Способ изготовления микроострийного катода (его варианты) и устройство для изготовления микроострийного катода Советский патент 1986 года по МПК C25F5/00 C25F7/00 H01J9/04 H01J9/06 

2.Способ изготовления мнкрпост- рийного катода, включающий травление заготовки для микроострийного катода в электрическом поле, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет увеличения эффективной поверхности и точности формы катода путем устранения загиба конца острия, травление ведут в поперечном электрическом поле, напряженность которого изменяют по гиперболическому закону от середины к торцам заготовки в соответствии с соотношением

О Ё cos © Б ,

где 0 - угол между вектором напряженности электрического поля и осью заготовки;

Е - максимальное значение на- п{)яженности электрического поля.

3.Устройство для изготовления микроострийного катода, содержащее

катод, анод-заготовку, источник питания, электронную схему управления травлением с усилителем, отличающееся тем,-что, с целью расширения функциональных возможностей за счет увеличения эффективной поверхности и точности формы катода путем устранения загиба.конца остри

Изобретение относится к технике эмиссионной электроники и может быть использовано для изготовления микроострийных катодов-автоэмиттеров (автокатодов) , используемых как в приборах с накальными катодами высокой яркости, так и в приборах с холодной эмиссией в сильном электрическом поле для создания ионных проекторов, а также точечных жидко- металлических источников.

Целью изобретения я вляется расширение функциональных нозможностей за счет увеличения эффективной по7935

устройство снабжено средствами синхронного перемещения катода в направлении оси и наклона под углом от О до 180° к оси, катод выполнен по крайней мере из двух игл, расположенных симметрично относительно оси анода-заготовки, электронная схема управления травлением снабжена реле с двумя группами нормально замкнутых контактов, операционным усилителем, источником опорного напряжения, постоянным и, переменным сопротивлениями, а усилитель выполнен в виде сбалансированного по выходу дифференциального усилителя с двумя входами, причем между землей и первым входом дифференциального усилителя включен последовательно катод, соединенный через одну из пар нормально замкнутых контактов реле с минусом источника питания, один окнец анода-заготовки соединен с плюсовым источником питания, а другой ее конец - с второй парой нормально замкнутых контактов реле, второй вхйд дифференциального усилителя соединен с источником опорного напряжения, выход дифференциального усилителя соединен по .первой цепи обратной связи через операционный усилитель с обмоткой реле и по второй цепи обратной связи через последовательно соединенные постоянное и переменное сопротивления - с первым входом дифференциального усилителя.

2

верхности и точности формы катода путем устранения загиба острия.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 и 3 - схемы электрического поля вокруг заготовки.

Устройство (фиг. 1) содержит ка-J, тод в виде игл 1 , заготовку (анод) 2, механизм 3 перемещения заготовки-анода (перемещение показано стрелками); электролит 4, источник 5 питания, схему 6 управления травлением, содержащую дифференциальный усилитель (ДУ) 7, реле 8 с двумя группами

нормально замкнутых контактов 9 и 10,

31

источник il опорного напряжения, постоянное и переменное сопротивления 12 и 13 соответственно, средство 14 управления механизмом перемещения игл, операционный усилитель 15. При этом катод (иглы 1) соединен с минусом источника 5 питания через одну пару нормально замкнутых контактов 9, один конец анода-заготовки 2- связан с плюсом источника 5 питания, другой конец анода-заготовки 2 соединен через вторую пару нормально замкнутых контактов 10 с первым входом ДУ 7,а второй вход ДУ соединен с источником 11 опорного напряжения. Выход ДУ 7 по цепи обратной связи соединен через усилитель 15 с обмоткой реле 8, вторая обратная связь соединяет выход ДУ 7 через последовательно соединенные сопротивления 12 и 13 с первым входом ДУ.

Изготовление микроострийного катода осуществляется следующим образом.

Заготовку-анод в виде проволоки (стержня) 2 помещают по оси катода 1, состоящего из симметрично рас- положенных подвижных игл, соединен- ных с минусом источника 5 питания (фиг. 1). Пипеткой вносят в ону травления заготовки каплю электролита. Включают источник 5 питания, осуществляют электрохимическое травление. Электрическое поле 16 вокруг заготовки периодическое (см. фиг. 2).

Острие получают профилированным. Профили имеют форму ребер и площадок вдоль оси острия катода. Число ребер зависит от числа игл катода.

Изготовление микроострийного катоа по второму варианту способа осуествляют аналогично: перемещая - иглы по углу к оси заготовки и (или) вдоль собственной оси (показано стрел ами), изменяют величину напряженности электрического поля (электролит и время травления те же, что и в перром арианте).

Поскольку травление шейки заготови проводят с помощью катода, состощего из нескольких игл, расположеных симметрично травимой заготовке, о устраняют искривление микроострийного катода. Это связано с тем, что процесс травления шейки заготовки происходит по струйному механизму. Концентрированные потоки с большей

17935-

плотностью разделены областями пониженной плотности так, что возможные области нестабильности пространственно локализованы в узких областях око-г ло игольчатых катодов. Наклон и перемещение игл приводит к подбору величины напряженности электрического поля.

Напряженность электрического ля 17 (одной полярности) изменяют периодически (период 2F/h, где н 2, 3, 4 ...) по гиперболическому закону.

Концентрируя поле на отдельных

.- участках заготовки, можно создать профилированный микроострийный катод с заданной конусностью. Профилированные катоды обладают расширенными функциональными возможностями: так

2- как они легче обычных, то характеризуются повьш1енной механической прочностью, что позволяет использовать их в устройствах с горизонтальным расположением эмиттера. Такие катоды мо25 гут быть применены в ионных жидко- металлических источниках и имеют больший срок службы, так как снижает- ся степень испарения микроострийного профилированного катода, что существенно для улучшения качества изображений атомного зонда. Такие катоды обладают повышенной эффективностью эмиссии в результате увеличения рабочей поверхности катода. Качество профилированного котода существенно

35 пов ьщ1ено вследствие автоматического

управления процессом травления по- . средством электронного устройства (см. фиг. 1), кроме того, возможно получение идентичных катодов, на базе которых возможно создание двухканальных атомных зондов.

В связи с тем, что иглы-катод име ют возможность синхронного перемещения в направлении собственной

45

оси, а также под углом заготовки с

вариацией угла от О до ISC (см. фиг.3),возможно изменение длины конусности микроострийного катода с профилированной боковой поверхно-,

стью. Кроме того, поворот игл на угол позволяет изменять режим травления в зависимости от используемого электролита и материала.

При всех положениях игл поле меж55 ДУ ними и заготовкой симметричное периодическое, при этом величина напряженности может изменяться при изменении наклона игл.

30

Устройство,осуществляющее предлагаемый способ, работает следующим образом.

В момент, когда включены источни- ки питания ДУ 7 (не показаны) и источник 5 питания, ток от источника 5 питания проходит по двум каналам. В первом канале ток проходит чер%з первую группу нормально замкнутых контактов 9, реле 8, заготовку-провод (анод) 2, электролит 4 и катод- иглы 1, а во втором - через заготовку 2, через вторую группу нормально замкнутых контактов реле 10 и первый вход ДУ 7. Посредством сопротивлений 12 и 13 в цепи обратной связи и источника 11 опорного напряжени балансируют ДУ, устанавливая ноль тока на его выходе. При этом посред- ством источника 11 опорного напряжения устанавливают заданный уровень тока срабатывания реле 8. Поэтому, когда заготовка перетравится или когда ток, проходящий через нее, достигнет заданной величины (благодаря источнику опорного напряжения), усиленный сигнал разбаланса (усилитель 15) попадает на обмотку реле 8. Реле срабатывает, группы контактов размыкаются. Травление прекращается.

Использование изобретения позволяет получать воспроизводимые профильные микроострийные катоды. При этом профили выполняются в виде площадок и ребер вдоль оси заготовки. Весь процесс изготовления микроострий может быть автоматизирован. Кроме того, применение изобретения позво- ляет устранить искривление оси конуса.

Вариация положения игл (нормально к оси заготовки или под углом к ней изменяет условия травления, т.е. при нормальном расположении игл к оси заготовки получают профилированные

иглы с чередующимися щирокими площадками (канавками) и узкими ребрами, вытянутыми вдоль оси заготовки, при расположении игл катода под углом к оси возможно управление высотой конусности катода.

Пример 1 (по первому варианту) . Получены профилированные микроострийные катоды из вольфрамовой проволоки диаметром 0,2 мм.Электрохимическое травление проводили в 20%-ном р-ре NaOH. Катод был выполнен в виде трех игл, расположенных в плоскости, нормальной к оси заготовки. Напряжение источника питания изменяли от 6 до 15 В. Профилированный катод имеет в этом случае по три ребра и площадки. Время травления 30 - 40 с. Воспроизводимость геометр ческой формы 80% при радиусе кривизны острия микроострийного катода 0,5 мкм.

Пример 2 (по второму варианту) . Аналогично примеру 1, но иглы катода наклонены под углом к заготовке. Получены катоды с изменением -конусности при изменении угла накло- на игл в пределах 0-180 от долей миллиметра до миллиметра, т. е. при

О и 180°конусность 1 мм, при бО 0,5 мм и при ,2 мм. Время травления 30-40 с.

Таким образом, использование изобретения позволяет снизить затраты электролита и материала на изготовление катода, повысить качество микроострийных катодов (их воспроизводимость), что связано с уменьшением загиба конца микроострийного катода, повысить эффективность эмиссии катода путем выполнения его профилированным, воспроизводимость высоты конусности и радиуса кривизны конца его острия меньше О,5 мкм.

IB

1. Способ изготовления микро- остринного катода, включающий травление заготовки для микроострийного катода в электрическом поле, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет увеличения эффективной поверхности и точности формы катода путем устранения за- i гиба конца острия, травление ведут в поперечном электрическом поле, напряженность которого изменяют периодически, с периодом 21Гн, где h 2, 3, 4, 5 ..., причем напряженность поля симметрична относительно оси заготовки. i СП С tc со оо СП риг.1

Фие.г

Составитель Ю.Поздеева Редактор Л.Веселовская Техред.Ж. Кастелевич Корректор А.Обручар

,-.«««-««.«.-.,.«-..«..««i. - - ...

Заказ 1086/34Тираж 615Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

ifua.3