# Эмиссия? "Это просто."

Леонид Александрович Ашкинази

ЭМИССИЯ? "ЭТО ПРОСТО"


Введение. Общий взгляд на электронную эмиссию


Электронная эмиссия - это испускание электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости. Для того, чтобы выйти из твердого тела в вакуум, электрон должен иметь энергию, которую называют работой выхода, должен преодолеть "потенциальный барьер". Эмиссия имеет место всегда, поскольку всегда есть электроны, имеющие такую энергию. Однако количество таких электронов очень быстро убывает с ростом энергии, и процесс эмиссии при отсутствии каких-либо воздействий на электроны твердого тела и при отсутствии внешних электрических полей прекращается. Поддерживать эмиссию из тела можно при выполнении следующих двух условий. Первое - создание внешнего электрического поля, обеспечивающего увод от тела эмитированных электронов. Для этого, в частности, необходим подвод к телу электронов от источника, дабы суммарный заряд тела не возрастал. Второе - подвод к электронам тела энергии, обеспечивающей преодоление потенциального барьера, либо создание такого сильного внешнего поля, что потенциальный барьер делается тонким и становится существенен туннельный эффект (автоэлектронная эмиссия), квантовое проникновение электронов сквозь потенциальный барьер, т.е. эмиссия электронов, имеющих энергию меньше работы выхода. При передаче энергии от бомбардирующих тело фотонов мы имеем фотоэмиссию, от электронов - вторичную электронную эмиссию, от ионов - ион-электронную эмиссию, от внутренних полей - эмиссию горячих электронов, от решетки - термоэлектронную эмиссию. Все перечисленные механизмы могут действовать одновременно (например - термоавтоэмиссия, фотоавтоэмиссия). Если внешнее поле, обеспечивающее увод от тела эмитированных электронов, недостаточно для автоэлектронной эмиссии, но достаточно для понижения потенциального барьера, становится заметен эффект Шоттки - зависимость эмиссии от внешнего поля.


В очень сильных импульсных электрических полях туннельная эмиссия приводит к быстрому разрушению (взрыву) микроострий на поверхности эмиттера и к образованию вблизи поверхности плотной плазмы (взрывная эмиссия). Взаимодействие этой плазмы с поверхностью эмиттера и эмиссия электронов из плазмы позволяют получить большие токи, но лишь в виде коротких импульсов и - в отличие от всех прочих видов эмиссии - ценой разрушения эмиттера.


В случае, когда эмитирующая поверхность неоднородна и на ней имеются "пятна" с различной работой выхода, над её поверхностью возникает электрическое поле "пятен". Это поле тормозит электроны, вылетающие из участков катода с меньшей, чем у соседних, работой выхода. Внешнее электрическое поле складывается с полем пятен и, возрастая, устраняет тормозящее действие последнего. Вследствие этого эмиссионный ток из неоднородного эмиттера растет при увеличении поля быстрее, чем в случае однородного эмиттера (аномальный эффект Шоттки). Влияние электрического поля на электронную эмиссию из полупроводников более сложно. Электрическое поле проникает в них на большую глубину (от сотен до десятков тысяч атомных слоев), а заряд, индуцированный эмитированным электроном, расположен не на поверхности, а в слое некоторой толщины, и внешнее электрическое поле, проникая в полупроводник, вызывает в нём перераспределение зарядов.


Основные виды эмиссии электронов были открыты при следующих обстоятельствах.


Термоэлектронная эмиссия: в середине XVIII века было известно, что вблизи нагретых твердых тел воздух теряет свое обычное свойство плохого проводника электричества, однако причина этого явления оставалась неясной. Ю.Эльстер и Г.Гейтель (1882-89) установили, что при пониженном давлении окружающего воздуха раскаленная добела поверхность металла приобретает положительный заряд. Протекание тока в вакууме между накаленным электродом и положительно заряженным электродом было открыто Т.Эдисоном (1884), объяснено испусканием электронов (отрицательно заряженных частиц) Дж.Томсоном (1887), теорию термоэлектронной эмиссии разработал О.Ричардсон (1902, иногда ему ошибочно приписывается открытие самого эффекта). Односторонняя проводимость была обнаружена Дж.Флемингом (1904, иногда это ошибочно приписывается Эдисону), хотя его диод был не вполне вакуумным, а с частичной компенсацией пространственного заряда.


Фотоэлектронную эмиссию открыл в 1887 году Г.Герц - он обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает проскакивание искры между ними. Систематические исследования провели В.Гальвакс, А.Риги, А.Г.Столетов (1885) и показали, что в опыте Герца дело сводится к освобождению зарядов под действием света. То, что это именно электроны, показали Ф.Ленард и Дж.Томсон (1898).


Автоэлектронную эмиссию открыл в 1897 году Р.Вуд. При исследовании вакуумного разряда Вуд заметил в сильном электрическом поле испускание электронов, наблюдая свечение стекла под их воздействием, и описал это явление.


Вторичную электронную эмиссию открыли Л.Остин и Г.Штарке (1902).


ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ


Термоэлектронная эмиссия - это испускание электронов нагретой поверхностью. Ток термоэлектронной эмиссии определяется температурой катода, т. е. энергией электронов, и работой выхода - т. е. энергией, которая нужна электрону, чтобы покинуть материал. Если вне катода нет ускоряющего поля, то электроны возвращаются на катод, если ускоряющее поле есть, то эмитированные электроны начинают двигаться и в итоге достигают электрода, к которому приложено положительное относительно катода напряжение, анода. Максимальный ток эмиссии определяется отношением работы выхода к температуре, он называется током насыщения. Температура катода ограничивается, в свою очередь, испарением материала катода, т. е. сроком службы.


Из чистых металлов и сплавов в качестве термоэлектронных эмиттеров применяется почти исключительно вольфрам, обладающий наименьшей скоростью испарения (наибольшим сроком службы) при температурах, обеспечивающих необходимую эмиссию. К сожалению, по этому параметру оказался наилучшим элемент, имеющий наибольшую работу выхода, т. е. работающий при наибольшей температуре. Первые термокатоды были выполнены из вольфрамовой проволоки, в этом случае получить высокую температуру не трудно, позже иногда использовался электронный накал, т. е. нагрев электронной бомбардировкой. Недостаток вольфрама - низкая технологичность. Его трудно обрабатывать, он хрупок, особенно после нагрева. Для преодоления этих недостатков к нему добавляют рений. Эти сплавы при почти тех же эмиссии и испарении значительно технологичнее.


Идея применения сплавов в качестве термоэлектронных эмиттеров базируется также на надежде, что один из элементов сплава, диффундируя к поверхности другого и образуя на нем пленку (эмиттирующую структуру), понизит работу выхода. Эта идея всегда стимулировалась, во-первых, эффективностью работы катода из торированного вольфрама, имеющего на поверхности вольфрама монослой тория, а во-вторых - распространенной одно время ошибочной гипотезой о природе успешно работающего оксидного катода (монослой бария на оксиде бария-стронция).


Из сплавных катодов получили практическое применение в основном два: Ir-РЗМ (РЗМ - редкоземельные элементы) и Pt-Ba. В группе Ir-РЗМ оказались наиболее эффективны Ir-La, Ir-Ce и Ir-La-Ме, Ir-Ce-Ме, где Ме - металл, обычно тугоплавкий, например, Mo (молибден). Катоды Ir-La и Ir-Ce монослойные, лантан и церий образуют эмитирующую структуру на иридии, с нее они и испаряются, а подпитывается монослой диффузией из глубины катода. Диффузия идет через обедненный лантаном (церием) слой, толщина которого составляет единицы-десятки микрон, по мере работы толщина слоя растет, поток падает и катод выходит из строя. Катод оказался не очень технологичным - сплавы иридия с РЗМ-элементами хрупки. Второй пример сплавного катода - это сплав Pt-Ba, где барий образует твердый раствор и интерметаллид. Пленка бария на платине не слишком эффективна как термоэмиттер, но тем не менее такой катод нашел применение как вторичноэлектронный.


Для W (вольфрама) эмиссия 0,1 А/см2 - 1 А/см2 достигается при 2150╟С - 2350╟С, скорость испарения при этом 4.10-10 - 10-8 г/см2с. Если катод является прямонакальным, он перегорает из-за лавинного процесса - испарения и разогрева, ускоряющих друг друга. Происходит это за время, примерно равное 0,1 отношения толщины к скорости испарения, т. е. 0,1 теоретического срока службы. Для катода IrLa при 1430 - 1830╟С эмиссия составляет 8 - 130 А/см2, скорость испарения 10-11 - 1,5.10-8 г/см2с. Для IrCe - катода соответственно 10 - 150 А/см2 и l0-12 - l,5.l0-9═ г/см2с. При этом срок службы, по данным эксперимента, составляет при 100 А/см2 1000 час. Если ориентироваться на данные по скорости испарения, то при меньших токоотборах срок службы должен быть существенно больше, так, при 10 А/см2 он должен достигать 100.000 час.


С другой стороны, высокий срок службы этих катодов допускает при некотором увеличении испарения увеличение стойкости к "отравлению" ценою не слишком существенного уменьшения срока службы. С этой целью к сплавам Ir-РЗМ добавляют третий металл, например, Mo. Такие катоды действительно имеют большее испарение со всеми вытекающими отсюда последствиями. Изменяя количество третьего металла, можно управлять параметрами катода. Механизм действия третьего металла может быть различным. Он может ускорять разложение соединения иридия с РЗМ (в виде которого и находится основное количество РЗМ в катоде) или увеличивать скорость диффузии РЗМ в иридии.


Высокотемпературные оксидные катоды на основе оксидов ThO2, Lа2O3, Y2O3 изучены не очень хорошо и применяются довольно ограниченно. Эти оксиды более стойки к электронной бомбардировке, поэтому чаще применяются в качестве катодов в ЭВП М-типа, в которых катод бомбардируется электронами и для работы которых важна вторичная электрон-электронная эмиссия.


Первоначально в катодной технике применялся чистый металл - вольфрам. Одним из путей улучшения параметров катода оказалось добавление к вольфраму окиси тория ThO2. Торий диффундирует на поверхность вольфрама, образует на нем монослой, увеличивающий эмиссию, и затем испаряется. Поддержание монослойной (наиболее эффективной с точки зрения эмиссии) концентрации зависит от соотношения скорости испарения многослойного покрытия и скорости диффузии. Скорость диффузии зависит, в свою очередь, от коэффициента диффузии и от распределения диффузанта (частиц ThO2) в матрице (вольфраме). Однако энергия связи монослоя тория на вольфраме такова, что и испаряется он быстрее, чем хотелось бы, и плохо работает в условиях ионной бомбардировки, разрушающей монослой тория. Для увеличения энергии связи было применено карбидирование WTh-катода - выдержка при нагреве в углеродсодержащем газе, при этом на некоторую глубину вольфрам переходит в карбид W2C. После этого энергия связи тория с подложкой увеличивается, эмиссия практически не меняется, устойчивость к ионной бомбардировке возрастает. Однако в этом случае изменяется причина ограничения срока службы - ею становится декарбидизация, удаление углерода из катода (диффузия к поверхности и окисление). Вторым примером катода из композита на основе металла является катод Мо-Lа2O3. Этот катод нашел применение в мощных электронных лампах. Для собственно WCTh-катода при 1700 - 1880╟С токоотбор составляет 2 - 10 А/см2, срок службы 100.000 - 3.000 ч, скорость испарения 10-11═ - 10-10 г/см2с. Для катода Мо-Lа2O3 при 1460 - 1500╟С эмиссия 2 - 10 А/см2, срок службы 100.000 - 5.000 ч.


Катод из LaB6 традиционно применяется в плохих вакуумных условиях, в первую очередь не в электронных лампах (где известны лишь единичные применения), а в технологических и экспериментальных установках - вакуумных печах с плавкой электронным пучком, вакуумных сварочных установках со сваркой электронным лучом, ускорителях и т. д. Маленькие (до 8 мм) катоды можно вырезать из монокристалла, большие обычно получают горячим прессованием из порошка в углеродных формах или/и спеканием, LaB6-покрытия на подложках - спеканием. Предельный токоотбор при 1400 - 1500 - 1600 - 1700╟С доходит до 1 - 3 -10 - 30 А/см2 соответственно, минимальные значения, полученные в исследованиях, примерно в 2 раза меньше, а реально применяемые в приборах - еще раза в 2-3 меньше. Это связано как с необходимостью иметь в приборах запас эмиссии для увеличения стабильности, так и с условиями работы катода в приборе.


Срок службы катодов обычно определяется разрушением контактов между LaB6 и держателем. В качестве держателя чаще всего применяют тантал и графит; предлагались также рений, карбиды, бориды, нитриды, даже оксиды (те, которые при рабочей температуре имеют достаточную проводимость). Достигнутый срок службы - 1000 ч при 1600╟С, 200 ч при 1700╟С, 30 ч при 2000╟С. Скорость испарения при 1500 - 1700 - 2000╟С составляет соответственно 3.10-10 - 3.10-8 - 3.10-5 г/см2с. В области обычных рабочих температур 1500 - 1700╟С, при парциальном давлении кислорода выше 3.10-6-10-4 Па скорость испарения увеличивается за счет окисления и испарения оксидов лантана и бора.


Карбидные катоды могут эффективно применяться в двух случаях - когда по каким-то причинам фиксирован материал (карбид металлов IV, V групп) и надо с деталей из этого материала получить термоэмиссию, и когда по каким-то причинам фиксирована температура и надо от деталей, работающих при этой температуре, получить эмиссию, причем температура слишком велика для гексаборидов, но мала для тугоплавких металлов. Такие ситуации в технике встречаются, хотя они и довольно редки. Из карбидов наибольшую эмиссию имеет, скорее всего, NbC - при 1800-2000╟С 1 - 10 А/см2 соответственно. Эмиссия ТаС и ZrC меньше в 2 раза, а TiC - еще в 2 раза. Наименьшее испарение имеет ТаС, при этих же температурах потоки испарения составляют 5.10-11 г/см2с - 5.10-10 г/см2с, NbC и HfC испаряются на порядок быстрее, ZrC - еще быстрее на порядок, TiC - еще на 1 - 2 порядка. Надежность этих данных невысока.


Оксидным катодом обычно называют слой кристаллов тройного или (реже) двойного оксида на металлической подложке - керне. Слой имеет толщину от 1 до 100 мкм, размер кристаллов - от 0,1 до 10 мкм. С обратной стороны керна (если это катод косвенного накала) расположен нагреватель. Оксидные катоды на протяжении десятилетий обеспечивали существование всей электронной техники, включая радио и телевидение, поскольку применялись во всех электронных лампах и кинескопах. Много десятилетий потрачено было на поиск оптимальных размеров кристаллов, толщины и плотности покрытия, состава соединения щелочноземельных металлов, технологии изготовления. Достигнутые в итоге оптимальные характеристики примерно таковы: толщина слоя 20 -30 мкм, размер кристаллов 2 - 3 мкм, состав - твердый раствор тройного оксида BaO-SrO-СаО (бария и стронция примерно поровну, кальция - единицы процентов). Металлический керн, как правило, изготовлен из никеля с присадкой (порядка сотых или десятых долей процента) активатора, чаще всего - кальция, магния, иногда - кремния. В 1980-е годы стало ясно, что срок службы оксидного катода не просто определяется температурой, но и зависит от эмиссионного тока, ибо ток вызывает разогрев катодного покрытия, а это увеличивает испарение и уменьшает срок службы. Для уменьшения влияния тока на срок службы надо увеличивать проводимость. Для увеличения проводимости катода естественно добавлять в оксидное покрытие металл. Металл может вводиться в покрытие самыми разными способами - химическими, газотранспортной реакцией, механически (смесь порошков), гальванически. В результате увеличение содержания металла увеличивает проводимость и работу выхода. По мере увеличения количества металла проводимость (а заодно и работа выхода) растет. Добавляется обычно никель, концентрация более нескольких процентов не используется по указанной причине. Металл может вводиться в покрытие не только в виде порошка из тех или иных частиц, но и в виде неких "конструктивных" элементов. Это могут быть металлическая сетка, фольга (или пленка) с отверстиями, проложенная или напыленная в покрытии близко к поверхности и подводящая ток близко к поверхности. Другой вариант - чередование напыленных слоев оксидных частиц и никеля, причем, естественно, ток подводится близко к поверхности по металлическим компонентам и лишь перед самой поверхностью переходит в оксид, чтобы с частиц оксида, имеющих низкую работу выхода, электроны могли эмитироваться в вакуум.


Низкой работой выхода обладает, по-видимому, структура ВаО на решетке двойного оксида SrO-CaO. Наиболее быстро из оксидного катода испаряется ВаО. На поверхности каждого кристалла образуется слой SrO-CaO. Через этот слой диффундирует барий из сердцевины кристаллов, встраивается в поверхностный слой и образует эмитирующую структуру с низкой работой выхода.


Параметры оксидных катодов, как и катодов вообще, зависят от условий их применения. Общая последовательность причин и следствий такова - для поддержания высокой эмиссии нужны определенные состав и структура поверхности, они изменяются в плохом вакууме или при попадании на катод каких-либо веществ из прибора. Для защиты от таких влияний увеличивают температуру катода (примеси быстрее удаляются), но при этом сокращается срок службы. Поэтому общая тенденция в развитии оксидных (да и других) катодов - понижение рабочей температуры и увеличение срока службы. Параллельно идет улучшение вакуумных условий в приборах.


В режиме коротких (микросекундных) импульсов при 700 - 800 - 900╟С рекордные значения эмиссии составляют около 3 - 30 - 100 А/см2. Реально используемые в приборах плотности тока меньше по крайней мере раза в два, во-первых, потому что в реальных приборах должен быть запас эмиссии, чтобы токоотбор не изменялся при колебаниях температуры катода, во-вторых, условия работы катода в реальных приборах могут быть хуже за счет напылений на катод с прибора, инициируемых токоотбором. По этой же причине с увеличением длины импульса достижимый токоотбор уменьшается. При длительностях импульса 1 - 10 - 100 мкс - 1 - 10 - 100 мс предельные токоотборы составляют соответственно 200 - 50 - 20 - 5 - 3 - 2 А/см2. При этом скважности, к которым относятся эти данные, составляют обычно 103 для импульсов короче 30 мкс и 10-102 - для импульсов длиннее 30 мкс. Данных о работе катодов в импульсном режиме немного, но в целом видно - чем длиннее импульсы, тем меньше предельный токоотбор. Это связано как с вредным воздействием приборов на катоды, так и с тепловыми эффектами в покрытии (разогрев при токопрохождении и эмиссионное охлаждение). Увеличивая длину импульса или уменьшая скважность, мы приходим к стационарному режиму. При температурах 600 - 700 - 800 - 900╟С рекордные значения стационарного токоотбора составляют 0,15 - 1 - 3 - 5 А/см2, реально используемые в приборах - меньше раза в два. Уменьшение срока службы при увеличении токоотбора связано с увеличением вредного влияния прибора. В итоге при стационарном токоотборе 0,3 - 1 - 3 А/см2 рекордные значения срока службы составляют 200.000 - 20.000 - 5000 ч. а практически достижимые величины - в несколько раз меньше. Данных по сроку службы в импульсном режиме мало, при скважностях более 100 и микросекундных импульсах, при токоотборе 3 - 10 - 30 А/см2 рекордно достижимые значения срока службы составляют 50.000 - 2.000 - 500 ч.


Процесс испарения оксидного катода может быть описан так. Во время работы поток испарения убывает пропорционально времени в степени минус 1/2. Для катода на нормальном активном керне, работающего при 750 - 850╟С, после 100 ч. работы поток испарения составляет 10-11 - 10-10 г/см2с. На пассивном керне поток меньше в 3 раза. В составе продуктов испарения катода на активном керне - в основном барий и в небольших количествах - оксид бария, стронций и кальций, на пассивном керне - в основном оксид бария, т. к. барий, стронций и кальций - это продукты взаимодействия оксидов с активатором.


Оксидные катоды почти монопольно применяются в приемно-усилительных лампах и кинескопах, а в СВЧ-приборах (ЛБВ, клистронах) - в случае, когда плотность тока, требуемая в данном приборе, не слишком высока. По мере продвижения приборов в область более высоких частот и мощностей, а также по мере увеличения требований к приборам, все большую часть катодов в СВЧ-приборах составляли импрегнированные (WBa) катоды.


Импрегнированные (диспенсерные, распределительные) катоды имеют матрицу из вольфрама, в порах которой располагается соединение бария. Отсюда - объединяющее катоды этого типа название WBa-катоды (вольфрам-бариевые катоды). Соединение бария вводится в матрицу пропиткой матрицы расплавленным соединением бария. Отсюда - название "импрегнированный", хотя нередко катод изготавливают прессованием смеси вольфрама и соединения бария. Барий доходит до поверхности и распределяется по ней, отсюда - название "диспенсерный".


В дальнейшем было установлено, что эмиссия WBa-катода существенно улучшается при нанесении на него тонкой (единицы мкм) пленки Os (осмия) или сплава Os-Ru, что более удобно технологически. В качестве активного вещества в WBa-катоде применяются сплавы оксидов ВаО, СаО, Аl2О3, WO3 в различных соотношениях. Долгое время было неизвестно, что, собственно, является эмитирующей структурой WBa-катода - поверхностные кристаллические образования из ВаО (или иные - скажем, СаО с монослоем бария) или монослой бария на монослое кислорода на вольфраме, "система W-O-Ba". Кристаллические образования на поверхности WBa-катода были обнаружены с помощью электронного микроскопа. Позже, по мере усовершенствования методик, стали появляться работы, в которых утверждалось, что в катоде есть и монослой, и кристаллические образования. Действительно, и барий, и кислород к кристаллам должны как-то доставляться, видимо, по механизму поверхностной диффузии по вольфраму. Наконец, было показано расчетом, что при относительно больших потоках бария и кислорода образуются кристаллы и монослой, при малых - монослой.


Параметры этих катодов таковы. В режиме коротких (микросекундных) импульсов при 800 - 900 - 1000 - 1100 - 1200 - 1300╟С рекордные значения эмиссии составляют 1 - 5 - 15 - 50 - 150 - 300 А/см2. Реально используемые в приборах плотности тока меньше по крайней мере раза в два. При длительностях импульса 1 - 10 - 100 - 1000 мкс предельные токоотборы составляют соответственно 100 - 50 - 30 - 20 А/см2 при скважностях около 1000 для импульсов короче 30 мкс и около 100 для импульсов длительнее 30 мкс. Реально используемые в приборах плотности тока меньше по крайней мере в два раза. Увеличивая длину импульса или уменьшая скважность, мы приходим к стационарному режиму. При температурах 900 - 1000 - 1100 - 1200╟С рекордные значения стационарного токоотбора 3 - 10 - 20 - 30 А/см2. Реально используемые в приборах плотности тока меньше по крайней мере в два раза. При стационарном токоотборе 0,3 - 1 - 3 - 10 - 30 А/см2 рекордные достигнутые значения срока службы - 200.000 - 200.000 - 100.000 - 30.000 - 1000 ч. Одинаковые предельные значения для токоотбора 0,3 А/см2 и 1 А/см2 означают, что испытания длительностью более 200.000 ч (22 года в непрерывном режиме) не проводились. При скважностях более 100, микросекундных импульсах и токоотборах 10 - 30 - 100 А/см2 рекордно достижимые значения срока службы составляют 10.000 - 5.000 - 300 ч. Реально используемые в приборах плотности тока и в этом случае меньше по крайней мере в два раза.


Поток массы при испарении катодов с диффузионным механизмом ограничения (катоды с губкой и активным веществом в ее порах) убывает пропорционально времени в степени минус 1/2. После 100 ч работы при 1000 - 1200╟С скорость испарения составляет 3.10-11 - 7.10-10 г/см2с. Эти данные относятся к катодам с минимальным испарением, обеспечивающим сохранение эмиссионной структуры, и соответствуют предельно достижимым значениям срока службы. Поток массы при испарении может быть на 1-3 порядка больше, при этом срок службы будет меньше. Состав продуктов испарения - Ba (барий) и ВаО, отношение ВаО/Ва = 0,15 - 0,4. Все новые модификации WBa-катода (WBaOs-, WOsBa-катод и т. д.) имеют поток испарения в несколько раз меньше, т. к. добавки к вольфраму либо менее активны по отношению к ВаО, либо на них выше энергия сорбции эмиссионной структуры. Область применения WBa-катодов в настоящее время такова - все ЭВП СВЧ, кроме тех, где применяется ОК (т. е. при малых плотностях токов), и Ir-РЗМ (т. е. при экстремально высоких плотностях токов).


Во многих случаях в электронных приборах приходится решать задачу создания поверхностей с малой термоэмиссией - так называемых антиэмиттеров. Казалось бы, достаточно взять любой металл с высокой работой выхода. Однако ситуация, как правило, сложнее. Во-первых, электроды, от которых требуется малая эмиссия, часто должны находиться около катода, а значит - подвергаться напылениям с катода. Продукты испарения (и распыления) катода имеют часто низкую работу выхода и, попадая на прикатодный электрод и сетки, "активируют" их, снижают работу выхода. Кроме того, находясь рядом с катодом, эти электроды нагреваются от него, что увеличивает термоэмиссию. Т. е. для таких электродов нужны материалы, дающие малую эмиссию при напылении веществ с катода и при той температуре, которую они приобретают, находясь в работающем приборе. Обычный механизм действия таких материалов - растворение в себе веществ, испаряющихся с катода, или десорбция. С разных катодов испаряются разные вещества, а скорость растворения зависит от температуры. Поэтому антиэмиссионные покрытия специфичны - для каждого катода и температуры существует свое оптимальное решение. Например, в паре с оксидным и WBa-катодом применяются обычно Au (золото), Ti (титан), комбинация Au + Ti. Успешно испытывались покрытия SnNi, SnGeNi, ZrSn, С (углерод). В паре с WCTh-катодом применяются Тi, С, ZrC + Pt.


Другим вариантом применения антиэмиссионного вещества может быть деталь, непосредственно контактирующая с катодом. Это может быть сетка или иные элементы, непосредственно вмонтированные в эмиссионную поверхность, или участки катода, которые не должны эмитировать и не покрыты эмиссионным покрытием. В этих случаях элементы подвергаются не только напылению, но и миграции активного вещества с катодов. В этих условиях для работы в паре с WBa-катодом хорошо зарекомендовали себя MoSi2 и Hf (гафний), с LaB6-катодом - углерод, с ОК - очевидно, Ni (никель), как классический материал керна.


ЭМИССИЯ ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНОВ


Термоэлектронная эмиссия определяется величиной потенциального барьера на выходе из твердого тела и энергией пытающихся его преодолеть электронов. Разумеется, важна энергия электронов, а не атомов (ионов) твердого тела. Почему же для получения эмиссии нагревают твердое тело (это и называется термоэмиссией)? Потому что это - простейший способ нагреть электроны - через их обмен энергией с решеткой. Но можно попытаться нагреть электроны и не прибегая к нагреву решетки. Поскольку электроны - заряженные частицы, то наиболее простой способ их "нагрева", т.е. передачи им энергии, состоит в воздействии на них электрическим полем. Таким образом, задача создания катода с эмиссией горячих электронов - это, прежде всего, задача создания в проводнике или полупроводнике большого электрического поля. Для этого проводник и полупроводник надо "испортить", уменьшив их проводимость, ибо иначе через них в этом большом поле пойдет большой ток, и катод выйдет из строя. Рассмотрим способы создания большого поля и соответствующие типы эмиттеров.


Эмиссия из островковых пленок


Один из способов "испортить" металл - это разделить его на отдельные частички. Если зазоры между ними будут невелики, порядка 100 A (10 нм), электроны будут туннелировать (преодолевать потенциальный барьер, сниженный и суженный большим полем) из одной частички в другую, и так будет осуществляться проводимость. Но ток по сравнению с током через монолитный металл сильно уменьшится, т.е. возрастет сопротивление. Это дает возможность увеличить поле. Тогда энергия электронов увеличится настолько, что они окажутся способными эмиттироваться в вакуум. Реально катоды с эмиссией горячих электронов выполняются в виде диэлектрической подложки, на которую напылена тонкая пленка металла или полупроводника. При малых толщинах пленки обычно получаются "островковые", т.е. состоящие из отдельных маленьких частичек, разделенных зазорами. Изменением условий напыления (скорости напыления, количества напыленного вещества, температуры подложки, энергии напыляемых атомов, доли ионов) можно управлять размером как островков, так и зазоров. Для облегчения выхода электронов из катода последний часто покрывается весьма тонкими (примерно моноатомными) пленками веществ, понижающих работу выхода Cs (цезия), BaO. В качестве вещества основной пленки обычно используют Au (золото), SnO2, BaO. При этом в SnO2 и BaO играет роль не только "островковость" пленки, но и собственные свойства оксида (низкое отношение электронного сродства к энергии ударной ионизации).


Лучшие полученные параметры таковы - токоотбор 1 А/см2 в течение длительного времени и 10 А/см2 - кратковременно. При этом эффективность - отношение тока эмиссии к току, протекающему через пленку - может приближаться к 100%.


Эмиссия из p-n переходов


При подаче на полупроводник с p-n переходом обратного напряжения в нем образуется область с большим электрическим полем. При наличии дрейфового тока неосновных носителей они ускоряются этим полем, "разогреваются", и становится возможной их эмиссия. Эти носители - электроны, генерируемые в p-области, а для увеличения эмиссии поверхность такого катода (как и островковых пленок) покрывают монослоем Cs2O или BaO. При этом электроны могут эмитироваться как через слой полупроводника (т.е. в направлении полученной от поля скорости), так и поперек, после рассеивания. В катодах с эмиссией из p-n переходов достигнуты высокие плотности тока - до 100 А/см2, но пока при очень низкой эффективности - 10-3, максимум - 10-2. Таким образом, ток через переход превышает эмитируемый в 100-1000 раз, что для практического применения неприемлемо.


Катоды со структурой металл - диэлектрик - металл (МДМ)


Такой катод состоит из металлической подложки, нанесенной на нее тонкой диэлектрической пленки и металлической пленки поверх нее. Напряжение прикладывается между подложкой и металлической пленкой. Если диэлектрическая пленка достаточно тонка, чтобы электроны могли туннелировать через нее (10 - 100 нм), а металлическая пленка достаточно тонка, чтобы туннелировавшие и ускоренные полем электроны могли пройти и сквозь нее (3 - 30 нм), то они могут выйти в вакуум. Таким образом, механизм работы катода напоминает механизм работы островковой пленки, но роль островков играют подложка и металлическая пленка, а вакуумного зазора между островками - диэлектрическая пленка. Верхняя металлическая пленка для увеличения эмиссии обычно покрывается монослоями Cs или BaO. В качестве диэлектрика используются обычно оксиды или нитриды, материал верхнего электрода - чаще всего Al (алюминий) или Au. Достигнуты значения плотности тока до 1 А/см2 при низкой эффективности - 0,01, или большая эффективность - 0,1, но при меньшей плотности тока.


Ситуация по катодам с эмиссией горячих электронов в целом такова. Всем этим катодам свойственны недостатки - широкий спектр энергий эмитированных электронов, часто - высокие шумы, нестабильная работа. Параметры большинства систем пока не достигли уровня, при котором они заинтересуют разработчиков приборов, но в дальнейшем это вполне возможно.


Катоды с отрицательным электронным сродством


На границе твердого тела и вакуума существует потенциальный барьер. Для электронов в зоне проводимости полупроводника высота этого барьера определяется величиной электронного сродства - разностью энергий между дном зоны проводимости и вакуумом. При нанесении на поверхность полупроводника моноатомных слоев электроположительных атомов или молекул с большим дипольным моментом происходит понижение работы выхода (расстояние от уровня Ферми до уровня вакуума), а следовательно, и электронного сродства. Обычно наносят Cs, BaO, Cs2O и др., при этом в некоторых случаях электронное сродство может стать отрицательным. Это означает, что электрон в зоне проводимости полупроводника может свободно выйти ("вывалиться") в вакуум, если он окажется в зоне проводимости и на расстоянии от поверхности, меньшем диффузионной длины.


Например, если переброс электрона в зону проводимости обусловлен освещением полупроводника и этот электрон продиффундировал к поверхности и эмитировал, то мы имеем фотокатод с отрицательным электронным сродством. Если освещение полупроводника производится фотодиодом, выполненном "в одном устройстве" с использующим фотовозбуждение катодом с отрицательным электронным сродством, то мы получаем катод с отрицательным электронным сродством, имеющий внутри себя два преобразователя - тока в свет и обратно.


Имеются другие возможности использования катода с отрицательным электронным сродством. Пусть катод содержит полупроводник с p-n переходом с тонкой p-областью, которая граничит с вакуумом, и поверхность p-области обработана так, чтобы достигалось отрицательное электронное сродство. Тогда при подаче прямого смещения на p-n переход в p-область инжектируются электроны, которые, преодолев p-область, могут выйти в вакуум. Катоды этих двух типов реализованы, и получены плотности тока, близкие к представляющим интерес - порядка 1 А/см2. Но по этим катодам существуют лишь одиночные работы, и перспективы их применения неясны. Основное применение катоды с отрицательным электронным сродством получили как катоды со вторичной электронной эмиссией и как фотокатоды.


АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ


Автоэлектронная эмиссия (также - полевая эмиссия, электростатическая эмиссия, туннельная эмиссия) - испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности. Автоэлектронная эмиссия объясняется туннельным эффектом и происходит без затрат энергии на возбуждение электронов, необходимых для электронной эмиссии иных видов. При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер на границе эмиттера, не путем прохода над ним за счет кинетической энергии теплового движения, как при термоэлектронной эмиссии, а путем туннельного просачивания сквозь барьер, суженный и сниженный электрическим полем.


Зависимость автоэмиссии от поля и работы выхода весьма сильна, что иллюстрируется таблицей, в которой приведены некоторые значения плотности автоэлектронного тока в А/см2 в зависимости от поля в В/см и работы выхода в эВ.


═══════════════ Работа выхода, эВ═══ 2,0══════════════════ 4,5═════════════════ 6,3


Поле, В/см


═---------------------------------------------------------------------------------------


═107═════════════════ ════════════════════════════════════════════════103══════════════════════════ 2х10-17════════════════════════════ -


═2х107════════════════════════════════════════════════════ 2,5х107══════════════════════ 5х10-4═══════════════════════════ 10-13


═5х107════ ═══════════════════════════════════════════════════════-════════════════════ 4х106═════════════════════════════ 2х102


═108═════════════════════════════════════════════════════════════════ -════════════════════════════════ 6х108════════════════════════════ 5х106


═2х108════════════════════════════════════════════════════════════ -═══════════════════════════════════ -══════════════════════════════════ 2х109


═----------------------------------------------------------------------------------------


Величины, которые реально не могут быть получены или не могут быть измерены, опущены.


Автоэмиссия зависит также, хотя и слабо, от температуры. Так, в области "технически интересных" плотностей тока (более 106 А/см2 на поверхности эмиттера) при работах выхода в области 5-6 эВ автоэлектронный ток увеличивается на 10% при увеличении температуры от 0К до 700-900К. Разумеется, при увеличении температуры до значений, при которых становится существенной термоэмиссия, мы получаем смесь двух видов эмиссии, которую, естественно, называют термоавтоэмиссией. Катоды могут работать в этой области параметров, но основные преимущества автоэмиссии (отсутствие накала) и термоэмиссии (малые напряжения) в этом случае отсутствуют.


Энергетический спектр автоэлектронов из металла узок, полуширина распределения по полным энергиям при темпрературе 0 К составляет величину порядка 0,1-0,2 эВ, при 300 К 0,2-0,3 эВ. Отбор тока при низких температуpax приводит к нагреванию эмиттера, т. к. уходящие электроны уносят энергию в среднем меньшую, чем энергия Ферми, с возрастанием температуры нагрев сменяется охлаждением - эффект меняет знак, проходя через "температуру инверсии", соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределению вышедших электронов по полным энергиям (в эксперименте на этот эффект накладывается джоулев разогрев). Особенности автоэлектронной эмиссии из полупроводников связаны с проникновением электрического поля в эмиттер, меньшей концентрацией электронов и наличием поверхностных состояний. Все это влияет на положение энергетических зон, концентрацию носителей заряда и их энергетический спектр.


Максимальные плотности тока, которые могут быть получены в режиме автоэмиссии, ограничены разогревом эмиттера протекающим через него током и разрушением эмиттера электрическим полем. Заметим, что таким же разогревом ограничена плотность тока, отбираемого с полупроводниковых термокатодов, но величины сопротивления - и, следовательно, предельные токи - различаются на много порядков. В режиме автоэмиссии получают токи порядка 107 А/см2 (на поверхности эмиттера) в стационарном и 109 А/см2 в импульсном режимах. При попытке в стационарном режиме получить больший ток эмиттер разрушается. В импульсном режиме при попытке увеличить ток эмиттер начинает работать в ином режиме, так называемом "режиме взрывной эмиссии" (см. ниже).


В качестве материалов автокатодов применяются чаще всего металлы или соединения с металлическим типом проводимости - как ввиду низкого сопротивления, так и ввиду высокой прочности. Однако в некоторых случаях возможно использование и полупроводников. Для них предельная эмиссия меньше, ток в некоторых случаях зависит от температуры и освещенности, а энергетическое распределение эмитированных электронов шире из-за проникновения поля в материал эмиттера.


Сильная зависимость автоэмиссии от работы выхода влечет за собой нестабильность работы автокатода. Ситуация аналогична той, которая возникает при эксплуатации термокатода в режиме насыщения, когда с катода отбирается ток насыщения, зависящий от работы выхода. Разница, однако, состоит в том, что у термокатода в режиме насыщения есть еще одна "ручка управления" - температура. И можно компенсировать влияние изменений работы выхода на токоотбор посредством управления температурой (через мощность накала). Такие схемы реализованы, и они обеспечивают необходимую стабильность токоотбора, заодно позволяя получить минимальную температуру катода и наивысшую экономичность. У автокатода нет удобной дополнительной "ручки управления" - управлять высоким напряжением сложно. В частности поэтому проблема стабильности работы для автокатодов становится еще более важной.


Работа выхода поверхности зависит как от процессов, происходящих на поверхности в высоком вакууме, так и от влияния недостаточно высокого вакуума. "Собственные" процессы - это диффузия, миграция, перестройка поверхности. Что касается диффузии, то она влияет не сильно, так как в качестве автоэмиттеров применяются чаще всего элементы - W (вольфрам) и C (углерод), а не соединения. Но даже если применяются соединения (LaB6), то испаряющиеся конгруэнтно и поэтому имеющие стабильный состав поверхности. Техника термокатодов в борьбе за уменьшение работы выхода пошла по пути сложных соединений, поэтому роль диффузии в термоэмиссии значительно больше. Когда в качестве автоэмиттеров применяются соединения, диффузия тоже может сказываться на работе выходы и эмиссии.


Миграция может изменять локальный состав - если на поверхности есть атомы более чем одного сорта. Миграция может быть одним из процессов в ходе перестройки поверхности с изменением набора граней, выходящих на поверхность, и, следовательно, работы выхода. Высокие поля, в которых работает автокатод, способствуют перестройке поверхности, а нагрев протекающим током ускоряет миграцию (как и диффузию). Перестройка поверхности в поле применяется и для управления формой автоэмиттера.


Влияние недостаточно высокого вакуума состоит в том, что остаточные газы сорбируются автоэмиттером, изменяя его работу выхода. Причем наиболее часто применяемый материал - вольфрам - хорошо сорбирует газы. Это повлекло за собой многочисленные попытки применения металлов, не так хорошо сорбирующих газы, например, рения или еще более пассивного углерода, имеющего, к сожалению, большое сопротивление. Предлагалось, естественно, и покрывать металл пленкой углерода.


Уменьшать сорбцию газа на поверхности можно постоянным небольшим нагревом автоэмиттера или периодическим сильным импульсным нагревом для очистки поверхности. В целом современные автокатоды обычно требуют для стабильной работы вакуума на один - три порядка более высокого, чем термокатоды.


Второй после работы выхода параметр, от которого сильно зависит автоэмиссия - напряженность электрического поля на эмиттере. Она, в свою очередь, зависит от среднего поля в приборе (отношение внешнего напряжения к величине зазора) и геометрии эмиттера, ибо для увеличения поля на эмиттере применяются, как правило, "острые" формы - выступы, нити, острия, лезвия, торцы трубок или их системы - пучки нитей, пакеты лезвий, углеродные нанотрубки и т.п. Для отбора относительно больших токов используют многоострийные системы, многоэмиттерные системы на краях пленок и фольг и т. п. В зависимости от размеров эмиттеров и расстояния до анода напряжение, обеспечивающее величину электрического поля, достаточную для возникновения автоэлектронной эмиссии, может составлять от сотен вольт до нескольких десятков киловольт.


Ключевым вопросом техники автоэмиттеров является создание и стабилизация "острого" рельефа поверхности. Технологически острый рельеф создается чаще всего электрохимическим травлением, так как чисто механически получить острие или лезвие с радиусом в десятые доли мкм затруднительно. Второй возможный способ - изготовление не "острого" объекта, а тонкого с последующим его изломом. Например, тянутся нити или пучки нитей, их срез или слом становится группой острий. Или берется тонкая фольга, а ее торец, образующийся при разрезании или разрывании, становится острым. Использование торцов тонких нитей в качестве автоэмиттеров сопровождается интересным эффектом: нити некоторых материалов (в частности, углерода) при работе в высоких полях расщепляются, превращаясь в пучок еще более тонких суб-нитей. Третий способ получения "острого" рельефа - это непосредственное выращивание острий из пара по механизму пар-жидкость-кристалл, когда на подложке из конденсирующегося пара растут тонкие перпендикулярные подложке острия. Четвертый способ - напыление через маску, при котором можно получить на подложке острые конусы. Поддержание "остроты" рельефа во время работы является важной проблемой автокатодов. Во-первых, на рельеф влияет перестройка поверхности в поле, ускоряющаяся при нагреве. Причем нагрев без поля вызывает сглаживание, а в больших полях может происходить, напртив, "обострение". Формой острий можно управлять, и такой метод действительно применяется практически.


То, что в качестве эмиттеров используются не плоскости (как в термокатодах), а острия, имеет важное следствие - непараллельность траекторий электронов. Область высокого поля, в котором электроны приобретают основную энергию, лежит вблизи острия, и поэтому компонента скорости, лежащая параллельно плоскости эмитирующего электрода и, стало быть, перпендикулярно среднему полю, оказывается велика и может быть даже сравнима с продольной компонентой. Пучок получается расширяющимся, веерным, а если катод многоострийный или многолезвийный, то пучок получается неламинарный, с пересекающимися траекториями электронов. Поэтому автокатод нельзя, как правило, просто поставить в прибор, предназначенный для использования с термокатодом. Это верно даже для классических низкочастотных электронных ламп (диодов, триодов, пентодов и т.д.), а тем более для СВЧ-приборов, которые почти все работают со сфокусированными, определенным образом сформированными, чаще всего протяженными и часто - ламинарными электронными пучками. Для использования автокатода надо, как правило, специально разрабатывать прибор, и он будет отличаться от прибора, рассчитанного на работу с термокатодом. Только в лампе с параллельными и близкими анодом и катодом (и сетками) термокатод и многоострийный автокатод будут работать примерно одинаково.


Для сужения пучка можно попробовать организовать на поверхности одноострийного автокатода "эмиссионный рельеф" - т.е. неоднородность работы выхода (аналогичное решение применяется и в термокатодах). Эмиссионный рельеф в автокатодах может образовываться за счет двух процессов. Во-первых, за счет огранки поверхности. Острие оказывается состоящим из разных кристаллографических граней, и разные грани по разному эмитируют. Во-вторых, за счет избирательной сорбции. Например, цирконий сорбируется по разному на разных участках (гранях) вольфрамового острия, избирательно понижая работу выхода. В целом удается уменьшить угол расхождения пучка, для обычных автокатодов составляющий от 60╟ до 100╟, до примерно 10╟.


По величине плотности тока при малых размерах источника (электронная яркость, точечность источника) автоэлектронные катоды не имеют равных, и в областях, где именно эти параметры имеют значение, применение автокатодов позволило получить качественно новые параметры приборов. Особенно важным оказалось применение автокатодов в электронной микроскопии предельного разрешения и в электронно-лучевой технологии. Перспективно, по-видимому, применение таких катодов в некоторых видах дисплеев и других электронных приборов - электронно-лучевых анализаторов, ионизаторов, ускорителей.


Свойства автокатодов имеют интересные следствия для приборов СВЧ. Например, малогабаритность позволяет применять их в СВЧ-приборах самых высоких частот, а высокая крутизна зависимости тока от напряжения - получить при синусоидальном напряжении короткие монохроматические сгустки электронов, эмитируемые в области максимума напряжения. Однако пока имеются лишь отдельные попытки применения в них автокатодов, точнее - разработки СВЧ-приборов с автокатодами.


Во многих случаях применений автокатодов важны не только (или не столько) значения плотности токов и электронной яркости, сколько полный ток. Для одноострийного катода он довольно скромен, несмотря на большую плотность тока - ведь все эти 107 - 109 А/см2 отбираются с субмикронной площади. Для напряжений порядка 1-10-100 кВ, если мы хотим работать в стационарном режиме и отбирать даже ток предельной плотности 107 А /см2, ток одиночного острия составлит 10-3-10-1-10 А, в то время как и для низкочастотной лампы, и для СВЧ-прибора обычные значения тока при этих напряжениях будут в десятки и сотни раз больше. Поэтому для конкуренции с термокатодами в приборах этих классов автокатоды должны быть многоострийными. Число острий должно быть десятки тысяч с учетом того, что в области предельных плотностей тока работа всегда нестабильна. В импульсном режиме ситуация аналогична, хотя отношение традиционных токов приборов к предельным токам автокатодов несколько меньше.


При этом идти по пути увеличения напряжений нельзя; техника, "привыкшая" работать с электронными лампами при напряжении порядка 1 кВ (обычные) - 10 кВ (мощные) и СВЧ-приборами при 10 кВ (обычные) - 100 кВ (мощные) - 300 кВ (сверхмощные) не согласится на приборы - даже очень хорошие - с рабочим напряжением в мегавольты, ибо это будет означать переделку всех устройств, где стоят эти приборы. Иное дело - ситуации с неклассическими приборами, когда все делается заново и нужен "ток любой ценой". Такой прибор (сверхмощный импульсный генератор электронов) может иметь рабочее напряжение и в мегавольты, ибо прибор этого класса создается заново, конкурентов у него нет, и сравнивать его не с чем.


Многоострийные автокатоды позволяют увеличить ток и довести его до значений, обычных для электровакуумной техники. При этом преимущество - отсутствие цепи накала и мгновенная готовность к работе - сохраняются. Требование более высокого вакуума можно считать непринципиальным, ибо технология получения вакуума все время усовершенствуется. Термокатоды допускают низковольтное или сеточное управление - размещенная над катодом сетка позволяет управлять эмиссией посредством приложения относительно малого - десятки вольт - напряжения. Этот способ управления применяется в низкочастотных электронных лампах и в некоторых СВЧ-приборах. Над многоострийным автокатодом можно расположить сетку, согласовав отверстия в ней с остриями, но напряжение на ней, необходимое для управления эмиссией, будет слишком велико. Для получения приемлемого напряжения (хотя бы в сотни вольт) зазор между вершинами острий и сеткой должен составлять единицы микрон.


Такой катод был изготовлен методами микроэлектроники, хотя и предназначался для вакуумной техники. На проводящей подложке с помощью последовательных напылений, травлений через слой фоторезиста и окислений формировалась следующая структура: слой изолятора толщиной порядка мкм с отверстиями диаметром порядка мкм, расположенными с шагом в несколько мкм и доходящими до проводящей подложки, тонкий слой проводника, покрывающий этот изолятор (и не закрывающий отверстия в нем), а на дне каждого отверстия - т.е. на подложке - проводящий конус, доходящий по высоте до уровня металлического слоя на изоляторе. Т.е. образовывалась решетка колодцев с автоэмиттером (конусом) на дне, доходящим до его края и с проводящим покрытием на краю каждого колодца, т.е. управляющей сеткой. С таких структур были получены средние по площади токи до 100 А/см2, а при средних токах в единицы А/см2 были получены значения срока службы в десятки тысяч часов. Управляющее напряжение на "сетке" составляло при этом около 200 В. Такой катод вполне сопоставим по своим параметрам с термокатодами, при этом он не нуждается в накале, но имеет большие поперечные скорости электронов.


Что произойдет при попытке получить очень большой ток с автоэлектронного катода, поднимая все выше и выше напряжение? При этом такие катоды переходят в режим взрывной эмиссии. Внешне этот переход не очень заметен, поэтому различать эти два вида эмиссии стали позже, чем использовать. При взрывной эмиссии автоэлектронный ток нагревает эмиттер, он за несколько единиц или десятков наносекунд испаряется, причем пары частично ионизируются, а токоотбор происходит с поверхности стремительно расширяющегося (со скоростью " 104 м/с) облака плазмы (атомов, ионов и электронов). Когда это облако долетает до противоположного электрода, оно замыкает зазор - это и называется вакуумным пробоем.


Взрывная эмиссия принципиально отличается от автоэмиссии тем, что при ней расходуется материал эмиттера. Этот расход может быть, однако, и невелик, и также катоды могут выдерживать десятки тысяч импульсов и даже более. Таким образом, автоэлектронная эмиссия является первой стадией взрывной эмиссии. Взрывная эмиссия может быть получена не только с твердого тела. Известны эксперименты, в которых взрывная эмиссия получалась с вершин волн на поверхности жидкого металла.


Строго говоря, для существования взрывной эмиссии - точнее, ее сильноточной фазы, т.е. эмиссии из плазмы - неважно, откуда эта плазма взялась. Поэтому можно любым способом создать плазменную поверхность, а потом, приложив перпендикулярное к ней поле, вызвать эмиссию из плазмы. В качестве источника плазмы использовался сам вакуумный пробой (разряд в парах материала электрода в вакууме) или разряд по поверхности диэлектрика в вакууме, т.е. плазменное облако над поверхностью диэлектрика, материалом для которого послужил десорбированный с поверхности диэлектрика газ и сам материал диэлектрика.


Катоды со взрывной эмиссией применяются тогда, когда требуются большие токи и являются желательными или, по крайней мере, допустимыми малая длительность импульса и высокое напряжение. Характерные величины - ток до 200 кА, напряжение до 3 МВ, длительность импульса до 100 нс. Эмиттером служит либо довольно тупое острие (радиус закругления - десятые доли мм), либо просто гладкий электрод, работающий за счет естественной шероховатости. Области применения - генерация электронных пучков с указанными выше параметрами для ускорительной техники, для генерации сверхмощного рентгеновского и оптического излучения и др.


ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ


Фотоэлектронная эмиссия или внешний фотоэффект - это испускание электронов твёрдыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения (фотонов). Практическое значение имеют эмиссия из твёрдых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков) в вакуум и газы. Основные закономерности фотоэлектронной эмиссии таковы: 1) количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения; 2) для каждого вещества существует порог - минимальная частота (или максимальная длина волны) излучения, за которой эмиссия не возникает; 3) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности.


Фотоэлектронная эмиссия возникает в результате поглощения фотона электроном (с передачей импульса иону), перемещения электрона с высокой энергией к поверхности (при этом электрон может потерять часть энергии) и выхода электрона из тела. Фотоэмиссия может иметь место, если энергия фотона больше работы выхода, которая для чистых поверхностей металлов > 2 эв, а для большинства металлов > 3 эв, поэтому фотоэмиссия наблюдается в видимой и ультрафиолетовой (для щелочных металлов и бария) или только в ультрафиолетовой (для прочих металлов) частях спектра. Вблизи граничной частоты ("красная граница фотоэффекта") квантовый выход составляет порядка 10-4 электрон/фотон. Это - следствие сильного отражения металлами излучения и потерь энергии электронами при движении к поверхности (на возбуждение колебаний в электронном газе). Энергию сохраняют только те фотоэлектроны, которые образовались вблизи поверхности на глубине, не превышающей несколько нанометров. С увеличением энергии фотонов квантовый выход возрастает, при энергии 12 эв он составляет для металлов величину порядка 10-3, при 15 эв - 10-2.


Фотоэмиссия чувствительно к состоянию поверхности, если загрязнения снижают работу выхода, то квантовый выход возрастает. Сильного увеличения квантового выхода и сдвига порога фотоэмиссии в видимую область спектра достигают покрытием поверхности металла моноатомным слоем электроположительных атомов Cs (цезия) или Rb (рубидия), образующих дипольный слой. Например, Cs снижает работу выхода для большинства металлов до 1,4-1,7 эв.


Фотоэмиссия из полупроводников и диэлектриков определяется сильным поглощением электромагнитного излучения, начиная с энергий фотонов, равных ширине запрещенной зоны. В этом случае поглощения показатель составляет 104-105 см-1. Если проводимость не слишком велика, то потери энергии электронами происходят не на электронах проводимости, а на электронах валентной зоны (ударная ионизация) или тепловых колебаниях решётки. Если работа выхода более чем вдвое превосходит ширину запрещенной зоны, как в Si (кремнии), Ge (германии), GaAs, то квант с энергией, большей работы выхода, порождает электронно-дырочную пару, потери энергии возрастают, а квантовый выход падает. В этих материалах вблизи порога квантовый выход составляет 10-6 электрон/фотон и даже на относительно большом расстоянии от порога (1 эв) не превышает 10-4 электрон/фотон. Если работа выхода меньше ширины запрещенной зоны, то фотоэлектроны теряют энергию при рождении оптических фононов и фотоэлектроны теряют энергию на длине пробега всего 10-30 нм. В кристаллах щёлочно-галоидных соединений длина пробега больше 50-100 нм, поэтому квантовый выход таких кристаллов резко возрастает от самого порога фотоэмиссии и достигает больших значений. Так, в CsJ при энергии кванта 7 эв (на расстоянии 0,6 эв от порога), квантовый выход - 0,1 электрон/фотон. Для большинства технических применений важны материалы, обладающие высоким квантовым выходом для видимого и ближнего инфракрасного излучений, они рассмотрены ниже.


Фотоэмиссия широко используется для исследования энергетической структуры веществ, для химического анализа (фотоэлектронная спектроскопия), в измерительной аппаратуре, в звуковоспроизводящей киноаппаратуре и в приборах автоматики (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители), в передающих телевизионных трубках (супериконоскоп, суперортикон), в инфракрасной технике (электроннооптический преобразователь) и других приборах, предназначенных для регистрации излучений рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн. Роль этих применений и приборов велика потому, что существенную часть информации об окружающем мире человек получает посредством зрения.


Параметры фотоэлектронных катодов


Основной параметр фотокатодов - это спектральная чувствительность, т.е. отношение количества падающего на катод излучения с определенной длиной волны к эмитируемому им току. Чувствительность фотокатодов принято характеризовать тремя различными способами. Первый: это отношение тока эмиссии к мощности падающего на катод светового излучения на той или иной длине волны, единица - А/Вт (практически мкА/Вт). Второй, менее распространенный способ - это то же отношение, но мощность оптического излучения измеряется не в Вт, а в оптических единицах светового потока, люменах, т.е. единицей чувствительности будет мкА/лм. Однако единица люмен основана на спектральной характеристике чувствительности человеческого глаза ("кривой видности"), и поэтому так можно характеризовать чувствительность фотокатодов только для видимой части спектра. Кроме того, раз такая чувствительность не является спектральной, то она определима однозначно только в том случае, если оговорено, какой именно источник света (т.е. с какой спектральной характеристикой излучения) используется. Условились, что при измерениях должна использоваться лампа накаливания с вольфрамовой нитью при цветовой температуре 2600╟С. Наконец, третий метод определения чувствительности - это квантовый выход, отношение числа эмитированных электронов к числу упавших на катод квантов. Эта характеристика, как и первая, спектральная.


Чувствительность в А/Вт и квантовый выход пропорциональны, но коэффициент пропорциональности зависит от длины волны, так как энергия кванта зависит от длины волны. Квантовый выход 100% соответствует для 200, 400, 600, 800 и 1000 нм соответственно чувствительностям 160, 320, 470, 620, 800 мА/Вт.


Каждый фотокатод имеет свою спектральную характеристику. Чувствительность не равна нулю в рабочем диапазоне длин волн и убывает по его краям. Граница со стороны больших длин волн носит принципиальный характер и называется красной границей фотоэффекта. Как фотоэмиссия, так и термоэмиссия есть у любого вещества. При работе с малыми освещенностями имеет значение фоновый сигнал - т.е. ток, который протекает через прибор при полном отсутствии освещения. Один из компонентов этого фонового сигнала - ток термоэмиссии фотокатода. Поэтому у материалов, используемых как фотокатоды, термоэмиссия должна быть как можно меньше.


По существу фотокатод является катодом с эмиссией горячих электронов (хотя его обычно так не называют), ибо энергия, необходимая для эмиссии, сообщается электрону фотоном, и этот электрон не находится в тепловом равновесии с решеткой. Поэтому фотоэмиссия фотокатодов и их термоэмиссия определяются разными элементами зонной диаграммы их материала; в первом приближении можно считать, что термоэмиссия определяется работой выхода, а фотоэмиссия - электронным сродством, т.е. расстоянием от дна зоны проводимости до уровня вакуума. В некоторых случаях, когда надо добиться возможно меньшего фонового сигнала от уже имеющегося фотоприбора, т.е. возможно меньшего термотока от определенного типа фотокатода, его охлаждают. Понижение температуры от, например, +20╟С до -20╟С уменьшает термоток на 1-2 порядка. Характерные величины термотоков фотокатодов при комнатной температуре - от 3×10-19 А/см2 (2 электрона в секунду) до 10-12 А/см2.


Следующий из основных параметров фотокатодов - это сопротивление. Дело в том, что фотокатод может работать "на отражение" и "на прострел". Если фотокатод работает на отражение, то он может быть выполнен на массивной металлической подложке, и в этом случае его сопротивление большой роли не играет - выбитый из него электрон замещается другим, пришедшим из хорошо проводящей подложки. Если же фотокатод работает на прострел, то он представляет собой тонкую пленку, нанесенную на прозрачную подложку со стороны вакуума. Свет проходит сквозь подложку, а выбитый из фотокатода электрон улетает в вакуум. Этот электрон должен заместиться другим, иначе фотокатод зарядится положительно и протекание тока прекратится. Замещающий электрон приходит из источника питания через электрод, который располагается по периферии катода. Через подложку он прийти не может, так как прозрачные вещества - диэлектрики. При протекании тока по тонкой пленке (фотокатоду) на нем образуется падение напряжения, неэквипотенциальность, зависящая от освещенности. Режим работы прибора нарушается. Поэтому желательно, чтобы сопротивление фотокатода было меньше.


Для работы с неэквипотенциальностью применяется нанесение на прозрачную подложку тонких проводящих пленок, достаточно низкоомных для выравнивания потенциала, но достаточно тонких, чтобы они слабо поглощали излучение. Чаще всего в качестве таких пленок используются пленки Cr (хрома), W (вольфрама), SnO2, MnO2. Сопротивление квадратного участка большинства пленочных фотокатодов при комнатной температуре составляет от 3×106 до 1010 Ом (или, как говорят, Ом на квадрат) , причем оно увеличивается при охлаждении от +20╟С до -20╟С в 3-10 раз.


Поскольку фотокатод осуществляет поглощение света и генерацию электронов, то для применений должны иметь значение его оптические параметры. Например, металлы отражают значительную часть светового излучения, что ухудшает их параметры как фотокатодов. Далее, если пленка фотокатода сравнима по толщине с длиной волны, то в результате интерференции в ее толще возникнет то или иное распределение мощности излучения, что повлияет на его параметры. Например, для фотокатода, работающего на отражение, применение хорошо отражающей подложки при условии, что пучность стоячей волны располагается на границе фотокатода и вакуума, увеличивает чувствительность более чем вдвое. Для увеличения чувствительности применяются различные оптические устройства, возвращающие на фотокатод отраженный от него свет.


Для работы катода имеют значение оптические свойства его прозрачных подложек, в частности - полоса пропускания. Так, со стороны малых длин волн обычные стекла пропускают излучение примерно до 300 нм, увиолевое стекло - до 200 нм, кварц и сапфир - до 170 нм, фторид магния - до 130 нм и фторид лития - до 100 нм (для более коротких длин волн прозрачных материалов нет). Со стороны больших длин волн обычные стекла пропускают излучение примерно до 3 мкм.


Применимость фотокатодов определяется не только этими основными параметрами, но и рядом других. Имеет значение пространственная однородность и временное постоянство всех параметров. В зависимости от масштаба времени говорят о шуме - если речь идет о колебаниях тока за малые времена, о нестабильности параметров, если речь идет о больших временах, и если речь идет о еще больших временах - об ограниченном сроке службы. Граница между этими областями не определена формально, но практически ее располагают где-то в области десятков секунд (между шумом и нестабильностью) и сотен часов (между нестабильностью и сроком службы). Шум, как и у прочих катодов, состоит из двух компонент - собственно шума катода, фликкер-шума (связанного с процессами миграции и диффузии веществ) и шума, связанного с дискретностью потока электронов - дробового шума. Далее, имеет значение спектр скоростей эмитированных электронов - как спектр модулей, так и пространственное распределение. Второе обычно описывается законом Ламберта - эмиссия под углом к нормали пропорциональна косинусу угла. Наконец, для эксплуатации важны вибро- и ударопрочность, термостойкость и т.п.


Фотокатоды для работы в ультрафиолетовой части спектра


Большинство типов фотокатодов, применяемых для видимой части спектра, работоспособны и в ультрафиолетовой - энергия ультрафиолетового кванта больше, чем видимого. Диапазон же длин волн, воспринимаемых фотоприбором, ограничивается полосой пропускания входного окна (см. выше). Особую группу среди фотокатодов представляют солнечно-слепые фотокатоды, воспринимающие ультрафиолетовое излучение, но не чувствительные к излучению Солнца. Такие фотокатоды позволяют исследовать ультрафиолетовое излучение при наличии мощного фонового излучения Солнца. Конечно, в качестве солнечно-слепых фотокатодов можно было бы применять металлы, но они имеют малый квантовый выход, в частности - из-за высокого отражения.


Солнечно-слепой фотокатод для космических применений должен не воспринимать излучение длиннее 200 нм, для наземных - длиннее 350 нм (участок солнечного излучения короче 350 нм поглощается атмосферой). Применяются соответственно KBr (граница 150 нм), CsJ (граница 180 нм), Cs2Te или Rb2Te (граница 280 нм). Квантовый выход достигает 10 % и более в области 110-140 нм (KBr, CsJ) и 140-240 нм (Cs2Te, Rb2Te). Все эти катоды имеют большое сопротивление и при исполнении "на прострел" должны иметь тонкую проводящую подложку (Cr, W). Для области длин волн короче 100 нм, исследования в которой возможны только в вакууме (внутри откачиваемой установки или в космосе), применяются катоды из MgF2 с границей чувствительности 140 нм и квантовым выходом более 40% при 55 нм. Технология катодов Cs2Te и Rb2Te - напыление тонкой пленки Te и обработка ее в парах Cs и Rb. Технология KBr, CsJ и MgF2 - напыление. Имеются данные о неплохих параметрах CuJ в качестве фотоэмиттера. Положительным свойством CuJ является - в отличие от всех прочих эмиттеров этой группы - низкое сопротивление. Есть сведения о применении галоидных соединений Ag (серебра).


Фотокатоды для работы в видимой части спектра


В большинстве случаев для таких катодов используются соединения сурьмы со щелочными металлами - одним, двумя или тремя. Первым был предложен катод Cs3Sb. Технология - напыление пленки Sb (сурьмы) толщиной 4,5-6 нм и затем нагрев ее в парах Cs (200-250╟С), при этом толщина увеличивается до 26-35 нм. Иногда применяется последующее частичное окисление, уменьшающее работу выхода с ростом чувствительности и термоэлектронного тока. Максимальная чувствительность - около 120 мкА/лм, средняя - 40 мкА/лм. Термоэмиссия - около 10-16 А/см2. Сопротивление - около 3×107 Ом на квадрат (все данные - для 20╟С). Термостойкость катода - 100╟С. Спектральная характеристика охватывает область от 350 до 550 нм (на уровне 0,5) или от 300 до 600 нм (на уровне 0,1), т.е. похожа на "кривую видности" глаза. Поэтому чувствительность этих катодов уместно характеризовать в А/лм. Квантовый выход в максимуме чувствительности (на 400 нм) - до 30 %. Показано, что чувствительность Cs3Sb катода увеличивается при использовании в качестве подложки пленки MnO, причем роль MnO пока не вполне ясна. Исследовались однощелочные антимониды Li3Sb, Na3Sb, K3Sb, Rb3Sb, но они оказались имеющими худшие квантовый выход и красную границу фотоэффекта и применения не нашли.


Основную массу применяемых фотокатодов составляют двухщелочные (SbKNa, SbKCs, SbRbCs) и многощелочные (SbKNaCs) катоды. Технология - напыление пленки Sb (350-400 нм) и ее последующий нагрев в парах щелочных металлов. У таких катодов чувствительность примерно в два раза выше, чем у однощелочных, квантовый выход достигает 50%, длинноволновая граница - 740 нм. Чувствительность увеличивается, а длинноволновая граница сдвигается к 760 нм после некоторого окисления (его называют сенсибилизацией). Термоэмиссия мультищелочных фотокатодов - от 3×10-19 А /см2 у SbNa2K до 10-16 А/см2 у SbRbCs и SbKNaCs, а сопротивление - от 3×106 Ом на квадрат у SbNa2K до 1010 Ом на квадрат у SbK2Cs.


Для ряда применений (приборы ночного видения, лазерные исследования, оптическая связь) необходимы фотокатоды с чувствительностью в ближней инфракрасной области. За счет увеличения толщины мультищелочных катодов удается дотянуть их чувствительность до 800-900 нм (на уровне 35-30% от максимальной). Такие катоды в каталогах часто обозначаются ERMA: Extended Red Multi Alkali. Отметим, что в отличие от Cs3Sb, чувствительность SbNa2KCs катода при окислении ухудшается, и рост чувствительности при использовании подложки MnO не отмечен.


Ближе всего к кривой видности человеческого глаза лежит кривая чувствительности BiAgOCs-катода. Технология - напыление пленки Bi (висмута) около 5 нм, затем Ag 4 нм, затем окисление и обработка в парах Cs при примерно 150╟С. Сформированный катод состоит в основном из BiCs3, Ag и Cs2O. Максимальный квантовый выход - около 10%, но благодаря равномерной (панхроматической) спектральной характеристике чувствительность достигает 120 мкА/лм. Термоэмиссия - около 10-14 А/см2.


Фотокатоды для работы в инфракрасной области спектра


Для приема сигналов с длиной волны более 1 мкм по сей день применяется самый старый фотокатод - AgOCs. Его спектральная характеристика имеет два максимума - при 800 нм и 350 нм (однако у некоторых образцов минимум между ними отсутствует). Квантовый выход мал - не более 7×10-3, из-за широкой характеристики чувствительности (вдобавок длинноволновый максимум совпадает с максимумом излучения при 2600╟С) чувствительность оказывается не очень малой - до 40 мкА/лм. Термоток катода велик - 10-10 - 10-13 А/см2 (наилучшее значение - 10-14 А/см2), сопротивление - 3×107 Ом на квадрат. Технология: напыление тонкой пленки Ag (около 15 нм), окисление, второе напыление Ag, обработка в парах Cs при 150-200╟С. Состав сформированного катода - в основном Ag и Cs2O.


Фотокатоды с отрицательным электронным сродством


Основой этих катодов является либо кремний, либо полупроводники - соединения элементов III и V групп (соединения АIII-ВV). Большинство таких фотокатодов - сильнолегированные полупроводники p-типа, обработанные так, что уровень вакуума оказывается ниже дна зоны проводимости, т.е. электронное сродство оказывается отрицательным. При этом в вакуум могут выйти электроны, находящиеся в зоне проводимости (в объеме) без получения дополнительной энергии. Обработка поверхности осуществляется сорбцией на ней цезия и кислорода. На таких катодах на основе GaAs получена рекордная чувствительность - более 2000 мкА/лм при термоэмиссии - 10-16 А /см2 и квантовом выходе до 30%. Основным недостатком катодов является весьма высокий вакуум, необходимый для их работы.


Нетрадиционные фотокатоды


В некоторых случаях от фотокатодов требуется работа при очень высоком уровне токов - в сотни и тысячи А/см2, который не может быть достигнут в обычных фотокатодах из-за высокого их сопротивления. Требование высокого тока возникает при использовании фотокатода не как приемника оптических сигналов, а в разного рода физических экспериментах, например, когда надо преобразовывать мощный лазерный импульс в электронный. В этих случаях в качестве фотокатода используют металлы. Однако у технологически удобных металлов (не ядовитых, не очень дорогих, легко обрабатываемых и относительно прочных) работы выхода довольно велики (> 3,7 эВ). Поэтому известен ряд попыток использования в качестве фотокатодов классических термокатодов, но при 20╟С. Они имеют после активирования малую работу выхода. Применялись LaB6-катод, WBa-катод и предлагалось применять оксидный катод (BaSrCa)O, хотя его сопротивление больше, чем у двух предыдущих.


Вторично-электронные эмиттеры в фотоприборах


Элементом большинства фотоприборов с фотокатодами являются вторично-электронные эмиттеры. Расчеты и эксперименты показывают, что значительно эффективнее усиление тока фотокатода расположенным в том же вакуумном объеме вторично-электронным умножителем, чем выведение этого тока из прибора и усиление его какой-либо усилительной схемой вне фотоприбора. Такие катоды имеют ряд особенностей. Во-первых, они должны быть совместимы в эксплуатации, т.е. фото- и вторичноэлектронный катод не должны вредно влиять друг на друга. Во-вторых, они должны быть совместимы технологически, т.е. технологические операции, производимые уже в приборе с одним катодом не должны портить другой. Например, нельзя активировать вторично-электронный катод при температуре, при которой разрушится имеющийся в том же приборе фотокатод - надо обеспечивать его защиту.


В качестве вторично-электронных катодов в фотоприборах используют чаще всего двухкомпонентные сплавы на основе Ag, Cu (меди), Al (алюминия) или Ti (титана) с добавкой единиц процентов Mg (магния) или Be (бериллия) или трехкомпонентные сплавы на той же основе с добавкой Mg и Sr (стронция) или Mg и Li (лития). Собственно эмиттером в этих сплавах является пленка или частицы оксидов Mg, Be, Sr, а Li и, возможно, Sr - монослоем, понижающим работу выхода. При обработке фотокатода парами щелочных металлов эмиссия этих вторично-электронных катодов, естественно, возрастает (образуются системы Cu-MgO-Cs и т.п.). Эффективными вторичными эмиттерами являются вообще все фотокатоды, а во многих приборах они и применяются в качестве вторичных эмиттеров, например, Cs3Sb, K2CsSb и др. Еще более эффективными вторичными эмиттерами являются эмиттеры с отрицательным электронным сродством, однако они могут иметь большую термоэмиссию.


ВТОРИЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ


Вторичная электронная эмиссия - это испускание электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами. Электроны, бомбардирующие тело, называются первичными, испущенные - вторичными. Часть первичных электронов отражается телом без потери энергии (упруго отражённые первичные электроны), остальные - с потерями энергии (неупруго отражённые электроны). Если энергия и импульс получивших энергию электронов оказываются достаточными для преодоления потенциального барьера на поверхности тела, то электроны покидают поверхность тела (истинно вторичные электроны). В тонких плёнках вторичная электронная эмиссия наблюдается не только с той поверхности, которая подвергается бомбардировке (эмиссия на отражение), но и с противоположной поверхности (эмиссия на прострел). Количественно вторичная электронная эмиссия характеризуется "коэффициентом вторичной эмиссии" (КВЭ или s) - отношением тока вторичных электронов к току первичных, коэффициентом упругого и неупругого отражения электронов, а также коэффициентом эмиссии истинно вторичных электронов (отношения токов соответствующих электронов к току первичных). Все коэффициенты зависят как от энергии первичных электронов, так и от угла их падения, химического состава и рельефа поверхности образца. В металлах, где плотность электронов проводимости велика, образовавшиеся вторичные электроны имеют малую вероятность выйти наружу. В диэлектриках, где концентрация электронов проводимости мала, вероятность выхода вторичных электронов больше. Вероятность выхода электронов зависит от высоты потенциального барьера на поверхности.


В результате у ряда неметаллических веществ (окислы щёлочноземельных металлов, щёлочногалоидные соединения) s > 1, у специально изготовленных эффективных эмиттеров (см. ниже) s >> 1, у металлов же и полупроводников обычно s < 2. С увеличением энергии первичных электронов s сначала возрастает с ростом количества возбужденных электронов, а потом начинает убывать, поскольку существенная часть их рождается на большей глубине и число электронов, выходящих наружу, уменьшается, аналогично объясняется рост s с увеличением угла падения первичных электронов. Монокристаллы анизотропны по отношению к движению электронов, рассеяние, ионизация и дифракция зависят от направления движения. Поэтому для них зависимость s от угла падения первичных электронов становится сложной.


Создание в диэлектрике сильного электрического поля (105-106 в/см) приводит к увеличению s до 50-100 (вторичная эмиссия, усиленная полем). В этой ситуации s начинает зависеть от пористости слоя - наличие пор увеличивает эффективную поверхность эмиттера, а поле вытягивает из них вторичные электронов, которые, ударяясь о стенки пор, могут вызвать, в свою очередь, эмиссию с s > 1 и возникновение электронных лавин. Это может приводить к самоподдерживающейся холодной эмиссии, продолжающейся (при подводе заряда к эмиттеру) и после прекращения бомбардировки электронами.


Вторичная электронная эмиссия применяется во многих электровакуумных приборах для усиления электронных потоков, а в некоторых случаях она является вредным эффектом. Это динатронный эффект - вторичная эмиссия с анода и попадание этих вторичных электронов на сетки лампы. Далее, это появление электрического заряда на поверхности диэлектриков в электровакуумных приборах (при этом изменяется распределение полей в приборе и траектории электронов). Наконец, в высокочастотном электрическом поле при s > 1 на поверхностях электродов может происходить лавинообразное размножения электронов - вторично-электронный резонанс. Это явление существенно для работы некоторых приборов со скрещенными полями и фотоэлектронных умножителей, а также ограничивает предельную мощность импульсных СВЧ-приборов, в которых электромагнитная волна выводится из объема прибора в линию передачи через диэлектрическое "окно", на поверхности которого и возникают лавины.


Вторично-электронные катоды


Основными областями применения вторично-электронных катодов являются вторично-электронные (ВЭУ) и фотоэлектронные (ФЭУ) умножители, ЭВП М-типа (в которых электроны двигаются во взаимно-перпендикулярных электрическом и магнитном полях) и приемно-усилительные лампы со вторичной эмиссией. Для всех применений наиболее существенными вторично-эмиссионными параметрами являются: коэффициент вторичной эмиссии (КВЭ или s) в области малых энергий первичных электронов, обычно характеризуемый величиной EI - энергией, при которой s = 1, максимальной величиной s - sm и энергией первичных электронов Еm, когда s достигает максимума s = sm.


Чем ближе к выходу ВЭУ или ФЭУ стоит динод - электрод, который бомбардируется электронами, или чем в более мощном приборе М-типа работает катод, тем более мощной электронной бомбардировке он подвергается. Поэтому важным параметром вторично-электронных катодов является стойкость к электронной бомбардировке. Остальные параметры вторично-электронных катодов могут быть названы "общекатодными". К ним относятся: стойкость к вредным воздействиям со стороны прибора (отравление, распыление), вредные воздействия на прибор (газовыделение, испарение). Параметрами являются также рабочая температура и мощность накала, либо - что является особенностью вторично-электронных катодов - потребность в охлаждении, если мощность бомбардировки превышает потребную мощность накала.


Существуют методы расчета, позволяющие по параметрам ЭВП М-типа определить температуру катода и величины EI, sm, Еm. Если от катода требуется не только вторичная, но и термоэмиссия, а температура получается ниже необходимой, необходим накал. Если температура получается выше допустимой, с учетом═ допустимого испарения и необходимого срока службы, необходимо охлаждение. Для случаев, когда требования по вторичной и термоэмиссии совместить в одном материале не удается, предложены катоды, имеющие участки с различными свойствами. Во многих случаях бомбардировка электронами поверхности катода неравномерна, и это должно учитываться при выборе расположения участков. Например, в ЭВП М-типа с цилиндрическим катодом бомбардировка неоднородна как по образующей, так и по азимуту. При плоском катоде бомбардировка будет неоднородна по обеим координатам. Коэффициент вторичной эмиссии зависит от угла падения первичных электронов, поэтому она может быть увеличена гофрированием поверхности электрода.


Вторично-электронные катоды классифицируют (как и другие) по одному из двух параметров - составу или технологии - или по их комбинации. Мы будем классифицировать катоды прежде всего по эмитирующему веществу, т.е. именно тому, которое обеспечивает основную вторичную эмиссию. При одинаковом эмитирующем веществе классификация будет происходить по структуре и по технологии.


Вторично-электронные катоды делятся на:


- полупроводниковые, в том числе с отрицательным электронным сродством (ОЭС), т.е. с дном зоны проводимости, лежащем выше уровня вакуума;


- щелочногалоидные соединения и композиции с ними;


- сплавы и чистые металлы (неокисленные);


- SbCs и мультищелочные - SbNaKCs и др.;


- полимеры;


- на основе окислов, причем катоды на основе окислов делятся на:


═- собственно окислы;


═- композиции металл-оксид;


═- частично восстановленные окислы;


═- окисленные сплавы.


В тех или иных конкретных случаях может быть удобно и другое деление - на высокоомные (полимерные и на основе стекла) и низкоомные, или на тонкопленочные (SbCs и т.п.) и объемные, наконец, на имеющие слои с особыми свойствами: поверхностный (катоды с ОЭС, SbCs и т.п.), приповерхностный (на основе стекла или окисленного сплава) и не имеющие такового.


Любой вторично-электронный катод, если он может быть выполнен в пленочном варианте, может быть использован не только "на отражение", но и "на прострел". При этом вторичные электроны эмитируются с поверхности, противоположной той, которую бомбардируют первичные.


═


Полупроводниковые катоды


Полупроводниковые катоды - это, как правило, GaP, GaAs, GaPAs, чаще всего грань (100), но иногда и поликристалл; иногда это грань (100) Si (кремния). Во всех случаях поверхность активирована Cs (цезием) и слегка окислена. С ростом энергии первичных электронов s растет почти линейно до тех пор, пока глубина проникновения первичных электронов не станет больше максимальной глубины выхода вторичных. Значения sm и Еm определяются максимальной глубиной, с которой могут выходить получившие энергию электроны, и если она велика, значения Еm могут вообще не достигаться (и тем самым sm остается неизвестным). Так, известны работы, в которых при Е = 20 кВ получалось sm = 1800, но при этом ни Еm, ни sm не достигалось. В других работах достигалось sm = 200-500 при Е = 4-20 кВ. Величина EI может быть уменьшена до 12 эВ. Покрытие поверхности монослоем Cs и O (кислорода) уменьшает электронное сродство (и может сделать его отрицательным) и тем самым увеличивает s. Предлагалось применение вместо Cs чередующихся слоев Cs и Sb (сурьмы) или Cs и Te (теллура). Поскольку при бомбардировке первичными электронами в катоде увеличивается количество электронно-дырочных пар, возникает так называемая "электронно-возбужденная проводимость".


На параметры катодов очевидным образом влияет совершенство кристалла или пленки - чем оно выше, тем больше максимальная глубина выхода вторичных электронов и, следовательно, sm и Еm. Далее, необходимы определенные структуры и состав поверхности, чтобы достичь отрицательного электронного сродства. Поскольку оно достигается покрытием определенным количеством Cs и О, то катоды, очевидно, весьма чувствительны к остаточной атмосфере.


Применяются катоды с отрицательным электронным сродством в электронных умножителях и электронно-умножительных системах, например, фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Применение таких катодов позволяет улучшить параметры, но, в силу вышесказанного, усложняет конструкцию и технологию.


Щелочногалоидные соединения и композиции с ними


Щелочногалоидные кристаллы имеют sm порядка 10-30 при Еm = 1-5 кэВ. Величина EI составляет, по-видимому, около 30-50 эВ. Для этих катодов характерна низкая стойкость к бомбардировке электронами - по разным данным допустимый ток составляет 10-6 - 3×10-5 А/см2. Понятно, что улучшение совершенства кристалла должно увеличивать sm. Известна попытка изготовления катода в виде маленьких частиц щелочногалоидного соединения в полимерной матрице. Такой материал более технологичен, но величины sm и Еm оказываются существенно меньше. В целом работ по вторично-эмиссионным свойствам катодов этой группы мало, и на большинство вопросов ответов нет.


Сплавы и чистые металлы (неокисленные)


Из чистых металлов в качестве вторично-электронных эмиттеров применяется в основном Pt (платина). Для нее sm = 1,85, EI = 100 эВ, Еm = 0,8 кэВ. Зафиксированный срок службы более 100 тыс.час., но в принципе он не ограничен. Почти такие значения вторичной эмиссии у Rh (родия), Pd (палладия), Ir (иридия), Os (осмия), Au (золота). Среди граней монокристаллов можно найти и лучшие эмиттеры (максимум у Ir (100) sm = 2,1), но по технологическим причинам применяется исключительно Pt - в случаях, когда стоимость не является определяющим параметром, а важен срок службы. В случаях, когда стоимость важна, например, в магнетронах для бытовых СВЧ-печей, применяется WCTh-катод (вольфрам с присадкой ThO2 ═и насыщенный с поверхности углеродом).


Заметим, что хотя в WCTh-катод Th (торий) вводится в виде ThO2, но по механизму работы этот катод является монослойным. Собственно эмиттером является монослой Тh на W2C с sm, достигающем 1,9 (против чистого W (вольфрама) с sm = 1,4). Такой катод, конечно, дешевле Pt, но срок службы его ограничен временем, в течение которого сохраняется монослой Th на поверхности, пополняющийся диффундирующим из объема W катода и расходующийся на испарение и распыление. Кроме того срок службы зависит от декарбидизации - ухода С (углерода) путем окисления. После расходования углерода скорость удаления Th с поверхности увеличивается и концентрация Th на поверхности падает.


Неоднократно предпринимались попытки сделать эффективный вторично-электронный катод из сплавов металлов (WHf, WTa, Re (рений) + тугоплавкие металлы), но данных по таким катодам мало, и эффективных эмиттеров среди них не найдено. Более подробно исследовались катоды Ni (никель) + щелочноземельные металлы (ЩЗМ), Pt + ЩЗМ, (Ir, Re, Os) + редкоземельные металлы (РЗМ). В группе катодов Ni +ЩЗМ достигнуто sm = 4,2 при Е = 0,8 кэВ, для катода Ni + Al (алюминий) или Cu (медь) или Sn (олово) + Ва (барий). В группе Pt + ЩЗМ достигнуто sm = 3,0 при Е = 0,8 кэВ и EI = 30-50 для катодов Pt + Ba. В группе (Ir или Re или Os) + РЗМ достигнуто sm = 2,6 при Е = 0,6 кэВ и EI = 150 кэВ для катода Ir + La (лантан). Для некоторых из катодов этих трех групп известны скорости испарения и допустимые режимы бомбардировки. При энергии первичных электронов 1 кэВ допустимые токи бомбардировки составляют (1-4) ×10-2 А/см2 в течение 500-2000 часов.


Сложной технологической задачей является соединение Pt или Ir с дешевой подложкой. Чем слой Pt, Ir тоньше, тем катод дешевле, но тем быстрее взаимная диффузия покрытия и подложки выводит катод из строя. Не исключено, что в эмиссионную структуру этих катодов входит и кислород, хотя специально эти сплавы окислению не подвергались.


SbCs и мультищелочные - SbNaKCs и др.


Катоды этой группы - это SbCs3, BiCs3, TeCs3 и мультищелочные SbNa2KCs, SbK2Cs и др. Для них характерны sm = 20-40, Еm = 0,7 кэВ и EI = 10-15 эВ. Допустимый ток бомбардировки " 5×10-5 А /см2, т.е. в среднем чуть выше, чем для щелочногалоидных соединений. В основном катоды этой группы используются как фотокатоды.


Полимеры


Данных по вторично-эмиссионным свойствам полимеров мало. Во-первых, это те полимеры, которые, по мнению авторов, могут иметь какие-то перспективы при использовании в качестве вторично-электронных эмиттеров. Во-вторых, это композиционные материалы на основе полимера, например, содержащие NaCl или MgO. Как в тех, так и в других случаях в основном получены величины sm от 2,5 до 3,5 при Еm от 0,18 до 0,3 кэВ. Понятно, что мотивом для исследования полимеров и композитов на их основе в качестве вторичных эмиттеров были очевидные технологические преимущества, однако удовлетворительные параметры получены не были. По-видимому, катоды этого типа будут иметь и малую стойкость при бомбардировке и малый предельный ток.


Катоды на основе окислов


Собственно окислы и их композиции с металлами


Собственно окислы могут использоваться при температурах, когда их проводимость достаточна для того, чтобы не происходило их заряжания при тех токах, при которых они эксплуатируются. Поэтому в катодах, предназначенных для работы при больших плотностях тока (в магнетронах) используют ThO2, Y2O3, Lu2O3 с sm = 2,4 - 2,9, Еm " 0,7 кэВ и EI = 50 эВ при температурах, обеспечивающих проводимость (>1000╟С). При работе прибора окись расходуется (испаряется, разрушается). Поэтому для увеличения срока службы стараются увеличить количество окисла в катоде. Но толстый слой окисла имеет низкую проводимость и его технологически трудно выполнить. Поэтому получили распространение всякого рода слои окислов на шероховатых подложках (аналог (BaSrCa)O - катода на шероховатой Ni-подложке) и прессованные или пропитанные композиции окисел - металл (аналог катода (BaSrCa)O + Ni, WBa-катода и т.п.). Так, для смеси W + 30%ThO2, например, sm = 2,5, Еm " 0,8 кэВ и EI =150 эВ и т.д. В качестве вторично-электронных эмиттеров применяются и обычные термокатоды этих классов, тем более что во многих случаях от катодов ЭВП М-типа требуются одновременно и термоэмиссия, и вторичная эмиссия. Так, для (BaSrCa)O sm = 4-10, Еm " 1-1,5 кэВ и EI = 20 эВ - допустимый первичный ток порядка 0,01 А /см2 , при энергии 0,3 кэВ. Для (BaSrCa)O + Ni, естественно, несколько ниже sm, выше EI и допустимый ток. Для WBa-катода sm = 1,5 -2,5, Еm " 0,8 кэВ и EI = 100 эВ, допустимый ток бомбардировки как для (BaSrCa)O или немного выше. Конкретные значения всех этих величин зависят от рабочей температуры, а допустимый режим бомбардировки - еще и от требуемого срока службы, поэтому указать их точнее нельзя.


Поскольку ограничение срока службы окисла в условиях бомбардировки связано с его разложением, срок службы таких катодов может быть увеличен при введении в прибор кислорода от специального источника.


Известны немногочисленные попытки применения в качестве вторичных эмиттеров иных соединений, кроме ЩГК и окислов, например, боридов. Но обследованные соединения имели низкий КВЭ.


Частично восстановленные окислы


Другим способом придания проводимости окислу является частичное его восстановление. Именно такой способ почти монопольно применяется для изготовления микроканальных умножителей, хотя известны успешные попытки изготовления их из керамик (BaSrGe)(TiSn)O3 и (ZnTi)O3 + Al2O3. Обычная же технология такова - стеклянные трубочки складываются в пучок, при нагреве сильно вытягиваются и сплавляются между собой. Полученный стержень, пронизанный каналами, режется на шайбы и нагревается в Н2, при этом некоторые окислы, входящие в стекло, частично восстанавливаются, обеспечивая проводимость. Известно применение (или попытки применения) самых разных стекол - обычных свинцовосодержащих (Pb, Si, K (калий), Na (натрий)), с добавкой Bi (висмута), стекол системы V (ванадий)-P (фосфор)-Cs, V-P-Ba-W и т.д. В основном полученные данные таковы: sm от 3 до 4,5, Еm от 0,2 до 0,4 кэВ и EI от 15 до 50 эВ. Впрочем, иногда получают и меньшие sm, и большие EI.


Стойкость к бомбардировке, т.е. допустимый первичный ток, невелик. Так, в литературе называлась в качестве допустимой доза 10-3 кул /см2 при энергии 2 кэВ; при прогнозируемом сроке службы 1000 часов это соответствует 3×10-4 А /см2. Заметим, что керамики, попытки применения которых вместо стекол делались (см.выше), выдерживают токи, большие на несколько порядков. Здесь область поиска столь же широка, а полученных данных еще меньше.


Окисленные сплавы


Наконец, последний способ получить проводящий окисел - это частично окислить металл. Понятно, почему частично: полностью окисленный станет окислом с высоким КВЭ, но низкой проводимостью. Практически удобно использовать сплавы по меньшей мере двухкомпонентные, в которых один компонент и образует окисел - эффективный вторично-электронный эмиттер, а второй компонент не окисляется и служит с одной стороны "ограничителем окисления", с другой - токопроводящей матрицей, в которой и находятся собственно эмиттеры - частицы оксида. В качестве этих сплавов известно применение AgMg, CuBeAl, CuAl, CuMg, CuBe, PtBe. В случае CuBeAl окисляемых компонентов два. Иногда бывает более одного и пассивного компонента. Иногда второй компонент вообще отсутствует - известно применение сплава MgAl (окисляются оба компонента) и чистого Be (бериллия). На состав сплава влияют также требования технологии - достаточно легкая обрабатываемость и т.п. Параметры получающихся катодов зависят от их структуры, а она - от режима окисления (давление кислорода, температура, время). Наилучшие эмиссионные параметры получаются при толщине окисной пленки в сотни ангстрем.


В общем, характерные величины таковы: sm = 5 -15, Еm " 0,5-1 кэВ и EI = 20-50 эВ. В некоторых случаях удается получить sm до 30 (MgCs, MgLi). Заметим, что во всех случаях в уже окисленном сплаве, т.е. в готовом эмиттере, могут присутствовать как частицы окисла, так и тонкие пленки окисла. Допустимый первичный ток (бомбардировки) составляет от 10-4 А/см2 до 10-2 А/см2 (для толстых пленок) и варьирует, конечно, и в зависимости от технологии, и от критерия допустимости.


Отметим, что механизм работы эмиттеров из окисленных сплавов до сих пор не вполне ясен; сложной проблемой является проводимость диэлектрических частиц и пленок, точнее - механизм передачи заряда в них или через них.


Антиэмиттеры


Часто в технике электронных приборов приходится решать задачу, прямо противоположную задаче создания эффективного вторичного эмиттера. Например, для коллекторов электронных приборов требуются материалы с низкой вторичной эмиссией, т.к. вторичные электроны попадают в объем прибора и ухудшают его параметры.


Кроме того, для выходных окон мощных СВЧ-приборов также требуются покрытия с низким КВЭ. В противном случае возникает вторично-электронный разряд и на окне выделяется такая энергия, что керамика проплавляется.


В первом случае материал с низкой вторичной эмиссией должен быть проводником; во втором - диэлектриком, чтобы пропускать СВЧ-излучение. Традиционно первая проблема решалась путем создания на поверхности шероховатости. Низким коэффициентом вторичной эмиссии известен углерод. Хорошие результаты получены и для некоторых других веществ, например, карбида титана. Для покрытия выводов энергии СВЧ-приборов делались попытки применения тонких металлических пленок, понижающих КВЭ, но настолько тонких (£10 нм), что они пропускали СВЧ-излучение. Наиболее эффективным оказалось применение TiN, позволившее увеличить предельную мощность СВЧ ЭВП в несколько раз.


Ион-электронная эмиссия


Известно два механизма ион-электронной эмиссии: потенциальная - вырывание электронов из тела полем подлетающего иона и кинетическая - выбивание электронов из тела за счет кинетической энергии иона. Коэффициент потенциальной эмиссии увеличивается с увеличением энергии ионизации иона и уменьшением работы выхода мишени, и для пар Ne+/W (неон/вольфрам), He+/W (гелий/вольфрам), Ar+/W (аргон/вольфрам) составляет, например, 0,24, 0,24 и 0,1 соответственно, и слабо зависит от энергии ионов. Для Мо (молибденовой) мишени и тех же ионов эти коэффициенты примерно на 10% больше.


При бомбардировке многозарядными ионами ион-электронная эмиссия возрастает - для 2-х, 3-х, 4-х зарядных ионов она больше, чем для однозарядных, примерно в 4, 10, 20 раз соответственно. Потенциальная ион-электронная эмиссия сильно зависит от состояния поверхности, поскольку она зависит от работы выхода. Это влечет относительно большой разброс экспериментальных данных.


Кроме потенциальной, существует еще и кинетическая ионно-электронная эмиссия. Она практически отсутствует при энергиях менее 1 кэВ, потом возрастает линейно, потом медленнее, проходит через максимум и убывает. Порядок величин коэффициента таков: для пары К+/W (калий/вольфрам) около 0 при 1,5 кэВ и 0,25 при 6 кэВ, для Ar+/W 0,1 при 1,5 кэВ и менее (потенциальная эмиссия) и 0,35 при 6 кэВ. Для энергии 10 кэВ коэффициент ион-электронной эмиссии достигает 0,6 в парах Ne+/Мо (неон/молибден) и Ar+/Мо (аргон/молибден). При больших энергиях рост замедляется. Например, в паре Ne+/Мо максимум, равный 1,8, достигается при 20 кэВ, в паре He+/Мо (гелий/молибден) - максимум 1,4 при 20 кэВ, в паре Мо+/Мо (молибден/молибден) - 1,5 при 25 кэВ, в паре Ar+/Si (аргон/кремний) - 1,0 при 15 кэВ. После максимума начинается спад, и к энергиям в единицы МэВ коэффициент падает примерно до единицы. В парах Sb+/Sb (сурьма/сурьма) и Bi+/Bi (висмут/висмут) достигается коэффициент ион-электронной эмиссии 4,0 при 20 кэВ без признаков насыщения. Для окислов и окисленных металлов коэффициент увеличивается. Например, при окислении W коэффициент увеличивается в 2 (а при сорбции азота - в 3) раза.


Ион-электронная эмиссия играет существенную роль в работе ряда электронных газоразрядных приборов, в которых источником электронов является катод, бомбардируемый ионами. В некоторых случаях процесс ионно-электронной эмиссии создает основное количество электронов в объеме прибора.


ЛИТЕРАТУРА


Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966. 546 с. (все виды эмиссии)


Ненакаливаемые катоды / Под ред. Елинсона М. И. М.: Сов. радио, 1974. 336 с. (автоэмиссия, эмиссия горячих электронов)


Бронштейн И. М., Фрайман Б. С. Вторичная электронная эмиссия. М.: Наука, 1969. 407 с.


Брусиловский Б. А. Кинетическая ионно-электронная эмиссия. М.: Энергоатомиздат, 1990. 184 с.


Каминский М., Атомные и ионные столкновения на поверхности металла, пер. с англ., М.: Мир, 1967, 506 с. (ион-электронная эмиссия)


Кудинцева Г. А., Мельников А.И., Морозов А.В., Никонов Б.П. Термоэлектронные катоды. М.: Энергия, 1966, 368 с.


Мойжес Б. Я. Физические процессы в оксидном катоде. М.: Наука, 1968, 480 с. (термоэмиссия)


Никонов Б. П. Оксидный катод. М.: Энергия, 1979. (термоэмиссия)


Куницкий Ю.А., Морозов В.В., Шлюко В.Я. Высокотемпературные электродные материалы. Киев, Вища шк., 1977, 232 с..


Высокоэффективный эмиттер электронов на основе гексаборида лантана. Кресанов В.С., Малахов Н.П., Морозов В.В., Семашко Н.Н., Шлюко В.Я. М.: Энергоатомиздат, 1987, 152 с. (термоэмиссия)


Белл Р. Л. Эмиттеры с отрицательным электронным сродством. М.: Энергия, 1978. 192 с.


Ашкинази Л.А. Термо- и вторично-электронные катоды для электровакуумных и газоразрядных приборов. Обзоры по электронной технике. Серия 1, СВЧ-техника. 1992, вып. 5 (1673). М.: ЦНИИ "Электроника".


Приложение: краткое изложение для тех, кого дебильник с экраном совсем отучил читать


ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ


Электронная эмиссия - это испускание электронов поверхностью твердого тела или жидкости. На выход электрона из конденсированной среды в вакуум или газ затрачивается энергия, которую называют работой выхода. Зависимость потенциальной энергии электрона от координаты на границе эмиттера и вакуума (или иной среды) называют потенциальным барьером. Его и должен преодолеть электрон, выходя из эмиттера.


Поддерживать эмиссию можно при выполнении двух условий. Первое - подвод к электронам энергии, обеспечивающей преодоление потенциального барьера, либо создание такого сильного внешнего поля, что потенциальный барьер делается тонким и начинается квантовое проникновение электронов сквозь потенциальный барьер (туннельный эффект, автоэлектронная эмиссия), т.е. эмиссия электронов, имеющих энергию меньше работы выхода. При передаче энергии от бомбардирующих тело фотонов мы имеем фотоэмиссию, от электронов - вторичную электронную эмиссию, от ионов - ион-электронную эмиссию, от внутренних полей - эмиссию горячих электронов, от решетки - термоэлектронную эмиссию. Все перечисленные механизмы могут действовать и одновременно (например - термоавтоэмиссия, фотоавтоэмиссия).


Второе условие - создание внешнего электрического поля, обеспечивающего увод от эмиттера эмитированных электронов. Для этого, в частности, необходим подвод к эмиттеру электронов, чтобы он не заряжался. Если внешнее поле, обеспечивающее увод эмитированных электронов, недостаточно для автоэлектронной эмиссии, но достаточно для понижения потенциального барьера, становится заметен эффект Шоттки - зависимость эмиссии от внешнего поля. В случае, когда эмитирующая поверхность неоднородна и на ней имеются "пятна" с различной работой выхода, над ее поверхностью возникает электрическое "поле пятен". Это поле тормозит электроны, вылетающие из участков катода с меньшей, чем у соседних, работой выхода. Внешнее электрическое поле складывается с полем пятен и, возрастая, устраняет тормозящее действие последнего. Вследствие этого эмиссионный ток из неоднородного эмиттера растет при увеличении поля быстрее, чем в случае однородного эмиттера (аномальный эффект Шоттки).


═


Термоэлектронная эмиссия


В середине XVIII века было известно, что вблизи нагретых твердых тел воздух теряет свое обычное свойство плохого проводника электричества, однако причина этого явления оставалась неясной. Ю.Эльстер и Г.Гейтель (1882-89) установили, что при пониженном давлении окружающего воздуха раскаленная добела поверхность металла приобретает положительный заряд. Протекание тока в вакууме между накаленным электродом и положительно заряженным электродом было открыто Т.Эдисоном (1884), объяснено испусканием электронов (отрицательно заряженных частиц) Дж.Томсоном (1887), теорию термоэлектронной эмиссии разработал О.Ричардсон (1902, иногда ему приписывается открытие самого эффекта). Односторонняя проводимость была обнаружена Дж.Флемингом (1904, иногда это приписывается Эдисону), хотя его диод был не вполне вакуумным, а с частичной компенсацией пространственного заряда. Ток термоэлектронной эмиссии определяется температурой катода, т. е. энергией электронов, и работой выхода. Максимальный ток эмиссии определяется отношением работы выхода к температуре, он называется током насыщения. Температура катода ограничивается, в свою очередь, испарением материала катода, т. е. сроком службы.


Из чистых металлов и сплавов в качестве термоэлектронных эмиттеров применяется почти исключительно вольфрам, обладающий наименьшей скоростью испарения (наибольшим сроком службы) при температурах, обеспечивающих необходимую эмиссию. К сожалению, по этому параметру оказался наилучшим элемент, имеющий наибольшую работу выхода, т. е. работающий при наибольшей температуре. Идея применения сплавов в качестве термоэлектронных эмиттеров базировалась на надежде, что один из элементов сплава, диффундируя к поверхности другого и образуя на нем пленку (эмиттирующую структуру), понизит работу выхода. Эта идея стимулировалась, во-первых, эффективностью работы катода из торированного вольфрама, имеющего на поверхности вольфрама монослой тория, а во-вторых - распространенной одно время ошибочной гипотезой о наличии монослоя бария на проверхности оксидного катода.


Из сплавных катодов получили практическое применение Ir-редкоземельные элементы и Pt-Ba. Катоды Ir-La и Ir-Ce монослойные, лантан и церий образуют эмитирующую структуру (монослой) на иридии, с нее они и испаряются, а подпитывается монослой диффузией из глубины катода. Высокий срок службы этих катодов допускает при некотором увеличении испарения увеличение стойкости к "отравлению" ценою не слишком существенного уменьшения срока службы. С этой целью к сплавам Ir-РЗМ добавляют третий металл, например, Mo.


Первоначально в катодной технике применялся только чистый металл - вольфрам. Эмиссия катода возросла при добавлении к вольфраму окиси тория ThO2. Торий диффундирует на поверхность вольфрама, образует на нем монослой, увеличивающий эмиссию, и затем испаряется. Поддержание монослойной (наиболее эффективной с точки зрения эмиссии) концентрации зависит от соотношения скорости испарения многослойного покрытия и скорости диффузии. Для увеличения энергии связи было применено карбидирование WTh-катода - выдержка при нагреве в углеродсодержащем газе, при этом на некоторую глубину вольфрам переходит в карбид W2C.


Катод из LaB6 традиционно применяется в плохих вакуумных условиях, в технологических и экспериментальных установках - вакуумных печах с плавкой электронным пучком, вакуумных сварочных установках со сваркой электронным лучом, ускорителях и т. д.


Оксидным катодом обычно называют слой кристаллов тройного или (реже) двойного оксида щелочноземельных металлов на металлической подложке - керне. Слой имеет толщину от 1 до 100 мкм, размер кристаллов - от 0,1 до 10 мкм. С обратной стороны керна (если это катод косвенного накала) расположен нагреватель. Оксидные катоды на протяжении десятилетий обеспечивали существование всей электронной техники, включая радио и телевидение, поскольку применялись во всех электронных лампах и кинескопах. Высокотемпературные оксидные катоды на основе оксидов ThO2, Lа2O3, Y2O3 изучены не очень хорошо и применяются довольно ограниченно. Эти оксиды более стойки к электронной бомбардировке, поэтому чаще применяются в качестве катодов в ЭВП М-типа, в которых катод бомбардируется электронами и для работы которых важна вторичная электрон-электронная эмиссия.


Импрегнированные (диспенсерные, распределительные) катоды имеют матрицу из вольфрама, в порах которой располагается соединение бария. Отсюда - объединяющее катоды этого типа название WBa-катоды (вольфрам-бариевые катоды). Соединение бария вводится в матрицу пропиткой матрицы расплавленным соединением бария. Отсюда - название "импрегнированный", хотя нередко катод изготавливают прессованием смеси вольфрама и соединения бария. Барий доходит до поверхности и распределяется по ней, отсюда - название "диспенсерный". В дальнейшем было установлено, что эмиссия WBa-катода существенно улучшается при нанесении на него тонкой (единицы мкм) пленки Os (осмия) или сплава Os-Ru. В качестве активного вещества в WBa-катоде применяются сплавы оксидов ВаО, СаО, Аl2О3, WO3 в различных соотношениях. Долгое время было неизвестно, что, собственно, является эмитирующей структурой WBa-катода - поверхностные кристаллические образования из ВаО (или иные - скажем, СаО с монослоем бария) или монослой бария на монослое кислорода на вольфраме, "система W-O-Ba". Кристаллические образования на поверхности WBa-катода были обнаружены с помощью электронного микроскопа. Позже, по мере усовершенствования методик, стали появляться работы, в которых утверждалось, что в катоде есть и монослой, и кристаллические образования. Наконец, было показано расчетом, что при относительно больших потоках бария и кислорода образуются кристаллы и монослой, при малых - монослой.


Фотоэлектронная эмиссия


Ее открыл в 1887 году Г.Герц - он обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает пробой. Систематические исследования провели В.Гальвакс, А.Риги, А.Г.Столетов (1885) и показали, что в опыте Герца дело сводится к освобождению зарядов под действием света. То, что это именно электроны, показали Ф.Ленард и Дж.Томсон (1898).


Фотоэлектронная эмиссия - испускание электронов твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения (фотонов). При этом количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения, для каждого вещества существует порог - минимальная частота (максимальная длина волны) излучения, за которой эмиссия не возникает, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности. Фотоэмиссия чувствительна к работе выхода поверхности. Увеличения квантового выхода и сдвига порога фотоэмиссии достигают покрытием поверхности металла моноатомным слоем электроположительных атомов Cs (цезия) или Rb (рубидия), снижающих работу выхода для большинства металлов до 1,4 - 1,7 эв.


Фотоэмиссия из полупроводников и диэлектриков определяется сильным поглощением электромагнитного излучения, начиная с энергий фотонов, равных ширине запрещенной зоны. В этом случае поглощения показатель составляет 104 - 105 см-1. Если проводимость не слишком велика, то потери энергии электронами происходят не на электронах проводимости, а на электронах валентной зоны (ударная ионизация) или тепловых колебаниях решетки. Если работа выхода более чем вдвое превосходит ширину запрещенной зоны, как в Si (кремнии), Ge (германии), GaAs, то квант с энергией, большей работы выхода, порождает электронно-дырочную пару, потери энергии возрастают, а квантовый выход падает. В этих материалах вблизи порога квантовый выход составляет 10-6 электрон/фотон и даже на относительно большом расстоянии от порога (1 эв) не превышает 10-4 электрон/фотон. Если работа выхода меньше ширины запрещенной зоны, то фотоэлектроны теряют энергию при рождении оптических фононов и фотоэлектроны теряют энергию на длине пробега всего 10 - 30 нм. В кристаллах щелочно-галоидных соединений длина пробега больше 50 - 100 нм, поэтому квантовый выход таких кристаллов резко возрастает от самого порога фотоэмиссии и достигает больших значений. Так, в CsJ при энергии кванта 7 эв (на расстоянии 0,6 эв от порога), квантовый выход - 0,1 электрон/фотон.


По существу фотокатод является катодом с эмиссией горячих электронов (хотя его обычно так не называют), ибо энергия, необходимая для эмиссии, сообщается электрону фотоном, и этот электрон не находится в тепловом равновесии с решеткой. Поэтому фотоэмиссия фотокатодов и их термоэмиссия определяются разными элементами зонной диаграммы их материала; в первом приближении можно считать, что термоэмиссия определяется работой выхода, а фотоэмиссия - электронным сродством, т.е. расстоянием от дна зоны проводимости до уровня вакуума. Когда надо добиться возможно меньшего фонового сигнала от фотокатода, его охлаждают.


Поскольку фотокатод осуществляет поглощение света и генерацию электронов, то для применений должны иметь значение его оптические параметры. Например, металлы отражают значительную часть светового излучения, что ухудшает их параметры как фотокатодов. Далее, если пленка фотокатода сравнима по толщине с длиной волны, то в результате интерференции в ее толще возникнет то или иное распределение мощности излучения, что повлияет на его параметры. Например, для фотокатода, работающего на отражение, применение хорошо отражающей подложки при условии, что пучность стоячей волны располагается на границе фотокатода и вакуума, увеличивает чувствительность. Для увеличения чувствительности применяются различные оптические устройства, возвращающие на фотокатод отраженный от него свет. Применимость фотокатодов определяется не только этими основными параметрами, но и рядом других, например, сопротивлением, пространственной однородностью и временным постоянством параметров, спектром скоростей эмитированных электронов и др.


В большинстве случаев для работы в видимой части спектра используются соединения сурьмы со щелочными металлами. Первым был предложен катод Cs3Sb, позже - двухщелочные (SbKNa, SbKCs, SbRbCs) и многощелочные (SbKNaCs) катоды. Для ряда применений (приборы ночного видения, лазерные исследования, оптическая связь) необходимы фотокатоды с чувствительностью в ближней инфракрасной области. За счет увеличения толщины мультищелочных катодов удается дотянуть область их чувствительность до 900 нм (на уровне 30% максимальной). Ближе всего к кривой видности человеческого глаза лежит кривая чувствительности BiAgOCs-катода. Для работы в инфракрасной области спектра примерно до 1 мкм по сей день применяется самый старый фотокатод - AgOCs. Его спектральная характеристика имеет два максимума - при 800 нм и 350 нм. Солнечно-слепой фотокатод для космических применений не должен воспринимать излучение длиннее 200 нм, для наземных - длиннее 350 нм (участок солнечного излучения короче 350 нм поглощается атмосферой). Применяются KBr, CsJ, Cs2Te или Rb2Te. Для области длин волн короче 100 нм, исследования в которой возможны только в вакууме (внутри откачиваемой установки или в космосе), применяются катоды из MgF2 с границей чувствительности 140 нм.


Рекордно высокая чувствительность получена на фотокатодах с отрицательным электронным сродством. Их основой этих катодов является либо кремний, либо полупроводники - соединения элементов III и V групп. Большинство таких фотокатодов - сильнолегированные полупроводники p-типа, обработанные так, что уровень вакуума оказывается ниже дна зоны проводимости, т.е. электронное сродство оказывается отрицательным. При этом в вакуум могут выйти электроны, находящиеся в зоне проводимости (в объеме) без получения дополнительной энергии. Обработка поверхности осуществляется сорбцией на ней цезия и кислорода. Недостатком катодов является весьма высокий вакуум, необходимый для их работы.


Автоэлектронная эмиссия


Ее открыл при исследовании вакуумного разряда в 1897 году Р.Вуд. Автоэлектронная эмиссия (полевая эмиссия, электростатическая эмиссия, туннельная эмиссия) - это испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности. Автоэлектронная эмиссия объясняется туннельным эффектом и происходит без затрат энергии на возбуждение электронов, необходимых для электронной эмиссии иных видов. При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер не путем прохода над ним за счет кинетической энергии теплового движения, как при термоэлектронной эмиссии, а путем туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и суженный электрическим полем.


Зависимость автоэмиссии от поля и работы выхода весьма сильна, от температуры зависимость слабая. Отбор тока при низких температуpax приводит к нагреванию эмиттера, т. к. уходящие электроны уносят энергию в среднем меньшую, чем энергия Ферми, с возрастанием температуры нагрев сменяется охлаждением - эффект меняет знак, проходя через "температуру инверсии", соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределению вышедших электронов по полным энергиям. Особенности автоэлектронной эмиссии из полупроводников связаны с проникновением электрического поля в эмиттер, меньшей концентрацией электронов и наличием поверхностных состояний. Максимальные плотности тока, которые могут быть получены в режиме автоэмиссии, ограничены джоулевым разогревом эмиттера протекающим через него током и разрушением эмиттера электрическим полем. В режиме автоэмиссии получают токи порядка 107 А/см2 (на поверхности эмиттера) в стационарном и 109 А/см2 в импульсном режимах. При попытке в стационарном режиме получить больший ток эмиттер разрушается. В импульсном режиме при попытке увеличить ток эмиттер начинает работать в ином режиме, так называемом "режиме взрывной эмиссии" (см. ниже).


В качестве материалов автокатодов применяются чаще всего металлы или соединения с металлическим типом проводимости - как ввиду низкого сопротивления, так и ввиду высокой прочности. Однако в некоторых случаях возможно использование и полупроводников, для них предельная эмиссия меньше, ток зависит от температуры и освещенности, а энергетическое распределение эмитированных электронов шире из-за проникновения поля в материал эмиттера.


Сильная зависимость автоэмиссии от работы выхода влечет за собой нестабильность работы автокатода. Работа выхода поверхности зависит как от процессов, происходящих на поверхности в высоком вакууме, так и от влияния недостаточно высокого вакуума: диффузии, миграции, перестройки поверхности, сорбции остаточных газов. Причем наиболее часто применяемый материал - вольфрам - хорошо сорбирует газы. Это повлекло за собой многочисленные попытки применения металлов, не так хорошо сорбирующих газы, например, рения или еще более пассивного углерода, имеющего, к сожалению, большое сопротивление. Предлагалось, естественно, и покрывать металл пленкой углерода. Уменьшать сорбцию газа на поверхности можно постоянным небольшим нагревом автоэмиттера или периодическим сильным импульсным нагревом для очистки поверхности. В целом современные автокатоды обычно требуют для стабильной работы вакуума на один - три порядка более высокого, чем термокатоды.


Второй после работы выхода параметр, от которого сильно зависит автоэмиссия - напряженность электрического поля на эмиттере. Она, в свою очередь, зависит от среднего поля в приборе (отношение внешнего напряжения к величине зазора) и геометрии эмиттера, ибо для увеличения поля на эмиттере применяются, как правило, "острые" формы - выступы, нити, острия, лезвия, торцы трубок или их системы - пучки нитей, пакеты лезвий, углеродные нанотрубки и т.п. Для отбора относительно больших токов используют многоострийные системы, многоэмиттерные системы на краях пленок и фольг и т. п. То, что в качестве эмиттеров═ используются острия, имеет следствием непараллельность траекторий электронов, причем компонента скорости, лежащая параллельно плоскости эмитирующего электрода может быть сравнима с продольной компонентой. Пучок получается расширяющимся, веерным, а если катод многоострийный или многолезвийный, то не ламинарным.


По величине плотности тока при малых размерах источника (электронная яркость, точечность источника) автоэлектронные катоды не имеют равных, и в областях, где именно эти параметры имеют значение, применение автокатодов позволило получить качественно новые параметры приборов. Особенно важным оказалось применение автокатодов в электронной микроскопии предельного разрешения и в электронно-лучевой технологии. Перспективно применение в дисплеях, электронно-лучевых анализаторах, ионизаторах, ускорителях.


Во многих случаях применений автокатодов важен полный ток. Для напряжений порядка 1-10-100 кВ, если мы хотим отбирать даже ток предельной плотности 107 А /см2, ток одиночного острия составит 10-3-10-1-10 А, в то время как и для низкочастотной лампы, и для СВЧ-прибора обычные значения тока при этих напряжениях будут в десятки и сотни раз больше. Поэтому для конкуренции с термокатодами в приборах этих классов автокатоды должны быть многоострийными. Число острий должно быть десятки тысяч с учетом того, что в области предельных плотностей тока работа всегда нестабильна. Многоострийные автокатоды позволяют увеличить ток и довести его до значений, обычных для электровакуумной техники, а применение управляющих электродов, расположенных на расстоянии в единицы мкм от эмиттера - уменьшить рабочее напряжение до величин порядка ста вольт. С таких структур были получены средние по площади токи до 100 А/см2, а при средних токах в единицы А/см2 были получены значения срока службы в десятки тысяч часов. Управляющее напряжение на "сетке" составляло при этом около 200 В.


При увеличении напряжения автокатод переходит в режим взрывной эмиссии. Внешне этот переход не очень заметен, поэтому различать эти два вида эмиссии стали позже, чем использовать. При взрывной эмиссии автоэлектронный ток нагревает эмиттер, он за несколько единиц или десятков наносекунд испаряется, причем пары частично ионизируются, а токоотбор происходит с поверхности расширяющегося облака плазмы. Взрывная эмиссия принципиально отличается от автоэмиссии тем, что при ней расходуется материал эмиттера. Этот расход может быть, однако, и невелик, и также катоды могут выдерживать десятки тысяч импульсов и даже более. Взрывная эмиссия может быть получена не только с твердого тела. Известны эксперименты, в которых взрывная эмиссия получалась с вершин волн на поверхности жидкого металла. Катоды со взрывной эмиссией применяются тогда, когда требуются большие токи и допустимы малая длительность импульса и высокое напряжение. Эмиттером служит либо довольно тупое острие (радиус закругления - десятые доли мм), либо просто гладкий электрод, работающий за счет естественной шероховатости. Области применения - генерация электронных пучков для ускорительной техники, для генерации сверхмощного рентгеновского и оптического излучения и др.


Вторичная электронная эмиссия


Ее открыли Л.Остин и Г.Штарке (1902), это испускание электронов поверхностью твердого тела при ее бомбардировке электронами. Электроны, бомбардирующие тело, называются первичными, испущенные - вторичными. Часть первичных электронов отражается телом без потери энергии (упруго отраженные первичные электроны), остальные - с потерями энергии (неупруго отраженные электроны). Если энергия и импульс получивших энергию электронов оказываются достаточными для преодоления потенциального барьера на поверхности тела, то электроны покидают поверхность тела (истинно вторичные электроны). В тонких пленках вторичная электронная эмиссия наблюдается не только с той поверхности, которая подвергается бомбардировке (эмиссия на отражение), но и с противоположной поверхности (эмиссия на прострел). Количественно вторичная электронная эмиссия характеризуется "коэффициентом вторичной эмиссии" (КВЭ) - отношением тока вторичных электронов к току первичных, коэффициентом упругого и неупругого отражения электронов, а также коэффициентом эмиссии истинно вторичных электронов (отношения токов соответствующих электронов к току первичных). Все коэффициенты зависят как от энергии первичных электронов, так и от угла их падения, химического состава и рельефа поверхности образца. В металлах, где плотность электронов проводимости велика, образовавшиеся вторичные электроны имеют малую вероятность выйти наружу. В диэлектриках, где концентрация электронов проводимости мала, вероятность выхода вторичных электронов больше. Вероятность выхода электронов зависит от высоты потенциального барьера на поверхности.


В результате у ряда неметаллических веществ (окислы щелочноземельных металлов, щелочногалоидные соединения) КВЭ > 1, у специально изготовленных эффективных эмиттеров (см. ниже) КВЭ >> 1, у металлов и полупроводников обычно КВЭ < 2. С увеличением энергии первичных электронов КВЭ сначала возрастает с ростом количества возбужденных электронов, а потом начинает убывать, поскольку существенная часть их рождается на большей глубине и число электронов, выходящих наружу, уменьшается; аналогично объясняется зависимость КВЭ от угла падения первичных электронов. Монокристаллы анизотропны по отношению к движению электронов, рассеяние, ионизация и дифракция зависят от направления движения. Поэтому для них зависимость КВЭ от угла падения первичных электронов становится сложной.


Создание в диэлектрике сильного электрического поля (105 - 106 в/см) приводит к увеличению КВЭ до 50 - 100 (вторичная эмиссия, усиленная полем). В этой ситуации КВЭ начинает зависеть от пористости слоя - наличие пор увеличивает эффективную поверхность эмиттера, а поле вытягивает из них вторичные электронов, которые, ударяясь о стенки пор, могут вызвать, в свою очередь, эмиссию с КВЭ > 1 и возникновение электронных лавин. Это может приводить к самоподдерживающейся холодной эмиссии, продолжающейся (при подводе заряда к эмиттеру) и после прекращения бомбардировки электронами.


Основными областями применения вторично-электронных катодов являются вторично-электронные (ВЭУ) и фотоэлектронные (ФЭУ) умножители, ЭВП М-типа (в которых электроны двигаются во взаимно-перпендикулярных электрическом и магнитном полях) и приемно-усилительные лампы со вторичной эмиссией. Для всех применений наиболее существенными вторично-эмиссионными параметрами являются: коэффициент вторичной эмиссии КВЭ в области малых энергий первичных электронов, обычно характеризуемый энергией, при которой КВЭ = 1, максимальной величиной КВЭ и энергией первичных электронов, когда КВЭ достигает максимума.


Вторично-электронные катоды делятся на полупроводниковые, в том числе с отрицательным электронным сродством (ОЭС), т.е. с дном зоны проводимости, лежащем выше уровня вакуума, щелочногалоидные соединения и композиции с ними, сплавы и чистые металлы (неокисленные), SbCs и мультищелочные - SbNaKCs и др., полимеры, на основе окислов. Причем═ катоды на основе окислов делятся на собственно окислы, композиции металл-оксид, частично восстановленные окислы, окисленные сплавы.


Полупроводниковые катоды - это, как правило, GaP, GaAs, GaPAs, чаще всего грань (100), но иногда и поликристалл; иногда это грань (100) Si (кремния). Во всех случаях поверхность активирована Cs (цезием) и слегка окислена. Покрытие поверхности монослоем Cs и O (кислорода) уменьшает электронное сродство (и может сделать его отрицательным) и тем самым увеличивает КВЭ. Предлагалось применение вместо Cs чередующихся слоев Cs и Sb (сурьмы) или Cs и Te (теллура). На параметры катодов очевидным образом влияет совершенство кристалла или пленки - чем оно выше, тем больше максимальная глубина выхода вторичных электронов и, следовательно, максимальное КВЭ. Далее, необходимы определенные структуры и состав поверхности, чтобы достичь отрицательного электронного сродства. Поскольку оно достигается покрытием определенным количеством Cs и О, то катоды, очевидно, весьма чувствительны к остаточной атмосфере.


Из чистых металлов в качестве вторично-электронных эмиттеров применяется в основном Pt (платина). Для нее максимум КВЭ - 1,85, зафиксированный срок службы более 100 тыс.час., но в принципе он не ограничен. Почти такие значения вторичной эмиссии у Rh (родия), Pd (палладия), Ir (иридия), Os (осмия), Au (золота). В случаях, когда стоимость важна, например, в магнетронах для бытовых СВЧ-печей, применяется WCTh-катод. Неоднократно предпринимались попытки сделать эффективный вторично-электронный катод из сплавов металлов (WHf, WTa, Re (рений) + тугоплавкие металлы), но данных по таким катодам мало, и эффективных эмиттеров среди них не найдено. Более подробно исследовались катоды Ni (никель) + щелочноземельные металлы (ЩЗМ), Pt + ЩЗМ, (Ir, Re, Os) + редкоземельные металлы (РЗМ). В группе катодов Ni +ЩЗМ достигнут максимум КВЭ 4,2.


Для катодов SbCs3, BiCs3, TeCs3 и мультищелочных (SbNa2KCs, SbK2Cs и др.) характерны максимальные КВЭ 20 - 40, но в основном катоды этой группы используются как фотокатоды. Щелочногалоидные кристаллы имеют максимальный КВЭ порядка 10 - 30. Данных по вторично-эмиссионным свойствам полимеров мало. В основном получены максимальные КВЭ от 2,5 до 3,5. Понятно, что мотивом для исследования полимеров и композитов на их основе в качестве вторичных эмиттеров были очевидные технологические преимущества.


Собственно окислы могут использоваться при температурах, когда их проводимость достаточна для того, чтобы не происходило их заряжания при тех токах, при которых они эксплуатируются. Поэтому в катодах, предназначенных для работы при больших плотностях тока (в магнетронах) используют ThO2, Y2O3, Lu2O3 с максимальным КВЭ 2,4 - 2,9. При работе прибора окись расходуется (испаряется, разрушается), но толстый слой окисла имеет низкую проводимость и его технологически трудно выполнить. Поэтому получили распространение всякого рода слои окислов на шероховатых подложках (аналог (BaSrCa)O - катода на шероховатой Ni-подложке) и прессованные или пропитанные композиции окисел - металл (аналог катода (BaSrCa)O + Ni, WBa-катода и т.п.).


Другим способом придания проводимости окислу является частичное его восстановление. Именно такой способ почти монопольно применяется для изготовления микроканальных умножителей, хотя известны успешные попытки изготовления их из керамик (BaSrGe)(TiSn)O3 и (ZnTi)O3 + Al2O3. Наконец, последний способ получить проводящий окисел - это частично окислить металл. Удобно использовать сплавы по меньшей мере двухкомпонентные, в которых один компонент и образует окисел - эффективный вторично-электронный эмиттер, а второй компонент не окисляется и служит с одной стороны "ограничителем окисления", с другой - токопроводящей матрицей, в которой и находятся собственно эмиттеры - частицы оксида. В качестве этих сплавов известно применение AgMg, CuBeAl, CuAl, CuMg, CuBe, PtBe. Параметры получающихся катодов зависят от их структуры, а она - от режима окисления (давление кислорода, температура, время). Наилучшие эмиссионные параметры получаются при толщине окисной пленки в сотни ангстрем. Характерное значение максимального КВЭ - 5 - 15, удается получить до 30 (MgCs, MgLi).


Ион-электронная эмиссия


Известно два механизма ион-электронной эмиссии: потенциальная - вырывание электронов из тела полем подлетающего иона и кинетическая - выбивание электронов из тела за счет кинетической энергии иона. Коэффициент потенциальной эмиссии увеличивается с увеличением энергии ионизации иона и уменьшением работы выхода мишени, и для пар Ne+/W (неон/вольфрам), He+/W (гелий/вольфрам), Ar+/W (аргон/вольфрам) составляет, например, 0,24, 0,24 и 0,1 соответственно, и слабо зависит от энергии ионов. Для Мо (молибденовой) мишени и тех же ионов эти коэффициенты примерно на 10% больше.


При бомбардировке многозарядными ионами ион-электронная эмиссия возрастает - для 2-х, 3-х, 4-х зарядных ионов она больше, чем для однозарядных, примерно в 4, 10, 20 раз соответственно. Потенциальная ион-электронная эмиссия сильно зависит от состояния поверхности, поскольку она зависит от работы выхода. Это влечет относительно большой разброс экспериментальных данных.


Кинетическая ионно-электронная эмиссия практически отсутствует при энергиях менее 1 кэВ, потом возрастает линейно, потом медленнее, проходит через максимум и убывает, к энергиям в единицы МэВ коэффициент падает примерно до единицы. Ион-электронная эмиссия играет существенную роль в работе ряда электронных газоразрядных приборов, в которых источником электронов является катод, бомбардируемый ионами. В некоторых случаях процесс ионно-электронной эмиссии создает основное количество электронов в объеме прибора.


Эмиссия горячих электронов


Термоэлектронная эмиссия определяется величиной потенциального барьера на выходе из твердого тела и энергией преодолевающих его электронов. Но для получения эмиссии нагревают твердое тело, потому что это - простейший способ нагреть электроны: через их обмен энергией с решеткой. Но можно попытаться нагреть электроны и не прибегая к нагреву решетки. Поскольку электроны - заряженные частицы, то наиболее простой способ их "нагрева", т.е. передачи им энергии, состоит в воздействии на них электрическим полем. Таким образом, задача создания катода с эмиссией горячих электронов - это, прежде всего, задача создания в проводнике или полупроводнике большого электрического поля. Для этого проводник и полупроводник надо "испортить", уменьшив их проводимость, ибо иначе через них в этом большом поле пойдет большой ток, и катод выйдет из строя.


Один из способов "испортить" металл - это разделить его на отдельные частички. Если зазоры между ними будут невелики, порядка 10 нм, электроны будут туннелировать (преодолевать потенциальный барьер, сниженный и суженный большим полем) из одной частички в другую, и так будет осуществляться проводимость. Но ток по сравнению с током через монолитный металл сильно уменьшится, т.е. возрастет сопротивление. Это дает возможность увеличить поле. Тогда энергия электронов увеличится настолько, что они окажутся способными эмиттироваться в вакуум. Катоды с эмиссией горячих электронов выполняются в виде диэлектрической подложки, на которую напылена тонкая пленка металла или полупроводника. При малых толщинах пленки обычно получаются "островковые", т.е. состоящие из отдельных маленьких частичек, разделенных зазорами. Для облегчения выхода электронов из катода последний часто покрывается весьма тонкими (примерно моноатомными) пленками веществ, понижающих работу выхода Cs (цезия), BaO. В качестве вещества основной пленки обычно используют Au (золото), SnO2, BaO. Лучшие полученные параметры таковы - токоотбор 1 А/см2 в течение длительного времени и 10 А/см2 - кратковременно. При этом эффективность - отношение тока эмиссии к току, протекающему через пленку - может приближаться к 100%.


Эмиссия из p-n переходов


При подаче на полупроводник с p-n переходом обратного напряжения в нем образуется область с большим электрическим полем. При наличии дрейфового тока неосновных носителей они ускоряются этим полем, "разогреваются", и становится возможной их эмиссия. Эти носители - электроны, генерируемые в p-области, а для увеличения эмиссии поверхность такого катода (как и островковых пленок) покрывают монослоем Cs2O или BaO. При этом электроны могут эмитироваться как через слой полупроводника (т.е. в направлении полученной от поля скорости), так и поперек, после рассеивания. В катодах с эмиссией из p-n переходов достигнуты высокие плотности тока - до 100 А/см2, но ток через переход превышает эмитируемый в 100 - 1000 раз, что для практического применения неприемлемо.


Катоды со структурой металл - диэлектрик - металл (МДМ)


Такой катод состоит из металлической подложки, нанесенной на нее тонкой диэлектрической пленки и металлической пленки поверх нее. Напряжение прикладывается между подложкой и металлической пленкой. Если диэлектрическая пленка достаточно тонка, чтобы электроны могли туннелировать через нее (10 - 100 нм), а металлическая пленка достаточно тонка, чтобы туннелировавшие и ускоренные полем электроны могли пройти и сквозь нее (3 - 30 нм), то они могут выйти в вакуум. Таким образом, механизм работы катода напоминает механизм работы островковой пленки, но роль островков играют подложка и металлическая пленка, а вакуумного зазора между островками - диэлектрическая пленка. Верхняя металлическая пленка для увеличения эмиссии обычно покрывается монослоями Cs или BaO. В качестве диэлектрика используются обычно оксиды или нитриды, материал верхнего электрода - чаще всего Al (алюминий) или Au. Достигнуты значения плотности тока до 1 А/см2 при низкой эффективности - 0,01, или большая эффективность - 0,1, но при меньшей плотности тока. Параметры большинства систем пока не достигли уровня, при котором они заинтересуют разработчиков приборов, но в дальнейшем это вполне возможно.


Катоды с отрицательным электронным сродством


Если катод содержит полупроводник с p-n переходом с тонкой p-областью, которая граничит с вакуумом, и поверхность p-области обработана так, чтобы достигалось отрицательное электронное сродство, то при подаче прямого смещения на p-n переход в p-область инжектируются электроны, которые, преодолев p-область, могут выйти в вакуум. Катоды этого типа реализован, и получены плотности тока, близкие к представляющим интерес - порядка 1 А/см2. Но по этим катодам существуют лишь одиночные работы, и перспективы их применения неясны. Основное применение катоды с отрицательным электронным сродством получили как катоды со вторичной электронной эмиссией и как фотокатоды.