 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Металлокапиллярные катоды
|
Читайте также: |
Конструкция металлокапиллярного катода, который называют L-катодом (по начальной букве фамилии одного из авторов его изобретения - Lemmens), приведена на рис.2.14.4. Катод представляет собой резервуар, закрытый пробкой из пористого металла (обычно, вольфрама). Губка изготавливается спеканием металлического порошка. В резервуаре размещается карбонат бария или смесь карбонатов бария и стронция. При нагревании идет химическая реакция разложения. Выделяющийся газ откачивается через поры губки. После этого температуру поднимают, что приводит к появлению щелочноземельных металлов на внешней поверхности в результате диффузии по порам. L-катоды имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными оксидными катодами. Прежде всего, отсутствует запорный слой и связанное с ним падение напряжение поперек катода. Кроме того, они обладают большей механической прочностью, более устойчивы к ионной бомбардировке, у них меньше скорость испарения рабочего вещества. С другой стороны, они требуют большей мощности, поскольку имеют более высокую рабочую температуру. L-катоды значительно сложнее в изготовлении. Они также требуют существенно большего времени для их активации, поскольку откачка выделяющихся газов через пористую губку затруднена.
В последнее время появились диспенсерные катоды с контролируемой пористостью. В них капиллярный вольфрам заменяют на пленку, в которой пробивают лазером дырки диаметром 20-30 мкм [Р5]
Прессованный или матричный катод, импрегнированный катод
В отличие от металлокапиллярного катода матричные катоды не имеют отдельной камеры для активного вещества (рис2.14.5). Оно находится в порах вольфрамовой или никелевой губки. Для этого смесь порошков губки и активного вещества спрессовывается и затем спекается в вакууме или атмосфере водорода. Чтобы снизить трудности, связанные с газоотделением, иногда используют алюминат бария, который при нагревании разлагается по схеме:
Ba3Al2O6®BaO+BaAl2O4
Спекание вольфрама с алюминатом является сложным процессом, поскольку алюминат – легкоплавкий материал. Технологическая операция по внедрению алюмината в вольфрамовую губку может быть осуществлена более простым способом. Вольфрамовую губку пропитывают медью. Это придает губке прочность, что позволяет провести механическую обработку для придания катоду нужной конфигурации. После этого в вакууме медь испаряют, а затем катод погружают в жидкий алюминат, который заполняет пустоты. Катоды, полученные по такой технологии, называют импрегнированными.
Эффективным оказалось покрытие поверхности атомами осмия [23]. Это так называемый «магический» катод. Его работа выхода на 0,2-0,3 эВ ниже, чем у L -катода. Применение таких катодов сдерживает только повышенная токсичность оксида OsO4.
Разработанные к настоящему времени эффективные катоды различаются по предельной плотности тока, рабочей температуре, сроку службы и ряду других параметров. Некоторое представление дает сравнение температурных зависимостей плотности тока для некоторых эффективных катодов, приведенных на рис.2.14.6 [24]. Выбор оптимального катода определяется требованиями, которые зависят от конкретного устройства.
2.14.3.Чистые металлы
Термоэмиссионные катоды широко применяются в исследовательских приборах. Требования к ним несколько отличаются от предъявляемых к катодам, используемым в промышленности. Обычно они работают в высоком вакууме и, следовательно, адсорбционные процессы и ионная бомбардировка оказывает меньшее воздействие на их характеристики. Кроме того, величина потребляемой мощности не играет решающей роли. Наиболее существенным требованием, предъявляемым к ним, является возможность восстановления свойств катода после его контакта с атмосферой. Вскрытие экспериментальной установки в процессе ее работы неизбежно. Поэтому использование эффективных катодов, которые на воздухе необратимо утрачивают полезные свойства, оказывается не рациональным, поскольку требуют замены. Предпочитают использовать проволоки из тугоплавких металлов. В этом случае достаточно высокотемпературного прогрева для полного восстановления эмиссионной способности катода. Кроме того, тугоплавкие катоды обладают высокой энергией испарения. Это снижает вероятность напыления чужеродных частиц на образец, который обычно находится в зоне прямой видимости катода. В этом отношении они выгодно отличаются от эффективных катодов, в состав которых входят щелочные или щелочноземельные атомы, имеющие низкую температуру испарения.
В табл.2.14.2 приведены величины работы выхода наиболее часто используемых металлов, а также температур, выше которых можно считать поверхность катода свободной от адсорбированных газов при давлении в приборе 10-7тор [25].
Конечно, желательно использовать материалы с наименьшей работой выхода. Это связано с возможностью получения нужного тока при меньшей температуре, следовательно, с меньшим разбросом электронов по энергии. Наименьшую j среди тугоплавких металлов имеют Ta и Nb, однако они же и наиболее подвержены воздействию кислорода. Помимо изменения работы выхода при адсорбции кислорода происходит образование оксидов. Процесс идет особенно интенсивно при контакте с атмосферой. Оксиды имеют невысокую температуру испарения. В результате происходит утоньшение проволок, что требует изменения режима питания катода, поскольку с уменьшением эффективной площади эмиссии приходится увеличивать температуру для получения прежнего значения тока. Ужесточение температурного режима сокращает срок службы. Поэтому, несмотря на высокую работу выхода наиболее предпочтительным является рений. Он химически наиболее стабилен по отношению к кислороду и обладает хорошими механическими свойствами (не охрупчивается после прогрева в отличие от вольфрама). Это обеспечивает продолжительное время жизни катода и удобство при манипуляциях с элементами приборов. Существенной величиной является и скорость испарения атомов металла при рабочей температуре. Из данных, приведенных в табл.2.14.2, видно, что рений и по этому параметру является наилучшим среди тугоплавких металлов.
Рекомендуемая литература
P1. Л.Н.Добрецов, М.В.Гомоюнова “Эмиссионная электроника”. Изд-во “Наука”, М., 1966.
P2. К.Херринг, М.Никольс “Термоэлектронная эмиссия”. ИЛ, М., 1950.
P3. А.Модинос “Авто-, термо- и вторично-эмиссионная спектроскопия”. Изд-во “Наука”, М., 1990.
P4. Н.А.Капцов «Электроника». Изд-во ГИТТЛ, М., 1956.
P5. Sh. Yamamoto // Fundamental physics of vacuum electron sources.// Rep. Prog. Phys. 69 181–232 (2006)
P6. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц «Квантовая механика. Нерелятивистская теория» ГИФМЛ. 1963.
Цитированная литература
1. P.R.Schwoebel, I.Brodie // Surface-science aspects of vacuum microelectronics // J. Vac. Sci. Technol., v. B 13, р.1391 (1995).
2. J.T. Li, W.-D. Schneider, R. Berndt // Low-temperature manipulation of Ag atoms and clusters on a Ag(110)surface // Appl. Phys., v. A 66, р.S675–S678 (1998)
3. В.Г.Левич ”Введение в статистическую физику”, ГИТТЛ, Москва, 1954, 528 с.
4. J.A.Appelbaum, D.R.Hamann // Variational calculation of the image potential near a metal surface.// Phys. Rev. B 6, p.1122 (1972).
5. H.J.Juretschke // Electronic properties of metal surfaces // In “The surface chemistry of metals and semiconductors” Ed.H.C.Gatos, p.38, 1960.
6. Н.Марч, У.Янг, С.Сампантхар «Проблемы многих тел в квантовой механике». Изд-во «Мир». М., 1969.
7. B. Krahl-Urban, Buttiker M., Landauer R. // Dipole moments associated with edge atoms; a comparative study on stepped Pt, Au and W surfaces // Surface Sci., 1977, v. 68, N 1, p.39-46.
8. B. Krahl-Urban, E.A.Niekish, H.Wagner // Work function of stepped tungsten single crystal surfaces. // Surface Sci., v. 64, N 1, p.52 (1977).
9. Sh.Nakanishi, M.Kanno, T.Horiguchi // Work Function Study of Fe Adsorption on Fe (001) and (110) // Japan J.Appl.Phys., 21, N 7, р.L419 (1982).
10. K.Besocke, H.Wagner // Adsorption of W on W(110): work-function reduction and island formation.// Phys. Rev., B 8, p.4597-4600 (1973).
11. K.Besocke, H.Wagner // Adsorption of tungsten on stepped tungsten surfaces studied by work function measurement.// Surface Sci., 1975, v. 53, p.351.
12. E.W.Plammer, T.N.Rhodin // Atomic perfection and field emission from tungsten.// Appl.Phys.Lett., 11, 164 (1967).
13. R.Smoluchowski //Anisotropy of the electron work function of metals // Phys.Rev. 60, p.661-674 (1941).
14. P.A. Redhead //The birth of electronics: Thermionic emission and vacuum.// J. Vac. Sci. Technol., A 16, p.1394 (1998)
15. Stafford D.E., Weber A.H. // Photoelectric and thermionic Schottky deviations for tungsten single crystals // J.Appl.Phys., v. 34, p.2667, (1963).
16. A.R.Hutson // Velocity analysis of thermionic emission from single-crystal tungsten // Phys. Rev. 98, 889 (1955).
17. И.С.Градштейн, И.М.Рыжик “Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений”, ГИФМЛ, М., 1963;
18. А.П.Прудников, Ю.А.Брычков, О.И.Маричев “Интегралы и ряды”, Наука, ФМЛ. М.,1984
19. В.С.Фоменко “Эмиссионные свойства материалов”. Изд-во “Наукова Думка”, Киев, 1981.
20. Л.Иванов “Электрические источники света”, Гостехиздат, М.-Л., 1955
21. P.Nordlander, J.C.Tully // Energy shifts and broadening of atomic levels near metal surfaces. // Phys. Rev. B42, 5564 (1990).
22. A.G.Naumovets // Phase transitions in two dimensions. // Contemporary Phys., 30, 187 (1989).
23. Y.Li, H.Zhang, P.Liu, M.Zhang //A new dispenser cathode with dual-layer.// Appl.Surface Sci. 251, 126–129 (2005).
24. Н.Д.Моргулис // Современные термоэлектронные катоды.// УФН, 53, 501 (1954).
25. H.Kawano, T.Takahashi, Y.Tagashira, H.Mine, M.Moriyama // Work function of refractory metals and its dependence upon working conditions. // Appl. Surface Sci., 146, 105 (1999).
F-2.1. E.E.Huber //The effect of mercury contamination on the work function of gold // Appl. Phys. Lett. 8, N 7, 169-171 (1966).
F-1.1. Russell D. Young and Erwin W. Muller // Progress in FieldEmission WorkFunction Measurements of AtomicallyPerfect Crystal Planes J. Appl. Phys. 33, 91 (1962).
F-1.2.
[1] 1кал=4,184 Дж
[2] Под ретикулярной плотностью в кристаллографии понимают количество узлов (атомов, ионов) плоской решетки, приходящееся на единицу ее площади. Грани с малой ретикулярной плотностью часто называют «рыхлыми».
Поиск по сайту: