Оксидный термокатод высокой монохроматичности

Важнейшей характеристикой источников электронов является полная ширина на полувысоте энергораспределения эмитированных электронов (ПШПВ). Чем меньше эта величина, тем выше монохроматичность источника электронов, тем выше разрешение электронных аналитических приборов, использующих электронный луч в качестве зонда, инструмента воздействия на изучаемые объекты, тем меньше шумы электронных ламп. Наименьшей величиной ПШПВ обладают автоэмиссионные источники электронов из металлов с ПШПВ(АЭ)>0,21 эВ с очень небольшим рабочим ресурсом, работающих лишь в условиях вакуума не хуже 1-10-10 Торр, ресурс применяемых металлических термокатодов огромен, вакуумные условия не хуже 1-10-5 Торр, но их монохроматичность существенно ниже: ПШПВ(ТЭ)>0.4 эВ.

В лаборатории эмиссионной электроники методом полевой электронной спектроскопии к настоящему времени проведен ряд исследований эмиссионных характеристик оксидных термокатодов на основе тройного карбоната щелочноземельных металлов (BaCaSr)CO3.

• (с) Лобанов В.М., Шешин Е.П., Лобанов С. В., Чадаев Н. Н., 2025

• (с) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский физико-технический институт (пациопальпый исследовательский университет)», 2025

Эмиссионный слой катодов толщиной ~100, ~1 и ~ 0,3 мкм наносился методами пульверизации и молекулярного напыления. Исследования показали, что эмиссия оксидного термокатода соответствует модели «пятнистого катода» [1] и полный ток катода является суперпозицией токов эмиссионных пятен, дающих прямолинейные вольт-амперные характеристики в координатах Фаулера - Нордгейма [2]. При этом эмиссионный процесс пятен модулируется явлением активации, протекающим в три этапа при увеличении напряжения эмиссии: активация и возрастание тока эмиссии, максимальная эмиссия, деактивация и падение тока эмиссии пятен до нуля. В результате энергетический спектр эмитированных электронов катода оказывается суперпозицией спектров множества пятен, локализованных в пределах зондируемой области поверхности катода 0 ~ 0,3 мкм и находящихся на разных этапах активации.

На рис. 1 представлена типичная динамика изменения суперпозиционного энергетиче ского спектра электронов оксидного термокатода эмитированных с участка поверхности 0 ~ 0,3 мкм при увеличении анодного напряжения энергоанализатора от 400 В до 1300 В. Форма спектра изменялась от симметричной гауссовой с ПШПВ 250-300 мэВ (рис. 1а) до форм с общей шириной 1,5 4- 2 эВ и более (рис. 16, в). Кроме того, в течение многочасовых измерений спектр зондируемой области постепенно смещался в область низких энергий, величина смещения достигала 10 эВ.

а)

б)

иа,в 12-880 13-1000 14-1100 15 -1200 16-1300

в)

Рис. 1. Типичная динамика изменения энергетического спектра эмитированных электронов оксидного термокатода при увеличении анодного напряжения энергоанализатора от 400 до 1300 В и при температуре 600 °C

Распределение эмитированных электронов по энергиям отдельного эмиссионного пятна оксидного термокатода оказалось гауссовым с рекордно узкой величиной ПШПВ ~ 120 мэВ. На рис. 2 представлена динамика изменения энергетического спектра эмитированных электронов отдельного эмиссионного пятна катода, изготовленного методом пульверизации на никелевом керне. При увеличении анодного напряжения спектр показывал три этапа активации: возрастания, максимальной эмиссии (спектры 1,2,3) и деактивации эмиссии первого пятна и, наоборот, активации эмиссии второго пятна с меньшим /3-фактором и большим контактным сопротивлением керн - эмиссионный слой (спектры 5, 6, 7), вызывавшим относительное смещение его спектра в область низких энергий.

Рис. 2. Динамика изменения энергетического спектра эмитированных электронов отдельного эмиссионного пятна, показывающая активацию, рост и падение эмиссии пятна при увеличении напряжения на аноде энергоанализатора от 470 В до 700 В [2]

В результате длительных эмиссионных испытаний оксидного термокатода с эмиссионным слоем ~ мкм, изучения кинетики эмиссионных токов и парциальных давлений выделяющихся газов, было установлено, что наблюдающееся в процессах термо- и токовой активации выделение оксида и диоксида углерода продолжается и при эксплуатации оксидных термокатодов, причем количество выделяющихся газов прямо пропорционально температуре и величине тока эмиссии. По этой причине наблюдавшееся смещение спектров в область низких энергий было отнесено к постепенному изменению электрического сопротивления эмиссионного слоя катода вследствие изменения его состава [3]. У термокатода с толщиной слоя ~ 100 мкм после 96 часов токоотбора 1 мА это смещение составило ~ 9 эВ. а у катода с толщиной слоя ~ 1 мкм после недолгих спектральных исследований оно составило ~ 4,1 эВ [4] - смещения спектров микронного и стомикронного эмиссионных слоев оказались величинами одного порядка, не зависели от толщины, и в результате смещение спектра было отнесено к падению потенциала на сопротивлении контактного слоя (КС), формирующегося на поверхности контакта керна и эмиссионного слоя и совпадающего по локализации с запорным слоем.

Одновременно, спектральные исследования оксидного микротермокатода с толщиной эмиссионного слоя ~ 1 мкм нанесенного методом молекулярного напыления [5, 6], позволили получить энергетические спектры эмитированных электронов отдельного эмиссионного пятна с еще более узкой ПШПВ ~ 100 мэВ (см. рис. 3). По модели Б.П. Никонова термоэлектроны эмитируют с поверхностных состояний оксида бария, локализованных в запрещенной зоне, но столь узкие ПШПВ спектров гауссовой формы и низкая работа выхода указывают на формирование обнажающимся (по Б.П. Никонову [7]) монослоем атомов бария резонансной зоны туннелирования, располагающейся на уровне зоны проводимости оксида бария [8, 9].

Рис. 3. Расширение энергетического спектра эмитированных электронов в область низких энергий при увеличении анодного напряжения; температура катода 590 °C [3]

Установленная форма спектра отдельного эмиссионного пятна в рамках модели «пятнистого катода» открывает прикладные возможности полевой электронной спектроскопии и позволяет измерить изменение потенциала эмиссионной поверхности AUnn в пределах зондируемой области 0 ~ 0,3 мкм, ее отклонение от эквипотенциальности AUnn = AEnn/e, вычисляемое по ширине спектра между крайними гауссами при его моделировании, см. рис. 4. Измерение смещения спектра в область низких энергий АЕСМ, см. рис. 4, открывает возможность измерения падения потенциала AUkc на сопротивлении контак- та керн-эмиссионный слой AUkc = АЕСМ /ей оценки величины этого сопротивления Rkc = AUkc / 1э> где 1э ~ эмиссионный ток катода.

Рис. 4. Модель полевой электронной спектроскопии оксидного термокатода, реализующая измерение падения напряжения на контактном слое (КС) катода AUkc и изменения потенциала вдоль эмиссионной поверхности AUnn с помощью смещения спектра АЕ_СМ и моделирования ширины суперпозиционного спектра АЕпп

Поскольку величины AUnn и AUkc характеризуют монохроматичность катода и определяют разброс электронных траекторий формируемого электронного потока лампы, то для уменьшения собственных электронных шумов оксидного термокатода и электронной лампы эти величины необходимо минимизировать и выравнивать вдоль поверхности контактного слоя. То есть для достижения высокой монохроматичности, - величины ПШПВ ~ 100 мэВ спектра всего оксидного катода, необходимы выравнивание и минимизация сопротивления контакта керн - эмиссионный слой вдоль всей поверхности контакта, что может быть достигнуто изменением материалов и составов керна и эмиссионного слоя.

3.    Заключение

В лаборатории эмиссионной электроники проведены эмиссионные и спектральные исследования оксидных термокатодов на основе тройного карбоната щелочноземельных металлов с эмиссионным слоем толщиной ~ 100, ~ 1 и ~ 0,3 мкм нанесенным на керн методами пульверизации и молекулярного напыления. Измерены энергетические спектры эмитированных электронов отдельного эмиссионного пятна с рекордно узкой ПШПВ ~ 100 мэВ. Установлены параметры спектра, такие как его смещение АЕ_СМ и ширина АЕпп> позволяющие измерить падения напряжения на контактном слое керн-эмиссионный слой катода AUkc и изменение потенциала вдоль эмиссионной поверхности AUnn> минимизация и выравнивание которых вдоль эмиссионной поверхности катода необходимы для создания оксидного катода высокой монохроматичности с ПШПВ спектра ~ 100 мэВ и низким уровнем электронных шумов.