Laser processing of glassy carbon to obtain the effective emitting structures

Abstract

Описаны специальные приемы и алгоритмы для технологических процессов ла-зерного формирования эмитирующих структур на поверхности стеклоуглерода марки СУ-2000. Рассмотрены структуры с полукруглой формой вершин в виде столбцов и структуры в виде отдельных острых выступов с высоким аспектным отношением. Формирование выступов на пластине осуществлялось в несколько этапов, на каждом из которых использовалась отдельная программа обхода ла-зерным лучом обрабатываемой поверхности и разные параметры обработки. Для создания выступов в виде столбцов осуществлялось многослойное после-довательное лазерное фрезерование поверхности пластины: на первом этапе формировался усеченный конус с плоской вершиной, на втором -создавалось закругление, на третьем -производилось микроструктурирование поверхно-сти сферических выступов. Формирование выступов игольчатого типа также осуществлялось в три этапа: на первом -грубая фрезеровка цилиндра острия, на втором -тонкая обработка с фрезеровкой игольчатого выступа, на третьем -лазерная очистка его поверхности. В результате получены матрицы микровыступов с плотностью упаковки 210 5 см -2 на сферических вершинах миникатодов и выступы игольчатого типа с аспектным отношением около 500.Ключевые слова : лазерное фрезерование, очистка, стеклоуглерод, автоэмис-сионный катод, острия, столбчатая и игольчатая форма, эмиссия Введение. Одним из перспективных направлений современной вакуумной электроники является создание безнакальных источников электронов для приборов с наносекундным вре-менем готовности, устойчивых к температурному и радиационному воздействию. Создание таких приборов возможно на основе применения автоэмиссионных катодов (АЭК) [1] вместо традиционных, работающих по принципу термоэлектронной эмиссии. Как правило, такие ка-тоды изготавливаются из кремния [2, 3] или стеклоуглерода [4,5]. В качестве эмитирующих центров применяются выступы в форме столбцов [2] или заостренной формы [6], реже ис-пользуются другие вариации.Существуют разные способы получения эмитирующих структур, из которых наиболее распространены термохимический [7], электроискровой [5] и лазерный [8] методы. Структу-ры, изготовленные по термохимической и электроискровой технологии, имеют ряд недостат-ков: длительный процесс изготовления (несколько дней), поскольку необходимо применять различные технологические операции и оборудование, расположенное на разных производ-ственных площадках; влияние посторонних химических элементов на поверхность; ограни-чения по геометрическим размерам. Указанные недостатки удается устранить при лазерном структурировании [9], поэтому лазерное формирование эмитирующих структур становится все более распространенным методом.Выделяют два подхода к изготовлению эмитирующих структур на поверхности мате-риалов [10]: использование процессов самоорганизации структур в материале при воздейст-