Возможные причины уменьшения срока службы оксидного катода при уменьшении площади покрытия
Л.А. Ашкинази, М.Л. Гайнер
Московский государственный институт электроники и математики (МИЭМ)
Рассмотрены возможные причины уменьшения срока службы оксидного катода малой площади.
Для создания электронных пучков малого сечения применяются катоды малой площади. Из практики эксплуатации оксидных катодов малой площади известно, что срок их службы меньше, чем у катодов с большой площадью покрытия [1]. Вопрос о механизме этого эффекта был поставлен А.В.Дружининым.
В работе [2] были впервые получены систематизированные результаты, которые могут позволить установить причины явления. Во-первых, срок службы немонотонно зависит от толщины покрытия - с увеличением толщины он сначала увеличивается квадратично (в соответствии с моделью [3]), а затем начинает приблизительно квадратично уменьшаться. Во-вторых, срок службы увеличивается с увеличением ширины покрытия, причем при малой ширине покрытия - квадратично. В-третьих, согласно более поздним данным того же автора, срок службы ленточных покрытий квадратично увеличивался с длиной покрытого участка.
Рассмотрим защиту ОК от отравления потоком активатора. Известно, что вероятности сорбции отравляющих газов ОК малы [4]. Поэтому молекулы газов пронизывают покрытие ОК насквозь и сорбируются всей поверхностью. Далее следует миграция по поверхности кристаллов оксида и связывание на границе керн-оксид атомами активатора, диффундирующими к этой границе из керна [5]. Тогда с ростом толщины покрытия линейно увеличивается поток активатора, необходимый для защиты ОК от отравления. Поскольку поток активатора изменяется пропорционально t-1/2, где t - время работы катода, то срок службы, т.е. время, когда поток активатора перестает справляться с защитой ОК от отравления уменьшается квадратично с увеличением толщины покрытия, что и наблюдалось [2].
Рассмотрим диффузию активатора в керне, покрытым оксидным слоем. Известно, что под слоем образуется прослойка, которая может тормозить диффузию [6]. Если керн покрыт оксидным слоем частично, прослойка образуется только под слоем оксида и поток активатора перераспределяется. Активатор начинает поступать не к покрытию, а к не покрытой части керна (что уменьшает срок службы) и испаряется с нее. По-видимому, именно для борьбы с этим явлением предлагалось покрывать неэмиттирующую часть керна барьерным слоем [7]. Оценим эффект уменьшения срока службы из-за перераспределения потоков активатора в керне. Положим, что на глубине d от поверхности керна сохраняется начальная концентрация активатора, а потоки активатора определяются диффузионным сопротивлением, определяемым следующим образом (такая модель и ранее применялась для качественных оценок). Пусть Dк - коэффициент диффузии в керне, Dп - в прослойке, ho - толщина прослойки. Тогда эквивалентная толщина прослойки h= hoDк/Dп. Диффузионное сопротивление для диффузии через керн и прослойку Rп пропорционально d+h, а диффузионное сопротивление Rм для диффузии "мимо" прослойки на расстояние (d2+l2)1/2, где l - половина ширины покрытия, пропорционально (d2+l2)1/2. Тогда отношение потоков активатора в покрытие Nп и мимо Nм будет
Nп / Nм = Rм /Rп = (d2+l2)1/2/(d+h)
Вычислим относительный срок службы t/to, где to - срок службы в отсутствие прослойки. Т.к. N пропорционально t-1/2, то t/to =(Nп/Nо)2, где Nо - поток в отсутствие активатора. Поскольку речь идет о существенно уменьшенном по отношению к tо сроке службы, то сумма потоков изменяется мало Nп +Nм=No. Тогда t/to=( Nп /( Nп +Nм))2. Подставляя сюда выражение для Nп /Nм, получаем t/to как функцию d,l,h. Поскольку речь идет о существенно уменьшенном по отношению к to сроке службы, то расход активатора [8] относительно мал - d<
Выводы.
1. Уменьшение срока службы ОК с ростом толщины покрытия может быть обусловлено отравлением. При большей толщине покрытия для защиты от отравления нужен больший поток активатора, что при одинаковых потоках активатора влечет уменьшение срока службы с увеличением толщины покрытия.
2. Уменьшение срока службы ОК с уменьшением площади покрытия может быть обусловлено перераспределением потока активатора. Диффузионное сопротивление прослойки, образующейся под покрытием, оттесняет поток активатора из зоны покрытия. В этом случае для увеличения срока службы надо либо использовать активатор, не образующий прослоек, тормозящую диффузию, например Са [1], либо покрывать неэмиттирующую часть керна барьерным слоем [6], либо использовать керн, совпадающий по форме с покрытием [9].
Литература
1. Никонов Б.П. Оксидный катод. - М.: Энергия, 1979.