–PAGE_BREAK–2.3Углеродные волокна
Первые эксперименты по автоэмиссии углеродных волокон проводились на образцах из вискозных волокон. Позднее были изучены эмиссионные свойства стеклоуглеродных волокон. Однако наиболее распространенным объектом исследования являются полиакрилонитрильные (ПАН) волокна.
Автоэмиссионный катод (АЭК) на основе полиакрилонитрильного углеродного волокна наиболее стабилен для работы в техническом вакууме (под «техническим вакуумом» здесь и далее подразумевается уровень вакуума, типичный для электровакуумных приборов: 10-4 – 10-6 Торр). Эмиссионными центрами у такого автокатода являются многочисленные (~105) микровыступы, образованные выходящими на торцевую поверхность волокна фибриллами и их совокупностями. При работе АЭК разрушение отдельных микровыступов не приводит к существенному изменению эмиссионного тока, так как среднее число микровыступов во время работы автокатода остается постоянным. Этот факт и определяет высокую стабильность эмиссионного тока и большой срок службы АЭК в условиях технического вакуума. Катоды из углеродных волокон без существенной деградации эмиссии выдерживают вакуумные пробои, что недопустимо для подавляющего большинства других типов автоэлектронных катодов.
Наработка катода на основе пучка углеродных волокон составила 7,5 тыс. часов при токе 50 мкА
Изготовление катода из углеродных волокон представляет значительные трудности вследствие малых поперечных размеров волокна (∅ ~7 мкм). Поэтому использование катода на основе одиночного волокна не технологично и не дает существенного улучшения эмиссионных свойств и надежности катода .
Один из перспективных методов крепления пучка углеродных волокон – остекловка. Пучок полиакрилонитрильных углеродных волокон заключают в диэлектрическую оболочку из стекла марки С-93 (рис.1). Внешний диаметр стеклянной оболочки – 2 мм; внутренний – порядка 0,18 мм; пучок состоит из 350–400 углеродных волокон; средний диаметр волокна – 7 мкм.
Операция остекловки позволяет изготавливать катоды с пучком волокон, ориентированным вдоль оси электронно-оптической системы и расположенным строго по центру катода при отсутствии механических нагрузок на волокна. Кроме того, остекловка пучка углеродных волокон повышает вибрационную стойкость автоэлектронного катода, обеспечивает ориентацию волокон и возможность механического крепления катода.
В работах изучалась эмиссия заостренных волокон. В большинстве случаев заострение проводилось путем травления в электролите. Такая методика позволяет получить ровную поверхность с большим числом рабочих микровыступов. Однако в первые же часы работы такого катода в условиях высокого технического вакуума происходит разрушение его поверхности под действием ионной бомбардировки. Таким образом, при работе в высоком техническом вакууме заострение волокон теряет свое значение.
Существенно лучшие результаты по стабилизации тока автокатода из углеродных волокон дает применение методики предварительной токовой тренировки (формовки). Такая методика впервые применена для стабилизации тока стержневых графитовых катодов… Формовка заключалась в работе катода при постоянном токе ≈100 мкА в течение 5 ч, при этом давление остаточных газов составляло 10-7 Торр. Применяемая методика была одноступенчатой и, по утверждению, позволила застабилизировать положение вольт-амперной характеристики и снизить флуктуации эмиссионного тока. В дальнейших работах, рассматривалась многоступенчатая формовка. Физическое обоснование процесса формовки состоит в том, что при токовой тренировке происходит разрушение нестабильных участков углеродного волокна и выделение «скелетной» структуры.
2.4Особенности работы автоэмиссионных катодов
Одним из основных свойств автокатодов из углеродных материалов, определяющих возможность их практического использования, является стабильность эмиссии в условиях технического вакуума. Под термином «стабильность» подразумевается отсутствие флуктуаций автоэлектронного тока и необратимых изменений эмиссии, которые могли бы заметно повлиять на сокращение срока службы автоэлектронного катода.
Одна из причин, приводящих к ухудшению эмиссии или даже гибели эмиттера, – вакуумная дуга, возникающая из-за наличия остаточных газов или из-за распыления материала катода при значительном эмиссионном токе. Это явление наблюдается в условиях, при которых электрическое поле становится выше некоторого критического значения. В данном случае в системе может даже возникнуть дуговой или искровой разряд, результатом которого станет необратимое разрушение материала катода .
Другая причина нестабильности в работе АЭК связана с бомбардировкой эмиттера положительными ионами остаточных газов. Электроны, эмитируемые катодом при своем движении к аноду, ионизуют атомы остаточных газов, а также атомы и молекулы различных веществ, выделяющихся из стекла и электродов прибора. Образующиеся при этом положительные ионы, ускоряясь в электрическом поле, движутся к эмиттеру и бомбардируют его, обладая значительной средней энергией, определяемой напряжением между анодом и катодом .
Еще один существенный фактор, влияющий на деградацию АЭК, – это разогрев эмиттера Джоулевым теплом. Учет влияния разогрева током особенно важен при рассмотрении наноразмерных эмиттеров. Поскольку S – площадь контакта эмиттера с подложкой – составляет всего несколько десятков квадратных нанометров, то сопротивление такой системы ~1/S – весьма существенно. При этом в условиях вакуума основной отвод тепла осуществляется через подложку и количество отводимого тепла невелико. Совокупность этих факторов приводит к существенному разогреву отдельных эмиссионных центров. Подобный сильный локальный разогрев (до температур порядка 2000 К) наблюдался при автоэлектронной эмиссии из нанотрубок. При таких температурах происходит уже не автоэлектронная, а термоавтоэлектронная эмиссия. УНТ в этих условиях может быстро разрушаться (испаряться), что приводит к исчезновению данного эмиссионного центра.
Следует также отметить механическое воздействие поля на свойства автоэмиссионных катодов на основе нанотрубок. Известно, что углеродные нанотрубки в электрическом поле стремятся сориентироваться по полю под действием пондеромоторных сил. В результате переориентации увеличивается коэффициент усиления поля. Однако, помимо этого полезного с практической точки зрения эффекта, также наблюдается и негативный эффект – резкое ослабление механического и электрического контакта нанотрубки с подложкой.
Однако наибольшее влияние на стабильность автоэмиссионного тока оказывает модификация поверхностных свойств катода при адсорбции на нем атомов остаточных газов и их десорбции под действием ионной бомбардировки. Можно отметить, что лишь адсорбция кислорода и паров воды оказывает существенное влияние на электронные свойства трубки. При этом молекулы кислорода увеличивают значения потенциала ионизации (работы выхода), а молекулы воды, наоборот, уменьшают.
Подводя итоги, можно сделать вывод, что, несмотря на внушительное количество экспериментальных данных, в настоящее время вопрос о стабильности эмиссионного тока АЭК из различных наноуглеродных материалов остается открытым. Неясно, в каких условиях и какие именно факторы определяют стабильность работы того или иного катода. Из-за большого количества факторов и их сложного влияния на процесс автоэлектронной эмиссии окончательной модели, описывающей деградацию и флуктуации эмиссионного тока, нет. Изучение стабильности эмиттеров и определение влияющих на нее факторов необходимы для определения оптимальных режимов работы таких катодов.
продолжение
–PAGE_BREAK–