ПРЯМОНАКАЛЬНЫЙ ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ КАТОД Российский патент 2023 года по МПК H01J1/15 H01J1/13 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к прямонакальным термоэмиссионным катодам для электровакуумных приборов с низкими значениями тока в электронном пучке, в частности сканирующих электронных микроскопов (СЭМ).

Для реализации высокой разрешающей способности СЭМ, которая приближается к нескольким нанометрам, электронный пучок с энергией до 50 кэВ необходимо сфокусировать на поверхности исследуемого образца в пятно диаметром в несколько нанометров. Реализация данных требований накладывает ограничения на угловой разброс траекторий электронов, стартующих с поверхности катода. Для фокусировки электронов в пятно малого диаметра траектории электронов должны находиться внутри конуса с малым телесным углом при вершине.

Традиционно в качестве источников электронов в СЭМ используются катоды, работающие на принципах термоэлектронной эмиссии, автоэлектронной эмиссии и комбинированной термоавтоэлектронной эмиссии (катоды Шоттки). Для стабильной и долговечной работы автоэмиссионных катодов и катодов Шоттки требуется сверхвысокий вакуум (до 10^-10 Торр), обеспечение которого является сложной технической задачей.

В сканирующих электронных микроскопах фирмы TESCAN [1] используются термоэмиссионные катоды прямого накала из проволоки (вольфрам или гексаборид лантана) диаметром ~100 мкм, изогнутой в форме U- или V-образной дуги с отогнутыми в противоположных направлениях ножками для крепления к металлическим держателям. Держатели в виде отрезков проволоки диаметром ~1 мм закреплены в отверстиях диска из диэлектрического материала и подключены к источнику тока. Вольфрамовая проволока разогревается до температуры ~1800 K джоулевым теплом, которое выделяется при протекании через нее электрического тока.

Недостатком данных катодов является то, что до указанной выше температуры разогревается вся длина дуги за исключением участков, примыкающих к держателям, диаметр которых на порядок больше диаметра проволоки катода. Термоэлектронная эмиссия происходит со всей поверхности катода во всех направлениях, это приводит к испарению материала и его осаждению на керамический диск, что приводит к ухудшению его изоляционных свойств и, как следствие, к снижению надежности и долговечности катодного узла в целом.

Известна конструкция термоэлектрического полевого катода в форме иглы с углом при вершине 10÷35 градусов и длиной ~0,2 мм, закрепленной на вершине F-образной дуги из вольфрамовой или гексаборид-лантановой проволоки диаметром ~100 мкм [2]. Концы К-образной дуги закреплены на токопроводящих держателях, изолированных друг от друга керамическим изолятором в форме диска. Катод разогревается до температуры 1800 K джоулевым теплом за счет протекания электрического тока. В рабочем режиме до указанной температуры разогревается не только сама игла, но и вся дуга, которая также становится эмиттером электронов, за исключением участков вблизи держателей.

Недостатком данной конструкции является большой телесный угол термоэлектронной эмиссии, а также испарение материала с V-образной дуги во всех направлениях. Продукты испарения осаждаются на керамический изолятор, уменьшают его изоляционные свойства и снижают долговечность и надежность катодного узла в целом.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является конструкция термоэлектронного катода [3], в которой необходимая для термоэлектронной эмиссии температура, а, следовательно, и термоэлектронная эмиссия локализованы в ограниченной области U-образной опорной детали, в которой закреплен непосредственно катод в форме наконечника из гексаборида лантана. U-образная деталь и наконечник закреплены между двух стержней в форме параллелепипедов из прессованного графита с высокой анизотропией по электрическому сопротивлению, которые являются нагревателями наконечника. Для фиксации наконечник и нагреватель спекали пастой, содержащей коллоидный раствор углерода и порошок металла с высокой температурой плавления. При пропускании электрического тока через графитовый нагреватель в направлении наибольшего электрического сопротивления параллелепипедов из прессованного графита наконечник нагревался до температуры 1800 K, необходимой для появления термоэлектронной эмиссии. Вследствие того, что работа выхода гексаборида лантана в 2,66 раза меньше, чем у графита, источником термоэмиссионного тока являлся непосредственно катод, а ток термоэлектронной эмиссии с графитовых параллелепипедов пренебрежимо мал.

Недостатком изобретения является сложность конструкции термоэмиссионного катода, которая включает наконечник и нагреватель, состоящий из двух параллелепипедов из прессованного графита с анизотропией по электрическому сопротивлению.

Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение конструкции катода с локализацией термоэлектронной эмиссии на ограниченном участке поверхности катода.

Технический результат достигается тем, что на вершине прямонакального термоэмиссионного катода, выполненного из вольфрамовой или гексаборид-лантановой проволоки в форме U-образной дуги, прикрепленной концами к металлическим держателям, вмонтированным в диск из диэлектрического материала, в месте изгиба проволоки формируется ограниченный участок катода с меньшим диаметром d, который будет разогреваться до температуры накала термоэлектронной эмиссии не на всей его длине. Данный участок ограничен с обоих концов проволокой диаметром D>d. Вследствие теплопроводности материалов температура ограниченного участка возрастает от его концов к центру таким образом, что длина зоны термоэлектронной эмиссии локализована в центральной области ограниченного участка. Электронный поток представляет собой диск конусообразной в сечении формы. Угол расходимости электронного потока обратно пропорционален напряжению на управляющем электроде.

Нагрев ограниченного участка катода до более высокой температуры, чем остальная часть катода с меньшим диаметром, основан на известных законах Джоуля-Ленца и Ома.

В соответствии с законом Джоуля-Ленца за счет протекающего по проводнику электрического тока выделяется теплота Q:

где: I - протекающий по проводнику электрический ток; R - сопротивление проводника; t - время.

В проводнике в форме проволоки круглого сечения единичной длины за единицу времени количество выделившейся теплоты выражается соотношением:

где: ρ - удельное электрическое сопротивление; диаметр проволоки.

Из соотношения (2) следует, что при неизменном значении протекающего тока уменьшение диаметра проводника в n раз приведет к увеличению выделившегося количества тепла в n² раз. Соответственно, увеличение диаметра в n раз приведет к уменьшению выделившегося тепла в n² раз. Поскольку температура проводника прямо пропорциональна количеству выделившейся теплоты, изменение диаметра проводника в n раз приведет к изменению температуры проводника также в n² раз.

Так, например, для диаметра проволоки d=100 мкм (диаметр проволоки промышленно выпускаемых СЭМ фирмой TESCAN) ограниченного участка катода, эмитирующего электроны, увеличение диаметра проволоки остальной части U-образной дуги катода до D=200 мкм приведет к снижению ее температуры до 750÷800 К. При такой температуре термоэмиссионный ток будет излучать исключительно ограниченный участок катода с меньшим диаметром, а ток с остальной части катода будет пренебрежимо мал. Увеличение диаметра D≥2,3d, с точки зрения дальнейшего снижения температуры и, соответственно, тока термоэлектронной эмиссии, уже не имеет смысла. При D≤1,5d температура катода за пределами ограниченного малым диаметром участка может достигать порогового значения для начала термоэлектронной эмиссии, что является недопустимым.

Длина эмитирующего электроны ограниченного участка катода с меньшим диаметром проволоки ограничена соотношением 5d ≥ L ≥ 2d, которое определяется технологическими возможностями его реализации.

Предлагаемое изобретение поясняется Фиг. 1, где:

1 - катод из проволоки в форме U-образной дуги;

2 - эмитирующий электроны ограниченный участок катода;

3 - держатели катода;

4 - керамический диск.

Источники информации

1. https://www.biotechnologies.ru/catalog/_Aksessuary_dlya_SEM.html

2. Патент JPH 0684450 (А)

3. Патент JP 2009295376 (А)

Изобретение относится к электронной технике, а именно к прямонакальным термоэмиссионным катодам для электровакуумных приборов с низкими значениями тока в электронном пучке, в частности сканирующих электронных микроскопов (СЭМ). Технический результат - упрощение конструкции катода с локализацией термоэлектронной эмиссии на ограниченном участке поверхности катода. На вершине прямонакального термоэмиссионного катода, выполненного из вольфрамовой или гексаборид-лантановой проволоки в форме U-образной дуги, прикрепленной концами к металлическим держателям, вмонтированным в диск из диэлектрического материала, в месте изгиба проволоки формируется ограниченный участок катода с меньшим диаметром d, который будет разогреваться до температуры накала термоэлектронной эмиссии не на всей его длине. Данный участок ограничен с обоих концов проволокой диаметром D>d. Длина эмитирующего электроны ограниченного участка катода с меньшим диаметром проволоки ограничена соотношением 5d ≥ L ≥ 2d, которое определяется технологическими возможностями его реализации. 1 ил.

Прямонакальный термоэмиссионный катод, содержащий проволоку из вольфрама или гексаборида лантана в форме U-образной дуги, прикрепленную концами к металлическим держателям, вмонтированным в диск из диэлектрического материала, отличающийся тем, что на вершине катода из вольфрамовой или гексаборид-лантановой проволоки в форме U-образной дуги в месте изгиба проволоки формируется эмитирующий электроны ограниченный участок поверхности катода длиной L и диаметром d, меньшим, чем диаметр D остальной части катода, которые связаны соотношениями: 2,5d ≥ D ≥ 1,5d и 5d ≥ L ≥ 2d.