэлектронных катодов, позволяющий с успехом использовать их в не­которых типах приборов, ясно, что они еще не могут в настоя­щее время удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к источникам электронов при изготовлении или эксплуатации микроприборов.