RU2770303C1 - Nanocarbon material for suppression of secondary electron emission and method for its production - Google Patents
Nanocarbon material for suppression of secondary electron emission and method for its production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2770303C1 RU2770303C1 RU2021111283A RU2021111283A RU2770303C1 RU 2770303 C1 RU2770303 C1 RU 2770303C1 RU 2021111283 A RU2021111283 A RU 2021111283A RU 2021111283 A RU2021111283 A RU 2021111283A RU 2770303 C1 RU2770303 C1 RU 2770303C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film coating
- microwave plasma
- pressure
- secondary electron
- electron emission
- Prior art date
Links
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 title abstract description 7
- 230000001629 suppression Effects 0.000 title 1
- 239000007888 film coating Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000009501 film coating Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 11
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 7
- NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N fluoromethane Chemical compound FC NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000012993 chemical processing Methods 0.000 claims description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 28
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 27
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 21
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 16
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 7
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 7
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 3
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 3
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000012868 Overgrowth Diseases 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 239000002156 adsorbate Substances 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Substances [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 argon ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003682 fluorination reaction Methods 0.000 description 1
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения наноуглеродных покрытий с низким значением коэффициента вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ) и может быть использовано для формирования антиэмиссионного покрытия на сеточных электродах при изготовлении электровакуумных СВЧ-устройств, ускорителей частиц и т.п.The invention relates to the field of obtaining nanocarbon coatings with a low secondary electron emission coefficient (SEEC) and can be used to form an anti-emission coating on grid electrodes in the manufacture of electric vacuum microwave devices, particle accelerators, etc.
Предметом изобретения является способ снижения термоэлектронной эмиссии деталей электронных ламп путем покрытия их защитным слоем наноуглеродного материала, поверхность которого модифицирована фторуглеродными соединениями, вследствие чего увеличивается работа выхода электронов и снижается скорость осаждения активных примесных добавок металлопористых термокатодов.The subject of the invention is a method for reducing thermionic emission of electron tube parts by coating them with a protective layer of nanocarbon material, the surface of which is modified with fluorocarbon compounds, as a result of which the work function of electrons increases and the rate of deposition of active impurity additives of metal-porous thermal cathodes decreases.
В электровакуумных СВЧ-приборах с низковольтным управлением для формирования электронного луча используются катодно-сеточные узлы (КСУ), включающие в себя металлопористый катод (МПК) с порами, заполненными барийсодержащей примесью, которая уменьшает температурный коэффициент работы выхода электронов, и сетку, которая должны обладать антиэмиссионными свойствами. Установлено, что основным фактором, определяющим допустимую мощность пучка электронных пушек с сетками и долговечность ЭВП, является эмиссия вторичных электронов с сеток КСУ, которая в процессе эксплуатации ЭВП увеличивается из-за термического напыления на нее активных примесей МПК.In electrovacuum microwave devices with low-voltage control, cathode-grid units (CGC) are used to form an electron beam, including a metal-porous cathode (MPC) with pores filled with a barium-containing impurity, which reduces the temperature coefficient of the work function of the electron output, and a grid that must have anti-emission properties. It has been established that the main factor that determines the allowable power of the beam of electron guns with grids and the durability of the EEW is the emission of secondary electrons from the grids of the CCS, which increases during the operation of the EEW due to the thermal deposition of active impurities of the MPC on it.
В настоящее время известны два основных механизма подавления эмиссии с сеток при напылении на их поверхность активного вещества. Среди них растворение в толще антиэмиссионного материала продуктов испарения катода путем образования интерметаллидных соединений. Такой механизм имеет место, например, когда в качестве покрытия электродов применяют золото и платину. Другим механизмом является уменьшение энергии связи продуктов испарения с поверхностью антиэмиссионного вещества сетки. В этом случае замедляется скорость осаждения активного вещества. Такой механизм подавления паразитной термоэмиссии имеет место, например, в случае применения в качестве покрытия сеток молибдена, титана, циркония.At present, two main mechanisms are known for suppressing emission from grids when an active substance is deposited on their surface. Among them is the dissolution of cathode evaporation products in the thickness of the anti-emission material through the formation of intermetallic compounds. Such a mechanism occurs, for example, when gold and platinum are used as electrode coatings. Another mechanism is a decrease in the binding energy of the evaporation products with the surface of the anti-emission substance of the grid. In this case, the deposition rate of the active substance slows down. Such a mechanism for suppressing parasitic thermal emission takes place, for example, in the case of using molybdenum, titanium, and zirconium meshes as coatings.
В последнее время одним из наиболее перспективных материалов антиэмиссионных покрытий КСУ, благодаря высокой устойчивости к радиационным воздействиям и высокой работе выхода электронов, являются углеродные пленки. В связи с этим получение углеродных покрытий с низким коэффициентом вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ) на поверхности металлических и изоляционных материалов является эффективным методом подавления вторичной электронной эмиссии. Однако, в связи с ужесточением требований к применению мощных и долговечных ЭВП СВЧ и субтерагерцового диапазонов, возникла необходимость дальнейшего повышения способности низкоэмиссионных углеродных покрытий подавлять вторичную электронную эмиссию.Recently, carbon films have been one of the most promising materials for anti-emission coatings of CCS, due to their high resistance to radiation exposure and high work function of electrons. In this regard, the production of carbon coatings with a low coefficient of secondary electron emission (SEEC) on the surface of metal and insulating materials is an effective method for suppressing secondary electron emission. However, in connection with the tightening of requirements for the use of powerful and durable EEWs in the microwave and subterahertz ranges, it became necessary to further increase the ability of low-emission carbon coatings to suppress secondary electron emission.
Известен способ получения наноструктурированных углеродных покрытий при изготовлении СВЧ-устройств, позволяющий снизить коэффициент вторичной эмиссии электронов [1]. В этом способе сначала поверхность пластины обрабатывают с помощью разрядов и создают на ее поверхности рельеф. После этого нагревают поверхность пластины до 50-60°С, покрывают ее слоем коллоидного раствора углерода в спирте и испаряют его в потоке воздуха, нагретого до температуры 50-60°С до образования пленки толщиной 1-2 мкм. Процессы покрытия поверхности пластины слоем коллоидного раствора углерода в спирте периодически повторяют.A known method of obtaining nanostructured carbon coatings in the manufacture of microwave devices, which allows to reduce the coefficient of secondary electron emission [1]. In this method, first, the surface of the plate is treated with the help of discharges and a relief is created on its surface. After that, the surface of the plate is heated to 50-60°C, covered with a layer of a colloidal solution of carbon in alcohol and evaporated in an air stream heated to a temperature of 50-60°C until a film 1-2 μm thick is formed. The processes of coating the surface of the plate with a layer of a colloidal solution of carbon in alcohol are periodically repeated.
Недостатком предложенного углеродного покрытия, позволяющего снизить КВЭЭ, и способа его получения является многоэтапное применение мокрых технологий, использование которых усложняет производство и плохо поддается контролю. Необходимо отметить, что в процессе наслаиваний коллоидного раствора углерода в спирте и испарения в потоке воздуха рельеф исходной поверхности пластины постепенно сглаживается. Это ухудшает необходимое функциональное свойство покрытия уже на стадии изготовления. Кроме того, в процессе эксплуатации таких покрытий в составе мощных генераторных ламп в условиях высоких температур и электронного воздействия, оставшийся рельеф покрытия быстро сглаживается. Как известно, это обусловлено стремлением системы подложка - пар к минимуму свободной энергии, когда термически испаренные с поверхности МПК атомы активных примесей при их адсорбции и интенсивной поверхностной миграции, в первую очередь, образуют зародыши новой фазы в углублениях рельефа подложки, приводя к его сглаживанию. Все это выражается в недостаточно низком первоначальном КВЭЭ и быстром его увеличении в процессе эксплуатации, что ухудшает ВАХ и КПД силовых приборов.The disadvantage of the proposed carbon coating, which allows to reduce the CEE, and the method of its production is the multi-stage use of wet technologies, the use of which complicates production and is difficult to control. It should be noted that in the process of layering a colloidal solution of carbon in alcohol and evaporation in an air flow, the relief of the initial surface of the plate is gradually smoothed out. This degrades the necessary functional property of the coating already at the manufacturing stage. In addition, during the operation of such coatings as part of high-power generator lamps under conditions of high temperatures and electronic exposure, the remaining coating relief is quickly smoothed out. As is known, this is due to the tendency of the substrate-vapor system to a minimum of free energy, when the atoms of active impurities thermally evaporated from the surface of the MPC during their adsorption and intense surface migration, first of all, form nuclei of a new phase in the depressions of the substrate relief, leading to its smoothing. All this is expressed in an insufficiently low initial CVEE and its rapid increase during operation, which worsens the CVC and efficiency of power devices.
Известны наноуглеродные материалы для подавления вторичной электронной эмиссии, состоящие из свободно стоящих листов графена, полученных с использованием микроволновой плазмы и легированных азотом [2], а также графитовой пленки с углеродными волокнами, которые вертикально и равномерно распределены по ее поверхности [3]. При бомбардировке таких покрытий первичным пучком электронов вторичные электроны излучаются под разными углами от поверхности графитовой стенки, очень немногие вторичные электроны возвращаются в вакуум после многократного излучения и поглощения углеродных волокон. Коэффициент излучения вторичных электронов меньше 1 и близок к нулю, вторичная электронная эмиссия подавляется.Nanocarbon materials are known for suppressing secondary electron emission, consisting of free-standing graphene sheets obtained using microwave plasma and doped with nitrogen [2], as well as a graphite film with carbon fibers, which are vertically and evenly distributed over its surface [3]. When such coatings are bombarded with a primary electron beam, secondary electrons are emitted at different angles from the surface of the graphite wall, very few secondary electrons return to vacuum after repeated emission and absorption of carbon fibers. The secondary electron emission coefficient is less than 1 and close to zero, the secondary electron emission is suppressed.
Недостатком таких покрытий является сложность технологических процессов их получения, а также высокая адсорбционная способность испаренных с МПК атомов активных примесей вследствие быстрой их термализации за счет многократных столкновений со стенками листов графена или углеродных волокон. Это приводит к «зарастанию» микротопологии покрытий, увеличению КВЭЭ и ухудшению частотных характеристик и КПД генераторных ламп.The disadvantage of such coatings is the complexity of the technological processes of their production, as well as the high adsorption capacity of active impurity atoms evaporated from the MPC due to their rapid thermalization due to multiple collisions with the walls of graphene sheets or carbon fibers. This leads to "overgrowth" of the microtopology of the coatings, an increase in the CVEE and a deterioration in the frequency characteristics and efficiency of generator lamps.
Наиболее близким по технической сущности и техническому результату к предложенному способу является углеродная пленка для подавления вторичной электронной эмиссии и способ ее получения, описанный в [4]. В этом случае углеродную пленку получают в режиме распыления графитовой мишени при условии, что температура основы составляет 300-600°С. Затем слой пленки аморфного углерода подвергают обработке высокотемпературным отжигом и/или ионно-физическому распылению ионами аргона.The closest in technical essence and technical result to the proposed method is a carbon film for suppressing secondary electron emission and a method for its production, described in [4]. In this case, the carbon film is obtained in the graphite target sputtering mode, provided that the base temperature is 300-600°C. Then, the amorphous carbon film layer is subjected to high-temperature annealing treatment and/or ion-physical sputtering with argon ions.
Недостатком углеродных пленок, полученных данным способом, является недостаточно высокая работа выхода электронов, с одной стороны, и отсутствие эффективных механизмов защиты от напыления на их поверхность активного вещества МПК, с другой, что интегрально выражается в неприемлемо быстром ухудшении КВЭЭ в процессе эксплуатации мощных генераторных ламп.The disadvantage of carbon films obtained by this method is the insufficiently high work function of electrons, on the one hand, and the lack of effective mechanisms for protection against deposition of the active substance MPC on their surface, on the other hand, which is integrally expressed in an unacceptably rapid deterioration of the SEC during the operation of high-power generator lamps. .
Настоящее изобретение обеспечивает улучшенное углеродное пленочное покрытие с более низким коэффициентом вторичной электронной эмиссии и способ получения такого покрытия.The present invention provides an improved carbon film coating with a lower secondary electron emission coefficient and a method for producing such a coating.
Согласно настоящему изобретению, в качестве материала антиэмиссионного пленочного покрытия, обладающего высокой работой выхода, используется наноуглеродная пленка, полученная в микроволновой плазме паров этанола низкого давления (Фиг. 1). Дополнительное уменьшение КВЭЭ пленки и снижение скорости осаждения активного вещества МПК на нее достигается модификацией поверхности наноуглеродной пленки с использованием микроволновой плазмохимической обработки во фторуглеродной газовой среде.According to the present invention, a nano-carbon film obtained in a microwave plasma of low-pressure ethanol vapor is used as a material of an anti-emission film coating having a high work function (Fig. 1). An additional decrease in the SHEE of the film and a decrease in the rate of deposition of the active substance of the MPC on it is achieved by modifying the surface of the nanocarbon film using microwave plasma-chemical processing in a fluorocarbon gas environment.
Полученные в микроволновой плазме паров этанола при давлении (1-2)⋅10-2 Па и температуре подложки 200-300°С наноуглеродные пленки имеют «слоевой» рост с размерами отдельных чешуек 300-500 мкм (Фиг. 1). На типичных рентгенограммах пленок доминирующим является пик с межплоскостным расстоянием d=3,36 А, который соответствует отражению от грани (002) кристаллической фазы графита. Пленки имеют электрическое сопротивление, характерное для графита, которое не превышало несколько десятков Ом⋅м. Они имеют более высокий потенциал работы выхода электронов, по сравнению с углеродными пленками, полученными в микроволновой плазме при больших давлениях паров этанола.Obtained in a microwave plasma of ethanol vapor at a pressure of (1-2)⋅10 -2 Pa and a substrate temperature of 200-300°C nanocarbon films have a "layered" growth with the size of individual flakes of 300-500 μm (Fig. 1). On typical X-ray diffraction patterns of the films, the peak with interplanar spacing d=3.36 A dominates, which corresponds to the reflection from the (002) face of the graphite crystalline phase. The films have an electrical resistance characteristic of graphite, which did not exceed several tens of Ohm⋅m. They have a higher electron work function potential than carbon films obtained in microwave plasma at high ethanol vapor pressures.
Сущность изобретения, позволяющего дополнительно уменьшить КВЭЭ наноуглеродного слоя и снизить его поверхностную энергию, которое ухудшает условия для зародышеобразования и осаждения термически распыленных атомов активных примесей МПК и позволяет улучшить, таким образом, долговечность и КПД мощных ЭВП, состоит в следующем. При обработке в высокоионизованной микроволновой плазме фторсодержащей среды (например, CF4) химически активными частицами являются ионы CF+ n, где n=0…4, а также радикалы CFn и нейтральные атомы фтора. При хемосорбции на углеродном покрытии они образуют адкомплексы С=CFm, где m=1…3 [5]. Хемосорбированные комплексы CFm имеют сильные энергии химической связи. Комплексы C-F (5.6 эВ) обладают наиболее сильной связью, она более чем в два раза превышает энергию разрыва химической связи С-С (2,74 эВ). Эти комплексы пассивируют оборванные в результате ионной бомбардировки химические связи поверхностных атомов углеродного покрытия. Ввиду высокой электроотрицательности фтора результатом пассивации является увеличение суммарного дипольного момента поверхности углеродного покрытия. Дипольный момент, вызванный адсорбатом, направлен от поверхности покрытия в вакуум и приводит к увеличению работы выхода электронов. Следствием этого является уменьшение КВЭЭ, по сравнению с необработанным во фторсодержащей плазме углеродным покрытием. Кроме того, при фторировании наноуглеродных пленочных структур одновременно с увеличением работы выхода электронов уменьшается вероятность прилипания термически испаряемых легирующих примесей с МПК ЭВП. Последнее обусловлено низкой поляризуемостью комплексов CFm и, как следствие, низкими поверхностной энергией покрытия и энергии связи диполь-дипольного взаимодействия Ван-дер-Ваальса при адсорбции распыляемых атомов активных примесей МПК. Это уменьшает время их жизни на подложке и скорость перехода в конденсированное состояние. Благодаря этим факторам уменьшается термо- и вторичная электронная эмиссия углеродного покрытия КСУ. Суммарное их действие позволяет увеличить КПД и долговечность мощных ЭВП.The essence of the invention, which makes it possible to further reduce the CVEE of the nanocarbon layer and reduce its surface energy, which worsens the conditions for nucleation and deposition of thermally sputtered atoms of active impurities of the MPC and, thus, improves the durability and efficiency of powerful EEWs, is as follows. When processing a fluorine-containing medium (for example, CF 4 ) in a highly ionized microwave plasma, CF + n ions, where n=0…4, as well as CF n radicals and neutral fluorine atoms are chemically active particles. During chemisorption on a carbon coating, they form adcomplexes С=CF m , where m=1…3 [5]. Chemisorbed CF m complexes have strong chemical bond energies. The CF complexes (5.6 eV) have the strongest bond; it is more than twice the breaking energy of the C–C chemical bond (2.74 eV). These complexes passivate the chemical bonds of the surface atoms of the carbon coating broken as a result of ion bombardment. Due to the high electronegativity of fluorine, the result of passivation is an increase in the total dipole moment of the carbon coating surface. The dipole moment caused by the adsorbate is directed from the coating surface into vacuum and leads to an increase in the electron work function. The consequence of this is a reduction in the SEC, compared with a carbon coating not treated in a fluorine-containing plasma. In addition, during fluorination of nanocarbon film structures, simultaneously with an increase in the work function of electrons, the probability of adhesion of thermally evaporating dopants to the EWP MPC decreases. The latter is due to the low polarizability of the CF m complexes and, as a consequence, the low surface energy of the coating and the binding energy of the van der Waals dipole–dipole interaction during the adsorption of sputtered atoms of active MPC impurities. This reduces their lifetime on the substrate and the rate of transition to the condensed state. Due to these factors, the thermal and secondary electron emission of the carbon coating of the KSU decreases. Their total action makes it possible to increase the efficiency and durability of powerful EEWs.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение величины обратного потока вторичных электронов из коллектора в пространство взаимодействия прибора, а также повышение КПД коллектора.The technical result of the present invention is to reduce the value of the reverse flow of secondary electrons from the collector into the interaction space of the device, as well as to increase the efficiency of the collector.
Технический результат достигается тем, что наноуглеродная пленка толщиной 200-500 нм осаждается в микроволновой высокоионизированной плазме паров этанола при давлении (1-2)⋅10-2 Па и температуре подложки 200-300°С с последующей модификацией ее поверхности плазмохимической обработкой во фторуглеродной газовой среде при давлении 0,1 Па и ускоряющем потенциале на подложкодержателе 300 В в течение 5-8 мин.The technical result is achieved by the fact that a nanocarbon film with a thickness of 200-500 nm is deposited in a microwave highly ionized plasma of ethanol vapor at a pressure of (1-2)⋅10 -2 Pa and a substrate temperature of 200-300°C, followed by modification of its surface by plasma-chemical treatment in a fluorocarbon gas environment at a pressure of 0.1 Pa and an accelerating potential on the substrate holder of 300 V for 5-8 minutes.
Изобретение поясняется Фиг. 1, где показано изображение в сканирующем туннельном микроскопе поверхности наноуглеродной sp2 пленки со «слоевым» ростом и «нормальным» потенциалом работы выхода электронов.The invention is illustrated in FIG. 1, which shows an image in a scanning tunneling microscope of the surface of a nanocarbon sp 2 film with “layered” growth and a “normal” electron work function potential.
Источники информации:Information sources:
1. Патент RU №2565199 от 20.10.2015 г., МПК: С01В 31/02, В82В 3/00, B82Y 40/00. Анпилов A.M., Бархударов Э.М., Коссый И.А., Мисакян М.А./ Способ получения наноструктурированного углеродного покрытия.1. Patent RU No. 2565199 dated October 20, 2015, IPC: С01В 31/02, В82В 3/00, B82Y 40/00. Anpilov A.M., Barkhudarov E.M., Kossy I.A., Misakyan M.A./ Method for producing a nanostructured carbon coating.
2. N. Bundaleska, A. Dias, N. Bundaleski, Е. Felizardo, J. Henriques, D. Tsyganov, M. Abrashev, E. Valcheva, J. Kissovski, A. M. Ferraria, A. M. Botelho do Rego, A. Almeida, J.
3. Патент CN №104241061 (А) от 24.12. 2014 г., МПК: H01J 1/14. Jin Chenggang, Huang Tianyuan, Yang Yan, Yang Dongjin, Hu Yibo, Zhuge lanjian, Wu Xuemei / Material for suppressing secondary electron emission.3. Patent CN No. 104241061 (A) dated 24.12. 2014, IPC: H01J 1/14. Jin Chenggang, Huang Tianyuan, Yang Yan, Yang Dongjin, Hu Yibo, Zhuge lanjian, Wu Xuemei / Material for suppressing secondary electron emission.
4. Патент CN №110396668 (A) от 01.11.2019 г., МПК: C23C 14/02, C23C 14/06, C23C 14/16, C23C 14/34, C23C 14/58. Hu Wenbo, Yi Xingkang, Li Jie, Gao Buyu, Li Yongdong, Wu Shengli, Lin Shu / Carbon-based film for inhibiting secondary electron emission and preparation method thereof.4. Patent CN No. 110396668 (A) dated 11/01/2019, IPC: C23C 14/02, C23C 14/06, C23C 14/16, C23C 14/34, C23C 14/58. Hu Wenbo, Yi Xingkang, Li Jie, Gao Buyu, Li Yongdong, Wu Shengli, Lin Shu / Carbon-based film for inhibiting secondary electron emission and preparation method thereof.
5. Яфаров P.K. Физика СВЧ вакуумно-плазменных нанотехнологий. M.: Физматлит, 2009. 216 с.5. Yafarov P.K. Physics of microwave vacuum-plasma nanotechnologies. M.: Fizmatlit, 2009. 216 p.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021111283A RU2770303C1 (en) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | Nanocarbon material for suppression of secondary electron emission and method for its production |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021111283A RU2770303C1 (en) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | Nanocarbon material for suppression of secondary electron emission and method for its production |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2770303C1 true RU2770303C1 (en) | 2022-04-15 |
Family
ID=81255465
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021111283A RU2770303C1 (en) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | Nanocarbon material for suppression of secondary electron emission and method for its production |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2770303C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2484548C1 (en) * | 2011-11-09 | 2013-06-10 | Равиль Кяшшафович Яфаров | Method for manufacture of matrix of multipoint autoemissive cathode based on single-crystal silicon |
| RU2489350C2 (en) * | 2011-11-16 | 2013-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр перспективных углеродных материалов" | Method of producing carbon nanomaterials and device for its implementation |
| RU2588611C1 (en) * | 2014-12-18 | 2016-07-10 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") | Method of increasing current density of field emission and degradation resistance of field-emission cathodes |
| CN108751200A (en) * | 2018-05-30 | 2018-11-06 | 大连理工大学 | A kind of preparation method of boron carbide nano thin-film |
| CN110396668A (en) * | 2019-07-10 | 2019-11-01 | 西安交通大学 | A kind of carbon-base film and preparation method thereof for inhibiting secondary |
-
2021
- 2021-04-20 RU RU2021111283A patent/RU2770303C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2484548C1 (en) * | 2011-11-09 | 2013-06-10 | Равиль Кяшшафович Яфаров | Method for manufacture of matrix of multipoint autoemissive cathode based on single-crystal silicon |
| RU2489350C2 (en) * | 2011-11-16 | 2013-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр перспективных углеродных материалов" | Method of producing carbon nanomaterials and device for its implementation |
| RU2588611C1 (en) * | 2014-12-18 | 2016-07-10 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") | Method of increasing current density of field emission and degradation resistance of field-emission cathodes |
| CN108751200A (en) * | 2018-05-30 | 2018-11-06 | 大连理工大学 | A kind of preparation method of boron carbide nano thin-film |
| CN110396668A (en) * | 2019-07-10 | 2019-11-01 | 西安交通大学 | A kind of carbon-base film and preparation method thereof for inhibiting secondary |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7907700B2 (en) | Soft X-ray generation apparatus and static elimination apparatus | |
| CN108203090B (en) | A kind of preparation method of graphene | |
| CN103938170B (en) | A kind of ECR charge density of electronic irradialion controls the method for nano-crystal Graphene size in carbon film | |
| CN110441844A (en) | 10 kW semiconductor laser high-reflecting films of one kind and preparation method thereof | |
| Lu et al. | Surface roughness evolution induced low secondary electron yield in carbon coated Ag/Al substrates for space microwave devices | |
| CN110396668A (en) | A kind of carbon-base film and preparation method thereof for inhibiting secondary | |
| CN108707863A (en) | A kind of preparation method of resistive diamond-like-carbon based film material | |
| JP2009164412A (en) | Porous metal thin film and manufacturing method thereof as well as capacitor | |
| CN116065122A (en) | Composite deuterium storage coating for neutron launch tube and preparation method thereof | |
| CN113684453B (en) | Film layer with low secondary electron emission coefficient and preparation method thereof | |
| RU2770303C1 (en) | Nanocarbon material for suppression of secondary electron emission and method for its production | |
| CN105200390B (en) | A kind of method that Direct precipitation nano-graphene suppresses secondary | |
| RU2218299C1 (en) | A method to production of carbon nanopipes | |
| Vasil’eva et al. | Effect of vacuum level on field emission from nanographite films | |
| CN104882346B (en) | A preparation method of carbon nanotube array field emission cathode coated with carbon nanoparticles | |
| CN115572960A (en) | A method for preparing two-dimensional layered MXene materials by plasma etching | |
| CN108987215B (en) | A method for improving the field emission performance of graphene sheet-carbon nanotube array composites | |
| CN109473326B (en) | Field emission electron source and its use and vacuum electronic device and device | |
| Zhao et al. | Secondary electron emission behavior of nanostructured fluorocarbon film | |
| US20120234719A1 (en) | Device housing and method for making same | |
| Hosseinnejad et al. | Preparation of titanium carbide thin film using plasma focus device | |
| Hilleret et al. | Ingredients for the Understanding and the Simulation of Multipacting | |
| JPWO2007058224A1 (en) | Method for producing carbon foil, carbon foil, stripper foil for charge conversion using this carbon foil, and apparatus for producing carbon foil | |
| RU2744089C1 (en) | Method for producing stabilized linear carbon chains in a liquid | |
| Yamamoto et al. | Feasibility of Higher Electron Gun Voltage and Higher Electric Field by Suppressing Electron Stimulated Desorption from the Anode |