Vpliv vključkov v materialu elektrod na njihovo vedenje v močnem električnem polju
The Influence of Inclusions in Electrode Material to their Behaviour In Strong Electric Field
Nemanič V.1, L. Županc-Mežnar, M. Žumer, IEVT, Ljubljana
Stabilnost delovanja elektronsko-optičnega (EO) sistema v visokem vakuumu je zelo odvisna od stanja elektrod. V močnem električnem polju pride lahko do pojavov hladne emisije (HE), kopičenja površinskega naboja na izolatorjih, ipd, kar privede v danem trenutku do preboja. Priprava elektrod za delovanje na predpisanih napetostih, t.i. kondicioniranje, je zadnja faza obdelave. Enako pomembne pa so zgodnejše faze ' izdelave. Poznan je vpliv izbire materiala, mehanske in kemijske obdelave površin in možen vpliv naključnih delcev na površini. Manj raziskano pa je vedenje vključkov izolatorjev, ki so nastali v zlitini ob metalurškem procesu. Robove elektrod iz nerjavnega jekla, kijih nismo uspeli kondicionirati z visoko napetostno obdelavo, smo kemijsko pojedkali. Vkjučke, ki so postali na slikah, dobljenih z vrstičnim mikroskopom, razločno vidni, smo preiskali z elektronskim mikroanalizatorjem. Pokazalo se je, da je titanov karbid nastal pri izdelavi jekla kot dodatek za stabilizacijo ogljika in preprečitev interkristalne korozije. Njegove lastnosti nam pojasnijo težave pri kondicioniranju elektrod oz. nestabilno vedenje elektronsko optičnega sistema. Prekritje kritičnih delov elektrod z zlatom se je pokazalo za eno od sprejemljivih in dokaj uspešnih metod za odpravo pojavov, ki jih lahko povzročajo vključki.
Ključne besede: elektronsko-optični sistem, močno električno polje, visoki vakuum, stabilno delovanje
Stable operation of electro-optical system in high vacuum is mainly dependent on electrode surface condition. In strong electric field, several surface phenomena can arise: field emission, surface charging of dielectric particles, ionization and finally break down or arcing. The most important step in electrode1 s surface preparation before svvitching on the high voltage is called conditioning, vvhen surface defects, which are responsible for undesired phenomena, are destroyed. Ali other manufacturing steps are nearly of same importance, starting from material selection, mechanical treatment and cleaning. Edges of electrodes, from vvhich field emission have arised, vvere inspected by scanning electron microscope and electron microanalyzer after chemical etching. Microinclusions of titanium carbide vvere found vvhich could be responsible for field emission and inefficient high voltage conditioning. Some test electrodes vvere prepared vvith golden layer in order to diminish influence of carbide inclusions. Improved characteristics of high voltage gap vvere observed.
Key vvords: electo-optical system, strong electric field, high vacuum, stable operation
1. Uvod
Elektronsko optične naprave so v zadnjih desetletjih doživele mnogo izboljšav, povezanih z boljšim poznavanjem materialov in ustreznejšimi metodami kontrole pri procesiranju. Morda je to najbolj izraženo pri katodnih elektronkah (CRT).
mag. Vincenc NEMANIČ. dipl. m/ fi/. Inštilul /a elektroniko in vakuumsko tehniko Teslova M). 0] I 1 I Ljubljana
danes široko uporabljenih kot računalniški monitorji in TV zasloni. V obeh tipih naprav je bistvena lastnost vedenja elektrod v močnem električnem polju, kije potrebno za visoke zahteve po svetlosti in resoluciji slike1. Elektronsko optični sistem ne sme doživeti nikakršnega preboja v celotnem času delovanja. Celo več, med elektrodami so dopustni minimalni tokovi, ki ne smejo preseči zahtevanih meja, saj sicer lahko posredno povzročajo nestabilno delovanje EO sistema, parazitno svetenje na zaslon, lahko pa so vzrok za električni preboj .

2. Teoretične osnove
Pri zasnovi elektronsko optičnih naprav je v praksi potrebno upoštevati, da se začnejo v reži med elektrodama oz. na njunih površinah procesi, ki vodijo do hladne emisije in kasneje do preboja mnogo prej kot bi pričakovali. Za takšno vedenje niti ni odločilna sestava ali tlak plina, saj so pojavi podobni v visokem in ultravisokem vakuumu, ki je standardno okolje za delovanje EO naprav.
Danes je najbolj zadovoljiv in z meritvami potrjen opis procesov med elektrodama sledeč: na še tako skrbno obdelanih površinah se pojavijo lokalni defekti (iz materiala elektrod, delci prahu ali adsorbati), ki zaradi oblike in sestave lokalno povečajo električno polje, da lahko pride do hladne emisije. Po Fovvler-Nordheimovi enačbi" je potrebna jakost električnega polja na vrhu kovinskega emiterja 5.10" V/m. Iz merjenega toka in znane makro jakost i polja sledi, daje površina emiterja reda 10 xnr.
Spremljajoči pojavi, ki lahko privedejo do pfeboja pa si slede takole: emisijsko mesto se zaradi Joulovega segrevanja ogreje do razmeroma visoke temperature, ki sprosti na površini in v materialu ujete pline. Tok elektronov, ki teče na anodo, jo na mestu curka lokalno segreje, saj prenaša moč UI. Tudi na anodi se sprostijo plini, ki lokalno povečajo tlak v reži. Zaradi ionizacije ob trkih elektronov in nasproti gibajočih se elektronov pride do nastanka prevodne plazme oz. obloka. Od jakosti električnega napajalnika je odvisno, kakšne posledice bo imel preboj. Za EO sistem katodne elektronke ni dopusten niti pojav hladne emisije, kaj šele preboj, ki lahko uniči poleg sistema še napajalnik.
Za vakuumska stikala, ki so bila v času razvoja predmet obširnih raziskav HE in prebojev, in o katerih najdemo največ literature" je posamični preboj le eden od mnogih dopustnih, z edino zahtevo da na elektrodah ni pretiranih sledi. Dopustni tokovi pri razklenjenih elektrodah so v stikalih mnogo večji, poleg lega so večino časa stikala sklenjena.
Pri delovanju EO sistema v miniaturnih katodnih elektronkah lahko pride do dodatnih mehanizmov vzbujanja lokalnih mikro emiterjev:
-	naelektritev neprevodnih delcev, ki lebdijo ali so vključeni v material elektrod z elektroni, ki se odbijajo od anode. Delež sekundarnih elektronov je močno odvisen od materiala anode. Koeficient sekundarne emisije pri dielektrikih je v območju napetosti od 3-10 kV med 3 in 5, pri kovinah pa je vedno nižji od 1. V katodnih elektronkah, ki smo jih preučevali, moramo za razumevanje vedenja elektrod upoštevati vsaj elastično odbite elektrone.
-	optično oz. UV vzbujanje je po novejših teorijah in eksperimentih upoštevanja vreden mehanizem, ki privede do HE5. Del svetlobe, ki nastane ob trku primernih elektronov, osvetljuje izpostavljena mesta elektrod. Spekter svetlobe pa ima dokaj izraženo UV komponento.
Naelektreni polprevodniki oz. izolatorji zaradi nižjega izstopnega dela emitirajo lažje kot kovine. HE iz površine kovinske katode pojasni nastanek mest, prekritih s tanko plastjo dielek-trika. Ta je lahko adsorbat, ki je po nezadostnem čiščenju ostal na površini tudi po vakuumskem procesiranju, lahko je to naključni delec prahu ali vključek. ki je nastal v metalurškem procesu. Dinamika pojavljanja HE in natančnejši eksperimenti zadnjih Jet potrjujejo veljavnost teorije"'. Razvoj dogodkov, ki privedejo do preboja, pa je enak kot pri nestimuliranih emiterjih.
Pripravo elektrod za delovanje na visoko napetost imenujemo kondicioniranje. S kratkim pulzom, ki privede do preboja, želimo emisijsko mesto uničiti. Dovedene energije naj bi bilo dovolj ravno za izparitev mikrodefekta, ne pa za uničenje večje
površine in nastanka novih emiterjev. Namesto pulzne napetosti se lahko uporabi VF napetost s podobnim načinom delovanja. Težava v obeh načinih je lahko kapacitivnost elektrod, ko nakopičen naboj ob zadostni napetosti za preboj presega optimalni odmerek energije.
3. Eksperimentalni del
V miniaturni katodni elektronki tvorita glavno bipotencialno lečo EO sistema kovinski valj (na potencialu +1.5 kV) in na stekleno cev nanesen grafitni premaz (na potencialu od +7 do + 10 kV). slika 1. Poljska jakost med njima je le 6.10" V/m.
Slika 1: Prerez miniaturne katodne elektronke / glavnimi sestavnimi deli. Močno električno polje nastopi med kovinskim valjem druge anode in grafitnim valjem tretje anode na ekranskem potencialu Figure 1: Crossection of miniature cathode ray tube vvith main elements. Strong electric field arises betvveen metal cvlinder and aquadag third anode. vvhich is on sereen potential
Geometrijski faktor ojačanja zaradi roba kovinskega valja dvigne poljsko jakost na robu cilindra do 10 V/m . Vseeno pa smo kljub skrbni mehanski obdelavi in čiščenju pogosto ob priklopu vzbudili hladno emisi jo, ki je lepo vidna na bližnjem lu-miniscentnem zaslonu, slika 2. Vakuum zataljene elektronke je bil vedno boljši od 5x10 7 mbar. Elektrodo smo kondicionirali s kratkim napetostnim pulzom (15-30 kV. 5-10 ms) z enako po-lariteto kot jo ima DC napetost med delovanjem. Grafitna elektroda namreč ne vzdrži kondiciranja z obratno polariteto. ker lokalna sila lahko iztrga delce. Rezultati kondicioniranja so bili dokaj različni, zato smo obdelane elektronke razvrstili na štiri skupine, odvisno od tega. pri katerih pogojih se je oz. se ni pojavila HE. Kriterij je bil vezan na določene predpisane pogoje testiranja, ki so:
pojav HE pri +70 C kot na -40 C: Po izklopu in daljšem čakanju se elektronka vede znova normalno. HE se pojavi po enakem času od vklopa elektronskega snopa.
V	četrto skupino lahko uvrstimo elektronke v katerih je kondieioniranje povzročilo trajne poškodbe elektrod in se HE pojavlja že v pogojih a) in b). Takšne poškodbe lahko povzroči preboj, ki se razvije v oblok. Ta lahko površino močno spremeni, kar prikazuje slika 3.
4. Diskusija
V	prvi skupini elektronk je HE posledica kovinskih mikro-protruzij ali rahlo vezanih delcev na površini, kijih z enim ali več napetostnimi sunki izparimo oz. razpršimo v okolico. Za njimi ni več ostankov z ostrimi robovi \
V	drugi skupini elektronk smo primarne emiterje delno uničili, a so lahko nastali novi, ki smo jih uničili z. nadaljnim pulznim kondicioniranjem.
Za razlago pojava HE v tretjem primeru nismo imeli oprijemljivih literaturnih podatkov. Avtorji niso izvajali meritev ob predhodnem ali hkratnem bombardiranju površine katode z. elektroni. ki ne izvirajo od nje same. To pa se je dogajalo pri nas. Primarni elektronski curek je skeniral po anodnem zaslonu, ki ga predstavlja 100 nm debela plast aluminija, naparjenega na lu-miniscentni zaslon. Od tu se je delno reflektiral v prostor proti drugi anodi, s stališča HE je to proti katodi. Nerjavno jeklo iz katerega je ta izdelana, je imelo po domnevi na površini delno adsorbirano plast nečistoče ali vgrajen vključek dielektrika, ki se je v določenem času naelektril in pričel emitirati". Zaradi dielek-trične narave in dobrega toplotnega stika z okolico, kondieioniranje nanj nima vpliva.
Slika 4: Mehansko polirana površina druge anode nima vidnih vključkov
Figure 4: Mechanically polished edges of the second anode shows no inclusions
Za potrditev domneve smo izbrali nekaj elektronk iz tretje skupine, kjer se je HE pojavila vedno po enakem času od začetka vklopa elektronskega snopa. Stekleni balon smo odprli in rob druge anode natančno pregledali z elektronskim mikroskopom. Pri pregledovanju površine smo zaznali dokaj gladko ploskev, brez vidnih štrlečih vključkov. slika 4. Po elektro eroziji v ustreznem jedkalu so se začele prikazovati dobro skrita zrna. ki smo jih prepoznali kot TiC, slika 5. Njihova velikost je bila v območju 1 pm določitve, natančnejše oblike kristalov metoda SEM
Slika 2: Emisijska mesta ležijo na skrajnem robu druge anode
Figure 2: Emission sites lie on extreme e dge of second anode
a)	delovanje na sobni temperaturi brez delovnega toka, nominalna napetost anode 7.5 kV
b)	enako kot v a), napetost anode 10 kV
c)	delovanje na sobni temperaturi z obremenitvijo zaslona z min. 2 liA na površini rastra 2cm pri nominalni napetosti
d)	delovanje na -40°C oz. +70°C z, obremenitvijo zaslona kot v c)
Prvo skupino predstavljajo elektronke, ki so po enem ali dveh napetostnih pulzih ostale brez hladne emisije v vseh predpisanih pogojih delovanja.
Drugo skupino tvorijo elektronke, ki so neomenjeno dolgo vzdržale na pogojih a) hladna emisija se je pojavila pri b). Ponovno kondieioniranje je skoraj vedno prineslo izboljšanje.
Tretjo skupino predstavljajo elektronke, ki so brez. HE delovale neomenjeno dolgo v pogojih a) in b). pojavilo pa se je po krajšem času npr. 10 min v pogojih c) ali d.) Opažen je hitrejši
Slika 3: Rob druge anode po daljšem delovanju obloka. Vidni so ostanki pretaljenega materiala v obliki kapljic, mnogi robovi pa so dovolj ostri tla izzovejo hladno emisijo Figure 3: The edge of second anode after some seconds of arcing. Melted material is seen in the form of droplets and sharp edges, able to further induce field emission
ne omogoča. Izvor TiC v nerjavnem jeklu je poznan, saj izvira iz postopka izboljševanja materiala in sicer že v fazi priprave zlitine. torej že v metalurškem procesu. Drug možen vzrok vnosa zrn bi bila mehanska obdelava elektrod, a smo to možnost eliminirali. Titanov karbid ima poleg trdnosti še visoko tališče, zaradi česar gaje s kondieioniranjem težko obdelati.
Slika 5: Kemijsko jedkanje razkrije mikrovkjučke TiC Figure 5: Chemically etehed surface shovvs several microinclusions of TiC
Za dokaj uspešno metodo zmanjšanja HK se je v našem primeru izkazalo prekrit je dela anode, kjer nastopi ojačano električno polje, z nanosom zlata debeline cca. 1 |jm. Omenjeno število vzorcev in možnost pojava Hli zaradi prej opisanih
vzrokov, pa žal ne potrjujeta, da je metoda vedno uspešna. Še ustreznejša metoda bi verjetno bila izdelati elektrodo iz materiala z nizkim deležem trdnih vključkov. pretaljenega v vakuumu. Takšno rešitev so ubrali pri izdelavi RF celic pospeševalnika. kjer druge rešitve niso zadoščale /.
Analiza vzrokov HE v četrti skupini elektronk se da pojasniti s pomočjo slike 3. saj že makroposnetek nakazuje razdejanje, ki nastopi pri premočnem kondicioniranju ali delovanju obloka.
5. Zaključek
Stabilno delovan je EO sistema katodnih elektronk je odvisno od izbire materiala, mehanske obdelave, čiščenja elektrod in kondicioniranja pred vklopom visoke napetosti. V večletnem delu smo z zasledovanjem postopkov obdelave in rezultati meritev uspeli razvrstiti tipe HE na več skupin, od katerih se nekatere dajo odpraviti, pri drugih pa kondicioniranje ne prinese izboljšave. Med ustaljene postopke za zmanjšanje pojava HE smo uvrstili še zlatenje izpostavljenega roba kovinske elektrode, ki je pri testni skupini elektronk prinesla optimistične rezultate.
Literatura:
H. Blume. H. Roehrig: High resolution high brightness CRT displav svstems: Update on the state of the art. SID Int. Svmp. Digest of Technical papers. Vol.XXV, June 1994 : K. G. Hernquist: High voltage processing and are suppression for color pieture tubes, I lth Int. Svmp. on Discharges and Electr. Insul. in Vacuum. Berlin." Sept. 1984 R. V. Latham: Vacuum, 32, 1982. 3 ■ G. A. Farrall: EI 20. 1985, 5 5 J. Halbritter: Appl. Phys. A39, 1986
" R. V. Latham: Hieh-voltace vacuum insulation. New horizons. IEEE Trans, on Electrical Insulation. Vol. 23. 1988. 5. 881-895 J. M. Laffertv : Vacuum Arcs. John Wiley & Sons. 1980 8B. Bonin: Field emission and surface conditioning, Vacuum, v tisku.