5.1.2 Источники полевой эмиссии
Источники полевой эмиссии (ПЭ) работают принципиально иным способ, отличным от термоэлектронных источников. Принцип ПЭ заключается в том, что напряженность электрического поля значительно увеличивается при уменьшении радиуса кривизны острия катода. Если у нас есть напряжение, прикладываемое к (сферическому) острию радиуса r, то:
(5.2)Один из самых простых материалов для производства тонкого острия «иглы» является вольфрамовая проволока, которой может быть легко придан радиус закругления менее 0.1 мкм. Если мы приложить потенциал в 1-кВ к этому острию, то напряженность электрического поля вблизи острия составит Е составит около 1010 В/м, что снижает барьер работы выхода электронов в достаточной мере, чтобы электроны туннелировали из вольфрамовой иглы. Приложение столь высоких полей обуславливает сильное механическое напряжение на кончике иглы, поэтому материал иглы должен быть механически прочным, чтобы оставаться неповрежденным. Полевая эмиссия, как и термоэлектронная эмиссия из LaB6, варьируется в зависимости от кристаллической ориентации вольфрамового наконечника; <310> ориентация оказывается наилучшей.
Для того, чтобы полевая эмиссия происходила, поверхность катода должна быть свободной от загрязнений и оксидов. Этого можно добиться только при работе в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ) (<10-9 Па). В этом случае вольфрам работает при температуре окружающей среды и процесс называют "холодной" полевой эмиссией. Кроме того, мы можем сохранить поверхность в первоначальном состоянии в условиях невысокого вакуума путем нагрева острия катода. Тепловая энергия, увеличивает электронную эмиссию настолько, что электроны уже не туннелируют через барьер. Поверхность подобных термо-полевых источников, покрывают оксидом циркония ZrO2, позволяющим улучшить характеристики эмиссии, в частности, такие, как стабильность, и подобные источники Шоттки становятся все более популярными.
Таблица 5.1 Характеристики принципиальных типов электронных источников
|
|
Единицы измерения |
Вольфрам |
LaB6 |
Катод термо-полевой эмиссии Шоттки |
Катод холодной полевой эмиссии |
|
Работа выхода Постоянная Ричардсона Рабочая температура Плотность тока (при 100 кВ) Размер кроссовера Яркость (при 100 кВ) Разброс по энергии (при 100 кВ) Стабильность тока эмиссии Вакуум Время жизни |
эВ А/м2К2 К А/м2 Нм А/м2стер эВ %/час Па Ч |
4.5 6*109 2700 5 >105 5*1010 3 <1 10-2 100 |
2.4 4*109 1700 102 104 5*1011 1.5 <1 10-4 1000 |
3.0
1700 105 15 5*1012 0.7 <1 10-6 >5000 |
4.5
300 106 3 1013 0.3 5 10-9 >5000 |
