диссертации

На правах рукописи
БУРЦЕВ Антон Александрович
МАТРИЧНЫЕ АВТОЭМИССИОННЫЕ КАТОДЫ ИЗ МОНОЛИТНЫХ
УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРИБОРОВ ВАКУУМНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Специальность 05.27.02 – Вакуумная и плазменная электроника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО "Саратовский государственный
технический университет" и ФГУП "НПП "Алмаз"
Научный руководитель -
заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор
Конюшков Геннадий Владимирович
Официальные оппоненты -
доктор технических наук, профессор
Царев Владислав Алексеевич
кандидат физико-математических наук
Торгашов Геннадий Васильевич
Ведущая организация -
ФГУП "НИИ "Волга", г. Саратов
Защита состоится «24» февраля 2011 г. в 13:00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.242.01 при ГОУ ВПО «Саратовский
государственный технический университет» по адресу:
410054,
Саратов,
ул.
Политехническая,
77,
Саратовский
государственный технический университет, ауд. 319/1.
С
диссертацией
можно
ознакомиться
в
научно-технической
библиотеке Саратовского государственного технического университета.
Автореферат размещен на сайте: www.sstu.ru 24 января 2011 г.
Автореферат разослан «24» января 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Димитрюк А.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Для создания систем формирования
мощных электронных потоков в приборах СВЧ электроники представляют
интерес источники электронов на основе автоэлектронной эмиссии из
углеродных микро- и наноструктур. Активно ведутся работы по созданию
автоэмиссионных катодов (АЭК) для конструкций катодно-сеточных узлов
(КСУ) и электронных пушек, обладающих высокой плотностью тока
автоэмиссии,
отсутствием
подогрева,
безынерционностью,
экспоненциально высокой крутизной вольт-амперной характеристики,
малой чувствительностью к внешней радиации и пр. Благодаря
применению электронно-оптических систем с автоэмиссионными
источниками электронов существенно повышается быстродействие
радиоэлектронной аппаратуры, а также появляется возможность создания
миниатюрных вакуумных приборов терагерцового диапазона с плотностью
тока 100 А/см2 и более.
Основная трудность в создании стабильных АЭК состоит в
технологических особенностях применяемых материалов и сложностях
получения геометрически воспроизводимых многоострийных катодных и
катодно-сеточных структур.
Особое место среди различных АЭК занимают матричные
многоострийные
автоэмиссионные
катоды
из
стеклоуглерода,
отличающиеся монолитностью эмиссионной структуры, высокой
стабильностью в режиме автоэмиссии в сильных электрических полях,
наряду с пониженной адсорбцией остаточных газов по сравнению с
металлами, долговечностью при токоотборе со средней плотностью тока
на катоде 10÷100 А/см2, воспроизводимостью катодных структур. Это
обусловливает перспективность их использования в конструкциях
электронно-оптических систем ЭВП.
Более сорока лет назад в США были начаты работы по созданию
матричных автоэмиссионных катодов, получивших в результате
наименование катодов Спиндта. Впоследствии появилось множество
публикаций по разработке и конструированию различного типа АЭК и
КСУ, построенных на принципах конструкции Спиндта, которые
продолжаются и сегодня. Существенный вклад в развитие физики и
технологии автоэмиссионных источников электронов внесли и российские
ученые: Бондаренко Б.В, Шешин Е.П., Рахимов А.Т., Гуляев Ю.В.,
Синицын Н.И., Григорьев Ю.А., Торгашов Г.В., Горфинкель Б.И.,
Фурсей Г.Н. и др.
Появление новых пленочных углеродных наноструктурных
материалов открывает пути и возможности для использования их в
качестве автоэмиссионных источников электронов. Тем не менее
использование монолитных АЭК из стеклоуглерода в мощных приборах
3
вакуумной СВЧ электроники в настоящее время также можно считать
актуальной задачей эмиссионной электроники.
В силу недостаточности теоретического, технологического и
экспериментального исследования особенностей изготовления и работы
АЭК в вакуумных СВЧ приборах была сформулирована цель данной
работы.
Цель работы: разработка современной технологии изготовления
монолитных стеклоуглеродных матричных многоострийных структур для
АЭК, исследование их эмиссионных характеристик и разработка
конструкций электронных пушек для эффективных СВЧ приборов с
микросекундным временем готовности.
Для достижения поставленной цели были решены следующие
научно-технические задачи:
 проанализированы и выбраны обоснованные технологические
операции получения микроразмерных матричных структур из
стеклоуглерода с упаковкой 106-107 см-2;
 проведена отработка процесса группового плазмохимического
микрозаострения цилиндрических выступов в низкотемпературной
кислородной плазме для получения 3D поверхности матричной
многоострийной автоэмиссионной микроструктуры из стеклоуглеродных
конических острий с периодом структуры 10-5 мкм;
 исследованы структурные и эмиссионные свойства матричного
автоэмиссионного катода из стеклоуглерода;
 разработаны конструкции экспериментальных диодных макетов с
АЭК и исследовано влияние межэлектродного зазора на вольтамперные
характеристики;
 разработана экспериментально-расчетная методика оценки
величины работы выхода углеродных материалов, применяемых для АЭК;
 проведено
компьютерное
моделирование
формирования
электронных потоков в электронных пушках с матричными АЭК;
 разработаны конструкции экспериментальных образцов АЭК для
электровакуумных приборов сверхвысокочастотной электроники с
микросекундным временем готовности.
Методы и средства исследований. При выполнении работы
использованы современные методы экспериментального анализа с
применением принципов вакуумной микроэлектроники, электронной
оптики, а также современные средства компьютерного моделирования.
Достоверность
полученных
результатов
подтверждается
воспроизводимостью результатов, полученных в ходе экспериментальных
исследований, а также апробацией результатов работы на опытных
образцах АЭК и их соответствием фундаментальным законам
автоэмиссии.
4
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Предложена и реализована технология группового микро-,
наноразмерного заострения путем воздействия низкотемпературной
плазмой ВЧ разряда (f=13,56 МГц) в кислородной среде на монолитную
углеродную структуру из многоэлементной системы цилиндрических
микроразмерных выступов с плотностью упаковки N=(106-107) см-2 при
температуре нагрева 50-600С и давлении 66-70 Па, обеспечивающая
формирование многоострийной матричной углеродной структуры с
наноразмерным рельефом вершин.
2. Автоэлектронная эмиссия многоострийных стеклоуглеродных
матриц в микродиодах сопровождается ростом автоэмиссионного тока на
3-4 порядка при увеличении межэлектродного зазора и при сохранении
постоянной средней напряженности электростатического поля, что связано
с нелинейными изменениями в распределении электростатического поля
вблизи поверхности АЭК.
3. Экспериментально установлено, что автоэмиссионный ток в диоде с
многоострийным матричным катодом из стеклоуглерода при изменении
температуры окружающей среды в интервале от 20 до 5000С существенно
возрастает, что является следствием уменьшения величины работы выхода
материала многоострийного матричного автоэмиссионного катода.
4. На основе применения компьютерного траекторного анализа
формируемых
электронных
потоков
предложены
конструкции
автоэмиссионных электронных пушек с анодной модуляцией,
низковольтным сеточным управлением и магнитным сопровождением,
позволяющие осуществлять проектирование и разработку вакуумных
приборов СВЧ на основе АЭК с микросекундным временем готовности
(t≤10-5c).
Научная новизна работы:
 впервые предложен усовершенствованный технологический
маршрут
получения
многоострийных
автоэмиссионных
микронаноструктурных матричных катодов из монолитных углеродных
материалов на примере стеклоуглерода СУ-2000, включающий
термохимическую
микроразмерную
3D
обработку
поверхности
углеродных пластин в среде водорода, плазмохимическое групповое
микро-, нанозаострение эмиссионных центров в сочетании с технологией
прецизионной фотолитографии с возможностью реализации плотности
упаковки острий N=(106-108) см-2;
 получены матричные многоострийные автоэмиссионные катоды
из монолитного стеклоуглерода СУ-2000 с плотностью упаковки N=(1064·106) см-2, с наноразмерным рельефом на вершинах острий,
обеспечивающие получение плотности тока АЭК более 1 А/см2;
 теоретически и экспериментально показано, что при увеличении
межэлектродного зазора в диоде до значений d=2,5lµ (lµ-период
5
микроструктуры) наблюдается значительный рост автоэмиссионного тока
при постоянной средней напряженности электрического поля; при этом
имеет место увеличение эффективной площади эмиссии и соответственно
уменьшается плотность тока в эмиссионных центрах, что указывает на
возможность долговременной работы АЭК;
 предложена и реализована экспериментально-расчетная методика
оценки величины работы выхода материалов АЭК, в том числе для
наноструктурированных углеродных материалов; по данной методике
проведена оценка величины работы выхода материала одностенной
углеродной нанотрубки с учетом ее геометрии и экспериментальным ВАХ,
которая составила 4,89±0,1 эВ;
 проведено 3D компьютерное моделирование автоэмиссионных
электронных пушек, формирующих многолучевые электронные пучки в
неоднородных магнитных полях и предложены новые конструкции:
многолучевой электронной пушки с монолитным, углеродным
многоострийным
АЭК,
многолучевой
электронной
пушки
с
криволинейной оптикой со сферическим АЭК с пленочной углеродной
наноструктурой и магнетронно-инжекторной пушки.
Практическая значимость. Результаты работы могут быть
использованы при разработке современных и перспективных СВЧ
электровакуумных приборов. Технология изготовления матричных
многоострийных АЭК прошла апробацию на ФГУП «НПП «Алмаз»,
конструкции электронных пушек на основе АЭК могут быть использованы
в электронно-оптических системах в качестве базовых конструкций в ЛБВ
сантиметрового диапазона и многолучевых клистронах. Полученные
экспериментальные результаты и методики, а также численные модели
позволят разработать ЭВП СВЧ с микросекундным временем готовности.
Материалы исследований внедрены в учебный процесс при
подготовке инженеров-специалистов на кафедрах "Электронное
машиностроение и сварка" и "Электронные приборы и устройства" СГТУ.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы
докладывались на: научно-практической конференции, посвященной 50летию ФГУП «НПП «Алмаз» «Электронные приборы и устройства СВЧ»
(Саратов, 2007); научно-практической конференции «Актуальные
проблемы электронного приборостроения АПЭП» (Саратов, 2008, 2010);
научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника:
приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2009);
Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых
«Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов,
2009), а также на школе-семинаре "Наноструктуры, модели, анализ и
управление" МИЭМ (Москва, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ (4 статьи
в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 7 статей в научных сборниках).
6
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач
исследований, проведении численных расчетов, необходимых для
интерпретации полученных экспериментальных данных. Автор является
исполнителем
представленных
экспериментальных
исследований.
Обсуждение полученных теоретических и экспериментальных результатов
проводилось совместно с соавторами научных статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырех глав, заключения, списка использованной литературы,
включающего 113 наименований и приложения. Диссертация изложена на
126 листах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 10 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, приведены
научные положения, представлена научная новизна, сформулированы цель
и задачи исследований.
В первой главе содержится аналитический обзор существующих
проблем использования современных материалов и технологий для
создания автоэмиссионных катодов, разработке на их основе электроннооптических систем с АЭК для перспективных электровакуумных СВЧ
приборов. Особое место уделяется многоострийным автоэмиссионным
углеродным структурам на основе монолитного углеродного материала.
Обладая стабильными автоэмиссионными свойствами при работе в
высоковольтном режиме в условиях технического вакуума 10-5 мм. рт. ст.,
выдерживая интенсивную бомбардировку ионами остаточных газов при
высоких пондеромоторных нагрузках, достигающих нескольких десятков
кг/см2, многоострийные автоэмиссионные катоды (МАЭК) из монолитного
стеклоуглерода являются перспективными источниками автоэлектронной
эмиссии. Также в главе проводится обзор различных конструкций
автоэмисионных диодных и триодных электронных пушек. Необходимо
отметить основные условия построения автоэмиссионных катодных и
катодно-сеточных структур:
вследствие большой чувствительности плотности автоэмиссионного
тока катода к изменению действующего значения электростатического
поля для сохранения однородности эмиссии необходимо применять микронаноразмерные пленочные сеточные структуры над поверхностью катода;
при разработке и изготовлении электронных пушек необходимо
обеспечить 100%-е прохождение электронов сквозь сетку и анодную
диафрагму;
технология изготовления катодно-сеточных структур должна
обеспечивать воспроизводимость их геометрических и эмиссионных
параметров.
Вторая глава посвящена технологии получения автоэмиссионных
многоострийных матриц на основе стеклоуглерода. Проведены
7
исследования и разработка технологии получения 3D поверхности
микроразмерной монолитной структуры из стеклоуглерода. Технология
получения автоэмиссионных углеродных матриц на основе монолитного
стеклоуглерода включает:
- полировку поверхности стеклоуглерода до 14 класса;
- активацию поверхности перед нанесением фоторезиста;
- получение изображения на пластине методом прецизионной
фотолитографии;
- нанесение пленки никеля на поверхность пластины, не защищенной
фоторезистом;
- термохимическую обработку стеклоуглерода в среде водорода;
- химическую очистку пластины от остатков никелевого покрытия;
- плазмохимическое микрозаострение 3D поверхности матричной
монолитной структуры стеклоуглерода.
На рис. 1 представлены микрофотографии микроструктуры МАЭК
из стеклоуглерода. Микроструктура состоит из острий высотой 10 мкм и
диаметром основания 5 и 3 мкм. По данной технологии были изготовлены
матричные структуры из стеклоуглерода СУ-2000 с плотностью упаковки
Nµ= 106÷4·106 см-2.
Рис. 1 Микрофотографии микроструктуры МАЭК из стеклоуглерода (Nµ=106 см-2)
Многоострийная монолитная стеклоуглеродная структура имеет не
только микроострия, расположенные в строго определенном порядке, но
также на вершинах микроострий существует нанорельеф с нерегулярным
распределением наноострий. Данный нанорельеф естественным образом
влияет на распределение электростатического поля на поверхности вершин
микроострий автоэмиттеров и существенно влияет на их автоэмиссионные
характеристики.
Для создания многолучевых катодно-сеточных конструкций для 7 и
19-лучевой электронных пушек изготавливались с помощью размерной
электроэрозионной обработки дисковые МАЭК из стеклоуглерода с
8
автоэмиссионной многоострийной структурой на торцах цилиндрических
катодных выступов, представленные на рисунке 2.
Ø3
Ø3
Рис. 2 Конструкции плоских МАЭК из стеклоуглерода. Диаметры катодных
выступов: Dc=0,5 мм (7 выступов), Dc=0,39 мм (19 выступов)
Таким
образом,
в
результате
применения
технологии
фотолитографии, термохимического травления пленкой никеля и
группового объемного микро- нанозаострения углеродного материала в
низкотемпературной плазме ВЧ разряда в кислородной среде получена
матричная многоострийная автоэмиссионная структура из монолитного
стеклоуглерода с плотностью упаковки Nµ = 106÷107см-2.
В третьей главе проведены экспериментальные исследования ВАХ
МАЭК основе монолитного стеклоуглерода и анализ эмиссионных свойств
МАЭК.
б
а
Рис.3 а) Экспериментальные ВАХ микродиодов с расстояниями катод-анод d=45 мкм
(1); d=35 мкм (2); d=25 мкм (3); d=15 мкм (4); d=5 мкм (5); d=3 мкм (6); d=1 мкм (7).
б) Зависимость Еср от расстояния катод-анод при различных величинах
автоэмиссионного тока в диоде: 1 – I1=30 мА; 2 – I2=8 мА; 3– I3=0,5 мА (импульсный
режим τ=10 мкс, Q=1000); 4 – I4=0,01 мА (непрерывный режим)
На рис. 3а представлены экспериментальные ВАХ при различных d.
Видно, что при уменьшении зазора при постоянном автоэмиссионном токе
9
наблюдается существенно нелинейный рост средней напряженности поля,
достигающей значения более 110 В/мкм.
Как видно из рис.3б, при постоянной средней напряженности поля
увеличение межэлектродного расстояния может приводить к росту
автоэмиссионного тока на несколько порядков (10 3÷10 4 ). Получение
равных по величине автоэмиссионных токов при уменьшении
межэлектродного зазора d требует более высоких значений средней
напряженности электростатического поля, что указывает на снижение
коэффициента усиления поля в эмиссионных центрах на вершинах
наноострий.
При
фиксированной
средней
напряженности
электростатического поля в микродиоде с увеличением зазора наблюдается
рост автоэмиссионного тока пучка и соответственно средней плотности
тока по площади основания катодной матрицы. Как следует из рис. 3б, в
экспериментальных диодах с зазорами d≥2,5lµ (lµ–период решетки)
соблюдается соотношение геометрического подобия (Еср=const). Оценка
эффективной площади эмиссии проводится по экспериментальным
данным ВАХ микродиодов. Воспользуемся формулой Фаулера-Нордгейма
для оценки эффективной площади эмиссии по экспериментальным данным
в виде
S эфф
 B 1,5

I  t 2 ( y ) exp 
 ( y ) 
 E0
,

A E 02
(1)
где А=1,46·10-4 и В=6,83·107 – постоянные величины, связанные с
фундаментальными физическими константами;
I-автоэмиссионный ток в диоде, А;
φ –работа выхода электрона, эВ;
Еср=Ua/d – напряженность электростатического поля, В/см;
k – коэффициент усиления поля;
t2(y)≈1,1;  ( y ) ≈0,95–1,03y2 – функции Нордгейма, зависящие от
аргумента y  3,79  104 kEcp /  .
Для определения действующего значения электростатического поля
E0 вблизи вершины конусообразного микровыступа регулярной
многоострийной структуры в зависимости от телесного угла θµ при
различных расстояниях d решается задача о распределении
электростатического поля.
На рис. 4 представлены расчетные зависимости напряженности
электростатического поля E0 в микродиодах от полярного угла θµ,
отсчитанного от вершины конусообразного микровыступа при различных
межэлектродных зазорах d. Из графиков рис. 4 видно, что при малом
межэлектродном расстоянии поле на сферической вершине микровыступа
спадает с увеличением угла θµ быстрее, чем в диодах с увеличенными
10
зазорами. Следовательно, можно утверждать, что площадь эмиссии должна
увеличиваться с ростом межэлектродного зазора.
Рис. 4. Зависимость электростатического поля на сферической вершине острия от угла
θµ при d=1 мкм (1), d=3 мкм (2), d=5 мкм (3), d=25 мкм (4), d=45 мкм (5)
Используя экспериментальные данные рис. 3, можно определить Е0
для стартового тока автоэмиссии, составляющего 10 мкА, а затем
расчетным путем найти значение эффективного телесного угла θµ (рис. 4),
при котором на поверхности микроострия имеет место та же величина
стартовой напряженности E0, но уже при токе, равном 30 мА. Определив
значение угла θµ, можно вычислить эффективную площадь эмиссии,
приходящуюся на одно микроострие. Так, для микродиода с расстоянием
d=3 мкм Sэфф=5,82·10-9 см2 (θµ=51º, rµ=0,2 мкм). При увеличении
расстояния до 25 мкм (θµ=62°) эффективная площадь составила 7,69·109
см2. Дальнейшее увеличение межэлектродного расстояния предполагает
соблюдение подобия в распределении электростатического поля как в
плоском макродиоде и Sэфф не зависит от величины зазора. Для
определения суммарной эффективной площади для двухуровневой модели
катода, где на уровне наноострий угол θn имеет постоянное значение в
рамках модели микродиода, воспользуемся очевидным соотношением (2):
сумм
Sэфф
 4 2 Sc N r2 Nnrn2 (1  cos  )(1  cosn )
(2)
где Sc – площадь катодной матрицы, см2;
Nµ, Nn – плотности упаковок на микро- и наноуровнях, см-2;
rµ, rn – радиусы закругления сферических микро- и нановершин;
θn – угол вершины наноострия, θn=60°.
При анализе геометрических параметров реальных автоэмиссионных
структур по экспериментальным данным при фиксированном значении
автоэмиссионного тока I=30 мА для АЭК с площадью Sc=7·10-2 см2, были
сум м
определены усредненные экспериментальные и расчетные значения S эфф
,
представленные в табл. 1.
11
Таблица 1
d, мкм
Eср·10
В/см
4
Е0 ·10 ,
В/см
7
kэ
θμ,град
сум м
S эфф
,
сум м
S эфф
,
см2
см2
экспер.
расчет.
j,А/см2
j,А/см2
экспер.
расчет.
3
86
79,5
6,84
51
2,74·10-7
3,79·10-7
1,09·105
7,91·104
5
65
105
6,82
56
2,8·10-7
3,9·10-7
1,07·105
7,7·104
25
21
290
6,1
62
11,2·10-7
4,12·10-7
2,7·104
7,29·104
45
18
338
6,08
63
11,4·10-7
4,31·10-7
2,63·104
6,96·104
Таким образом, в результате проведенного анализа показано, что в
автоэмиссионных микродиодах на основе многоострийных монолитных
стеклоуглеродных катодов при увеличении d вместе с ростом
автоэмиссионного тока происходит увеличение Sэфф. Этот результат имеет
важное практическое значение, так как при увеличении Sэфф имеет место
заметное снижение максимальной плотности тока, отбираемого в
наноэмиссионных центрах, что создает возможность долговременной
работы таких холодных катодов.
При исследовании температурной зависимости автоэлектронной
эмиссии испытывались микродиоды с межэлектродными расстояниями 10,
20 и 30 мкм. Как видно из рис. 5, с ростом температуры МАЭК до 500°С
происходило существенное смещение ВАХ влево по оси абсцисс, при этом
величина средней напряжённости Еср электрического поля для тока
I=200 мкА уменьшалась с 36,6 В/мкм до 11,6 В/мкм для d=30 мкм. При
постепенном охлаждении микродиодов до 20оС происходило
восстановление первоначальных ВАХ.
Рис.5 ВАХ микродиодов – Т=20оС; ▲–Т=500оС 1– d =10 мкм, 2– d=20 мкм,
3– d=30 мкм
Для объяснения подобного поведения ВАХ автоэмиссионных диодов
в зависимости от температуры представим их в координатах ФаулераНордгейма lg(I/ Ecp2 )=f(I/Eср) (рис. 6).
12
Как видно из рис. 6, увеличение температуры МАЭК микродиодов в
наноэмиссионных центрах на вершинах микроострий при постоянной
величине зазора приводит к уменьшению tgα – угла наклона прямых
Фаулера-Нордгейма относительно оси абсцисс.
Предполагается, что при увеличении температуры МАЭК
коэффициент усиления электростатического поля k сохраняет свое
постоянство вследствие изотропности свойств углеродного материала и
сохранении геометрического подобия размеров микро- наноострий при
нагреве МАЭК до Т=500°С. Тогда можно считать, что главной причиной
непараллельности
прямых
Фаулера-Нордгейма
при
изменении
температуры является изменение работы выхода материала катода, ибо в
противном случае прямые ВАХ диодов должны быть параллельны друг
другу.
Рис.6. ВАХ в координатах Фаулера-Нордгейма  – Т=20оС; ▲–Т=500оС
(1– d =10 мкм, 2– d= 20 мкм, 3– d=30 мкм), (уровень значимости q=0.05)
Проведем оценку величины работы выхода стеклоуглерода СУ-2000
φ при различных температурных режимах для фиксированного значения
межэлектродного расстояния в микрозазорном автоэмиссионном диоде.
Для
этого
воспользуемся
соотношением
Фаулера-Нордгейма.
Соотношение Фаулера-Нордгейма в логарифмических координатах с
учетом функций t(y) и  ( y ) имеет вид
lg
I
Ecp 2
 lg AS эфф
k2
 t 2 ( y)
13

lg e B 3 / 2
( y)
Ecp
k
(
(3)
С учетом приближенного значения для функции  ( y ) ≈0,95–1,03y2 в
формуле (3) работу выхода можно определить по (4), где tgα – тангенс угла
наклона прямой Фаулера-Нордгейма к оси 1/Еср:
(
  3 (3,549  10 8 k tg ) 2
(4)
Однако оценка работы выхода таким способом всегда связана с
точностью определения действующего значения электростатического поля
Е0 на эмитирующей поверхности, а для этого необходимо знание
коэффициента усиления электростатического поля k на вершинах
эмиссионных центров. Определим k численным методом, решая задачу о
распределении электростатического поля в плоском микрозазорном диоде
с периодической многоострийной катодной структурой. С помощью
компьютерной программы была построена модель регулярной
автоэмиссионной многоострийной структуры с гладкой сферической
формой вершин и численно определены значения напряженности
электростатического поля вблизи вершин острий при различных
расстояниях катод-анод. Условие периодичности при численном анализе в
данном случае обеспечивается граничным условием U / n  0 , где U –
электростатический потенциал, являющийся решением уравнения Лапласа
U  0 , а производная берется по нормали к границе области.
Значения
расчетных
коэффициентов
усиления
k
и
экспериментальные величины tgα при различных температурах
представлены в табл. 2.
Таблица 2
T,oC
tgα ·10
при d=10 мкм, k=160
tgα ·106
при d=20 мкм, k=245
tgα ·106
при d=30 мкм, k=270
20
200
300
500
1,2803
1,1131
0,7949
0,5444
0,8947
0,6894
0,5357
0,3864
0,8297
0,7158
0,4781
0,3669
6
На основе данных табл. 2 по формуле (4) определена зависимость φ
от температуры Т, представленная на рис. 7. При этом необходимо
отметить, что отличие значений работы выхода при заданной температуре
МАЭК при использовании микродиодов с различными межэлектродными
расстояниями составило ±5%.
14
Рис.7. Зависимость работы выхода φ стеклоуглерода СУ-2000 от температуры
(– d=30 мкм, Δ– d=20 мкм, – d=10 мкм)
Полученное значение работы выхода для стеклоуглерода СУ-2000
при комнатной температуре, составившее 3,97 эВ, отличается от известных
табличных значений работы выхода (4,5÷4,7 эВ) для различных других
углеграфитовых материалов, приведенных в различной справочной
литературе.
В четвертой главе проведено 3D компьютерное моделирование
электронных пушек с МАЭК различных типов, а именно многолучевой
электронной пушки с монолитным, углеродным многоострийным АЭК,
многолучевой электронной пушки с криволинейной оптикой со
сферическим АЭК с пленочной углеродной наноструктурой и
магнетронно-инжекторной пушки. Расчет электронных пушек проводился
с помощью программы Lorentz-3EM V8.0, позволяющей рассчитывать
трехмерные электростатические и магнитные поля, а также рассчитывать
траектории движения заряженных частиц и форму огибающих
электронных потоков.
Уравнения движения представлены в следующем виде:
d 2x
dy
dz 

   Ex  Bz
 By ,
2
dt
dt
dt 

2
d y
dz
dx 

   E y  Bx
 Bz
,
dt 2
dt
dt 

(5)
d 2z
dx
dy 

   Ez  By
 Bx
,
2
dt
dt
dt 

где  = 1,759·1011 Кл/кг;
Ex, Ey, Ez, Bx, By, Bz – соответственно компоненты электрического и
магнитного поля.
В качестве примера представлены результаты моделирования
электронной пушки (ЭП) магнетронно-инжекторного типа с учетом
экспериментальных данных о геометрии и эмиссионных параметрах
используемых или проектируемых для них автоэмиссионных катодных
структур. Для образования автоэмиссионной структуры на конической
15
поверхности АЭК в этом случае наряду с другими может быть применена
CVD-технология получения нанотрубных углеродных АЭК.
В табл. 3 представлены исходные геометрические данные и
электрические режимы ЭП с АЭК. ЭП и труба дрейфа погружены в
однородное магнитное поле с индукцией B=1,5 Тл.
Таблица 3
I, A
U, кВ
Sc, см2
N, см-2
ntip, шт.
itip, мкА
B, Тл
1,2
Rc, мм
30
Rc1, мм
11,3·10-2
Ra, мм
4·108
Ra1, мм
4,5·107
l, мм
1,5
j, А/см2
малый
радиус
катода
большой
радиус
катода
3·10-2
E,
В/см
2,2
2,6
≤3·105
10,6
малый радиус большой радиус
высота
анодного
анодного
конического
отверстия
отверстия
катода
3,2
3,6
1,5
Рис. 8 Компьютерное изображение электронного потока
Рис.9 Конструкция магнетронно-инжекторной автоэмиссионной ЭП
(1- конический автоэмиссионный катод, 2- анод, 3- изолятор)
На рис. 8 представлены конфигурация трубчатого электронного
потока в однородном магнитном поле, сформированного магнетронноинжекторной пушкой и сечение электронного пучка в плоскости XY на
16
расстоянии 5 мм от катода. На основе результатов компьютерного
моделирования разработана конструкция ЭП, представленная на рис. 9.
Результаты моделирования показывают, что формируется трубчатый
электронный поток с микропервеансом 0,23 мкА/В3/2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
В результате выполненных расчетов и экспериментальных
исследований решена актуальная научно-техническая задача по созданию
современной технологии изготовления матричных многоострийных
автоэмиссионных катодов с высокой плотностью тока, выращенных из
монолитных углеродных материалов, и разработке конструкций
электронных пушек на их основе, обеспечивающих создание эффективных
приборов
вакуумной
сверхвысокочастотной
электроники
с
микросекундным временем готовности.
1. Усовершенствована
технология
микроразмерной
обработки
монолитных
стеклоуглеродных
пластин
с
образованием
многоострийной
матричной
автоэмиссионной
структуры
с
наноразмерным рельефом на вершинах микроострий. Разработан
процесс группового объемного микро-, нанозаострения углеродного
материала в низкотемпературной плазме ВЧ разряда в кислородной
среде. Получены матричные многоострийные углеродные структуры с
плотностью упаковки N=(106÷107)см-2.
2. Проведен анализ и показано, что в автоэмиссионных микродиодах на
основе многоострийных монолитных стеклоуглеродных катодов
наблюдается существенный рост величины автоэмиссионного тока при
увеличении межэлектродного зазора и сохранении при этом
неизменной величины средней напряженности электростатического
поля.
3. В микродиодах при величинах микрозазора d≤2,5lµ не выполняется
закон подобия для напряжения и тока и возникают трудности с
расчетом ВАХ таких микровакуумных диодов. При d≥2,5lµ
распределение электростатического поля на многоострийной
поверхности микро-, нанорельефа МАЭК слабо зависит от d и
полностью определяется микро–, нанорельефом поверхности катода.
4. Предложена экспериментально-расчетная методика количественной
оценки работы выхода, применимая и для других автоэмиссионных
материалов, в том числе для тугоплавких металлов и сплавов.
Используя экспериментальные прямые Фаулера-Нордгейма, показано,
что при повышении температуры автоэмиссионной многоострийной
катодной структуры из стеклоуглерода СУ-2000 до 500оС имеет место
уменьшение работы выхода материала МАЭК.
5. В
соответствии
с
геометрическими
параметрами
и
экспериментальными ВАХ по экспериментально-расчетной методике
17
определена величина работы выхода для индивидуальной углеродной
нанотрубки, которая составила 4,89±0,1 эВ.
6. Проведено 3D компьютерное моделирование электронных пушек:
многолучевой электронной пушки с монолитным, углеродным
многоострийным АЭК, многолучевой электронной пушки с
криволинейной оптикой со сферическим АЭК с пленочной углеродной
наноструктурой и магнетронно-инжекторной пушки с учетом
экспериментальных данных о геометрии и эмиссионных параметрах
используемых или проектируемых для них автоэмиссионных катодных
структур. Разработаны конструкции катодно-сеточных узлов и
электронных пушек с автоэмиссионными катодами с плотность тока
более 10 А/см2.
Содержание диссертации изложено в следующих работах:
В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ
1.
Бурцев А.А. Исследование вакуумных автоэмиссионных катодов
с углеродными микро-, наноструктурами / Ю.А. Григорьев, А.А. Бурцев,
П.Д. Шалаев, В.Г. Пименов // Вестник Саратовского государственного
технического университета. 2008. №3(2). С.100-105.
2.
Бурцев А.А. Экспериментально-расчетная оценка работы выхода
электронов из материалов автоэмиссионных катодов при анализе их
качества / Ю.А. Григорьев, А.А. Бурцев, П.Д. Шалаев, В.Г. Пименов //
Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009.
№3(40). С.119-124.
3.
Бурцев А.А. Плазмохимическое микрозаострение как способ
получения матричной микроразмерной углеродной структуры для
эффективных автоэмиссионных источников электронов / А.А. Бурцев,
Ю.А. Григорьев, Л.С. Плешкова, П.Д. Шалаев // Нанотехника. 2009. № 3.
С. 47-49.
4.
Бурцев А.А. Исследование вакуумных автоэмиссионных
микродиодов с изменяющимся зазором / Ю.А. Григорьев, П.Д. Шалаев,
А.А. Бурцев, В.Г. Пименов, Г.А. Рехен // Нано- и микросистемная техника.
2008. №7(96). С. 47-52.
В других изданиях
5.
Бурцев А.А. Многолучевые электронные пушки с сеточным
управлением на основе углеродных наноострийных матричных катодов с
полевой эмиссией для перспективных СВЧ ЭВП / М.П. Апин, Н.А.
Бушуев, Ю.А. Григорьев, П.Д. Шалаев, А.А. Бурцев, В.Г. Пименов //
Электронные приборы и устройства СВЧ: материалы научно-технической
конференции. Саратов, 2007. С.82-90.
18
6.
Бурцев А.А. Экспериментальное исследование матричных
многоострийных полевых катодов, полученных из монолитного
стеклоуглерода микрогравировкой и фрезерованием лазерным лучом /
Ю.А. Григорьев, П.Д. Шалаев, В.Г. Пименов, А.А. Бурцев, А.В. Конюшин,
Т.Н. Соколова // Электронные приборы и устройства СВЧ: материалы
научно-технической конференции. Саратов, 2007. С.90-98.
7.
Бурцев А.А. Фрактальные углеродные наноструктуры:
технология получения и автоэмиссионные свойства / Ю.А. Григорьев, А.А
Бурцев, П.Д. Шалаев // Наноструктуры, модели, анализ и управление:
аннотации лекций школы-семинара. М.: МИЭМ, 2008. С. 12.
8.
Бурцев А.А. Исследование температурной зависимости
автоэлектронной эмиссии вакуумных автоэмиссионных катодов из
стеклоуглерода / Ю.А. Григорьев, А.А. Бурцев, П.Д. Шалаев, Г.А. Рехен,
В.Г. Пименов // Актуальные проблемы электронного приборостроения
АПЭП-2008: материалы научно-технической конференции. Саратов:
СГТУ, 2008. С.100-106.
9.
Бурцев А.А. Плазмохимическое микрозаострение как способ
получения матричной микроразмерной углеродной структуры для
эффективных автоэмиссионных источников электронов / А.А. Бурцев,
Ю.А. Григорьев, П.Д. Шалаев // Электроника и вакуумная техника:
приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы научнотехнической конференции. Саратов, 2009. С.181-183.
10. Бурцев А.А. Нерегулярная матричная структура для
многоострийных автоэмиссионных катодов / А.А. Бурцев, В.В. Пензяков,
Г.В. Конюшков // Инновации и актуальные проблемы техники и
технологий: материалы Всероссийской научно-практической конференции
молодых ученых. Саратов: СГТУ, 2009. С. 209-211.
11. Бурцев А.А. 3D компьютерное моделирование автоэмиссионных
электронных пушек / А.А. Бурцев, Ю.А. Григорьев, В.Г. Пименов, П.Д.
Шалаев // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП2010: материалы научно-технической конференции. Саратов: СГТУ, 2010.
С.151-153.
19
Подписано в печать
Формат 60х84 1/16
Бум. офсет.
Усл. печ. л 1,0
Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз.
Заказ
Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054, Саратов, Политехническая ул., 77
Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77
20