И.Н. Ескин, В.Б. Шаров, Е.П. Шешин, д-р физ.-мат. наук, проф., МФТИ,
А.А. Щука, д-р техн. наук, МИРЭА
ОСОБЕННОСТИ ЭМИССИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ТРИОДНЫХ СТРУКТУР С АВТОКАТОДАМИ ИЗ ПАН-ВОЛОКОН
|
Рассмотрены матричные автоэмиссионные катоды из углеродного волокна.
Описана схема экспериментального прибора триодной конструкции. Приведены
автоэмиссионные характеристики катодов. Получена эмпирическая формула для
анодно-сетчатых характеристик автоэмиссионного матричного триода. Показано,
что вклад отдельных эмиттеров в токоотбор является одинаковым с точностью до
4U/I в широком диапазоне токов вплоть до
5 мА |
Введение
Автоэлектронные катоды различных типов длительное время служат объектом исследования в качестве перспективных источников электронов для электровакуумных приборов, что обусловливается такими преимуществами автоэмиссии, как, например, отсутствие потерь мощности на подогрев катода, экспоненциально высокий рост силы тока от напряжения, мгновенная готовность катода к работе [1]. Однако, несмотря на высокие локальные плотности тока, токоотбор с одиночных катодов относительно мал - в стационарном состоянии не превышает уровня в несколько сотен микроампер для традиционных металлических острий [2]. Повышение эмиссионного тока может быть достигнуто созданием систем с большим числом эмиттеров, однако большинство существующих многоэмиттерных массивов (многоигольчатых на основе металлических и полупроводниковых острий, эвтектических соединений с нитевидными включениями и др.) не обеспечивают равномерности токоотбора от эмиттера к эмиттеру, что ограничивает суммарный ток [3]. Использование сложной интегральной технологии в матрице Спиндта [4] позволило достичь одинаковой формы для нескольких тысяч микроострий, так что их суммарный вклад в общий ток пропорционален числу эмиттеров, однако работоспособность данной системы сохраняется лишь в сверхвысоком вакууме при давлениях не хуже 10-9 мм рт. ст. (1 мм рт. ст. = 133,322 Па). В то же время для большинства электровакуумных приборов требуется работоспособность при давлениях на уровне 10-6 – 10-7 мм рт. ст.
Разработанные в последнее время технологические принципы построения токовой обработки автокатодов из полиакрилонитрильных (ПАН) углеродных волокон [5] позволяют создавать автокатоды, способные устойчиво функционировать в вакууме 10-6 – 10-7 мм рт. ст. в течение длительного времени [6].
Последнее обстоятельство открывает возможность создания многоэмиттерных катодов на основе углеродных волокон и разработки приборов с использованием таких катодов. Настоящая статья посвящена исследованию эмиссионных характеристик триода на основе макета многоэмиттерного автокатода из ПАН углеродных волокон.
Методика эксперимента
Основные эксперименты по исследованию автоэмиссионных характеристик триодов с автокатодом из ПАН волокон проводились на отпаянных приборах.
|
|
|
Рис. 1. Конструкция экспериментального прибора |
Схема экспериментального триода представлена на рис. 1. В качестве источника эмиссии использовались матричные автокатоды 2 с десятью изолированными эмиттерами из пучков ПАН углеродных волокон 3 (с температурой термической обработки 1950°С) общим диаметром 70 мкм, предварительно упрочненных пироуглеродом и покрытых с помощью химического и электролитического осаждения слоем никеля толщиной 2-70 мкм. Пучки располагались на основании 2 по окружности с шагом 1,2 мм, основание закреплялось на ножке прибора 1, при этом все эмиттеры имели независимые вводы электрического питания.
После установки эмиттеры выравнивались по высоте с помощью электроэрозионной резки, затем подвергались индивидуальной токовой формовке, описанной в [7].
В качестве управляющего электрода 4 использовалась вольфрамовая сетка с размером ячеек 50´50 мкм,
расстояние 
от плоскости сетки до
вершин эмиттеров составляло 0,1-0,4 мм. Анод 5 представлял собой диск из никелевой фольги толщиной 0,8 мм и
диаметром 20 мм, расстояние 
от вытягивающего
электрода до анода варьировалось от 20 до 80 мм в различных приборах.
Макеты триодов собирались в стеклянных корпусах и отпаивались на посту с безмасляной откачкой при вакууме 10-6 – 10-7 мм рт. ст.
Формовка углеродно-волоконных эмиттеров и снятие вольтамперных характеристик проводились в автоматическом режиме с использованием вычислительно-управляющего комплекса.
Для получения ускоряющих анодных напряжений служил
высоковольтный источник с ручным управлением и выходным напряжением 
кВ 
В. Сила сеточного и анодного токов измерялась стрелочным
микроамперметром М2015 с погрешностью 0,5%.
В ходе экспериментов было установлено, что в диодной конструкции при расстоянии до дискового анода 0,4 мм все эмиттеры после формовки обеспечивают близость характеристик при одинаковых напряжениях, причем разброс силы токов между эмиттерами составляет 10-15% на уровне 5·10-3 А и не превосходит 25% на уровне 5·10-9 А.
Результаты экспериментов
На рис. 2 представлены характеристики триода с матричным автокатодом, в котором сетка и анод находятся под общим потенциалом. Сплошные кривые на графике соответствуют катодному току, регистрируемому ЭВМ, штриховые - сеточному току.
|
|
|
Рис.
2. Характеристики триода |
Разброс силы токов эмиттеров в триодной конструкции несколько
выше - до 40% в широком диапазоне (кривые 1, 2). Увеличение разброса силы тока
связано, по-видимому, со случайным расположением эмиттеров относительно ячеек
сетки, что вызывает некоторую неравномерность в распределении поля. Кривая 3
показывает, что общий ток многоэмиттерного катода равен сумме токов отдельных
эмиттеров при тех же значениях напряжения. Уменьшение расстояния (см. рис. 1) до
анода при том же потенциале на аноде и сетке вызывает смещение характеристик в
область больших токов (кривая 4).
Зависимости сеточного тока, показанные штриховыми линиями с теми же номерами, что и соответствующие кривые катодного тока, позволяют оценить долю тока, перехватываемую сеткой при равенстве анодного и сеточного потенциала, в 15-20%.
Зависимость силы тока анода от напряжения на сетке снималась при использовании высоковольтного источника в цепи анода, напряжение на сетке управлялось с помощью ЭВМ. Максимальный токоотбор ограничивался значениями единиц миллиампер, поскольку в отпаянных приборах увеличение токоотбора свыше 1 мА при напряжениях анода до 8 кВ приводит к перегреву анода и нарушению вакуума в приборе. Максимальный токоотбор в данной конструкции в кратковременном режиме составлял 5 мА при напряжениях на сетке до 3 кВ и на аноде до 8 кВ.
Увеличение анодного тока в зависимости от сеточного при использовании в качестве параметра напряжения на аноде представляет рис. 3, пунктирные линии соответствуют одному из эмиттеров, сплошные - всему многоэмиттерному катоду. Напряжение запирания, определяемое как напряжение вытягивающего электрода, при котором анодный ток падает до величины, меньшей 1 мкА, уменьшается при увеличении анодного потенциала, что свидетельствует о частичном проникновении поля анода под сетку.
На рис. 4 изображены зависимости тока анода от напряжения на аноде в области превышения потенциала анода над потенциалом сетки, последний взят в качестве переменного параметра. Ток анода возрастает слабо при увеличении анодного потенциала вследствие экранирующего действия сетки, рост сеточного потенциала увеличивает крутизну характеристик (кривые 1-3).
|
|
|
|
Рис. 3. Сеточные характеристики триода |
Рис. 4. Анодные характеристики триода |
Обсуждение результатов
Коэффициент усиления триода определяли, включая в цепь
анода нагрузочное сопротивление 
от 1 до 100 МОм и
измеряя отношение приращения разности выходного напряжения высоковольтного
источника и напряжения на сопротивлении к приращению сеточного напряжения:
ус
в.и
.
Максимальное значение коэффициента усиления при анодном напряжении 10 кВ составляло 80 при силе токе 50 мкА и сопротивлении нагрузки 100 Мом. При силе тока 500 мкА и сопротивлении нагрузки 10 МОм коэффициент усиления был равен 30. Значения коэффициента усиления в наших экспериментах определялись сопротивлением выходной цепи и ограничивались мощностью источника питания.
Отметим, что полученные в ходе экспериментов зависимости силы эмиссионного тока триода от напряжения на сетке и аноде (рис. 3) могут быть аналогично [8] описаны с помощью полуэмпирического выражения вида
, (1)
где 
- параметр,
определяющий вклад анодного напряжения и зависящий от геометрии электродов; 
- эффективное
напряжение, характеризующее совместное действие анода и сетки; 
и 
- некоторые постоянные
для данного прибора величины, зависящие от материала и форм-фактора автокатода
и площади его эмитирующей поверхности.
Значения , полученные в наших экспериментах с помощью ЭВМ, находятся в
пределах 0,09-0,31 для различных приборов. Так, для триода, характеристики
которого изображены на рис. 4, 
; 
, 
(А/В2). В
этом случае значения напряжения при подстановке в формулу (1) берутся в
вольтах, а сила тока - в амперах.
Из формулы (1) следует, что все точки экспериментальных характеристик триода должны лежать на отрезке одной прямой - зависимости, аналогичной прямой Фаулера-Нордгейма, построенной в координатах
и 
.
|
|
|
Рис. 5. Вольт-амперные характеристики |
Зависимости силы тока триода (рис. 4),
перестроенные в этих координатах, имеют, действительно, характерный для автоэмиссионного
тока прямолинейный характер (рис. 5). Из графика видно, что увеличение
параметра в формуле (1) приводит
к смещению характеристик триода в область более высоких напряжений, что
соответствует уменьшению влияния анодного напряжения. Номерами обозначены
зависимости для разных : 
(1), (2), 
(3).
Выводы
На основе матричного автоэлектронного катода из пучков
углеродных волокон реализованы экспериментальные триоды, исследованы их
анодно-сеточные и анодные характеристики, определены статические параметры: токоперехват
сетки, коэффициент усиления. Показано, что вклад отдельных эмиттеров в
токоотбор является одинаковым с точностью до 
в широком диапазоне
токов вплоть до 5 мА. Найдена полуэмпирическая формула для анодно-сеточных
характеристик триода, определяющая ход прямых Фаулера-Нордгейма для тока
триода.
Список литературы
1. Бондаренко Б.В., Рыбаков Ю.Л., Шешин Е.П., Щука А.А. Автоэлектронные катоды и приборы на их основе // Обзоры по электронной технике, сер. 4. “Электровакуумные и газоразрядные приборы”, М., ЦНИИ “Электроника”, 1981. Вып. 4. 58 с.
2. Ненакаливаемые катоды / Под ред. Елинсона М.И. М.: Сов. радио, 1974. 336 с.
3. Stewart D., Wilson P. Recent developments in broad area field emission cold cathodes // Vacuum, 1980. Vol. 30. № 11/12. P. 532-537.
4. Spindt С.A., Holland С.Е., Stowell R.D. Field emission cathode array development for high-current density application // Appl. of Surf. Sci. 1983. Vol. 16. № 1/2. P. 268-276.
5. Бондаренко Б.В., Баканова Е.С., Черепанов А.Ю., Шешин Е.П. Влияние формовки на структуру углеродных автокатодов // РЭ. 1985. Т. 30. № 11. С. 2234-2238.
6. Бондаренко Б.В., Шаховской А.Г., Шешип Е.П. Динамика эмитирующей поверхности углеродно-волоконных автокатодов при длительной работе // РЭ. 1987. Т.32. № 1. С. 199-201.
7. Бондаренко Б.В., Черепанов А.Ю., Шешин Е.П. Система для измерения эмиссионных характеристик автокатодов // ПТЭ. 1987. № 1. С. 245.
8. Бондаренко Б.В., Макуха В.И. Диод и триод с лезвийным автокатодом // Электронная техника, сер. 4. “Электровакуумные и газоразрядные приборы”, 1974. Вып. 7. С. 29-33.
| Наверх |