Поверхности автокатодов

4.1. Модель структуры поверхности (168). 4.2. Влияние шероховатости поверхности графита на автоэмиссионные характеристики (173). 4.3. Особенности формовки автокатодов из высокопрочных графитов (177). 4.4. Влияние способа обработки рабочей поверхности автокатода из графита на ее структуру (179). 4.5. Пирографит (183). 4.6. Стеклоуг-лерод (185). 4.7. Получение больших эмиссионных токов (187).

Большую роль играют способ, условия (температура, состав газовой среды) получения углеродного порошка, а также степень его измельчения. Поверхность углеродных порошков не является равноценной в физико-химическом отношении [33]. Это связано в первую очередь с се энергетической неоднородностью, обусловленной нескомпенсированностью а- и л-элсктронов у атомов, находящихся на гранях и ребрах кристаллитов. Это обстоятельство значительно влияет на автоэмиссионныс свойства получаемых материалов, так как приводит к значительным локальным изменениям работы выхода электронов по рабочей поверхности автокатода, что при прочих равных условиях будет давать значительный разброс тока по поверхности катода. В данном случае уменьшить указанную неравномерность можно уменьшением размера частиц используемого порошка.

от рабочей поверхности автокатода, а другая (11) для изучения распределения температуры по длине катода на противоположном торце катода. Анод (J), так же, как и автокатод, изготавливался из графита типа МПГ-6. Т. к. анод в наших экспериментах находился под высоким потенциалом, то для измерения температуры термопара (3) крепилась на теплопроводящем изоляторе — бериллиевой керамике (6), установленной в пазу, сделанном в аноде на расстоянии 1 мм от его рабочей поверхности. Рабочие поверхности анода и катода предварительно шлифовались. Опыты производились в разборной высоковакуумной камере из нержавеющей стали Х18Н10Г с непрерывной откачкой.

ка и рост А?0,5 с увеличением тока катода авторы объясняют куло-новским взаимодействием электронов, эмиттированных из соседних эмиссионных центров на поверхности автокатода.

В процессе токоотбора под действием ионной бомбардировки рабочего типа происходит усадка волокна по длине, вследствие чего увеличивается межэлектродное расстояние. Это приводит к уменьшению напряженности электрического поля вблизи рабочей поверхности автокатода и уменьшению отбираемого тока при неизменном анодном напряжении. При этом предполагается, что вследствие большой длины фибрилл при уседании волокна характер распределения эмиттирующих микровыступов по поверхности и их общее количество сохраняются.

Сначала были сообщения об одноступенчатой формовке в течение нескольких часов [199], при этом получалось стихийное изменение рабочей поверхности, сопровождаемое, как правило, уменьшением эмиссионного тока при постоянном напряжении. И в этом случае основная идея формовки может быть сформулирована следующим образом: постепенный выход автокатода на рабочий токовый режим, стабилизирующий состояние эмигрирующей поверхности автокатода.

Таким образом, физический смысл формовки автокатода из углеродного волокна состоит в создании на поверхности автокатода максимального количества равномерно распределенных по его поверхности эмиссионных центров, дающих примерно одинаковый вклад в общий эмиссионный ток, т. е. создание развитой эмиттиру-ющей поверхности.

Для ПАН-волокон после выделения «скелетной» структуры начинается третий этап эрозии — медленное разрушение прочного скелета ионной бомбардировкой и полем. С переходом на этот этап связана длительная устойчивая работа таких катодов с постоянным уровнем токоотбора. Таким образом, физический смысл формовки состоит в постепенном изменении поверхности автокатода от ее начального состояния до окончательной конфигурации, общий (среднестатистический) вид которой не меняется при длительной многочасовой работе катода. Для ПАН-волокна формовка приводит к выделению скелетной основы и устраняет возможность обрыва участков волокна.

ЗЛ.З. Пути решения проблемы. В проблеме получения больших автоэмиссионных токов, а, следовательно, и использования автокатодов с большой рабочей площадью, решающую роль играет геометрическая неоднородность микровыступов по рабочей поверхности катода. С помощью интегральной технологии удается достичь достаточной равномерности радиусов закруглений эмиттирующих центров, см. например [220, 221]. Однако неизбежно присутствующие при автоэмиссии адсорбция остаточных газов и ионная бомбардировка приводят к неодинаковому изменению радиусов закругления микровыступов или, если следовать терминологии уравнения Фау-лера—Нордгейма, форм-фактора. Это приводит к перегрузке отдельных микровыступов, их взрывному испарению, разряду между катодом и анодом, и, как следствие, к деградации катода. В случае автокатодов из углеродных материалов геометрическую однородность эмиттирующих микровыступов создать практически невозможно. Поэтому основным инструментом, выравнивающим эмиссионные характеристики поверхности автокатода, является формовка, о чем уже неоднократно упоминалось. Однако, как показано выше, простая формовка для автокатодов большой площади не приносит желаемых результатов. Это связано, по-видимому, не только с большой неравномерностью микро-, но и макроповерхности катода, а также с изменениями расстояния анод—катод, которые при их малой величине играют очень большую роль. Один из наиболее перспективных на сегодняшний день путей решения этой проблемы состоит в разделении катода на электрически изолированные фрагменты, индивидуальной формовке каждого фрагмента и сдвиге вольт-амперных характеристик фрагментов в заданный допуск (естественно, в более высоковольтной области) [214]. Такие операции осуществляются с помощью вычислительно-управляющих комплексов на базе ЭВМ путем снятия вольт-амперных характеристик до токов, ббльших первоначального значения для формовки, после чего производится повторная формовка автокатода. После ее окончания вольт-амперная характеристика в области больших токов практически не изменяется (в координатах Фаулера—Нордгейма), а в области минимальных токов — сдвигается до попадания в требуемый допуск. При параллельном включении обработанных таким образом автокатодов наблюдалось полное сложение токов в полученной многоэмиттерной системе, т. е. в пределах флуктуации общий ток равен сумме токов эмиссии каждого из катодов [222]. На основании указанных операций получен [214] автоэмиссионный ток 100 мА в непрерывном режиме с 9 автоэлектронных катодов из пучков углеродных волокон диаметром 70 мкм. Расстояние анод—катод 1,5мм, давление остаточных газов 5-10~5Па. Предельный ток до формовки системы из 9 катодов не превышал 2 мА. В результате индивидуальной формовки каждый из катодов обеспечивал эмиссионный ток на уровне 10—15 мА. Вольт-амперные характеристики всех

Предложенная в [228] методика основывается на том, что информация о шероховатости рабочей поверхности автокатода может быть получена из записей видеосигнала строки растра в растровом электронном микроскопе.

4.4. Влияние способа обработки рабочей поверхности автокатода из графита на ее структуру

Для понимания механизма формирования эмиттирующей поверхности углеродно-волоконных автокатодов и изменения их автоэмиссионных свойств в процессе эксплуатации важное значение имеют данные, получаемые при наблюдении поверхности катодов при помощи растрового электронного микроскопа. Поэтому в данном разделе рассмотрена динамика структуры поверхности автокатодов из полиакрилонитрильных углеродных волокон в процессе длительной работы ( « 1000 часов).

Рис. 3.13. Изменение эмиттирующеи поверхности автокатодов из полиакрилонитрильного волокна: а — до работы; б — 100 ч, 50 мкА; в — 1000 ч, 100 мкА; г — 1000 ч, 200 мкА

Приведенное выше описание результатов проделанных экспериментов позволяет выделить роль двух наиболее мощных механизмов эрозии поверхности автокатодов при их формовке и последующей работе. Эти механизмы — бомбардировка ионами остаточных газов и пондеромоторные нагрузки на материал катода под действием электрического поля. Имеет смысл выделить ряд последовательных этапов эрозии поверхности полиакрилонитрильных углеродных волокон. На первом этапе (длительностью до 5—10 минут в вакууме 5-10~6 мм рт. ст.) происходит вначале развитие сети дислокаций на торцевой и боковой поверхностях волокна под действием ионной бомбардировки, а затем увеличение их до плоских округлых раковин диаметром до 1 мкм и глубиной до 0,3 мкм. Длительность этого этапа существенно зависит от рабочего вакуума в установке, а также от состояния приповерхностных слоев материала каждого конкретного катода (распределения по поверхности коэффициента ионного распыления) и может колебаться от нескольких десятков секунд до 5—10 минут для одного и того же материала.

Исследования структуры рабочей поверхности автокатодов в растровом электронном микроскопе [225] позволяют сделать заключение о динамике изменения рабочей поверхности. Исходная поверхность (рис. З.ЗЗа, б) с микровыступами с радиусами закругления порядка 0,01—0,1 мкм претерпевает разрушения под действием ионной бомбардировки и пондеромоторных сил. Эти разрушения наиболее интенсивны в первые 50—100 часов работы и проявляются в виде многочисленных язв и щербин, эрозии боковой поверхности и наружной кромки волокна, аналогично полиакрилонитрильным волокнам.

В данной главе рассматриваются некоторые типы конструкционных углеродных материалов, использованных для изготовления автокатодов, — таких, как высокопрочный графит типа МПГ-6, пироугле-род, стеклографит и их производные, которые выпускаются промышленностью. Площадь изготавливаемых автокатодов составляла от 0,1 мм2 до нескольких квадратных сантиметров. Увеличение площади эмигрирующей поверхности автокатодов из углеродных волокон за счет увеличения их количества, в частности использование пучков волокон, различных композитов на их основе представляет самостоятельный интерес и рассмотрены ранее в гл. 3.

Как было неоднократно показано ранее, автоэмиссионные характеристики углеродных материалов существенно зависят от их структуры. В данном параграфе на примере высокопрочного графита типа МПГ-6 будет показано влияние способа обработки рабочей поверхности автокатодов, изготовленных из одного исходного куска графита, на структуру поверхности.

сти она ничтожна. Поэтому в качестве рабочей поверхности автокатодов используют торцы пластин пирографита различной длины и толщины.

Исследования флуктуации тока автоэлектронной эмиссии представляют помимо чисто научного [280, 281] большой практический интерес [282] для разработки автоэлектронных катодов. Экспоненциальная зависимость тока автоэмиссии от прозрачности потенциального барьера, через который туннелируют электроны, обусловливает сильную зависимость флуктуации тока от процессов, происходящих на поверхности автокатода и в его приповерхностных областях, что дает высокую чувствительность метода измерения шумов для исследования поверхности. Спектральные характеристики, в особенности низкочастотные флуктуации, несут информацию о временных и статистических параметрах электронных и адсорбци-онно-миграционных процессов на поверхности автокатодов.

Проведение в процессе формовки контроля уровня флуктуации позволяет судить по особенности поведения спектров о физической природе процессов на поверхности автокатодов, скорости и характере ее перестройки.

Наличие на поверхности автокатодов адсорбированных атомов остаточных газов приводит к изменению ее работы выхода по срав-

Автокатоды таких насосов должны обладать целым рядом конструктивных особенностей. В первую очередь на рабочей поверхности автокатодов наносятся выступы шириной 0,3—1 мм. Для их эффективной работы необходимо, чтобы расстояние между эмиттирующи-ми микровыступами на рабочих поверхностях выступов и анодом было существенно меньше размеров рабочей части выступов. В этом случае микровыступы, находящиеся на рабочей поверхности выступов, дают наилучший вклад в автоэмиссию. При увеличении этого расстояния напряженность электрического поля на микровыступах уменьшается и выступ работает как целое, то есть, в основном, периметром, что существенно снижает эффективность работы автокатода.