Ученые Саратовского филиала Института радиотехники и
электроники имени В.А. Котельникова РАН, Саратовского национального
исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского и НПП
«Алмаз» впервые обнаружили эффект восстановления алмазографитового катода при
изменении полярности напряжения в межэлектродном зазоре, что позволит создать
более долговечные терагерцевые излучатели.
Освоение терагерцевого (ТГц) диапазона электромагнитных волн
между микроволновым и инфракрасным диапазонами является одной из ключевых
проблем развития электроники. Источники когерентного ТГц излучения имеют
широкие перспективы применения в таких областях, как безопасность (дистанционное
обнаружение взрывчатых веществ), беспроводные информационно-коммуникационные
системы высокоскоростной передачи данных, радиоастрономия, спектроскопия,
медицина и пр. Имеются различные подходы к освоению ТГц диапазона, например, с
помощью приборов твердотельной или квантовой электроники. Однако для достижения
уровней мощности порядка десятков ватт и выше оптимальными являются
электровакуумные приборы (ЭВП).
Надежность и долговечность ЭВП в значительной степени
определяются характеристиками катодов, то есть источников эмиссии электронов. В
настоящее время в большинстве производимых в мире ЭВП применяются
термоэмиссионные металлопористые катоды (МПК). Однако долговечность работы МПК
недостаточно высока. К другим недостаткам термокатодов относятся большое время
готовности и невысокая предельная плотность токоотбора.
Перспективным направлением совершенствования приборов ТГц
диапазона является замена термоэмиссионных катодов на полевые. Полевая эмиссия
– это испускание электронов проводящими телами под действием внешнего
электрического поля достаточно высокой напряженности. В полевых катодах
электроны преодолевают потенциальный барьер на границе эмиттера не за счет
кинетической энергии теплового движения, то есть не в результате нагрева катода,
как при термоэлектронной эмиссии, а путем квантового туннельного
просачивания сквозь барьер, сниженный внешним электрическим полем. Разумеется,
катод, который не надо нагревать, может служить дольше и надежнее.
Одним из наиболее перспективных материалов для создания
подобного типа катодов являются наноуглеродные пленочные структуры, в частности
– алмазографитовые нанокомпозиты, которые представляют собой графитовые матрицы
с погруженными в них алмазными нанокристаллитами. В качестве полевых
катодов в данном исследовании использовались алмазографитовые пленочные
структуры толщиной около 100 нм, осажденные на поликоровые (керамика на основе
корунда) пластины.
Исследование работы алмазографитового катода проводились в
течение 8 циклов испытаний суммарной длительностью свыше 13,5 ч. При
испытаниях имитировались условия с аварийным отключением питающего напряжения и
средств вакуумной откачки.
На графике выше показаны вольтамперные характеристики (ВАХ)
катода, измеренные до (кривая 1) и после (кривая 2) 8 циклов
испытаний. Несмотря на неблагоприятные факторы, связанные с периодическими
отключениями питающего напряжения и ухудшением вакуума, полевая эмиссионная
способность катода за время испытаний не ухудшилась.
Однако исследование показало, что часть углеродной фазы
катода в ходе работы деградирует и осаждается на аноде. В ходе эксперимента на анод
подавалось отрицательное относительно катода напряжение, то есть катод, по
сути, превращался в анод, а анод становился катодом, то есть источником
электронов. После этого на эту пару вновь подавалось напряжение по обычной
схеме работы и проводилось измерение ВАХ катода.
На графике выше показано изменение ВАХ катода до (1) и после
(2) переосаждения эмиссионного материала с анода на катод. Было установлено
улучшение эмиссионной способности катода после восстановления. Положительный
эффект проявлялся в снижении порога начала полевой эмиссии и повышении крутизны
кривой ВАХ, что позволяет получать аналогичные токи при меньших напряженностях
электрического поля. Подобный эффект был обнаружен впервые.
Этот эффект может быть использован как для создания полевого
катода с улучшенными эмиссионными характеристиками, так и для восстановления
его эмиссионной способности при долговременной работе в составе ЭВП. Результаты
исследования могут быть использованы для прогнозирования сроков службы полевых
алмазографитовых источников электронов.
Подробнее см. в статье «Долговечность сильноточных
полевых источников электронов на основе нанокомпозитных алмазографитовых
пленочных структур», Р. К. Яфаров, А. В. Сторублев, «Микроэлектроника»,
2022, T. 51, № 2, стр. 95-100.
Редакция сайта РАН