АВТОТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЙ КАТОД Российский патент 2004 года по МПК H01J1/30 

Изобретение относится к электронной технике, а конкретно к катодам, работающим в режиме термоавтоэлектронной эмиссии. Такие катоды, обладающие высокой плотностью эмиссионного тока, широко используются, например, в электронно-оптических системах электронной литографии и микроскопии.

Одним из самых распространенных конструкций таких катодов являются катоды, выполненные в виде острия. Материал этих острий должен обладать малой работой выхода и возможностью изготавливать их с малым радиусом скругления для обеспечения высокой напряженности прикладываемого электрического поля.

Известен автотермоэлектронный катод (АТЭК) в виде острия из металлоподобного соединения - гексаборида лантана, закрепленного на держателе, нагреваемом пропусканием через него электрического тока [1]. Гексаборид лантана достаточно устойчив при работе в относительно невысоком вакууме (10^-6-10^-7 Торр) и обладает сравнительно высокой эмиссионной способностью (работа выхода 2,7-2,8 эВ).

Но АТЭК из гексаборида лантана обладает существенными недостатками. Из гексаборида лантана очень трудно изготовить острия с радиусом скругления меньше 1-1,5 мкм, а это значит, что трудно обеспечить высокие плотности отбираемого эмиссионного тока, для повышения его приходится увеличивать рабочую температуру, а при длительной же работе при высоких рабочих температурах катода (1300-1400^oС) держатель его, выполняемый, как правило, из молибдена, охрупчивается и, соответственно, может ухудшиться механическая прочность катодного узла. Стабильность работы АТЭК из гексаборида лантана невысока.

Известен АЭТК, острие которого выполнено из сплава платины с барием [2].

Сплав обладает высокой эмиссионной способностью, что обусловлено пленочным характером эмиссии: при рабочих температурах катода на поверхности платины образуется монослой бария, диффундирующий из интерметаллида Pt₅ Ba, содержащегося в сплаве. Металлическое острие в таком АТЭК можно выполнить с очень малым радиусом скругления (0,3-0,4 мкм), но количество активного вещества Ba в объеме такого острия будет очень мало (1-2%), поскольку барий в платине не растворяется, а образует с платиной интерметаллическое соединение.

Таким образом, недостатком АТЭК, выполненного из сплава платины с барием, является невозможность создать в нем достаточный запас активного вещества, необходимого для обеспечения приемлемой долговечности катода.

Известен АТЭК, выполненный в виде острия из тугоплавкого металла и резервуара, содержащего активный металл, работа выхода которого меньше работы выхода металла острия, и размещенного на боковой поверхности острия на расстоянии от вершины острия, сравнимом с длиной миграции активного металла по металлу острия [3, прототип]. В АТЭК [3] острие выполнено из W (следовательно, радиус скругления можно сделать очень малым), а резервуар выполнен в виде кольца из Zr, нанизанного на острие. Работы выхода вольфрама и циркония равны 4,54 и 3,9 эВ, соответственно. В процессе работы АТЭК атомы циркония, покидая кольцо, мигрируют по поверхности вольфрамового острия, покрывая его моноатомным слоем, снижающим работу выхода до величины 2,7 эВ, указанной в [3]. В описании патента [3] отмечено также, что цирконий при рабочей температуре АТЭК должен промигрировать до вершины острия, чтобы создать пленочную эмиссионную структуру Zr-W. Это значит, что резервуар циркония - кольцо должно быть размещено на вполне определенном расстоянии от вершины острия, сравнимом с длиной миграции при заданной температуре. Зная теплоту миграции и величину заданной температуры, это расстояние легко может быть вычислено. По порядку величины это расстояние от вершины острия до места закрепления резервуара составляет несколько десятков мкм.

Этот принцип динамического поддержания высокой эмиссионной активности металлического эмиттера за счет миграции на его поверхность активного металла из постороннего источника использован и в предложенном техническом решении.

Недостатком известного катода [3] является его низкая эмиссионная способность.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эмиссионной способности и стабильности АТЭК, основанного на принципе поддержания эмиссионной системы за счет миграции активного металла на острие из внешнего резервуара.

Технический результат достигается за счет того, что в АТЭК, выполненном в виде острия из тугоплавкого металла и резервуара, содержащего активный металл, работа выхода которого меньше работы выхода металла острия, и размещенного на боковой поверхности острия на расстоянии от вершины острия, сравнимом с длиной миграции активного металла по металлу острия, острие выполнено из иридия, а резервуаром является слой интерметаллида Ir₂La.

Выполнение острия из тугоплавкого металла Ir позволяет обеспечить очень малый радиус скругления, а наличие на боковой поверхности резервуара с активным металлом La обеспечит поставку этого лантана на поверхность иридия, необходимого для создания и поддержания работы эмиссионной системы La-Ir, обладающей низкой работой выхода. Резервуаром в нашем техническом решении является достаточно устойчивое соединение Ir₂La, которое при рабочей температуре острия диссоциирует с выделением активного металла - La, обладающего меньшей, чем металл острия, работой выхода и, следовательно, необходимого эмиссионной системе La-Ir.

Подобный принцип работы пленочных систем с поставкой активного металла из интерметаллида справедлив для ряда металлосплавных термоэлектронных и вторичноэмиссионных эмиттеров, широко используемых в технике электровакуумных приборов. Но в этих типах катодов при их сравнительно больших габаритах поставка активного металла на поверхность эмиттера осуществляется изнутри объема сплава. В настоящем техническом решении при малых габаритах острия La поступает на рабочую поверхность не изнутри острия, а из внешнего источника - резервуара Ir₂La, размещенного на боковой поверхности острия на заданном от вершины расстоянии.

Изобретение иллюстрируется фиг.1, на которой обозначены: иридиевое острие 1, резервуар интерметаллида 2, держатель 3, нагревая который пропусканием тока обеспечивают нагрев АТЭК до заданной рабочей температуры. Внешне термоэмиттер напоминает обыкновенный карандаш, укрепленный стоймя на держателе. Роль "грифеля" в этом "карандаше" выполняет Ir, а наружной оболочки - интерметаллид Ir₂La.

В качестве примера реализации предложенной конструкции рассмотрим вариант катода, исходным для которого была иридиевая проволока диаметром 50 мкм. Сначала изготавливалась заготовка с концом, заостренным до радиуса скругления в несколько мкм. Затем заготовка выдерживалась в парах лантана при температуре 1400-1500^oС до образования на боковой поверхности слоя интерметаллида Ir₂La толщиной 5-6 мкм. Получение именно Ir₂La вследствие такой технологии подтверждено методом рентгенофазового анализа. После этого конец заготовки стравливали электрохимически до радиуса скругления 0,3-0,4 мкм, обнажая таким образом центральную часть заготовки - острие 1 и оставляя на наружной поверхности оболочку Ir₂La, являющуюся резервуаром 2. Острие приваривали стоймя к держателю 3 из молибдена.

Проведенные испытания показали, что предложенный катод работал более 1000 часов при температуре 1000-1100^oС с отбором тока до 20-30 мА в непрерывном режиме и до 300-400 мА в импульсном. Подобные данные для АТЭК представляются уникальными.

Предложенное решение, вообще говоря, применимо ко всем металлосплавным эмиссионным системам, которые имеют интерметаллические включения, но АТЭК на основе иридия с лантаном имеет преимущества, поскольку иридий хорошо обрабатывается, для него известны недорогие травители, а эмиссионная система (моноатомная пленка лантана на иридии) обладает низкой работой выхода (2,5-2,6 эВ) и достаточно устойчива при рабочих температурах катода.

Источники информации
1. S. Kawai and oth., патент США 4055780, кл. 313-346 R, 1977.

2. Ю. В. Зубенко, Н.П. Есаулов. Исследование сплава платина-барий в автоэлектронном микроскопе. - Физика твердого тела, т. ХII, 3, с.852-855, 1970.

3. J. E. Wolfe, L. W. Swanson, патент США 4325000, кл. 313-336, 1982 (прототип).

Изобретение относится к электротехнике, в частности к изготовлению автотермоэлектронных катодов, которые могут быть использованы в электронно-оптических системах. Техническим результатом изобретения является обеспечение высоких значений отбираемого тока эмиссии в течение более 1000 ч. Катод выполнен в виде острия из иридия, на котором в виде кольца расположен интерметаллид Ir₂La. 1 ил.

Автотермоэлектронный катод, выполненный в виде острия из тугоплавкого металла и резервуара, содержащего активный металл, работа выхода которого меньше работы выхода металла острия, и размещенного в виде кольца на расстоянии от вершины острия, сравнимом с длиной миграции активного металла по металлу острия, отличающийся тем, что острие выполнено из иридия, а кольцо из интерметаллида Ir₂La.