CC BY
21УДК 537.533.2
А.Ю. Колодяжный, Е.П. Шешин
АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ
УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН
(Московский физико-технический институт (государственный университет)) e-mail: k ol odya/linyj@ gmail com, sheshin ep@mipt ru
С развитием автоэмиссионных технологий открываются новые области применения, где катодолюминесцентные источники света могут реализовать все свои преимущества. В настоящее время активно ведутся исследования автоэмиссионных свойств по-лиакрилонитрильныхуглеродных волокон (ПАН УВ). Цель настоящей работы заключается в сравнении автоэмиссионных свойств ПАН УВ различных типов и определении возможности их промышленного использования.
Ключевые слова: автоэмиссия, автоэмиссионные свойства материалов, автоэлектронные катоды, углерод, полиакрилонитрильные углеродные волокна
С развитием автоэмиссионных технологий открываются новые области применения, где катодолюминесцентные источники света (КИС) могут реализовать все свои преимущества, такие как: высокая э ко логичность, устойчивость к механическим вибрациям, низкая инерционность, широкий диапазон рабочих температур и диапазон цветности, высокая яркость, долговечность, отсутствие греющихся частей.
В настоящее время активно ведутся исследования автоэмиссионных свойств различных материалов с целью их практического использования. Особое место в этих исследованиях занимают углеродные материалы [1], в том числе углеродные волокна (УВ).
На данный момент наиболее распространенными из УВ являются полиакрилонитрильные (ПАН) УВ [2], что объясняется в первую очередь их доступностью и высокой повторяемостью свойств. ПАН УВ — это продукты пиролиза полимерных волокон на основе полиакрилонитрила
-
ботки. УВ имеют диаметр 6-10 мкм и состоят на 99,9 % из углерода.
Получение полиакрилонитрильного углеродного волокна состоит из следующих технологических операций [3-5]:
- вытягивание синтетического полимера и формирование волокна;
- натягивание на специальные рамки и прогрев до 90 °С;
- обработка в течение нескольких часов в окислительной атмосфере в интервале 200-300 °С в натянутом состоянии (для предотвращения усадки и для вытяжки);
- карбонизация окисленного волокна без натяжения при температуре 1000-1500 °С в инертной атмосфере;
- графитизация при различных температурах вплоть до 3000 °С.
-
мерные молекулы преобразуются в ориентированные вдоль оси волокон циклические, благодаря чему повышается упругость и прочность волокон.
Во время карбонизации из волокон удаляются
-
лерода. При графитизации повышается степень ориентации циклических углеродных структур, и дополнительно возрастает модуль упругости, в то время как удельное электросопротивление волокна падает. По окончании всех операций содержание углерода в волокнах становится более 99,9 %. Модель волокна [3] показана на рис. 1.
Рис. 1. Структура УВ: 1, 9 - микротрещины; 2-оболочка трещин и пор; 3 - выпуклости на волокне; 4 - крупная пора; 5 - мелкая пора; 6 - микровключения кристаллического графита; 7 - крупный кристалл графита; 8 - межфибрильные прослойки в средней части волокна Fig. 1. Structure of the CF: 1, 9 - microcracks; 2 - shell cracks and pores; 3 - convexity on the fiber; 4 - large pore; 5 - fine pore; 6 -microinclusions of the crystalline graphite; 7 - large crystal of graphite; 8 - interfibril layer in the middle part of the fiber
Цель настоящей работы заключается в проведении сравнительного анализа автоэмиссионных свойств ПАН УВ различных типов и определении возможности их использования в КИС.
-
товлены автоэмиссионные катоды на основе одиночных ПАН УВ различных типов. Конструкция автоэмиссионного катода и его основные параметры представлены на рис. 2.
Рис. 2. Конструкция автоэмиссионного катода
Fig. 2. Construction of field emission cathode
Стоит отметить, что из-за малого поперечного диаметра УВ, изготовление из них автоэмиссионного катода представляет значительные трудности.
Использующиеся в настоящей работе автоэмиссионные катоды изготавливаются из пучков с 300-1000 УВ следующим образом:
- пучки УВ нарезаются на заготовки длиной
11 мм;
- под оптическим микроскопом из пучков выделяются отдельные углеродные волокна при помощи пинцета;
- полученное отдельное углеродное волокно
помещается на заготовку из никелевой плющенки
-
вадага;
- после этого заготовка сушится на воздухе в течение 15 мин.
УВ выступает за пределы плющенки на 2 мм. Выбор такой величины выступающей части волокна обусловлен возможным снижением вероятности возникновения автоэлектронной эмиссии с поверхности аквадага и (или) никелевой плю-.
На основе автоэмиссионных катодов были собраны диодные узлы. Расстояние анод-катод составляло ~5 мм.
Несколько таких узлов было помещено в вакуумную камеру с давлением остаточных газов —10 6 Topp с целью получения начальных сведе-
.
Болыпая же часть узлов была установлена в электровакуумные приборы для проведения долговременных испытаний: определения срока службы и изменения структуры эмитирующей
поверхности автоэмиссионного катода при работе
-
рах (рис. 3).
Рис. 3. Отпаянные электровакуумные приборы для проведения долговременных испытаний УВ Fig. 3. Sealed electronic devices for long-term CFs tests
Известно, что существенные результаты
по стабилизации тока автоэмиссионного катода из
-
вая тренировка. С физической точки зрения, при
токовой тренировке происходит разрушение не-
деление «скелетной» структуры [6]. Было отмечено, что после тренировки микроструктура рабочей поверхности, а следовательно и стабильность эмиссионного тока, релаксирует к некоторому оптимальному значению [7].
С этой целью перед проведением исследований катоды подверглись тренировке при фиксированном режиме токоотбора (—10 мкА) в течение 60 мин.
Затем были проведены автоэмиссионные испытания исследуемых катодов, включающие снятие вольтамперных характеристик (ВАХ) и зависимости напряжения на аноде, необходимого для поддержания постоянного эмиссионного тока 100 мкА, от времени.
ВАХ автоэмиссионных катодов на основе ПАН УВ первого типа значительно отличаются друг от друга по ряду важных параметров. К примеру, разброс значений напряжения включения у всех трех автоэмиссионных катодов относительно среднего значения составляет около ±0,5 кВ (более ±33 %). Крутизны их ВАХ также значительно
отличаются друг от друга. При этом не наблюда-
-
.
ВАХ автоэмиссионных катодов на основе ПАН УВ второго типа демонстрируют намного более стабильные характеристики. Так разброс значений напряжения включения у трех автоэмиссионных катодов относительно среднего значения не превышает 7 %. Крутизны их ВАХ имеют явную зависимость от времени работы в условиях высокого вакуума. Уже через 3 ч работы крутизна ВАХ выходит на постоянное (близкое для всех трех автоэмиссионных катодов) значение, которое в дальнейшем остается практически неизменным.
Аналогичную ситуацию можно наблюдать и с зависимостью напряжения на аноде, необходимого для поддержания постоянного эмиссионного тока 100 мкА, от времени, полученной в процессе долговременных испытаний.
Для автоэмиссионных катодов на основе ПАН УВ первого типа, разброс значений анодного напряжения у всех трех автоэмиссионных катодов относительно среднего значения составляет около ±0,7 кВ (также более ±33 %).
Таблица
Площади эмитирующей поверхности и форм-факторы
автоэмиссионных катодов Table. The area of the emitting surface and form-factors of field-emission cathodes
и о и о я
Л о к
m >>
cS
к
S
и о и о Л о н я
m >>
к
<
с
T, min S, м2 Р-106, 1/м
Катод 1 1 5,00Т0-12 2,35
43 1,56-Ю"11 2,20
216 1,97Т0-12 2,51
1385 2,26Т0-12 2,57
Катод 2 62 1Д3-10"12 3,58
104 4,86Т0-13 4,00
1601 5,42Т0-13 4,04
Катод 3 2 6,54Т0"14 2,58
44 5,25Т0-14 2,60
1379 7,41 -10-14 2,53
1 3 1,49-Ю"11 2,31
223 9,79Т0-13 2,79
316 7,30Т0-13 2,86
1447 5Д5-10"12 2,48
2 1 5,95Т0"13 2,86
125 1,60-10"12 2,82
328 2,50Т0-12 2,81
1377 7,04Т0"12 2,68
Катод 3 1 7Д9Т0"13 2,58
199 3,37Т0-12 2,50
354 2,31-10"12 2,54
1400 1,42Т0-12 2,57
У автоэмиссионных катодов на основе ПАН УВ второго типа разброс значений анодного напряжения относительно среднего значения опять-таки не превышает ±7 %.
Согласно теории Фаулера-Нордгейма [8], из зависимости плотности эмиссионного тока от напряженности электрического поля можно определить такие параметры автоэмиссионного катода, как площадь его эмитирующей поверхности и форм-фактор.
Таким образом, снятые в ходе проведения исследований с автоэмиссионных катодов ВАХ позволили быстро выявить произошедшие с их эмитирующей поверхностью изменения.
С помощью теории Фаулера-Нордгейма были рассчитаны площади эмитирующей поверхности и форм-факторы автоэмиссионных катодов на основе исследуемых ПАН УВ (таблица).
ПАН УВ первого типа
ПАИ УВ второго типа
а о
Рис. 4. РЭМ снимки ПАН УВ первого и второго типов до (а)
и после (б) проведения долговременных испытаний Fig.4. PAN CFs SEM images of the first and second types before (a) and after (6) the long-term tests
Разброс значений форм-фактора автоэмиссионных катодов на основе ПАН УВ первого типа относительно среднего значения составляет около 106 1/м (более 33 %).
Для автоэмиссионных катодов на основе
-
-
вышает 0,2-106 1/м (менее 8 %).
Также стоит отметить, что разброс значений площади эмитирующей поверхности у автокатодов на основе ПАН УВ второго типа заметно
меньше, чем у первого. Среднее же значение
-
дов на основе ПАН УВ второго типа на несколько порядков больше (в зависимости от конкретного автоэмиссионного катода), чем у первого.
На рис. 4 представлены РЭМ снимки ПАН УВ первого и второго типов до (а) и после (б)
.
На снимках заметны значительные изме-
-
следуемых ПАН УВ. В первую очередь это объяс-
-
боты вследствие недостаточно высокого уровня
.
На основании проведенных экспериментов можно заключить, что автоэмиссионные катоды на основе ПАН УВ второго типа, в отличие от первого, характеризуются высокой стабильностью
.
В совокупности это позволит получить стабильное и равномерное автоэмиссионное изображение при малых напряжениях включения и рабочем напряжении, благодаря чему становится возможным использование автоэмиссионных катодов на
-
ника свободных электронов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kroto H.W., Heath J.R., O'Brien S.C., Curl R.F., Sma-ley R.E. // Nature. 1985. N 318. P. 162.
2. Watt W. // Proceedings of the Royal Society. 1970. V. 319. N 1536. P. 5 15.
3. Фитцер Э.М. Углеродные волокна и углекомпозиты. М.: Мир. 1988. 336 с.;
Pfitzer E.M. Carbon fibers and carbon composites. M.: Mir. 1988. 336 p. (in Russian).
4. Honda H. // Carbon. 1988. V. 26. N 2. P. 139.
5. Ergun S., Ruland W., D.W. McKee, Mimeault V.J., Bacon R., Reynold W.N. // Chemistry and physics of carbon. Marcel Dekker. 1973.
6. Бондаренко Б.В., Рыбаков Ю.Л., Шешин Е.П. // Радиотехника и электроника. 1982. Т. 27. № 8. С. 1593 1597; Bondarenko B.V., Rybakov Yu.L., Sheshin E.P. // Radio-tekhnika i Elektronika. 1982. V. 27. N 8. P. 1593 1597 (in Russian).
7. Бондаренко Б.В., Шешин Е.П. // Электронная техника. Сер. 4. ЭРГП. 1986. № 3. С. 8 12;
Bondarenko B.V., Sheshin E.P. // Elektronnaya Tekhnika. Ser. 4. ERGP. 1986. N 3. P. 8 12 (in Russian).
8. Fowler R.H., Nordheim L.W. // Proceedings of the Royal Society. 1928. V. A119. N 781. P. 173 181.
Общероссийская общественная организация специалистов в области углерода и углеродных материалов «Углеродное общество»
