В НИИЯФ МГУ разработан наноструктурный материал с уникальными автоэмиссионными свойствами, делающими его перспективным для реализации приложений вакуумной электроники, включая рентгеновские источники, источники света, вакуумные СВЧ приборы, нейтрализаторы заряда ионных потоков.
В последние годы углеродные наноматериалы являются объектом пристального изучения со стороны исследователей. Вызвано это тем, что наноструктуры обладают рядом уникальных свойств, связанных с размерными эффектами лежащими в основе ряда приложений электроники [1]. При этом из всего множества форм углеродных наноразмерных структур можно выделить две наиболее перспективные с точки зрения практического применения - это нанотрубки и графен, характеризующиеся высокой электронной проводимостью и сравнительно низкой эффективной работой выхода.
Однако большинство устройств, основанных на использовании единичных наноразмерных углеродных структур, несмотря на уникальность результатов, не выходит за рамки лабораторий. Связано это с тем, что на сегодня не существуют эффективные технологии, позволяющие, с одной стороны, вести массовое производство таких устройств, а с другой - снизить себестоимость продукта до экономически оправданного уровня. Поэтому наиболее перспективными направлениями применения углеродных наноструктур пока остаются те, которые основаны на использовании тонких пленок, состоящих из массивов наноразмерных структур.
Для повышения эффективности работы электровакуумных приборов, например, миниатюрных микрофокусных рентгеновских трубок, компактных СВЧ-усилителей и других, углеродные пленки должны обладать однородными по поверхности автоэмиссионными свойствами, хорошей адгезией к подложке, а также способностью пропускать высокие токи. Кроме того, увеличение срока эксплуатации прибора связано напрямую с уменьшением степени деградации автокатода в результате протекания токов. Всем этим критериям удовлетворяют методы, основанные на осаждении пленок из углеродосодержащей плазмы. При этом конечные свойства углеродных пленок во многом определяются процессами, протекающими в плазме в ходе их синтеза.
Нанокристаллический графит. НКГ-материал [1-3], разработанный в НИИЯФ МГУ, формируется в виде тонких пленок, которые могут быть осаждены как на проводящие, так и на диэлектрические подложки методом газофазного синтеза без использования катализаторов роста. НКГ пленки обладают характерной микрореберной текстурой (рисунок 1), образованной преимущественно вертикально ориентированными графитовыми пластинками разной толщины и содержат также некоторое количество нановискеров (усов).
Для синтеза пленок нанокристаллического графита (НКГ) применен метод плазмохимического осаждения в разряде постоянного тока. Кроме того, предложена новая методика создания центров нуклеации пленок нанокристаллического графита, основанная на использовании плазмохимической обработки поверхности в комбинированном ВЧ/СВЧ разряде [4]. Для реализации технологии необходимо использование уникальной установки, в которой зажигается и однородно горит разряд постоянного тока при давлениях рабочей среды 100-150 Торр (мбар). Основой установки является разрядная камера, в которой расположены вертикально шесть электрически не связанных катодов. Внешний вид установки приведен на фотографии на рис. 2.
Следует отметить, что исследования, выполненные, в том числе, и рядом ведущих западных фирм, показали, что созданные нами НКГ-автоэмиттеры значительно превосходят лучшие мировые аналоги на основе алмазоподобных пленок и углеродных нанотрубок по ключевым параметрам: стабильность работы, высокие плотности эмиссионных токов, низкий уровень шума, рекордный ресурс работы в широком диапазоне вакуумных условий [5-8]. Принципиально важно то, что физические особенности морфологии НКГ-материала и разработанные нами технологии селективного осаждения этого материала позволяют разработать специальные катодно-сеточные узлы, которые даже в условиях достаточно низкого вакуума могут обеспечить эффективную и стабильную автоэмиссию электронов [9‑11], что было продемонстрировано на следующих примерах их использования.
Источники рентгеновского излучения. Применение НКГ-материала открывает принципиальную возможность создания протяженных и многокатодных рентгеновских источников, что открывает возможность реализации технологии пространственного сканирования с помощью управляющей электроники. Задача пространственного сканирования рентгеновского излучателя вокруг исследуемого объекта в ряде применений является ключевой, например, при создании рентгеновских 3D-изображений нестационарных или движущихся объектов. В качестве примера можно привести два, в настоящее время крайне востребованных, применения: создание досмотровых систем (проблема безопасности) и кардиотомографов (медицина), способных работать в реальном режиме времени.
Применение многокатодных рентгеновских трубок для получения трехмерных образов с помощью электронного сканирования, т.е. переключения отдельных источников рентгеновского излучения расположенных вокруг исследуемого объекта, иллюстрируется на рисунке 3. Вращения аппаратуры при этом не требуется, время сканирования может быть сокращено на порядок (до 50 мс), что ведет к значительному улучшению качества трехмерного изображения даже для движущихся объектов. Существенно и то, что управление 3D-сканером и его эксплуатация значительно упрощаются, поскольку полностью исключается движение высоковольтных узлов и системы регистрации и, соответственно, удешевляется не только эксплуатационное обслуживание, но и ремонтный сервис.
Автоэмиссионные источники света. Применение нанокристаллического графита позволяет создать энергоэффективные экологически безопасные и недорогие бытовые источники света на основе катодолюминесцентных ламп с НКГ автокатодом. Проведенные предварительные исследования показали, что энергоэффективность катодолюминесцентной лампы с автокатодом будет более чем в 2 раза превосходить эффективность ламп накаливания, а долговечность не будет уступать бытовым люминесцентным лампам. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики известных используемых источников света и катодолюминесцентной лампы с НКГ автокатодом.
Нейтрализаторы заряда ионных пучков. В течение последнего десятилетия активно разрабатываются концепции перехода в ряде применений в космических исследованиях от единичных крупногабаритных космических аппаратов к набору узкоспециальных малых спутников (< 100 кг). В настоящее время на отечественных и зарубежных космических аппаратах (КА) используются холловские и ионные электроракетные двигатели (ЭРД), обеспечивающие коррекцию и поддержание орбиты в течение длительного периода эксплуатации.
Рассматривая различные варианты электрореактивных двигателей важно отметить, что во всех них применяется принцип ионной тяги, т.е. частицы, составляющие реактивную струю, несут на себе положительный заряд, что позволяет придать им дополнительное ускорение за счет приложения внешнего электростатического поля.
Оптимальным вариантом, обеспечения компенсации электростатического заряда ионного потока ЭРД, является нейтрализатор на основе автоэмиссионного источника электронов, который для своей работы не требует расхода рабочего газа и, тем самым, практически идеально подходит для применения на малых КА в силу ограничений на общую массу и допусков по изменению центровки в результате выработки рабочего тела.
Наконец, существенным преимуществом использования автоэмиссионного катода является нулевое время его включения – это позволяет реализовать работу нейтрализатора не только в непрерывном, но и в импульсно-периодическом режиме, при котором при неизменном общем энергопотреблении можно в широком диапазоне параметров варьировать мгновенные значения тока нейтрализатора.
Несмотря на значительный интерес к использованию в конструкциях ЭРД малой мощности (< 500 Вт) технологии автоэмиссионных катодов, до настоящего времени в мире отсутствуют завершенные разработки как самих двигателей, так и нейтрализаторов на основе углеродных наноматериалов. По сравнению с автоэмиттерами на основе углеродных нанотрубок, свойства которых достаточно хорошо изучены, разработанные в НИИЯФ МГУ автоэмиссионные источники электронов на основе нанокристаллического графита обладают существенно более высокими эмиссионными характеристиками [1,8] что делает их пригодными для применения в перспективных моделях ЭРД.
Заключение
Разработанный в НИИЯФ МГУ НКГ-материал состоит из преимущественно нормально ориентированных к подложке графеновых плоскостей, нанотрубок и других наноструктур и обладает уникальными автоэмиссионными свойствами, которые предполагается реализовать в рамках создаваемого в МГУ имени М.В. Ломоносова в рамках ФЗ-217 малого инновационного предприятия.
Основные направления использования этого материала включают создание семейства рентгеновских трубок различного назначения и приборов рентгеновской техники на их основе, приборов вакуумной электроники, экологически чистых источников света, катодов-компенсаторов положительного заряда ионных пучков.
Авторы: Минаков П.В. с.н.с., Поройков А.Ю., ведущий электроник, Рахимов А.Т., д.ф.-м.н., профессор, заведующий отделом микроэлектроники, Сень В.В., научный сотрудник
Литература:
1. Рахимов А.Т. “Автоэмиссионные катоды на нанокристаллических углеродных и наноалмазных пленках”, 2000, УФН, т.170, стр.996.
2. Кривченко В. А., Пилевский А. А., Рахимов А. Т. и др. “Исследование морфологии нанокристаллического графитового автокатода, выращенного на алмазной сетке” Письма в ЖТФ, 2010, т. 36, вып.1, стр. 52-58
3. V.A. Krivchenko, A.A. Pilevsky, A.T. Rakhimov et al "Evolution of carbon film structure during its catalyst-free growth in the plasma of direct current glow discharge", Carbon v.50 (2012), N 4, 1477-1487
4. Dvorkin V.V.; Dzanovsky, N.N.; Rakhimov, A.T. et al “Nanocrystalline Graphite Films Nucleation by the Radio Frequency Bias Pretreatment” Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2011, v. 11, p 8912-8916
5. H. H. Busta, R. J. Espinosa, A. T. Rakhimov, N. V. Suetin, M. A. Timofeyev, P. Bressler, M. Schramme, J. R. Fields, M. E. Kordesch, A. Silzars // Performance of nanocrystalline graphite field emitters // Solid-State Electronics, v. 45, N 6 (2001), pp. 1039-1047
6. H. H. Busta, J. M. Chen, Z. Shen, K. Jansen, S. Rizkowski, J. Matey, and A. Lanzillotto // Characterization of electron emitters for miniature x-ray sources // J. Vac. Sci. Technol. B, v. 21, 344 (2003)
7. Дзбановский Н.Н., Минаков П.В., Пилевский А.А., Рахимов А.Т., Селезнев Б.В., Суетин Н.В., Юрьев А.Ю. // Сильноточная электронная пушка на основе автоэмиссионного катода и алмазной сетки // ЖТФ, т.75, N 10, (2005), стр. 111-114
8. V. A. Krivchenko, A. A. Pilevsky, A. T. Rakhimov, B. V. Seleznev, N. V. Suetin, M. A. Timofeyev, A. V. Bespalov, and O. L. Golikova // Nanocrystalline graphite: promising material for high current field emission cathodes // J.Appl.Phys., v. 107, 014315 (2010)
9. И.А.Гузилов, В.В.Борисов, П.В.Минаков, А.Т.Рахимов, и др. “Экспериментальное исследование автоэлектронной эмиссии с катодов на основе углеродной наноструктуры в сверхвысокочастотных полях короткого сантиметрового диапазона длин волн”, Журнал Радиоэлектроники, 2009, №9
10. Ю.А. Манкелевич, А.Т. Рахимов, Б.В. Селезнев, Н.В. Суетин // Патент РФ N 2161840 "Автоэмиссионный триод", опубл. 10.01.2001 г.
11. А.А. Бляблин, А.Т. Рахимов, Н.В. Суетин, А.Ю. Поройков // Патент РФ N 2231859 "Электронная пушка", опубл. 27.06.2004 г.