Воздействие ультразвуковых колебаний на стабильность эмиссии точечного автокатода

Повышение стабильности автоэлектронной эмиссии в техническом вакууме - важная научно-техническая проблема. Ее актуальность определяется тем, что имея рекордные параметры (высокая электронная яркость, низкий разброс энергий электронов) точечные автоэлектронные катоды-микроострия устойчиво работают лишь в вакууме 10-8 Па [1]. Одной из основных причин неустойчивости и флуктуаций автоэлектронного тока является бомбардировка эмиттирующей поверхности катода [2]. Для уменьшения этого неблагоприятного воздействия предложен ряд методов. Так, [3] в катодном узле предусматривается

разделение траекторий электронов и ионов за счет введения дополнительного анода. В [4] для этой же цели вводится источник магнитного поля. В результате снижается ионная бомбардировка. Однако это значительно усложняет конструкцию и увеличивает ее габариты. В обзорах [5, б, 7] проанализирован ряд методов повышения стабильности автокатодов. Это -использование материалов, более устойчивых к ионной бомбардировке, подогрев эмиттера для залечивания повреждений, использование в качестве рабочей среды слабораспыляю-щих газов. Для устранения адсорбированных слоев и некоторого сглаживания поверхности эмиттера применяется его кратковременный нагрев при отключенном поле. В [8] предложено подавать на катод высокочастотное высокое напряжение. При этом налетающие ионы остаточного газа довольно успешно отклоняются. Однако использование высокочастотного высокого напряжения допустимо далеко не во всех конструкциях, в которых используются автоэлектронные катоды. Таким образом, ни один из известных методов не позволяет полностью решить проблему. В связи с этим не лишен смысла вопрос о комбинировании различных методов.

2.    Методика эксперимента

В данной работе предлагается использовать для дополнительной защиты автокатода высокочастотные ультразвуковые колебания, которые прикладываются к вершине автокатода. Держатель катода приводят в акустический контакт с излучателем ультразвука. При этом ультразвуковые колебания распространяются по держателю и доходят до вершины катода-острия. Его вершина начинает совершать быстрые колебательные движения. Определим условия, при которых особенно заметно проявление эффекта. Если острие совершает поперечные колебания по закону:

У = A sin(277t/T), где А - амплитуда колебаний, Т - период колебаний, тогда скорость поперечного смещения будет:

v(t) = dY/dt = (277А/Т )cos(27t/T ) .

Вероятность найти вершину острия в области dY со смещением У от положения равновесия будет пропорциональна времени нахождения его в этой области dt = dY^Y), где

^(У) = (27А/Т ) cos(arcsin(Y/A)) = (2яА/Т)^1 — (У/А)².

Аппроксимируем острие заряженным шариком радиусом Ro = 10-7 м с напряженностью электрического поля у его поверхности Ео = 109 В/м. Предположим, что ион кислорода с единичным зарядом q образовался в результате электронного удара на расстоянии R* от острия, при изменении радиуса от R* до R ион приобретет энергию mv2(R) 2

R *

J qE(R) dR =

R qEoR2(R* — R)

где ^(R) - скорость иона, m - масса иона, q - заряд иона.

E ( R ) = EoR2/R

• - зависимость напряженности электрического поля от R. Из (1) можно определить скорость иона в каждой точке и, следовательно, время его полета t:

3.    Результаты экспериментов и их обсуждение

R* dR _   1  / mR* ^0 VRdR_

' = J v(R) =  Ro V 2qEo J .RR=

Ro       _________'

_ R * / 2 mR * ( V ^R o (^R * ^-R o )   1         ^/ R * - Ro \

= RoV qE o ⁽     2 R *      ⁺ 2 ^arctg у R o ) •

Из формулы (2) для однозарядного иона атомарного кислорода, образовавшегося в результате электронного удара без начальной скорости, на расстоянии 1 мм от эмиттирую-щей поверхности получаем время пролета мкс. Следовательно, при частотах приложенного ультразвука 100 кГц за время пролета иона произойдет несколько полных колебаний, что полностью «дезориентирует» налетающий ион. Для проверки этого вывода было произведено математическое моделирование процесса пролета ионов при данных условиях, которые случайным образом возникали без начальной скорости в области перед колеблющимся острием. Колебания острия аппроксимировались движением притягивающего центра между двумя точками. Подавляющее большинство ионов попадают в ту область, где вероятность нахождения острия минимальна или бомбардируют боковую неэмиттирующую поверхность, что не оказывает значительного влияния на стабильность эмиссии и даже может оказаться очень полезным, так как при этом сдираются загрязнения, которые также являются одной из причин нестабильности [7, 9, 10].

Пример. Был опробован острийный автоэлектронный эмиттер из вольфрама в вакууме 10^-5 Па и наложении ультразвуковых колебаний с частотой 500 кГц. Ультразвуковые колебания создавались с помощью пластинки из пьезокерамики типа ЦТС 19 диаметром 10 мм, подвешенной в вакууме на двух проводниках, по которым подводилось питание от ультразвукового генератора. Острие-катод было припаяно к боковой поверхности пластинки. В данной схеме для удобства подачи ультразвука катод был заземлен, а на противоположный электрод подавали положительное высокое напряжение. При этом флуктуации автоэлектронного тока в вакууме 10^-5 Па снижаются не менее чем вдвое по сравнению с исходным состоянием. Хотя стабильность значительно повышается, но все же встречаются отдельные всплески тока, которые можно объяснить попаданием отдельных ионов на эмиттирующую поверхность. Вследствие усиленной бомбардировки боковой поверхности возможна заточка острия образца внутри вакуумной камеры. Это обстоятельство является особенно важным в случаях большой химической активности материала катода на воздухе (так, образец из циркония покрывается на воздухе окисной пленкой, которая насквозь проедает острие) или, когда для образца сложного состава не подобраны подходящие условия его изготовления.

4.    Выводы

Предложенный метод позволит использовать точечные автоэлектронные катоды в техническом вакууме. Это должно дать значительный экономический эффект. Так, стоимость электронного микроскопа с автоэлектронным катодом на порядок выше, чем с традиционным катодом. Это вызвано необходимостью создания гораздо более высокого вакуума.