4 Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки для автоэмиссионных измерений представлена на рисунке 8. Основной частью установки является автоэмиссионный микроскоп, изготовленный из так называемого молибденового стекла (3С-5). Острие (катод – 3) изготавливается электролитическим травлением в 3% водном растворе щелочи NаOHиКОНвольфрамовой проволоки, приваренной точечной сваркой к вольфрамовой дужке 2. Радиусы острий, как прави­ло, составляют 0.2 ÷ 0.5 мкм. Ножка с изготовленным острием заваривается го­релкой в автоэмиссионный микроскоп и весь прибор припаивается вакуумно­му посту.

1 – вводы из молибденовой проволоки диаметром 1 – 2 мм;

2 – вольфрамовая дужка;

3 – вольфрамовое острие;

4 – колба автоэмиссионного микроскопа из стекла типа 3С - 5;

5 – молибденовый ввод (анод);

6 – проводящий слой (окись свинца;

7 – люминофор;

А – амперметр;

µА – микроамперметр;

кV– киловольтметр С - 96;

УПУ – 1 – высоковольтный выпрямитель;

I– лабораторный трансформатор;

II– понижающий трансформатор

Рисунок 8 – Схема экспериментальной установки

Получение и сохранение на время проведения эксперимента атомарно чистой поверхности представляют очень высокие требования к вакууму в экс­периментальных приборах. С этой целью во время откачки прибор прогреваю до 450С непрерывно в течение 3 ÷ 4-х суток. (При повторной откачке время отжига существенно уменьшается.) После прогрева всех металлических дета­лей микроскопа до максимально возможных температур прибор отпаивается от вакуумной установки при вакууме не хуже 5·10^-8мм. рт. ст. Дальнейшее улуч­шение вакуума осуществляется геттерами (газопоглотители –Ва, Тi, Мо, Сsи др.). Распыление материала геттеров может осуществляться нагревом током, токами высокой частоты или пучком электронов.

Конструкция геттера, разработанная автором данного описания, пред­ставлена на рисунке 9. С нагреваемого током катода 1 электроны ускоряются к аноду 5 (Та + Монавеска) напряжением (800 ÷ 1000) В. Нагревается только на­веска 5 и частично вольфрамовая проволочка 2. Экран из молибдена или танта­ла имеет потенциал катода, поэтому электроны не попадают на него. Потреб­ляемая мощность в рабочем состоянии геттера всего 3 ÷ 4 Вт. Такой тип катода отличается большой долговечностью я надежностью. Парциальное давление активных газов (О₂, СО, СО₃, N₂и др.) в микроскопе составляет порядка 10^-1÷ 10^-12мм. рт. ст.

1 – – катод диаметром 0.1 мм;

2 – – анод диаметром 0.25 мм;

3 – стеклянный патрубок для присоединения к микроскопу;

4 – Мо– заслонка;

5 – навеска из титанированного молибдена;

6 – стеклянный баллон;

7, 7а – Мо– вводы для катода и анода соответственно

Рисунок 9 – Электрическая схема питания геттера

Концы острий рисунок 8, образующиеся после электрохимического трав­ления имеют гладкую, примерно полусферическую, ферму. Однако, для обезгаживания острия и придания его форме стабильности необходима прокалка в высоком вакууме при температуре, близкой к температуре плавления, что дос­тигается пропусканием электрического тока через дужку 2, см. рисунок 8. Окончательный вид катода представляет собой чистое монокристаллическое острие с округлением на конце. Основным физическим процессом, определяю­щим форму острия при термической обработке, является миграция поверхност­ных атомов, т.е. их перемещение под действием нагрева на места, которые они занимают в энергетически более выгодном месте (Закон минимума потенци­альной энергии). У вольфрама заметная миграция атомов начинается при 1100 К.

Поверхностная миграция при наличии электрического поля из-за поляри­зации атомов протекает совершенно иначе, чем без поля. По началу изменения эмиссионной картины при наличии поля можно судить о начале поверхностной миграции.

Отметим тот факт, что окончательная форма, которую принимает эмиттер, вследствие поверхностной миграции не соответствует равновесной форме, да­ваемой теорией. Вообще говоря, равновесной формой, которую при нагревании должны принимать небольшие монокристаллы под действием сил поверхност­ного натяжения, является многогранник, содержащий явно выраженные грани, ребра и углы. Образование в данном случае сферы, а не многогранника, объяс­няется сглаживанием вследствие миграции атомов и испарением атомов с ост­рых вершин и ребер.

Для идентификации эмиссионных изображений используются стереогра­фические проекции главных кристаллографических направлений (рисунок 5).

Для измерения автоэмиссионного тока используется гальванометр М-95 или усилитель постоянного тока типа У5-9. Для измерения анодного напряже­ния используется киловольтметр электростатической системы С-96.