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.


Свечение торца катода во время проведения эксперимента.

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