РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 52, № 6, с. 766-768
НОВЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ ^^^^^^^^^^^^ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
УДК. 537.533
МАЛОГАБАРИТНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА С АВТОЭЛЕКТРОННЫМ ЭМИТТЕРОМ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
© 2007 г. А. Л. Мусатов, Ю. В. Гуляев, К. Р. Израэльянц, Е. Ф. Куковицкий, Н. А. Киселев, О. Ю. Масленников, И. А. Гузилов, А. Б. Ормонт, Е. Г. Чиркова
Поступила в редакцию 12.12.2006 г.
Разработана малогабаритная рентгеновская трубка с автоэлектронным эмиттером на основе углеродных нанотрубок. Рентгеновская трубка характеризуется анодным током 300 мкА, анодным напряжением 10 кВ, и стабильными характеристиками автоэлектронного эмиттера в течение длительного времени.
ВВЕДЕНИЕ
Основными составными частями рентгеновских трубок являются электронный эмиттер и металлическая мишень (анод), которая эмитирует рентгеновские лучи при бомбардировке ускоренными электронами. В современных рентгеновских трубках, как правило, используются термоэлектронные эмиттеры, которые требуют для своей работы сильного нагрева. В связи с этим термоэлектронные эмиттеры обладают двумя существенными недостатками: большой потребляемой мощностью и медленным включением. Этих недостатков лишены автоэлектронные эмиттеры, которые работают при комнатной температуре. Однако недостаточная временная стабильность металлических автоэмиттеров в техническом вакууме (~10-6 Торр) препятствовала их использованию в отпаянных приборах. Ситуация изменилась в последние годы после разработки автоэлектронных эмиттеров на основе углеродных нанотрубок [1, 2], которые обладают существенно лучшей временной стабильностью, чем металлические автоэмиттеры [3]. В наших исследованиях [4] была продемонстрирована хорошая временная стабильность планарных автоэлектронных эмиттеров на основе многостенных углеродных нанотрубок в отпаянных металлокерамических приборах в течение многих месяцев. В настоящей работе описаны конструкция и эмиссионные характеристики разработанной нами малогабаритной рентгеновской трубки с автоэлектронным эмиттером на основе углеродных нанотрубок.
1. КОНСТРУКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ АВТОЭЛЕКТРОННОГО ЭМИТТЕРА
Малогабаритная рентгеновская трубка с автоэлектронным эмиттером на основе углеродных нанотрубок (рис. 1) представляет собой отпаян-
ный стеклянный прибор длиной около 70 мм и диаметром 16 мм. Прибор состоит из автоэлектронного эмиттера на основе углеродных нанотрубок, выращенных на №-фольге диаметром 5 мм, полупрозрачной сетки, расположенной на расстоянии 300 мкм от эмиттера, вольфрамовой мишени (анода) и бериллиевого окна.
Углеродные слои с нанотрубками были выращены методом химического осаждения углерода из газовой фазы на №-фольге. В качестве источника углерода мы использовали продукты термического разложения полиэтилена. Описание процедуры синтеза углеродных нанотрубок этим методом дано в работе [5]. На первом этапе процесса происходит термическое разложение полиэтилена в первой печи при температуре ~600°С. Газообразные продукты разложения потоком гелия транспортируются во вторую печь, где при температуре ~800°С находится каталитически активная №-подложка (фольга), на которой происходит синтез углеродных нанотрубок. Электронно-микроскопические исследования [4, 6] показали, что синтезированные слои состоят из неориентированных углеродных нанотрубок с коническими стенками диаметром 10.. .50 нм и длиной ~10 мкм.
Рис. 1. Малогабаритная рентгеновская трубка.
МАЛОГАБАРИТНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА
767
2. ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОЭЛЕКТРОННОГО ЭМИТТЕРА РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ
Вольт-амперная характеристика эмиссионного тока автоэлектронного эмиттера рентгеновской трубки приведена на рис. 2. На рис. 2а показана зависимость эмиссионного тока от среднего электрического поля в области между эмиттером и сеткой. Как видно из рисунка, для этого прибора ток 300 мкА наблюдался при среднем электрическом поле Еср = 6.3 В/мкм. Этот ток соответствовал плотности тока j = 1.5 мА/см2.
Автоэлектронная эмиссия из проводников описывается теорией Фаулера-Нордгейма. Согласно этой теории плотность тока автоэлектронной эмиссии j для плоских эмиттеров описывается следующим выражением:
] ^ (вЕср)2ехр(-—
1 п7 3/2
х 10 ф
в Е
ср
(1)
Здесьj выражено в А • см 2, Еср - среднее электрическое поле в В/см, ф - работа выхода, в эВ, а в -коэффициент усиления электрического поля, в = = Е/Еср, где Е - локальное электрическое поле вблизи поверхности эмиттера. Отсюда следует, что вольт-амперная характеристика автоэлектронной эмиссии в координатах Фаулера-Нордгейма (j/ ), 1/Еср) описывается прямой линией. Вольт-амперная характеристика эмиссионного тока, приведенная на рис. 2а и перестроенная в координатах Фаулера-Нордгейма, показана на рис. 26. Как видно из рисунка, в этих координатах характеристика представляет собой прямую линию при изменении тока на семь порядков величины. Это показывает, что автоэлектронная эмиссия из эмиттера с углеродными нанотрубка-ми соответствует теории Фаулера-Нордгейма. Определив наклон характеристики в координатах Фаулера-Нордгейма и полагая, что работа выхода углеродных нанотрубок такая же, как у графита, и равна ф = 4.7 эВ, мы определили, что величина коэффициента усиления поля в = 1100.
Результаты исследований временной стабильности эмиссионного тока в рентгеновской трубке приведены на рис. 3 а, б. На рис. 3 а представлена зависимость эмиссионного тока от времени, измеренная в течение 3.5 ч. В ходе этих исследований эмиссионный ток измерялся в цепи эмиттера при напряжении сетка-эмиттер Vс = 1700 В. При этом к аноду прикладывалось не рабочее напряжение ^ = 10000 В, а уменьшенное напряжение (Уа = = 2200 В), поскольку величина анодного напряжения не влияет на величину эмиссионного тока. Так как прозрачность сетки была около 70%, величина тока в цепи эмиттера 1э = 430 мкА соответствовала анодному току 300 мкА. Для количественной оценки флуктуаций эмиссионного тока мы ис-
4, А 10-3
10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 12
10
(а)
У
_|_I_I_I_I_I_I_I_1_
2
1/ЕСр, А мкм2 В-2
10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13
5 6
Еср, В мкм-1
1/Еср, мкм В 1
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика автоэлектронного эмиттера малогабаритной рентгеновской трубки; а - характеристика в координатах I = ДЕср), б - та же характеристика в координатах Фаулера-Нордгейма.
пользовали величину относительной флуктуации эмиссионного тока А/отн и определили ее как отношение стандартного отклонения SD эмиссионного тока к величине среднего тока /ср [4]. Для эмиссионного тока 1э = 430 мкА относительная флуктуация эмиссионного тока А/отн = SD/Iср = 0.7%.
Мы провели также исследования временной стабильности эмиссионного тока в малогабаритной рентгеновской трубке в течение длительного времени (свыше 70 ч) при ежедневном ее включении на 5.. .6 ч и наблюдали уменьшение эмиссионного тока. Однако небольшое увеличение сеточного напряжения восстанавливало величину
3
4
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 52 < 6 2007
768
МУСАТОВ и др.
/э, мкА
500 г
400 100
(a)
0
Vc, B 2000
1800
1600^
1400
200 0
(б)
10 20 30
40
t, ч
50 60 70 80
Рис. 3. Зависимость эмиссионного тока от времени для автоэлектронного эмиттера малогабаритной рентгеновской трубки (а) и временная зависимость величины напряжения сетка-эмиттер, необходимого для поддержания анодного тока в малогабаритной рентгеновской трубке на уровне 300 мкА (б).
анодного тока до уровня 300 мкА. На рис. 36 показана временная зависимость величины напряжения сетка-эмиттер, необходимого для поддержания анодного тока в рентгеновской трубке на уровне 300 мкА. Как видно из рисунка, для под-
держания анодного тока на этом уровне в течение 73 ч сеточное напряжение необходимо постепенно увеличивать от 1700 до 1850 В.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана малогабаритная рентгеновская трубка с автоэлектронным эмиттером на основе углеродных нанотрубок, которая продемонстрировала стабильные эмиссионные характеристики автоэлектронного эмиттера при работе более 70 ч. Рентгеновская трубка характеризуется анодным током 300 мкА и анодным напряжением 10 кВ. Разработанная малогабаритная рентгеновская трубка может быть использована в электронной промышленности (производство интегральных схем), медицине, для рентгеновской дифракции и спектроскопии.
Работа выполнена при финансовой поддержке Международного научно-технического центра (грант 1024.2).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bonard J.-M, Croci M, Klinke Ch. et al. // Carbon. 2002. V. 40. < 10. P. 1715.
2. Елецкий A.B. // Успехи физ. наук. 2002. Т. 172. < 4. С. 401.
3. Yue GZ, Qiu Q, Gao Bo et al. // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 81. < 2. P. 355.
4. Мусатов АЛ, Гуляев Ю.В, Израэльянц K.P. и др. // РЭ. 2005. Т. 51. < 8. С. 1019.
5. Kukovitsky E.F., L'vov S.G., Sainov N.A., Shustov V.A. // Appl. Surf. Sci. 2003. V. 215. < 1-4. P. 201.
6. Musatov A.L., Kiselev N.A., Zakharov D.N. et al. // Appl. Surf. Sci. 2001. V. 183. < 1-2. P. 111.
3
Сдано в набор 14.02.2007 г. Подписано к печати 26.04.2007 г. Формат бумаги 60 х 881/8
Цифровая печать Усл. печ. л. 16.0 Усл. кр.-отт. 6.3 тыс. Уч.-изд. л. 15.8 Бум. л. 8.0
Тираж 382 экз. Зак. 253
Учредители: Российская академия наук, Институт радиотехники и электроники РАН
Издатель: Академиздатцентр "Наука", 117997 Москва, Профсоюзная ул., 90
Оригинал-макет подготовлен МАИК "Наука/Интерпериодика" Отпечатано в ППП "Типографря "Наука", 121099 Москва,Шубинский пе р ., 6
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.