Сегодня развитие вакуумной электроники невозможно представить без применения углеродных автоэмиссионных катодов. Наиболее широкое применение углеродные автоэмиссионные катоды получили в источниках рентгеновского излучения, электрохимических системах, в алюминиевых электролизерах и др. Но в процессе эксплуатации катоды подвержены достаточно быстрому износу.
Команда молодых ученых ЮУрГУ – аспиранты кафедры «Оптоинформатика» Института естественных и точных наук Кирилл Белов и Алексей Бердников под руководством д.ф.-м.н., профессора Наталии Кундиковой предлагает оригинальный вариант решения этой давней проблемы вакуумной электроники.
Молодые исследователи предложили методику предсказания и в перспективе предотвращения деградации углеродосодержащих автоэмиссионных катодов.
С этой целью ученые применили метод спектроскопии комбинационного рассеяния (КР-спектроскопия), который ранее для подобных задач практически не использовался.
Главный вопрос, который ставят перед собой авторы исследования, звучит так: существуют ли закономерные изменения структурно-фазового состояния поверхности углеродных материалов в процессе их работы в вакууме? Другими словами, как именно «стареют» катоды? Что приводит к снижению их эффективности и выходу из строя? Ответ на этот вопрос позволит целенаправленно подбирать материалы и режимы эксплуатации для увеличения срока службы холодных катодов.
Почему выбор пал именно на КР-спектроскопию? Этот метод неразрушающей спектроскопии, чувствительный к мелкомасштабным структурным перестройкам. Он позволяет контролировать состояние поверхности без нарушения целостности образца. Как подчеркивают ученые, спектры углеродных материалов хорошо изучены, а ключевые пики в спектре (так называемые углеродные линии) напрямую связаны с дефектностью и степенью упорядоченности структуры. Анализируя их параметры, можно судить о том, что происходит с материалом на наноуровне, – поясняет один из авторов разработки – Кирилл Белов.
В работе, выполняемой совместно с коллегами из МФТИ, изучается целый набор углеродсодержащих катодов: волокна из углеродных нанотрубок (УНТ-волокно), полиакрилонитрильные (ПАН) волокна, пиролитический графит (пирографит) и терморасширенный графит. Выбор не случаен – все эти материалы уже зарекомендовали себя как достаточно стабильные и долговечные излучатели электронов, но механизмы их деградации до сих пор оставались для ученых «черным ящиком».
Ученые зафиксировали изменения в спектрах материалов до и после автоэмиссионных испытаний.
Напомним, что автоэмиссионные испытания представляют собой комплекс исследований, цель которых оценить, как материал (чаще всего специальный катод) испускает электроны под действием сильного электрического поля.
Например, у пирографита отчетливо видно разрушение кристаллической структуры после работы в качестве катода. Это прямое экспериментальное подтверждение того, что процесс эмиссии оставляет «след» в виде накопления дефектов. В ближайшее время готовятся к публикации статьи с подробными данными об этом.
Измерения проходили не без сложностей. Конструкция катодного узла представляет собой две металлические пластины-зажимы на общей ножке – это необходимо для проведения эмиссионных тестов в вакуумной камере. Однако такое крепление создает трудности при позиционировании образца на предметном столике спектрометра и точной наводке лазерного луча. Тем не менее исследователям удалось адаптировать методику и получать качественные спектры.
Практическая значимость работы выходит далеко за рамки фундаментальной науки! Углеродные автоэмиссионные катоды уже сегодня активно используются в вакуумной электронике. Наиболее перспективным направлением авторы считают создание катодолюминесцентных источников света с плоским, узконаправленным излучением высокой интенсивности и возможностью перестройки спектра.
Такие источники могут найти применение в агропромышленной отрасли (например, для стимуляции роста растений) и в медицине. В медицинских целях излучение в заданной области ультрафиолета можно использовать для эффективного обеззараживания. Одно из применений – создание источников излучения в ультрафиолетовой области.
Кроме того, исследователи нацелены на разработку методики неразрушающего контроля качества катодов «по спектру», которая позволила бы на этапе производства отбирать оптимальные образцы и рекомендовать щадящие режимы эксплуатации.
В ближайших планах – серия повторных эмиссионных испытаний при различных рабочих режимах с обязательным контролем состояния поверхности методом оптической и электронной микроскопии, а также КР-спектроскопии после каждого цикла. Полученные данные лягут в основу рекомендаций по созданию более надежных и долговечных устройств. Переход к прототипам изделий возможен, но потребует задействования уникальной инфраструктуры МФТИ, где созданы все условия для таких разработок.
Таким образом, исслежлвание открывает новую страницу в диагностике углеродных излучателей электронов, превращая эмпирический подбор материалов в управляемый научный процесс.
Проект реализуется в рамках Грантовой программы В.Б. Христенко «Шаг в будущее». Это программа ежегодной финансовой поддержки программы развития Университета в рамках «Приоритет-2030». Гранты предоставляются на проведение перспективных исследований, формирование кадрового резерва и реализацию уникальных образовательных программ (компонентов), определяющих вектор развития ЮУрГУ и Челябинской области.