Введение к работе
Актуальность темы. Основные требования, предъявляемые ктернокатодам, это высокая эмиссионная способность, т.е. низкая вакуумная работа выхода, стабильность эмиссионных характеристик, высокая ресурсоспособность. Однако в некоторых областях электронного приборостроения, например, при создании термоэииссионных преобразователей с цезиевым наполнением в нежэлвктродном эаэоре. требования к электродам, к их вакуумной работе выхода существенно отличаются. Необходимы электроды Скатод, анод}, имеющие возможно более высокую вакуумную работу выхода. В этом случае в рабочем режиме обеспечивается повышенная адсорбция иезия на рабочие поверхности электродов и их терноэмиссионная способность становится максимальной. А если при этом дополнительно будет обеспечиваться занетное развитие поверхности, то мы вплотную приблизимся к выполнению основных требований, предъявляемых к электродам ТЭП.
В последние годы наиболее обнадеживающие результаты были получены, во-первых, при использовании в качестве катода хлоридного вольфрама. В этом случае поверхность была геометрически развита и образована наиболее плотноупакованными Сс максимальной вакуумной работой выхода? гранями. А, во-вторых,в межэлектродный зазор вводился кислород. который после адсорбции на электродах в результате образования на поверхности "дипольных структур" дополнительно повышал вакуумную работу выхода электродов. Наиболее эффективным способом введения кислорода в межэлектродный зазор оказался способ диффузионного насыщения электродов кислородом Сна примере ниобияЭ. Однако, как оказалось, в процессе работы происходило сглаживание развитой поверхности W , а метод диффузионного насыщения электродов кислородом не распространялся на наиболее интересные натериалы с точки зрения изготовления электродов ТЭП, Молибден и вольфрам, т.к. кислород в этих металлах практически нерастворим.
Для получения желаемого эффекта при изготовлении термокатодов было предложено использование двух методов: метода ионной инплантации кислорода в поверхность термокатодов, при рабочих температурах которых кислород может выходить на поверхность и образовывать кислородное покрытие, а также нетода термовакуумного травления, который бы обеспечивал стабильную развитую поверхность с выходом на поверхность граней, инеюших наиболее высокую вакуумную работу выхода.
Целью диссертационной работы является исследование влияния метода ионной имплантации СИИЭ кислорода и метода термовакуунного травления СТТЭ поверхности на изменение эмиссионных и адсорбционных характеристик тугоплавких монокристаллических металлов.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
определены закономерности влияния введенных ионов кислорода на эмиссионные и адсорбционные характеристики поверхности;
выбраны оптимальные режимы ионной имплантации и последующей термообработки образцов, при которых обеспечивается максимальный эффект от влияния имплантированного кислорода на характеристики тернокатодов;
- определены диффузионные характеристики миграции
имплантированного кислорода из молибдена. определена
ресурсоспособность термокатодов с имплантированным кислородом
при различных температурах;
- изучены процессы, происходящие на поверхности и в
поверхностном слое в результате ионной имплантации и последующей
термоактивации;
ислледовано влияние термовакуумного травления на изменение характеристик поверхности термокатодов, проанализирована структура поверхности и ее стабильность;
выбраны оптимальные условия термовакуумного травления;
оценен положительный эффект от использования термокатодов, полученных новыми методами Сна примере изготовления электродов ТЭПЭ.
Научная новизна. Впервые в широком диапазоне температур исследовано влияние ионной имплантации кислорода и термовакуумного травления на изменение эмиссионных и адсорбционных характеристик. Выбраны оптимальные режимы ИИ и ТТ. Определено состояние имплантированного кислорода на поверхности тугоплавких материалов и в поверхностном слое, его изменение при термообработках.
Впервые получены диффузионные характеристики выхода имплантированного кислорода из молибдена. определена ресурсоспособность таких систем при различных температурах.
Впервые показана возможность получения методом ТТ развитой, наиболее плотноупакованной. термостабильной поверхности.
Впервые показано, что влияние имплантированного кислорода на
увеличение вакуумной работы выхода поверхности тугоплавких материалов реализуется только после обязательной термоактивации.
Впервые показана и проанализирована зависимость эмиссионных и адсорбционных характеристик поверхности тугоплавких образцов с имплантированным кислородом от температуры.
Практическая значимость. Показана возможность применения методов ионной имплантацнии. термовакуумного травления для получения термокатодов с улучшенными свойствами. Проведена оптимизация их режимов.
Показана эффективность использования этих катодов в качестве электродов ТЭП.
Предложена методика экспериментального и расчетного С машинный метод} определения ресурсоспособности термокатодов с имплантированными добавками. Предложены способы подготовки таких электродов, увеличивающие их ресурсоспособность на порядки.
Предложен метод очистки образцов с имплантированным кислородом от углерода, а также режимы ионной имплантации, снижающие сопутствующее введение ионов углерода в поверхность.
Предложен метод определения коэффициента шероховатости поверхности путем определения эмиссионных характеристик развитой поверхности при различных температурах.
На защиту выносятся следующие положения:
результаты влияния ионной имплантации кислорода на эмиссионные и адсорбционные характеристики тугоплавких материалов в широком диапазоне температур;
экспериментальные данные по распределению имплантированного кислорода в монокристаллическом молибдене, по химическому составу и структуре поверхности и приповерхностного слоя таких систем и влиянию на эти характеристики различных термообработок ;
- обнаружение эффекта влияния предварительной термообработки на эмиссионные и адсорбционные характеристики тугоплавких материалов, имплантированных ионами кислорода;
механизм процессов, происходящих на поверхности молибденовых образцов с имплантированным кислородом в результате термообработок;
методика и результаты расчета коэффициента диффузии имплантированного кислорода из молибденовых образцов;
экспериментальные результаты изменения структуры поверхности тугоплавких материалов в результате термовакуумного травления:
- влияние на выходные характеристики ТЭП ионной имплантации кислорода в коллектор и термовакуумного развития поверхности эмиттера.
Апробация работы: результаты диссертационной работы изложены в 32 статьях. 16 научно-технических отчетах. 6-ти авторских свидетельствах на изобретения, на межведомственных семинарах по физике, материалам и технологии ЭГК в г.Подольске С1983, 1985. 1986 гг.З. межведомственном семинаре по физике ТЭП в г. Москве С1988Г.З. межведомственном совещании стран СЭВ "Радиационная физика твердого тела" в г. Сочи С1989 г.Э. Первой Уральской конференции "Поверхность и новые материалы" в г.Свердловске С1984г. 3.Всесоюзном семинаре "Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" в г.Обнинске С199ІГ.З. отраслевой конференции "Ядерная энергетика в космосе" в г. Сухуми С1992 г.З.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 119 страницах, содержит 67 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 112 наименований.