автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Снижение флуктуаций электронной эмиссии металлопористого катода ламп бегущей волны

САХАДЖИ Георгий Владиславович

СНИЖЕНИЕ ФЛУКТУАЦИИ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ МЕТАЛЛОПОРИСТОГО КАТОДА ЛАМП БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени - кандидата технических наук

Саратов 2013

005546293

005546293

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и в Открытом акционерном обществе «Научно-производственное предприятие «Алмаз» (г. Саратов)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Зоркин Александр Яковлевич

Официальные оппоненты - Царев Владислав Алексеевич

доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры «Электронные приборы и устройства»

Морев Сергей Павлович

доктор физико-математических наук, Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное предприятие «Торий» (г. Москва), заместитель начальника Научно-технологического комплекса по научной работе

Ведущая организация: Саратовский филиал ФГБУН «Институт

радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН»

Защита состоится «18» декабря 2013 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Автореферат разослан « /У » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Димитрюк А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы.

Наряду с полупроводниковыми приборами СВЧ, магнетронами, клистронами лампы бегущей волны (ЛЕВ) крепко заняли свою нишу в СВЧ электронной аппаратуре. Более 50% объема продаж всех СВЧ-ламп составляют ЛБВ.

Тенденции развития вакуумной электроники в жесткой конкуренции с твердотельными приборами приводят к необходимости улучшения параметров ЛБВ: увеличение мощности до 10 кВт, долговечности до 200000 часов, диапазона частот до 1012 Гц и более, снижение шумности на 10 дБ. Без улучшения параметров металлопористого катода (МПК) данные требования не реализуемы.

Одним из основных преимуществ ЛБВ является низкий уровень шумов, что обеспечивает их долговременную конкурентоспособность с полупроводниковыми СВЧ приборами. Вопросы увеличения мощности, токоотбора с катода, долговечности ЛБВ рассмотрены в литературе достаточно подробно, однако проблемы снижения степени неоднородности эмиссии и снижения флуктуации эмиссионного тока освещены недостаточно. В основном рассматриваются конструктивные изменения электронной пушки для частичного снижения влияния неравномерности эмиссии на параметры прибора. Большой вклад в развитее конструкции и технологий ЛБВ, в том числе в разработку электронных пушек с пропитанными катодами, внесли Дюбуа Б.Ч., Набоков Ю.И., Ворожейкин В.Г., Бабанов Ж.Н., J.R. Piers, Tomas J. Grant, G. Miram, \V. Muller и др.

Основными источниками шумов являются тепловые и структурные флуктуации эмиссии МПК, а также паразитные ионные токи и токи утечки. На неоднородность эмиссии МПК влияет множество факторов, скрывающихся как в процессах, протекающих при изготовлении приборов, так и в технологических процессах производства МПК: микроокисления, микрогидратация, неравномерное расположение открытых пор, структура эмитирующей поверхности, неоднородность температуры и работы выхода электронов с поверхности МПК. Для качественного улучшения эмиссионных характеристик катодов и параметров ЛБВ необходимо разработать новую технологию и конструкцию МПК.

Поэтому данная работа, посвященная исследованию и созданию новых способов и технологий лазерной модификации МПК, обеспечивающих улучшение эмиссионных характеристик и снижение флуктуации тока эмиссии, является актуальной.

Цель работы: снижение флуктуации электронной эмиссии металлопористого катода ЛБВ за счет модификации поверхности лазерной обработкой, снижения неоднородности температуры МПК и улучшения степени обезгаженности прибора.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ причин высокой неоднородности электронной эмиссии МПК и способов снижения флуктуации эмиссионного тока, исследовать теоретические модели фазовых реакций в МПК и режимы процесса откачки.

2. Разработать режимы, технологию и оснастку для модификации эмитирующей поверхности МПК способом лазерной обработки;

3. Исследовать влияние режимов лазерной обработки МПК на флуктуацию эмиссии, геометрические характеристики и состав поверхности катода;

4. Разработать технологию изготовления и конструкцию катодно-подогревательного узла, обеспечивающую снижение степени неоднородности распределения температуры по поверхности МПК;

5. Изготовить и испытать макетные образцы МПК, изготовленные по разработанной технологии;

6. Изготовить и испытать опытный образец ЛБВ с разработанным МПК и сравнить его технологические и эксплуатационные параметры с базовыми приборами.

Методы исследований. При выполнении работы использовались методы химической термодинамики, вакуумной электроники и электроники СВЧ. Для исследования характеристик поверхности применялись методы металлографии, сканирующей силовой (ССМ) и туннельной (СТМ) микроскопии, рентгеноструктурного анализа и лазерной эмиссионной и вторично-ионной масс-спектрометрии, а так же метод электронной микроскопии и спектроскопии. Для исследования электронной эмиссии применялись методы кривых Мирама, метод эмиссионных изображений, метод кривых Ридчарсона.

Достоверность, обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается качественным совпадением экспериментальных и расчетных данных, получением воспроизводимых результатов при использовании различной аппаратуры и методов исследования, опытно-промышленной проверкой результатов и выводов работы.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Уменьшение неоднородности распределения плотности тока и снижение флуктуаций эмиссии МПК обеспечивается за счет снижения степени неоднородности распределения и увеличения количества открытых пор, а так же за счет увеличения эмиссионной способности МПК после взаимодействия сфокусированного импульсного лазерного излучения высокой интенсивности с катодным диском из спрессованного и спеченного вольфрама, пропитанного алюминатом бария.

2. Режим испарения поверхности МПК при обработке твердотельным лазером с длиной волны 1,06 мкм обеспечивается при

мощности импульсов 2,25.. .3 Вт, длительности 60 не и скважности 103 (патент №2459305).

3. При модификации МПК лазерным излучением, обеспечивающим плотность упаковки лунок 2,7-104 мм"2 диаметром 15±2 мкм и глубиной 18±5 мкм, достигается снижение флуктуации эмиссионного тока и уровня шума ЛБВ на 4 ... 5 дБ за счет выравнивания эмиссионной плотности тока по всей поверхности МПК (патент №2459306).

4. Снижение неоднородности распределения температуры по поверхности МПК на 10% ... 15% обеспечивается виброуплотнением заливочного состава подогревательного узла МПК с частотой 475 Гц ... 500 Гц и амплитудой 0,4 ... 1 мм.

Научная новизна работы заключается в развитии новых подходов

для улучшения эмиссионных параметров МПК и шумовых

характеристик ЛБВ с использованием методов и технологий

лазерной обработки материала катода. В работе впервые:

- исследован процесс взаимодействия сфокусированного импульсного лазерного излучения высокой интенсивности с катодным диском из спрессованного и спеченного вольфрама, пропитанного алюминатом бария;

- использован метод лазерной микрогравировки для формирования высокой степени однородного распределения открытых пор на эмиссионной поверхности МПК (патент №2459306);

- определены параметры лазерной гравировки МПК, обеспечивающие режим испарения материалов приповерхностных слоев (патент №2459305);

- использован метод виброуплотнения на низких частотах заливочного состава при изготовлении подогревательного узла МПК;

- построены термодинамические модели парциального газовыделения при откачке ЛБВ и фазовых превращений в МПК при его обработке.

Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при разработке современных и перспективных СВЧ электровакуумных приборов миллиметрового диапазона с пониженным уровнем шумов.

Конструкции электронных пушек на основе изготовленных по предложенной технологии МПК могут быть использованы в электронно-оптических системах в качестве базовых конструкций ЛБВ сантиметрового и миллиметрового диапазона и многолучевых клистронах. На способы изготовления МПК получены 3 патента.

Внедрение результатов работы. Разработанные технологии лазерной обработки МПК и виброуплотнения заливочного состава подогревательного узла внедрены в производство ОАО «НПП «Алмаз» «НПЦ «Электронные системы». Большая часть исследований проведена

при выполнении гранта в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, НК-566П/8.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на конференции с международным участием «Вакуумная техника и технология» 2010г. (г. Санкт-Петербург); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (МАТИ, Москва, 2008, 2009г.); на конференции с международным участием «Вакуумная наука и техника» 2009 г. (г. Мацеста); научно-практической конференции, посвященной 55-летию ОАО «НЛП «Алмаз» «Электронные приборы и устройства СВЧ» (Саратов, 2012).

Работа удостоена серебряной медали на VI «Саратовском салоне изобретений, инноваций, инвестиций», 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ (4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 8 статей в научных сборниках), получены 3 патента.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, проведении численных расчетов, необходимых для интерпретации полученных экспериментальных данных. Автор является исполнителем представленных экспериментальных исследований. Обсуждение полученных теоретических и экспериментальных результатов проводилось совместно с соавторами научных статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 125 наименований и приложения. Диссертация изложена на 132 листах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе содержится аналитический обзор существующих конструкций и технологий изготовления источников электронов обеспечивающих высокие эмиссионные параметры и низкий уровень шумов электровакуумных приборов (ЭВП). Приведены основные типы источников электронов с описанием их назначения для различных ЭВП. Особое внимание уделено металлопористым катодам (МПК), используемым в лампах бегущей и обратной волны.

В настоящее время существуют несколько основных направлений исследований для повышения эффективности источников электронов и снижения флуктуации тока эмиссии: изменение состава активного вещества с добавлением оксида скандия; изготовление губки катода с изначально равномерным расположением пор; модификация эмиссионной поверхности катода; обеспечение эффективности и равномерности подогрева МПК; снижение работы выхода электронов и температуры катода.

В данной работе для решения задачи по снижению шумов ЛБВ выбраны следующие направления исследований: модификация эмиссионной поверхности лазерным излучением; улучшение характеристик подогревательного узла (ПУ) МПК; улучшение вакуумных характеристик прибора. На основании проведенного анализа литературных источников сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе рассмотрены теоретические предпосылки к обеспечению равномерности эмиссии.

Исследованы термодинамические модели фазовых реакций в МПК. Показано, что эмиссионными центрами апюминатного катода являются контактные зоны между алюминатом бария и вольфрамом, в которых образуются потенциальные ямы с низкой работой выхода. Работа выхода этих зон снижается с повышением активности бария или, соответственно, с понижением активности кислорода. Снижение активности бария за счет фазовых реакций с образованием вольфраматов и испарения ведет к ухудшению эмиссионных свойств. Образование новых фаз изменяет электрические характеристики и температурный режим системы за счет изменения свойств контактных зон. Описание такой системы возможно с помощью перколяционной модели: катод представляется трехмерной сеткой пор в вольфрамовой матрице и моделируется соответствующей сеткой сопротивлений. Анализ такой модели показывает, что в области рабочих температур такая система является самоорганизующийся, т.е. фазовый состав и температурный режим самосогласуются.

Рис. 1. Потенциальный рельеф в поре вольфрама, заполненной алюминатом ф5-работа выхода оксида в области межзеренных границ; сродство оксида к электрону; Е^, Ес.

Ев - уровни Ферми, дна зоны проводимости оксида и вакуума

При пониженных температурах обратимо образуются фазы оксида алюминия и вольфрамата, и активность оксида бария снижается, т.к. его активность в вольфрамате низкая. При повышенных температурах образуется фаза оксида бария и резко увеличивается скорость испарения последнего, что приводит к необратимому ухудшению эмиссии. Существует оптимальный размер пор в вольфрамовой матрице для получения максимальной эмиссии. При увеличении размера пор эмиссия снижается вследствие уменьшения протяженности межзеренных границ. При уменьшении размера пор (менее радиуса Дебая) увеличивается работа

1 иу

1_ ......

--- _____

выхода в контактных зонах вследствие исчезновения потенциальных ям (рис.1). Рассмотрены процессы образования зародышей нанозерен оксида бария в алюминате МПК. Показано, что частота образования нанозерен оксида бария докритического размера порядка частоты фликкер-шумов.

Исследованы также модели парциального газовыделения при откачке ЛЕВ. Получены зависимости общего и парциальных потоков СО, С02 и Н20 из прибора, а также давления этих газов в различных частях прибора от времени (рис. 2, 3).

Рис.2. Зависимость парциальных давлений (Па) СО (1), С02 (2), Н20 (3) и Н2 (4) от времени (с) в катодной области при термическом обезгаживании прибора(Т=900 К)

2x10

4x10

- э

- 6

- 7

- 8

Рис.3. Зависимость общего (1) и парциальных потоков (м3Па/с) СО (2), С02 (3)и Н20 (4) из прибора от времени (с) при термическом обезгаживании прибора (Т=900 К)

-9

0 2х104 4хЮ4

Анализ полученных зависимостей показывает, что в процессе прогрева прибора в катодных частях активность кислорода повышается, а активность углерода снижается. При этом активные металлы находятся в режиме окисления, а условия для активирования катода не выполняются. Для повышения ресурса геттерных материалов в процессе прогрева они должны находиться в неактивном состоянии, то есть на их поверхности

должна сохраняться исходная оксидная пленка, препятствующая поглощению газовой фазы.

В конце процесса прогрева прибора активность кислорода снижается, а активность углерода повышается. Это свидетельствует о переносе углерода на катодные части прибора вследствие смещения реакции Ор+Ср=СО влево. Условия для активирования, т.е. для образования нанозерен оксида бария, выполняются при повышении температуры катода выше 1200 К.

Быстрота откачки из прибора при диаметре штенгеля более 20 мм слабо влияет на время откачки, количество удаленных примесей О, С и Н из прибора и на создание условий для активирования катода. Напротив, чрезмерное увеличение проводимости штенгеля и времени обработки прибора приводит к отрицательным потокам С02 и Н20 из вакуумной системы в прибор. Длительное обезгаживание вызывает перенос углерода на слишком «чистые» детали из материалов с высоким сродством к кислороду, что на практике наблюдается в виде углеродного налета. Таким образом, условия для активирования катода желательно создавать встроенными средствами откачки после герметизации прибора.

Теоретические исследования позволили выбрать направления экспериментальных исследований по снижению флуктуации эмиссионного тока МПК за счет увеличения его эмиссионной способности. Т.к. катоды ЛБВ работают в области ограничения тока пространственным зарядом, повышение эмиссионной способности МПК обеспечивает устойчивую плотность пространственного заряда и линейный отбор тока при его модуляции. Лазерная микрогравировка поверхности МПК, помимо повышения площади катода более чем в 2 раза, способствует более равномерному распределению эмиссионных центров и повышает устойчивость активированного состояния катода. Корректировка режимов откачки и тренировки ЛБВ в сторону ограничения времени обработки по критерию обезгаженности позволяет снизить шумовые ионные токи и токи утечки.

Проведен также расчет режимов взаимодействия лазерного пучка с поверхностью МПК. Определены параметры лазерной обработки МПК, обеспечивающие режим испарения.

В третьей главе приведены экспериментальные исследования процесса лазерной обработки МПК.

Описана методика экспериментальных исследований. Изготовлены 20 технологических образцов вольфрамовых дисков («губок») для отработки параметров лазерной микрогравировки, проведен лазерный спектральный анализ, исследована морфология образцов. Изготовлены 10 МПК одного типа, из которых восемь катодов выполнены с использованием базовой технологии и два - с использованием лазерной микрогравировки. С данными катодами собраны макеты для исследования эмиссионных параметров и получения эмиссионной картины.

Исследования неоднородности эмиссии МПК проводились с использованием эмиссионного микроскопа на базе универсальной сверхвысокой вакуумной установки УСУ-4 (Башкирского государственного университета). Химический элементный анализ проводился на базе установки вторично-ионного масс-спектра МС7201М «Помос-4» (Башкирский государственный университет) и установке лазерного эмиссионного микроскопа, оснащенного спектроаналитическим комплексом. Морфология образцов исследовалась с помощью металлографического микроскопа МИМ-8, снабженного цифровым фотоаппаратом Olympus FE-100 и программным аппаратным комплексом АГПМ-6М (анализатор геометрических параметров микрообъектов) (Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.), и также на растровом электронном микроскопе MIRA II LMU (Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского). Экспериментальные исследования проводились на базе стандартных лазерных технологических установок «Квант-15», «Ир222ф2», «ПТИ-502», «ПТИ-701», «ДМАРК-ОбЯЬ», «KJLS 246-102» (НЛП «Прибор-Т»), Измерения эмиссионных параметров проводились на специально собранной оригинальной установке для измерения тока эмиссии (ОАО «НЛП «Алмаз»),

Исследованы режимы лазерной обработки, обеспечивающие испарение материала поверхности МПК. Для определения зависимости глубины гравировки от количества проходов на пористом вольфрамовом диске провели гравировку в виде квадратов 0,16 мм2 с разным количеством проходов (рис. 4). Экспериментально установлено, что за один проход удаляется 1,9±0,3 мкм (рис. 5).

Рис. 4. Вид образца для получения зависимости глубины гравировки от количества проходов (0 диска 5,2 мм)

Рис. 5. Зависимость глубины лунок от количества проходов лазерного луча. Х~ измеренные значения глубины (мкм), регрессионная модель

Для более точного определения параметров воздействия лазерного излучения на диск МПК были экспериментально получены зависимости глубины лунок от коэффициента мощности, количества проходов и частоты следования лазерных импульсов (рис. 6). Различие мевду зависимостью глубины гравировки в первом и втором случаях обусловлено технической сложностью позиционирования лазерного пятна.

х

Рис. 6. Зависимость глубины лунок (мкм) от частоты следования лазерных импульсов (Гц) (а), относительной мощности лазерного излучения (б) и количества проходов (в), измеренные значения глубины (мкм), - регрессионная модель

По внешнему виду и глубине отверстий выбраны три набора параметров микрогравировки диска. С данными параметрами обработали три диска для проверки режимов на наличие заплавлений с помощью метода определения газопроницаемости (рис. 7).

а) Р=20%. n= 1, f=2000 Гц б) Р= 15%, n=3, f=2000 Гц в) Р= 15%, n=l, f=3000 Гц

г)

Рис. 7. Вид образцов после лазерной микрогравировки: а) - относительная мощность лазерного излучения Р=20%, число проходов п=1, частота следования импульсов f= 2000 с"1; б) Р=15%, n=3, f=2000 с в) Р=15%, n=l, f=3000 с"'; г) образец для отработки режимов лазерной микрогравировки I, II, III - области обработки по режимам а, б. в

По внешнему виду, показаниям газовой проницаемости выбраны три оптимальных параметра обработки поверхности МПК, указанные во втором научном положении. По данному режиму изготовлены пять МПК плоской формы для испытаний в диодных макетах и три МПК со сферической поверхностью для проверки в макетах ЛБВ. По параметрам данных диодов построены «нелокальные» характеристики (рис. 8). Один катод был собран в сетчатом диоде для построения ВАХ. Методом кривой Ричардсона определена средняя работа выхода электронов с поверхности МПК, равная 1,87±0,1 эВ. Средняя работа выхода электронов базовых МПК составляет 2,1±0,1 эВ.

"Нелокальная" характеристика для образцов

Напряжение накала (В)

Рис. 8. «Нелокальные» характеристики диодов. 1,2- диоды с серийными МПК, 3,4, 5 - диоды с модифицированными МПК по режимам а), б), в) соответственно (рис. 7) Начальная плотность токоотбора у всех диодов одинакова и равна 1 А/см2

Металлографические и электронно-микроскопические исследования показапи более низкую степень неоднородности распределения по размерам пор МПК после лазерной обработки (рис. 9, 10). Это подтверждается также эмиссионными изображениями.

С помощью рентгеноструктурного анализа установлено повышенное содержание фазы оксида бария в МПК после лазерной обработки. Исследования элементного состава МПК методами лазерной эмиссионной и вторично-ионной масс-спектрометрии, рентгеноспектрального анализа

показывают повышенное содержание бария в приповерхностных слоях МПК после лазерной обработки. Нанозерна оксида бария методом сканирующей туннельной силовой микроскопии не распознаются.

Рис. 9. Электронное изображение поверхности осмированного базового МПК после ионно-плазменного травления и осмирования. х5-103 (а) и х5-Ю4 (6)

И/О: 17 15 т Во! 5Е

Оа!е(тМ/у}: 10ЛЭ/13

Рсг1о1Тгор1со г. папоярэсе \

Рис. 10. Электронное изображение поверхности МПК с лазерной обработкой без ионно-плазменного травления и осмирования. х5'103 (а) и *5-104 (б)

В четвертой главе приведены результаты опытно-промышленной проверки полученных результатов. Изготовлен макет прибора ЛБВ космического назначения с МПК, обработанным по оптимальному

режиму, разработанному в третьей главе. При технологической подготовке макета прибора были изменены режимы откачки и тренировки прибора согласно результатам, полученным во второй главе. Уменьшено время вакуумной термической обработки на 2 часа, время обработки катода на 30 минут и увеличено время тренировки катода после спая на 1 час. Отмечено увеличение пика газовыделения и уменьшение его длительности при обработке катода. Это связано с газопоглощением во время лазерной обработки МПК на воздухе. Ионный ток опытного прибора после откачки снизился на 30% по сравнению с серийным. Исключение операции ионно-плазменного травления катода в азоте перед осмированием также способствует снижению ионного тока прибора.

Определены эмиссионные параметры и параметры опытного прибора: ВАХ, спектральная плотность мощности шума, коэффициент шума, коэффициент усиления и «нелокальная» характеристика (рис. 11). Полученные параметры сравнивались с аналогичными приборами с базовым МПК. Все параметры опытного прибора соответствуют ТУ. Отмечено снижение спектра плотности мощности шумов и коэффициента шума экспериментального прибора на 4 дБ, улучшение ламинарности электронного пучка по критерию токооседания на замедляющей систем с 0,3 до 0,18 мА (рис. 12, 13).

Рис. 11. Нормированные «нелокальные характеристики серийных (1.2) и экспериментальных ЛБВ (3, 4). 1,3- при начальной плотности токоотбора J=0,38 A/cm2; 2,4-J=0.58 A/cm2.

Рис. 12. Зависимость тока замедляющей системы (мА) от яркостной температуры (К): базового катода при плотности токоотбора 0,38 А/см2 (1) и 0,58 А/см2 (2), модифицированного катода при плотности токоотбора 0,38 А/см2 (3) и 0,58 А/см2 (4)

Рис. 13. Зависимость от яркостной

температуры катода (К) спектральной плотности мощности шума (дБ-мВт/Гц) (1, 3) и коэффициента шума (дБ-мВт/Гц). 2,4- для приборов с базовым (1,2) и модифицированным катодом (3, 4)

Яряяспеи теиг.а|й5утч катода (К)

Также в данной главе описаны экспериментальные данные, полученные при применении виброуплотнения заливочного состава при изготовлении ПУ. Определен оптимальный диапазон частот (475 Гц ... 500 Гц) и амплитуд (0,4 ...1 мм) виброуплотнения. Для определения диапазона частот изготовлен ряд ПУ на разных режимах виброуплотнения, получены значения холодного и горячего сопротивления при яркостной температуре корпуса катода 1200 С°, вытравлены молибденовые корпуса и проанализированы алундовые «куколки» на предмет наличия пустот, жесткости, заполнений алундовой суспензией внутреннего пространства спирали подогревателя (рис. 14). Результатами применения виброуплотнения стали: улучшение качества заливки подогревателя и повышение температуры катода в среднем на 20С°при номинальной мощности накала (рис. 15). Это позволяет снизить мощность накала. Уменьшен также разброс яркостной температуры по поверхности МПК на 15% и разброс интегральной температуры в серийном производстве на 20% (рис. 16, 17).

»0 1250 \Ж- 1??Г) 1Ж;3 1250 »4« 1ЙЙ «275 1*86 1235

Xрос 1 ¡1-я гчгерз1й>.ч (К)

Рис. 14. Образец структуры ПУ, Рис. 15. Гистограмма технологического разброса изготовленный по базовой яркостной температуры (К) в серийном

технологии производстве: 1 - по базовой технологии,

2-е виброуплотнением

Рис. 16. Образец структуры ПУ изготовленного по технологии

с виброуплотнением

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача по снижению флуктуации эмиссионного тока МПК и уровня шумов ЛЕВ путем создания новой технологии изготовления МПК с лазерной микрогравировкой поверхности, технологии изготовления КПУ с повышенной равномерностью температуры и технологии откачки с улучшенными характеристиками обезгаженности приборов.

1. Причинами неравномерности тока эмиссии МПК и ухудшения шумовых характеристик ЛБВ являются тепловые и структурные флуктуации эмиссионного тока, недостаточная эмиссионная способность и ионная бомбардировка катода. Эмиссионную способность и структурную однородность катода можно повысить путем модифицирования поверхности лазерной микрогравировкой. Ионный ток и токи утечки ЛБВ снижаются при повышении степени обезгаженности прибора на операции откачки, а также в результате исключения операции ионно-плазменного травления катода в азоте перед осмированием.

2. Эмиссионными центрами МПК являются контактные зоны алюмината бария с порами вольфрамовой «губки», на которых выделяются нанокристаллы оксида бария (рис. 116). Повышенное содержание оксида бария после лазерной обработки установлено методами рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа, лазерной эмиссионной и вторично-ионной масс-спектрометрии. Частота образования зародышей докритического размера близка к частоте фликкер-шумов. Методами СТМ и ССМ выделения фазы оксида бария не распознаются.

3. Лазерная микрогравировка МПК в режиме испарения с параметрами, приведенными в третьем научном положении, обеспечивает повышение равномерности эмиссии, снижение флуктуации эмиссионного тока и средней работы выхода МПК с 2,1 до 1,87 эВ. Повышение равномерности эмиссии и уменьшение работы выхода установлено методами эмиссионных изображений, нелокальных характеристик и кривых Ричардсона.

-технология с виброуплотнением

=базовая технология

Рис. 17. Интенсивность свечения от периферии

к центру у катодов с виброуплотнением (1) и без виброуплотнения заливочного состава (2)

4. Режим испарения при лазерной микрогравировке обеспечивается при параметрах, приведенных во втором научном положении: мощность лазерных импульсов 2,25...3 Вт, длительность 60 не и скважность 103. Такой режим обработки исключает образование заплавлений, способствует равномерному раскрытию пор вольфрамовой «губки» и обеспечивает необходимую структуру поверхности.

5. Для повышения равномерности распределения температуры и повышения эффективности ГГУ МПК перспективно применение виброуплотнения заливочной массы при изготовлении ПУ МПК с использованием режимов, приведенных'в четвертом научном положении.

6. Испытание опытной ЛБВ с МПК, изготовленным по разработанной технологии, и обработка прибора по предложенной технологии откачки показали улучшение параметров прибора: уменьшение уровня шума на 4 дБ и улучшение ламинарности электронного пучка по критерию токоосаждения на замедляющей системе на 44%.

Содержание диссертации изложено в следующих работах:

В изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Сахаджи Г.В. Парциальное газовыделение при откачке ЭВП / А .Я. Зоркин, Г.В. Сахаджи, C.B. Семенов и др. // Вакуумная техника и технология. -2010. -№ 2. - С. 111-114.

2. Сахаджи Г.В. Особенности взаимосвязи фазовых превращений и эмиссии шноминатных катодов электровакуумных приборов Ч 1 / А.Я. Зоркин, Г.В. Сахаджи, C.B. Семенов и др. // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2010. -№ 4(49). - С. 165-170.

3. Сахаджи Г.В. Катодно-сеточные узлы / A.C. Белов, Г.В. Сахаджи, Ж.Н.Бабанов и др. // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2010. -№ 4(49). _ с. 161-165.

4. Сахаджи Г.В. Особенности взаимосвязи фазовых превращений и эмиссии алюминатных катодов электровакуумных приборов. Ч. 2 / А.Я. Зоркин, Г.В. Сахаджи, C.B. Семенов и др. // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - № 1(52). - С. 144-149.

Патенты

5. Патент РФ на полезную модель № 106440. Катод для ламп бегущей волны и ламп обратной волны / Сахаджи Г.В., Конюшин A.B., Одинцова Ю.А., Попов И.А. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10.07.2011 г. Заявка №2011109673. Приоритет изобретения 16.03.2011 г.

6. Патент РФ на изобретение № 2459306. Способ обработки эмитирующей поверхности металлопористого катода / Сахаджи Г.В., Конюшин A.B., Одинцова Ю.А., Попов И.А. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20.08.2012 г. Заявка №2011109671. Приоритет изобретения 16.03.201 1 г.

7. Патент РФ на изобретение № 2459305. Металлопористый катод и способ его изготовления / Сахаджи Г.В., Конюшин A.B., Одинцова Ю.А., Попов И.А. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20.08.2012 г. Заявка №2011109666. Приоритет изобретения 16.03.2011 г.

В других изданиях

8. Сахаджи Г.В. Осмирование импрегнированных катодов и ионноплазменные методы модификации их поверхности / А.Я. Зоркин, Г.В. Сахаджи // Быстрозакаленные материалы и покрытия: материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. -М., 2009. -С. 173-178.

9. Сахаджи Г.В. Активирование оксидных пленок в вакууме / А.Я. Зоркин, Г.В. Сахаджи // Быстрозакаленные материалы и покрытия: материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. - М., 2009. - С. 198-202.

10. Сахаджи Г.В. Формирование эмиссионных параметров при откачке ЛБВ / Г.В. Сахаджи // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всероссийской науч.-практ. конф. молодых ученых. - Саратов, 2009. - Т. 1. - С. 241-244.

11. Сахаджи Г.В. Механизм эмиссии импрегнированных катодов / А.Я. Зоркин, Г.В. Сахаджи, Н.В. Коновалов, Г.В. Сахаджи // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Саратов, 2010. - С. 479-484.

12. Сахаджи Г.В. Лазерные технологии при формировании эмиссионной структуры металлопористого катода / Г.В. Сахаджи // Вакуумная наука и техника: материалы конф. Саратов, 2010. С. 334-336.

13. Сахаджи Г.В. Лазерные технологии и оборудование при формировании эмиссионной поверхности металлопористого катода / A.B. Конюшин, И.А. Попов, Т.Н. Соколова, Е.Л. Сурменко, Г.В. Сахаджи // Шестой Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций. -Саратов, 2011.-Ч. 1.-С. 101-102.

14. Сахаджи Г.В. Повышение качества изготовления подогревательных узлов металлопористого катода с применением вибрационного приспособления / Г.В. Сахаджи, Ю.А. Одинцова // Электронные приборы и устройства СВЧ: материалы научной конференции, посвященной 55-летию ОАО «НПП «Алмаз». - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2012. С. 55-56.

15. Сахаджи Г.В. Моделирование ленточных электронных пучков высокой плотности при разработке вакуумных усилителей О-типа коротковолновой части миллиметрового диапазона / A.A. Бурцев, Ю.А. Григорьев, И.А. Навроцкий, Д.С. Денисов, Г.В. Сахаджи // Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика: тез. докл. VIII Всерос. конф. молодых ученых. Казань, 2013. С. 256-270.

Подписано в печать 13.11.13 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 185 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.

На правах рукописи

САХАДЖИ Георгий Владиславович

04201454297

СНИЖЕНИЕ ФЛУКТУАЦИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ МЕТАЛЛОПОРИСТОГО КАТОДА ЛАМП БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Зоркин Александр Яковлевич

Саратов 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

1. Выбор направления исследований по улучшению характеристик ЛБВ.............9

1.1 Основные параметры и источники шумов ЛБВ...........................................9

1.2 Виды источников электронов ламп бегущей волны..................................14

1.3 Конструкции и технологии изготовления металлопористого катода......26

1.4 Характеристики катодов...............................................................................34

1.5 Выводы...........................................................................................................43

2 Теоретические исследования физико-химических процессов в ЛБВ...............45

2.1 Фазовые превращения в алюминатных катодах........................................45

2.1.1 Равновесное состояние..............................................................................................................45

2.1.2 Неравновесное состояние..........................................................................................................47

2.1.3 Эмиссионные свойства катода.................................................................................................49

2.2 Формирование газовой фазы при откачке ЛБВ..........................................51

2.2.1 Модель состава газовой фазы при откачке ЛБВ....................................................................51

2.2.2 Потоки составляющих и компонентов...................................................................................53

2.2.3 Условия активирования катодов и образования соединений...............................................55

2.3 Травление и рост зародышей ВаО на поверхности МПК.........................59

2.4 Рост зерен оксида бария на поверхности сложных оксидов.....................63

2.5 Процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом МПК.......66

2.6 Выводы...........................................................................................................74

3 Экспериментальные исследования модифицированных катодов......................75

3.1 Методика экспериментальных исследований............................................75

3.1.1 Методика лазерной гравировки катодов...............................................................................75

3.1.2 Методика исследований морфологии, структуры и состава катодов.............................77

3.1.3 Методика измерений эмиссионных характеристик.................................................................82

3.2 Исследование режимов лазерной микрогравировки катодов...................90

3.3 Исследование морфологии, структуры и состава образцов.....................95

3.4 Исследование эмиссионных характеристик катодов...............................103

3.4.1 Определение работы выхода..................................................................................................103

3.4.2 Определение эмиссионной способности................................................................................105

3.5 Выводы.........................................................................................................107

4 Опытно-промышленная проверка результатов работы....................................108

4.1 Исследование характеристик опытной ЛБВ.............................................108

4.2 Отработка технологии заливки подогревателей с использованием

вибрационного приспособления............................................................................113

Заключение...................................................................................................................119

Приложение..................................................................................................................121

Список литературы......................................................................................................122

ВВЕДЕНИЕ

Наряду с полупроводниковыми приборами СВЧ, магнетронами, клистронами, лампы бегущей волны (ЛБВ) крепко заняли свою нишу в СВЧ электронной аппаратуре. Более 50% объема продаж всех СВЧ - ламп составляют ЛБВ.

Тенденции развития вакуумной электроники в жесткой конкуренции с

твердотельными приборами приводят к необходимости улучшения параметров

ЛБВ: увеличение мощности до 10 кВт, долговечности до 200000 часов, диапазона 12

частот до 10 Гц и более, снижение шумности на 10 дБ. Без улучшения параметров металлопористого катода (МПК) данные требования не реализуемы.

Одним из основных преимуществ ЛБВ является низкий уровень шумов, что обеспечивает их долговременную конкурентоспособность с полупроводниковыми СВЧ приборами. Вопросы увеличения мощности, токоотбора с катода, долговечности ЛБВ рассмотрены в литературе достаточно подробно, однако проблемы снижения степени неоднородности эмиссии и снижения флуктуации эмиссионного тока освещены недостаточно. В основном рассматриваются конструктивные изменения электронной пушки для частичного снижения влияния неравномерности эмиссии на параметры прибора.

Основными источниками шумов являются тепловые и структурные флуктуации эмиссии МПК, а также паразитные ионные токи и токи утечки. На неоднородность эмиссии МПК влияет множество факторов, скрывающихся как в процессах, протекающих при изготовлении приборов, так и в технологических процессах производства МПК: микроокисления, микрогидратация, неравномерное расположение открытых пор, структура эмитирующей поверхности, неоднородность температуры и работы выхода электронов с поверхности МПК. Для качественного улучшения эмиссионных характеристик катодов и параметров ЛБВ необходимо разработать новую технологию и конструкцию МПК.

Поэтому данная работа, посвященная исследованию и созданию новых способов и технологий лазерной модификации МПК, обеспечивающих улучшение эмиссионных характеристик и снижение флуктуаций тока эмиссии, является актуальной.

Цель работы: снижение флуктуаций электронной эмиссии металлопористого катода ЛБВ за счет модификации поверхности лазерной обработкой, снижения неоднородности температуры МПК и улучшения степени обезгаженности прибора.

Для достижения поставленной цели решались следующие научно-технические задачи:

1. Провести анализ причин высокой неоднородности электронной эмиссии МПК и способов снижения флуктуации эмиссионного тока, исследовать теоретические модели фазовых реакций в МПК и режимы процесса откачки.

2. Разработать режимы, технологию и оснастку для модификации эмитирующей поверхности МПК способом лазерной обработки;

3. Исследовать влияние режимов лазерной обработки МПК на флуктуацию эмиссии, геометрические характеристики и состав поверхности катода;

4. Разработать технологию изготовления и конструкцию катодно-подогревательного узла, обеспечивающую снижение степени неоднородности распределения температуры по поверхности МПК;

5. Изготовить и испытать макетные образцы МПК, изготовленные по разработанной технологии;

6. Изготовить и испытать опытный образец ЛБВ с разработанным МПК и сравнить его технологические и эксплуатационные параметры с базовыми приборами.

Методы и средства исследований.

При выполнении работы использовались методы химической термодинамики, вакуумной электроники и электроники СВЧ. Для исследования характеристик поверхности применялись методы металлографии, сканирующей

силовой (ССМ) и туннельной (СТМ) микроскопии, рентгеноструктурного анализа и лазерной эмиссионной и вторично-ионной масс-спектрометрии, а так же метод электронной микроскопии и спектроскопии. Для исследования электронной эмиссии применялись методы кривых Мирама, метод эмиссионных изображений, метод кривых Ридчарсона.

Достоверность полученных результатов результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается качественным совпадением экспериментальных и расчетных данных, получением воспроизводимых результатов при использовании различной аппаратуры и методов исследования, опытно-промышленной проверкой результатов и выводов работы.

На защиту выносятся:

1. Уменьшение неоднородности распределения плотности тока и снижение флуктуаций эмиссии МПК обеспечивается за счет снижения степени неоднородности распределения и увеличения количества открытых пор, а так же. за счет увеличения эмиссионной способности МПК после взаимодействия сфокусированного импульсного лазерного излучения высокой интенсивности с катодным диском из спрессованного и спеченного вольфрама, пропитанного алюминатом бария.

2. Режим испарения поверхности МПК при обработке твердотельным лазером с длиной волны 1,06 мкм обеспечивается при мощности импульсов 2,25...3 Вт, длительности 60 не и скважности 103 (патент №2459305).

3. При модификации МПК лазерным излучением, обеспечивающим плотность

л л

упаковки лунок 2,7-10 мм", диаметром 15±2 мкм и глубиной 18±5 мкм, достигается снижение флуктуации эмиссионного тока и уровня шума ЛЕВ на 4 ... 5 дБ за счет выравнивания эмиссионной плотности тока по всей поверхности МПК (патент №2459306).

4. Снижение неоднородности распределения температуры по поверхности МПК на 10% ... 15% обеспечивается виброуплотнением заливочного состава

подогревательного узла МПК с частотой 475 Гц ... 500 Гц и амплитудой 0,4 ... 1 мм.

Научная новизна работы заключается в развитии новых подходов для улучшения эмиссионных параметров МПК и шумовых характеристик ЛБВ с использованием методов и технологий лазерной обработки материала катода:

1. Впервые исследован процесс взаимодействия сфокусированного импульсного лазерного излучения высокой интенсивности с катодным диском из спрессованного и спеченного вольфрама, пропитанного алюминатом бария;

2. Впервые использован метод лазерной микрогравировки для формирования высокой степени однородного распределения открытых пор на эмиссионной поверхности МПК (патент №2459305);

3. Определены параметры лазерной гравировки МПК, обеспечивающие режим испарения материалов приповерхностных слоев (патент №2459306);

4. Впервые использован метод виброуплотнения на низких частотах заливочного состава при изготовлении подогревательного узла МПК.

Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при разработке современных и перспективных СВЧ электровакуумных приборов миллиметрового диапазона с пониженным уровнем шумов.

Конструкции электронных пушек на основе изготовленных по предложенной технологии МПК могут быть использованы в электронно-оптических системах в качестве базовых конструкций ЛБВ сантиметрового и миллиметрового диапазона и многолучевых клистронах. На способы изготовления МПК получены 3 патента.

Внедрение результатов работы. Разработанные технологии лазерной обработки МПК и виброуплотнения заливочного состава подогревательного узла внедрены в производство ОАО «НЛП «Алмаз» «НПЦ «Электронные системы». Большая часть исследований проведена при выполнении гранта в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, НК-566П/8.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на конференции с международным участием «Вакуумная Техника и технология» 2010г. (г. Санкт-Петербург); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (МАТИ, Москва, 2008, 2009г.); на конференции с международным участием «Вакуумная Наука и Техника» 2009г. (г. Мацеста); научно-практической конференции, посвященной 55-летию ОАО «НЛП «Алмаз» «Электронные приборы и устройства СВЧ» (Саратов, 2012).

Работа удостоена серебряной медали на VI «Саратовском салоне изобретений, инноваций, инвестиций», г. 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ (4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 8 статей в научных сборниках), получены 3 патента.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, проведении численных расчетов, необходимых для интерпретации полученных экспериментальных данных. Автор является исполнителем представленных экспериментальных исследований. Обсуждение полученных теоретических и экспериментальных результатов проводилось совместно с соавторами научных статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 125 наименований и приложения. Диссертация изложена на 132 листах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 5 таблиц.

1 .Выбор направления исследований по улучшению характеристик ЛБВ

В первой главе содержится аналитический обзор существующих конструкций и технологий изготовления источников электронов, обеспечивающих высокие эмиссионные параметры и низкий уровень шумов электровакуумных приборов (ЭВП). Приведены основные типы источников электронов с описанием их назначения для различных ЭВП. Особое внимание уделено металлопористым катодам (МПК), используемым в лампах бегущей и обратной волны.

1.1 Основные параметры и источники шумов ЛБВ

СВЧ - усилители, а именно лампы бегущей волны, масштабно используются в настоящее время. К основным параметрам ЛБВ обычно относят коэффициент усиления, выходную мощность, КПД, полосу пропускания, шумовые характеристики - для усилителей и выходную мощность, КПД, диапазон перестройки для генераторов.

Коэффициентом усиления называется отношение выходной мощности Рвых к входной Рвх. Обычно эту величину определяют в децибелах: Ку(р) = 10 1§(Рвых/Рвх).

Ширина полосы пропускания определяется добротностью резонаторов для резонансных усилителей и полосой пропускания замедляющей системы, согласованной с внешними линиями передачи для нерезонансных усилителей. Обычно ширина полосы пропускания измеряется по уровню половинного значения выходной мощности от максимального значения в полосе пропускания. Она может быть указана также в процентах, т.е. ДШсР-100%, где ^р - средняя частота полосы пропускания.

Коэффициент полезного действия определяется как отношение выходной мощности к суммарной потребляемой мощности Ро (включая мощность накала катода): Г) = РВЫх/Ро- Часто используется также понятие электронного КПД тр ,

равного отношению мощности, отдаваемой электронным пучком полю СВЧ, к мощности источника питания прибора.

Коэффициент шума показывает, во сколько раз отношение мощностей сигнала и шума на входе усилителя меньше этого же отношения на его выходе, т.е.: Кш = (Рш/Рш.вх)/(Рвых/Рш.вых). Для характеристики шумов используют также понятие шумовой температуры Тш: Кш = 1 + Тш/290 , Тш = 290(КШ - 1).

Требования к выше перечисленным параметрам постоянно растут, в обеспечении которых главную роль играет источник электронов. Коэффициент усиления зависит от максимальной плотности токоотбора с катода в режиме ограничения пространственным зарядом для ЛБВ, коэффициент полезного действия зависит от мощности накала и от мощностей, выделяемых на электродах лампы не задействованными в пространственном взаимодействии электронами. Долговечность целиком зависит от долговечности самого источника электронов, от запаса активного вещества, надежности подогревателя, необходимой температуры эмиттера, устойчивости катода к «отравляющим» факторам. Так же как и долговечность, коэффициент шума особенно зависит от параметров катода.

В соответствии с результатами работы [1] собственные шумы ЛБВ делятся на 6 типов: шумы электронной эмиссии; добавочные шумы, вызванные дефектами эмиссии; тепловые шумы; добавочные шумы, вызванные дефектами формирования и фокусировки луча; шумы вторичной эмиссии; шумы вызванные колебаниями ионов.

Шумы электронной эмиссии (дробовой шум) возникают в пучке из-за флуктуации эмиссионного тока и разброса скоростей электронов. Процесс эмиссии электронов несет случайных характер не только во времени, но и в пространстве по поверхности катода. Из-за этого минимум потенциала, создаваемый электронами, также флуктуирует со временем. Дополнительное понижение потенциала увеличивает количество отраженных электронов, уменьшая, таким образом, количество электронов, преодолевших потенциальную яму [2].

Добавочные- шумы, вызванные дефектами эмиссии, возникают из-за непостоянства тока эмиссии и начальных скоростей электронов, что приводит к увеличению уровня шумов, связанных с флуктуациями тока и скорости электронов. Экспериментальные исследования [3] показывают, что распределение скорости электронов, эмитируемых катодом, близко к максвелловскому лишь при очень малых токах эмиссии. При увеличении тока разброс вектора скоростей увеличивается. Основными причиним этого явления следует считать неэквипотенциальность эмитирующих зерен, обусловленную поперченным падением напряжения по поверхности катода, и эмиссию из глубины пористого покрытия. Поверхность современных термокатодов далеко не идеальна и имеет сложный рельеф. У эмиттера поверхность покрыта порами, а также выступающими агломератами микрокристаллов. Микрорельеф катода приводит к увеличению эффективной площади эмиссии, влияет на распределение скоростей электронов и т.д.

Тепловые шумы появляются вследствие хаотического, теплового движения электронов в проводнике. В результате на его концах образуется разность потенциалов,