8.2 Автоэмиссионные катоды.

Специфика механизма в процессе автоэлектронной (А.Э.Э) и взрывной эмиссии (В.Э) - позволяет получить плотность тока, на много превосходящую при термоэмиссии без энергетических затрат на эмиссионный акт. При этом, основное требование к эмиттеру (холодному катоду) состоит в том, что он должен быть остроконечным с очень маленьким (≤ 1 мкм) радиусом закругления острия либо представлять собой лезвие. Для мощных источников электронов эмитирующую площадь холодных катодов создают за счет увеличения числа остроконечных эмиттеров либо лезвий. В связи с этим по конструктивному оформлению автоэмиссионные катоды можно классифицировать на многоострийные и лезвийные. Основным материалом для изготовления остроконечных эмиттеров является проволока диаметром О.1мм из вольфрама, рения либо сплава ВР-20 на их основе. Для закрепления эмиттеров на поддерживающих основаниях (при изготовлении гребенок рис. 14.2) обычно применяют точечную сварку. Такой метод крепления приводит к неоднородностям электрического и теплового контактов с токопроводящей основой, непостоянству шага между остриями, их высоты и параллельности, что существенно затрудняет процесс заострения и формовки острий в процессе дальнейших технологических операций. Выравнивание гребенки по высоте и создание острий проводят методом электрохимического травления в импульсном режиме. Для получения острий используют также метод термополевой обработки (выравнивание микрогеометрии острий при одновременном воздействии электрического поля и температуры). Практика создания из гребенок многоострийных катодов прямоугольной формы с размерами 20x40 мм (порядка 800 острий с шагом 1,0x1,0 мм, рис. 14.2) показала, что контактный способ сварки заготовок острий может дать хорошие результаты только при использовании комплекса специальных технологических приемов.

а б

в

Рис. 14.2. Автоэмиссионные катоды: а) гребенка изготовленная методом контактной сварки; б) гребенка, изготовленная электроискровым способом. в) Многоострийный автоэмиссионный катод.

Кроме способа контактной сварки для изготовления заготовок эмиттеров применяют и электроискровую нарезку эмиттеров (рис. 14.2,б). Рабочим материалом в этом случае служат вольфрамовая жесть либо жесть из сплава ВР-20 толщиной 0,09—0.1 мм. Хрупкость материала в связи с отсутствием контактной сварки в этом случае играет меньшую роль. При данном способе отпадает необходимость в операции выравнивания заготовок острий по высоте. Перед формированием острий заготовки проходят химическую обработку для удаления меди оставшейся на поверхности после электроискрового процесса нарезки. Качество острий (полировка поверхности и микрогеометрия острия) в значительной степени определяется качеством (наличием структурных и механических дефектов) материала фольги.

Сложность технологии сборки гребенок в катодный узел определяется требованиями, предъявляемыми к катодному узлу. Наиболее простой является сборка катодов, для которых нагрев в рабочем объеме не предусматривается. В этом случае гребенки располагают на массивном основании и закрепляют контактной сваркой или запрессовкой с помощью специальной пресс-формы (рис. 14.2,в). Для оснований и держателей обычно используют тугоплавкие металлы, позволяющие производить высокотемпературный отжиг перед размещением катодов в электронную пушку.

Сборка катодных узлов, для которых предусматривается возможность нагрева в рабочем объеме электронной пушки, более сложна и осуществляется с использованием керамических держателей, молибденовых и керамических шайб, реализующих последовательное либо параллельное соединение гребенок. Нагрев обеспечивает возможность очистки и выравнивания эмитирующей поверхности острий непосредственно в приборе, как перед его работой, так и в процессе эксплуатации за счет одновременного действия температуры и поля. Однако необходимость нагрева вносит дополнительные требования к качеству отдельные узлов и значительно усложняет конструкцию катода в целом. Поэтому чаще всего при разработке многоострийных катодов нагрев не предусматривают.

Основная задача при создании многолезвийных катодов, (когда вместо гребенки из отдельных эмиттеров используют лезвие) это обеспечение однородной эмиссии со всей (или большей части) эмитирующей поверхности лезвия. Достаточно развитая эмитирующая поверхность получается, когда на поверхности лезвия создается микрорельеф. Преимуществом таких катодов является снижение рабочих напряжений, однако использование рабочей поверхности в этих случаях менее эффективно. Выровнять микровыступы и тем самым увеличить эффективность лезвийных катодов можно термическим сглаживанием. Достоинством лезвийных катодов перед многоострийными является относительная простота технологии их изготовления. Их изготавливают из тонкой (10-30 мм) металлической фольги с последующим заострением лезвия методом электрохимического травления либо воздействием давления. Технологически (при изготовлении штамповкой) наиболее удобны катоды из тантала и молибдена. Напротив высокая пластичность катодов из рения существенно затрудняет их штамповку и сборку. Для основания лезвийных катодов, как и многоострийных, используют тугоплавкие металлы. Лезвия к основанию приваривают методом контактной сварки или закрепляют другими способами.

При увеличении числа лезвий наблюдали повышение стабильности эмиссионных характеристик лезвийных катодов. Однако при этом увеличение эмиссионного тока не пропорционально числу лезвий. Более высокие эмиссионные свойства имеют катоды, изготовленные из фольги толщиной 10 мкм, стравленной до толщины примерно 4 мкм. Это объясняют увеличением числа микродефектов в фольге, так как катоды из фольги той же толщины но полученной другими методами, обладают более низкими эмиссионными свойствами.

Любой многоострийный либо лезвийный катод при определенных условиях может работать как в режиме автоэлектронной (А.Э.Э), так и в режиме взрывной (В.Э) эмиссии. Однако работа эмиттеров в режиме А.Э.Э и В.Э существенно различная. Автоэлектронная эмиссия, обусловленная туннельным эффектом, - процесс стационарный. Взрывная эмиссия, возникающая при переходе (А.Э.Э) к вакуумной дуге с образованием облака плотной неравновесной плазмы – процесс нестационарный, переходный. Чаще всего В.Э имеет место при наносекундных длительностях импульса и ограничена временем пролета плазмы через вакуумный промежуток между катодом и анодом.

Основные свойства эмиттеров с взрывной эмиссией: плотность тока с острий 10⁷-10⁸ А/cм²; напряженность поля – не менее 5*10⁷ В/см²; распределение плотности тока по поверхности катода определяется статистическим набором острий и строгому регулированию не поддается; перенос вещества в среднем составляет (2-6) 10⁵ г/K; режим работы импульсный с длительностью (10-60) 10^-9сек, при максимальной частоте повторения импульсов – десятки герц; ресурс стабильной работы эмиттеров составляет 10⁵-10⁶ включений; катоды допускают работу при техническом вакууме 133 10^-5 Па.

Сильноточные высоковольтные источники электронов с наносекундной длительностью импульса обеспечивают общие токи от сотен до десятков тысяч ампер при ускоряющем напряжении в сотни киловольт. Однако, несмотря на все достоинства, массового распространения этот тип эмиттеров пока не получил. Объясняется это, прежде всего отсутствием оптимальных технологических приемов создания эмиссионных структур с заданными параметрами, необходимостью высокого вакуума в автоэмиссионном приборе (10¹⁰ - 10¹² Па) и нестабильностью автоэмиссионного тока во времени. В связи с этим усилия многих исследователей, работающих в данной области, в последние годы направлены на разработку конструкций автоэмиссионных катодов и технологических приемов, которые бы позволили внедрить данные катоды в производство. Теория автоэлектронной эмиссии в настоящее время достаточно детально разработана. Однако большая часть расчетов по определению тех или иных параметров холодных катодов даже при значительных упрощениях ряда физических предпосылок достаточно сложна и, несмотря на вводимые допущения, относится к довольно идеализированным моделям.