Н.Я. Рухляда1, В.П. Марин2

1 НИЯУ МИФИ (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Для генерации электромагнитных волн сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона необходимы свободные электроны. Источником таких электронов могут служить нагретые тела. Для этих целей в радиоэлектронике разработаны эффективные термокатоды, одним из типов которых являются металлопористые катоды (МПК). В течение нескольких десятилетий такого типа катоды применяются при конструировании различных радиолокационных приборов. Выходные параметры таких приборов, такие как долговечность, надежность, частотные характеристики зависят от надежности работы катода – источника электронов. В процессе применения МПК требовалось повышать плотность тока эмиссии катода. Работа по усовершенствованию МПК велась все время. Запатентованный советским ученым А. Фигнером в шестидесятые годы прошлого столетия катод, содержащий в губке матрицы скандий, показал уникальные эмиссионные свойства и нашел применение в приборостроении. Низкая работа выхода (высокая эмиссия) вызвали интерес у исследователей. Предпринятые усилия не привели к построению общепринятой модели механизма работы такого катода.

Цель. Создать модель, объясняющую механизм работы скандатного катода.

Результаты. Сделан краткий обзор источников литературы по скандатным катодам. Сформулированы современные представления о работе выхода, зависящей от объемных и поверхностных свойств вещества. Показано, что существенную роль в формировании работы выхода играет дипольный барьер на поверхности. Приведены экспериментальные и теоретические данные о величине поверхностного барьера ряда элементов. Отмечена низкая величина поверхностного барьера для скандия. Находясь на поверхности МПК в составе сплава вольфрамовой губки, скандий, имея величину поверхностного барьера 2,05 эВ, вносит существенный вклад в эмиссию.

Практическая значимость. При разработке металлопористого катода в сплав вольфрамовой матрицы вносить добавки элементов, имеющих низкую величину поверхностного барьера. В качестве примера можно рекомендовать иттрий с величиной поверхностного барьера 2,85 эВ.

Рухляда Н.Я., Марин В.П. Физический механизм работы выхода скандатных катодов // Наукоемкие технологии. 2022. Т. 23. № 8. С. 5−14. DOI: https:// doi.org/10.18127/j19998465-202208-01

1. Figner A., Soloveichik A., Judinskaya I. Metal Porous Body Having Filled with Barium Scandate. US Paqtent, fild 10 – 1964 granted 12 – 1967.
2. Gartner G., Geitner P., Ludtih H., Ritz A. Emission properties f top layer scandate cathodes by lad. Appl.Surf. Sci. 1997. III. P. 11–17.
3. Surface Alloing by Ion Electron and Laser beams. Papers presented of 1983 ASM Materials Science Seminar. American Society for Metals Park., Ohio, 44073/American Society for Metals Park., Ohio, 44073/ГПНТБ, MR 8, C. 128–89; 117/89, J 2/19496.
4. Zagwijn P.M., Frenken J.W.M., Sloten U.,Duine P.A. A model System for scandate cathodes. Applied Surface Science. 1997. V. III. P. 35–41.
5. Norman D., Tuck R.A., Skinner H.B., Wardsworth P.J., Gardiner T.M., Owen I.W., Richardson C.H., Thornton G. Phys. Rev. Lett. 1987. V. 58. P. 519–523.
6. Shih A., Hor С. E., Cam W., Kerkland J. Phys. Rev. B. 1991. V. 44. P. 5818–5823.
7. Magnus S.H., Hill D.N., Ohlinger W.L. Emission Properties of compaunds in ther BaO∙Sc2O3∙WO3 ternary system. Appl. Surf. Sci. 1997. V. III. P. 42–49.
8. Gartner G., Geittner P., Raash D. Low temperature and cold emission of scandate cathodes. Appl. Surf. Sci. 2002. V. 201. P. 61–68.
9. Gartner G., Geittner P., Raash D., Wiehert D.U. Supply and mechanismus of Ba dispenser cathodes. Appl. Surf. Sci. 1999. V. 146. P. 22–30.
10. Wang Y., Pan T. Investigation of pulsed laser depositing Sc-coated cathode. Appl. Surf. Sci. 1999. V. 146. P. 61–68.
11. Yamamoto A., Taguochi S., Aida T., Kawase S. Appl. Surf. Sci. 1989. V. 17. P. 504–509.
12. Капустин В.И., Ли И.П., Шумаков Н.В., Либединский Ю.Ю., Заблуцкий А.В. Физический механизм работы скандатных катодов СВЧ-приборов. // ЖТФ. 2017. Т. 87. Вып. 1. С. 106–116.
13. Muller W. Work function for models of scandate surfaces. Appl. Surf. Sci. 1997. V. III. P. 30–34.
14. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука. 1982. 620 с.
15. Достижения электронной тории металлов / Под ред. П. Цише, Г. Леманна. М.: Мир. 1984. Т. 1–2.
16. Теория неоднородного электронного газа / Под ред. С. Лундквиста и Н. Марча. М.: Мир. 1987. 400 с.
17. Helzel J., Schulte E.K., Wagnert H. Solid Surface Physics / Springer Tracts in Modern Physics/. Berlin – Heidelberg – New-York. 1979. V. 85–2218.
18. Wigner E., Bardeen J. Theory of the Work Function of Monovalent Metals. Phes. Rev. 1935. V. 48. P. 84–88.
19. Long N.D. Kohn W. Theory of Metal Surfaces: Work Function. Phys. Rev. 1971. B3. S. 1215–1219.
20. Bardeen J. Theory of the Work Function II – The Surface Daubl Layer. Phys. Rev. 1936. V. 49. № 9. P. 661–674
21. Smoluchowski R. Anisotropy of electronics Work Function of Metal. Phys. Rev. 1941. V. 60.
22. Heine V., Hodges C.H. Theory of the Surface dipole nontransition metals. J. Phys. C. Solid. St. Phys. 1972. V. 5. P. 225–230.
23. Taut M., Eschrig H., Schubert M. Surface Dipole Barrier of metals. Phys. Status Solidi (b ). 1980. V. 100. P. 242–250.
24. Weinert H., Watsjn R.E. Phys Rev. 1983. V. B 29. P. 3001–3007.
25. Moruzzi L., Jank J.F., Williams A.R. Calculated Electronic Properties of Metals. New York.: Pergamon. 1975. P. 188.
26. Немошкаленко А.В., Антонов В.Н. Методы вычислительной физики в теории твердого тела // Зонная теория металлов. Киев: Наукова думка. 1985. 407 с.
27. Фоменко В.С. Эмиссионные свойства материалов: Справочник. Киев: Наукова думка. 1981. 339 с.
28. Frenkel J. Uber die elektrische oberflachenschricht der Mttalle. Z. Phys. 1928. B 51. S232–238.
29. Skriver H.L., Rosengaard N.M. Surface Energy and work Function of elemental metals. Phys. Rev. B. 1992. V. 46. № 11. P. 7157–7167.
30. Васильев Б.В., Каганоав М.И., Любошиц В.Л. Состояние электронов проводимости и работа выхода металла… УФН. 1994. Т. 164. № 4. С. 375–378.
31. Saito S., Takeda K., Soumura T., Ohki M., Tani T. Hysteresis of the Work Function of Co (0001) Surface Resulting from an Allotropic Transformation. J. Appl. Phys. 1992. V. 71. № 11. P/5500–5503.
32. Рухляда Н.Я., Трефилов А.Г., Шишкин Б.Б. Влияние фазовых превращений на термоэмиссию гафния и рутения // Изв. АН СССР. Сер. Физ. 1979. Т. 43. № 9. С. 1837–1842.
33. Рухляда Н.Я. Аллотропические превращения в рутении // Изв. вузов. Сер. Ядерная энергетика. 1997. № 1. С. 46–50.
34. Roukhlyada N.Ya., Samoilov S.G. Anomalies in the Temperature Dependens of the Work Function of Ruthenium Faces (1122) and (1125). Physica Scripta. 2000. V. 62. P. 341–343.
35. Roukhlyada N.Ya. Phase Transitions and emission Properties Mettals. Phys. Scr. 81 (2010) 045701 (6pp).
36. Шуппе Г.Н. Эмиссионная электроника. М.: Московский рабочий. 1974. 120 с.
37. Масленников О.Ю., Рухляда П.Н. Анизотропия работы выхода гафния // Материалы ХII науч.-техн. конф. «Вакуумная наука и техника» / Под ред. Д.В. Быкова. М.: МИЭМ, 2005. С. 283–285.
38. Масленников О.Ю., Рухляда Н.Я., Рухляда П.Н., Самойлов С.Г. Анизотропия работы выхода рутения // Вакуумная наука и техника: Материалы IХ науч.-техн. конф. М.: МИЭМ. 2002. С. 327–330.
39. Рухляда Николай. Фазовые переходы и поверхностные свойства аллотропных металлов // LAP Lambert Academic Publishing. 2016. Германия. 204 c.
40. Крекнелл Аю, Уонг К. Поверхность Ферми. Англия, 1973: Пер с англ. / Под ред. В.Я. Кравченко. М.: Атомиздат. 1978. 352 с.
41. Nieminnen R.M., Hodges C.H. Work Functions for Positrons in Metals. J. Phys. Rev. B 11. 113 (1975).
42. Масленников О.Ю., Ушаков А.Б. Эффективные термокатоды (конструкции и материалы) Ч. 2: Учеб. пособие. МФТИ. 2003. 129 с.
43. Langmur I. The Nature of Adsorbed Films of Caesium on Tungsten. Part I. The Space Charge Sheath and the Image Force. Phys. Rev. 1933. V 43. P. 224.
44. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. М.: Наука. 1966. С. 564.
45. Сергеев Д.И., Титков А.С. Адсорбирующие электроды. М.: Энергоиздат. 1982. 128 с.