РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ЭМИТТЕРОВ ДЛЯ КОРОТКОВОЛНОВЫХ СВЧ ПРИБОРОВ В СПбПУ. ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ∗
Образец для цитирования:
Тема и цель исследования. Приведены данные о последних достижениях авторов по разработке и исследованию полевых эмиттеров для электроннопучковых СВЧ приборов миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн. Методы. Описаны методы создания и характеристики представляющих большой практический интерес катодов нового типа: многоострийных кремниевых катодов с двухслойными металлфуллереновыми покрытиями, а также многослойных нано-структурированных катодов, эмиссия которых определяется полями у контакта материалов с разной работой выхода. Для оптимизации катодов и определения их эмиссионных характеристик проводились численные расчеты и экспериментальные исследования. Важнейшие отличительные черты использованных экспериментальных установок: • возможно оперативное изменение давления от минимального 10−9 –10−10 Torr до 10−6 Torr и обратно; • возможно проведение ряда технологических операций непосредственно в вакуумной камере, в том числе, по нанесению и обработке покрытий; • возможно исследование эмиссионных характеристик катодов в непрерывном и импульсном режимах в широком интервале напряжений (до 15–25 kV) и токов (до 0.5 A). Результаты. Получено большое количество новых результатов, в том числе: • отработаны достаточно простые и воспроизводимые технологии создания многоострийных и многослойных эмиттеров; • определен механизм функционирования защитных фуллереновых покрытий; • определены оптимальные структура и морфология поверхности многоострийных катодов с металл-фуллереновыми покрытиями и продемонстрирована возможность получения с их помощью токов полевой эмиссии приблизительно до 100 mA при плотности тока до 0.4 A/cm2 ; • определена оптимальная структура многослойных гафний–платиновых катодов и продемонстрирована возможность получения с их помощью токов эмиссии около 2 mA при чрезвычайно большой плотности тока около 200 A/cm2 ; • продемонстрирована возможность длительной стабильной работы созданных катодов при отборе больших токов в условиях технического вакуума. Обсуждение. Созданные и исследованные катоды перспективны для использования в миниатюрных высоковольтных электронно-пучковых СВЧ устройствах миллиметрового и субмиллиметрового диапазона.
1. Glyavin M.Yu., Manuilov V.N., Sominskii G.G., Taradaev E.P., Tumareva T.A. The concept of an electron-optical system with field emitter for a spectroscopic gyrotron // Infrared Physics & Technology. 2016. Vol. 78. Pp. 185–189.
2. Бурцев А.А., Григорьев Ю.А., Данилушкин А.В., Навроцкий И.А., Павлов А.А., Шумихин К.В. Особенности разработки электронно-оптических систем для импульсных терагерцовых ламп бегущей волны: Обзор // ЖТФ/ 2018. Т. 88, No 3. С. 464–470.
3. Whaley D.R., Duggal R., Armstrong C.M., Bellew C.L., Holland C.E., Spindt C.A. 100 W operation of a cold cathode TWT // IEEE Transactions on Electron Devices. 2009. Vol. 56, no. 5. Pp. 896–905.
4. Spindt C., Holland C.E., Schwoebel P.R. A reliable improved Spindt cathode design for high currents // Vacuum Electronics Conference 2010 (IVEC–2010). IEEE International. 2010. May. Pp. 201–202.
5. Chen Z., Zhang Q., Lan P., Zhu B., Yu T., Cao G., den Engelsen D. Ultrahigh-current field emission from sandwich-grown well-aligned uniform multi-walled carbon nanotube arrays with high adherence strength // Nanotechnology. 2007. Vol. 18. Pp. 265702.
6. Бушуев Н.А., Глухова O.E., Григорьев Ю.А., Иванов Д.В., Колесникова А.С., Николаев А.А., Шалаев П.Д., Шестеркин В.И. Исследование эмиссионных характеристик многолучевой электронной пушки с автоэмиссионным катодом из стеклоуглерода // ЖТФ. 2016. Т. 86, No 2. С. 134–139.
7. Абаньшин Б.И., Горфинкель Б.И., Морев С.П., Мосияш Д.С., Якунин А.Н. Исследование процесса формирования углеродной наноразмерной автоэмиссионной структуры с ионной защитой // ПЖТФ. 2014. Т. 40, No 9. С. 86–94.
8. Тумарева Т.А., Соминский Г.Г., Ефремов А.А., Поляков А.С. Острийные полевые эмиттеры с фуллереновым покрытием // ЖТФ. 2002. Т. 72, No 2. С. 105–110.
9. Тумарева Т.А., Соминский Г.Г., Бондаренко А.К., Веселов А.А., Светлов И.А. Активирование фуллереновых покрытий полевых эмиттеров потоками атомов и ионов калия // ЖТФ. 2006. Т. 76, No 7. С. 81–84.
10. Тумарева Т.А., Соминский Г.Г., Светлов И.А., Морозов А.Н. Активированные потоком ионов калия полевые эмиттеры с фуллереновыми покрытиями в сильных электрических полях // ЖТФ. 2008. Т. 78, No 11. С. 119.
11. Campbell E.E.B., Tellgmann R., Krawez N., Hertel I.V. Production and LDMS characterisation of endohedral alkalifullerene films // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1997. Vol. 58, iss. 11. Pp. 1763–1769.
12. Гиваргизов Е.И. Кристаллические вискеры и наноострия // Природа. 2003. No 11. С. 20–25.
13. Karabutov A.V., Konov V.I., Pimenov S.M., Frolov V.D., Obraztsova E.D., Polyakov V.I., Rossukanyi N.M. Peculiarities of field electron emission from CVD diamond films // J. De Physique IV. 1996. Vol. 6, iss. 5. Pp. C5113–C5118.
14. Соминский Г.Г., Тумарева Т.А., Тарадаев Е.П., Мишин М.В., Степанова А.Н. Многоострийные полупроводниковые полевые эмиттеры с двухслойными защитными покрытиями нового типа // ЖТФ. 2015. Т. 85, No 1. С. 138–142.
15. Соминский Г.Г., Сезонов В.Е., Тарадаев Е.П., Тумарева Т.А., Задиранов Ю.М., Корнишин С.Ю., Степанова А.Н. Полевые эмиттеры нового типа для высоковольтных электронных устройств // Известия вузов. Радиофизика. 2015. Т. 58, No 7. С. 568–576.
16. Соминский Г.Г., Тарадаев Е.П., Тумарева Т.А., Гиваргизов М.Е., Степанова А.Н. Полевая эмиссия многоострийных кремниевых структур с защитными покрытиями // ЖТФ. 2016. Т. 86, No 11. С. 108–111.
17. COMSOL Multiphysics. Платформа для моделирования физических процессов [Электронный ресурс]. https://www.comsol.ru/comsol-multiphysics.
18. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионая электроника. М.: Наука, 1966. 564 с.
19. Фоменко В.С. Эмиссионные свойства материалов: Справочник. Киев: Наукова думка, 1981. 339 с.
20. Sominskii G.G., Sezonov V.E., Tumareva T.A., Taradaev E.P. Field Emitter // Patent of the Russian Federation N0 118119 for utility model. Published on 10.07.2012.
BibTeX
author = {Геннадий Гиршевич Соминский and Вячеслав Евгеньевич Сезонов and Татьяна Алексеевна Тумарева and Евгений Петрович Тарадаев },
title = {РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ЭМИТТЕРОВ ДЛЯ КОРОТКОВОЛНОВЫХ СВЧ ПРИБОРОВ В СПбПУ. ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ∗},
year = {2018},
journal = {Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика},
volume = {26},number = {3},
url = {https://old-andjournal.sgu.ru/ru/articles/razrabotka-i-issledovanie-polevyh-emitterov-dlya-korotkovolnovyh-svch-priborov-v-spbpu},
address = {Саратов},
language = {russian},
doi = {10.18500/0869-6632-2018-26-3-109-126},pages = {109--126},issn = {0869-6632},
keywords = {полевая эмиссия,многоострийные катоды,многослойные катоды,технический вакуум,ионная бомбардировка,двухслойные металл-фуллереновые покрытия,поля контактной разности потенциалов,коротковолновые электронно-пучковые СВЧ приборы},
abstract = {Тема и цель исследования. Приведены данные о последних достижениях авторов по разработке и исследованию полевых эмиттеров для электроннопучковых СВЧ приборов миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн. Методы. Описаны методы создания и характеристики представляющих большой практический интерес катодов нового типа: многоострийных кремниевых катодов с двухслойными металлфуллереновыми покрытиями, а также многослойных нано-структурированных катодов, эмиссия которых определяется полями у контакта материалов с разной работой выхода. Для оптимизации катодов и определения их эмиссионных характеристик проводились численные расчеты и экспериментальные исследования. Важнейшие отличительные черты использованных экспериментальных установок: • возможно оперативное изменение давления от минимального 10−9 –10−10 Torr до 10−6 Torr и обратно; • возможно проведение ряда технологических операций непосредственно в вакуумной камере, в том числе, по нанесению и обработке покрытий; • возможно исследование эмиссионных характеристик катодов в непрерывном и импульсном режимах в широком интервале напряжений (до 15–25 kV) и токов (до 0.5 A). Результаты. Получено большое количество новых результатов, в том числе: • отработаны достаточно простые и воспроизводимые технологии создания многоострийных и многослойных эмиттеров; • определен механизм функционирования защитных фуллереновых покрытий; • определены оптимальные структура и морфология поверхности многоострийных катодов с металл-фуллереновыми покрытиями и продемонстрирована возможность получения с их помощью токов полевой эмиссии приблизительно до 100 mA при плотности тока до 0.4 A/cm2 ; • определена оптимальная структура многослойных гафний–платиновых катодов и продемонстрирована возможность получения с их помощью токов эмиссии около 2 mA при чрезвычайно большой плотности тока около 200 A/cm2 ; • продемонстрирована возможность длительной стабильной работы созданных катодов при отборе больших токов в условиях технического вакуума. Обсуждение. Созданные и исследованные катоды перспективны для использования в миниатюрных высоковольтных электронно-пучковых СВЧ устройствах миллиметрового и субмиллиметрового диапазона. }}