چکیده

سالیان متمادی محققین تلاش زیادی برای پیدا کردن مادهای با تابع کار کوچک و نقطه ذوب بالا جهت استفاده در گسیل کنندههای حرارتی انجام دادهاند. در این راستا روشنایی و طول عمر زیاد هدف اصلی انتخاب مواد مورد استفاده در گسیل الکترون بوده است. به علاوه در بسیاری از کاربردها توان مصرفی پائین و چگالی جریان بالا پارامترهای تعیین کننده می باشند.در این پایان نامه ابتدا تئوری پدیدههای گسیل الکترون و انواع گسیل کنندههای الکترونی معرقی می گردند. پس از آن اصول عملکرد و روشهای ساخت انواع مختلف گسیل کنندههای حرارتی به تفصیل بررسی شده و اثر پارامترهای مختلف برروی کیفیت گسیل الکترونها مورد مطالعه قرار میگیرد، سپس برخی از کاربردهای آنها معرفی میشود. در ادامه مطابق با امکانات موجود در آزمایشگاه و نیز لزوم داشتن تجربه کافی در استفاده از دستگاه ها و انجام فرایندهای مختلف، روشی مناسب به منظور ساخت گسیل کننده حرارتی انتخاب شده و پارامترهای متفاوت در طی مراحل ساخت کاتد (از جمله دمای زینتر کردن قرص تنگستنی، مدت زمان زینتر کردن قرصی تنگستنی، زمان بارورسازی قرصی تنگستنی زینتر شده) به طور تجربی تعیین می گردند. پس از آن کاتد حرارتی توزیع کننده بارور شده نوع S ساخته شده و تصاویر SEM از متخلخل تنگستنی ساخته شده در طی فرایند ساخت و پس از اتمام فرایند مورد بررسی قرار می گیرند. در پایان سیستم مناسب جهت اندازه گیری جریان گسیل کنندههای حرارتی طراحی شده و چگالی جریان و منحنی مشخصه کاتدهای ساخته شده، اندازهگیری گردید و چگالی جریان ۱۴۸A/cm حاصل شد.

کلمات کلیدی: حرارتی، گسیلی، نانو ساختارهای اکسیدی

فهرست مطالب

فصل اول:مقدمه

۱. مقدمه

گسیل کنندههای الکترونی نقشی حیاتی در زمینه قطعات الکترونیک خلاً دارند. آنها جزء فعال قطعات خلاً جهت تولید پرتو الکترونی میباشند. به علاوه از نقطه نظر علمی نیز مطالعه در این زمینه فرصت مناسبی جهت درک مفاهیم پایه فیزیک حالت جامد و فیزیک سطح میباشد. اگرچه در چند دهه اخیر قطعات حالت جامد جایگزین بسیاری از کاربردهای آنها شدهاند اما به دلیل اینکه فرکانسی مدولاسیون جریان در محیط خلاً میتواند بسیار بالاتر از محیط های جامد انتخاب گردد، همچنان قطعات الکترونیک خلاً در کاربردهای توان بالا یا فرکانس بالا نقشی مهم دارند.اصول عملکرد قطعات الکترونیک خلاً بر پایه تولید جریان پرتو الکترون توسط گسیل کننده الکترونی و انتقال آنها در محیط خلاً می باشد. برای بررسی این موضوع از یک طرف باید گسیل کننده های الکترونی را مورد مطالعه قرار داد و از طرف دیگر اصول فیزیکی مسیر حرکت پرتو الکترونی را در خلاً بررسی کرد که ما در این پایان نامه به بررسی گسیل کنندههای الکترونی میپردازیم. در این راستا گسیل کننده ایده آل به گسیل کنندهای گفته می شود که دارای مشخصات زیر باشد .

۱- یک منبع حاوی تعداد نامحدودی از الکترونها باشد.

 ۲- توانایی انتقال الکترونها از بدنه به سطح را با بازدهای کامل دارا باشد. این موضوع باعث می شود همواره در سطح ماده الکترون برای گسیل موجود باشد.

 ۳- توانایی گسیل الکترونها را با یک انرژی خارجی کوچک دارا باشد.

 ۴- گسیل الکترونهای سطحی در آن به صورت کاملاً یکسان و کنترل شده صورت پذیرد.

 ۵- دارای پایداری و قابلیت اطمینان بالای گسیل در شرایط کار کرد پیوسته و در مدت زمان نامحدود باشد.

اما در واقعیت گسیل کننده ها رفتار متفاوتی از خود نشان می دهند و به ندرت تمامی مشخصات ایده آلی فوق را دارا می باشند. جهت دستیابی به یک منبع نامحدود الکترون میتوان از فلزات (یا نیمه هادی ناخالص شده( استفاده کرد. همچنین برای آزادسازی الکترونها و انتقال آنها به خلاً مقدار مشخصی انرژی لازم است تا بر سد انرژی موسوم به تابع کار غلبه کنند. به طور کلی برای این منظور سه روش عمده وجود دارد. در روش اول انرژی گرمایی منجر به تحریک الکترونها و غلبه بر سد پتانسیل می شود. روش دوم غلبه بر تابع کار، استفاده از میدان الکتریکی است و در روش آخر الکترونها با جذب انرژی تولیدی توسط فوتونها بر تابع کار غلبه می نمایند. دستیابی به گسیل الکترونی کاملاً یکنواخت به دلیل ناهمواری در سطح گسیل کننده عملاً امری غیر ممکن می باشد ولی با استفاده از روشهای ساخت نانوتکنولوژی می توان این پارامتر را بهبود داد. در نهایت با گذشت زمان نیز به دلیل ایجاد تغییر در سطح ماده گسیل کننده عملکرد آن تضعیف می گردد. در ادامه به معرفی سه فرآیند اصلی در گسیل الکترونی میپردازیم.

1-1-گسیل حرارتی 2

1-2-گسیل میدانی 3

1-3-گسیل نوری 4

اصول گسیل الکترونی از کاندهای اکسیدی

اصول گسیل الکترونی از کاندهای اکسیدی

فصل دوم:گسیل کننده های الکترونی

۳-۲ انواع کاتدهای گسیل میدان

کاتدهای گسیل میدان به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند: گسیل کننده میدانی با یک نوک و آرایه گسیل میدانی . همان طور که از اسم انها نیز مشخص است گسیل الکترون در گروه اول از یک نوک بسیار تیز صورت میگیرد و در گروه دوم آرایهای از نوکها برای گسیل الکترون مورد استفاده قرار می گیرند. آرایه – های گسیل میدانی خود به سه دسته تقسیم می شوند: گسیل کننده میدانی اسپیندت، گسیل کننده میدانی سیلیکانی و مابقی کاتدهای سرد . ۱-۳-۲ گسیل کننده میدانی است.اولین آرایه گسیل میدان مجتمع به وسیله اسپیندات و همکارانش در سال ۱۹۶۸ میلادی ساخته شد. از آن پس این آرایهها به نام آرایه های گسیل میدانی اسپیندات معروف شدند. این کاتدها شامل فلزهای مخروطی ازای هریک از این مخروط ها روزنهای هم مرکز با آنها وجود دارد. این روزنه ها مطابق با شکل ۲-۴ بر روی یک الکترود شتابدهنده توری شکل (گیت) ایجاد شدهاند. الکترود بیسی از گیت ایزوله شده است. اعمال یک پتانسیل مثبت به گیت (نسبت به نوک) منجر به گسیل الکترون می شود. معمولاً ارتفاع مخروط ها و ضخامت دی الکتریک Ilm۱، شعاع نوک ها A ۲۰۰۰، شعاع روزنه ها m۵  و فاصله نوک تا نوک در حدود ۵۱ میباشد. مشکل که در این کاتدها وجود دارد آسیب دیدگی نوک و یا اتصالی کوتاه شدن امیتر و گیت و در نتیجه از کار افتادن کاتد است

۲-۳-۲ آرایه گسیل میدانی سیلیکانی

این کاتدها از سیلیکون ساخته شده و با استفاده از پروسه های مختلفی از قبیلی اکسیداسیون امیترهای بسیار نوک تیزی بر روی آن ایجاد میشود لذا با اعمال ولتاژهای کمتری کار می کنند اما در مقابل به دلیل اشباع شدن سرعت الکترونها در سیلیکون جریان کمتری تولید می کنند. مزیت این کاتدها نسبت به کاتدهای اسپیند تا طول عمر بیشتر، سرعت پاسخ دهی بیشتر و پروسه ساخت ساده ترشان می باشد ولی همچنان مشکل آسیب دیدگی نوک وجود دارد

۳-۳-۲ مسابقی کاندهای سرد

در این دسته از کاتدها مشکلات دو کاتد قبلی از قبیل ولتاژ کاری زیاد آنها و در نتیجه طول عمر کم، حساسیت زیادشان به آلایش محیط و همچنین دشواری و هزینه ساخت زیادشان به دلیل عدم نیاز به ایجاد نوکهای بسیار تیز برطرف شده است. این کاتدها به دو دسته تقسیم می شوند: کاتدهای بر پایه کربن و کاتدهای غیر کربنی

2-1-پارامترهای تعیین کننده درگسیل کننده های الکترونی 5

2-2-گسیل میدانی   6

2-2-1-گسیل میدان از فلزات 6

2-2-2-گسیل میدان ازنیمه هادی ها 9

2-3-انواع کاتدهای گسیل میدان 11

2-3-1-گسیل کننده میدانی اسپیندت 11

2-3-2-آرایه گسیل میدانی سیلیکاتی 12

2-3-3-مابقی کاتدهای سرد 12

2-3-3-1-کاتدهای برپایه کربن 13

2-3-3-2-گسیل کننده های غیرکربنی 14

2-4-گسیل نوری 17

2-5-انواع کاتدهای نوری  19

2-5-1-کاتدهای نوری فلزی     19

2-5-2-کاتدهای نوری نیمه هادی  20

2-5-2-1-کاتدهای نوری نیمه هادی با الکترون خواهی مثبت   20

2-5-2-2-کاتدهای نوری نیمه هادی با الکترون خواهی منفی 20

2-5-3-کاتدهای نوری متفرقه 21

2-6-کاربرد گسیل کننده های سرد  21

2-6-1-نمایشگرهای گسیلی صفحه تخت  21

2-6-2-میکروسکوپ های الکترونی   25

شماتیک  یک صفحه نمایش گسیل میدانی

شماتیک یک صفحه نمایش گسیل میدانی

فصل سوم:کاتدهای حرارتی

همانطور که در فصل اول به آن اشاره گردید، اساس کار کاتدهای حرارتی بر حرارت دادن ماده گسیل کننده استوار است. بنابراین در طول سالها تلاش زیادی برای پیدا کردن ماده ای با تابع کار کوچک و نقطه ذوب بالا انجام شده است. در این راستا روشنایی و طول عمر زیاد هدف اصلی انتخاب مواد مورد استفاده در گسیل حرارتی است. همچنین در بسیاری از کاربردها توان مصرقی پائین و چگالی جریان بالا پارامترهای تعیین کننده اند.در این فصل تاریخچه گسیل الکترون از دیدگاه تابع کار مورد بررسی قرار میگیرد. ابتدا با اصول اولیه گسیل حرارتی آشنا می شویم سپس به بررسی انواع گسیل کنندههای حرارتی می پردازیم و پروسه ساخت این دسته از گسیل کنندههای الکترونی مورد بررسی قرار می دهیم. در پایان نیز به بررسی کاربردهای گسیل کنندہ ھای الکترونی می پردازیم

 ۱-۳ فرآیند گسیل حرارتی

به هر فرآیندی که در آن انرژی گرمایی منجر به تحریک الکترونها و گسیل آنها شود گسیل حرارتی می گویند.در این فرآیند انرژی گرمایی داده شده به الکترونها باعث غلبه برسد پتانسیل ناشی از تابع کار جسم و انتقال الکترون به سطح خلا می شود. اما به دلیل طبیعت موج گونه الکترون ها برخی از آنها که انرژی کافی برای غلبه بر سد پتانسیل را دارا می باشند شانس بازگشت به جسم و عدم شرکت در گسیل الکترون را دارند  در سال ۱۹۱۲ چگالی جریان اشباع گسیل حرارتی فلزها توسط ریچاردسون مطابق زیر بدست آمد

۳-۴-۳ کاتدهای توزیع کننده

همان طور که در قسمت قبل اشاره شد چگالی جریان قابل حصولی در کاتدهای اکسیدی محدود می باشد. برای بهبود عملکرد کاتدهای اکسیدی، کاتدهای توزیع کننده در دهه ۱۹۵۰ تا ۱۹۶۰ در آزمایشگاه تحقیقاتی فیلیپس توسعه داده شد. در این کاتدها محلی گسیل الکترون به طور کامل از محلی تولید باریم آزاد جدا شده است. اتم های باریم به طور پیوسته از یک محفظه تامین شده و به سطح گسیل الکترون منتقل می شوند. همچنین کاتدهای توزیع کننده قادر به تولید چگالی جریان در محدوده ۵-۱۰A.Cm می باشند و دمای عملکرد این کاتدها نسبت به کاتدهای اکسیدی (بیشتر است. دمای عملکرد بالای این کاتد ها باعث خراب شدن اجزاء کاتد، کاهش قابلیت اطمینان و افزایش هزینه ساخت می شود. به طور کلی کاتدهای توزیع کننده به دو دسته کاتدهای نوع او بارور شده تقسیم می شوند. به خصوص اخیرا با توسعه کاتدهای اسکاندیمی بدون انکه قابلیت تولید چگالی جریان بالا از دست برود دمای عملکرد کاهش یافته است

۳-۳-۴-۳ کاتدهای اسکاندیمی

الف- تاریخچه کاتدهای اسکاندیمی

هدف نهایی در ساخت کاتدهای بارور شده دستیابی به تابع کاری به کوچکی تابع کار کاتدهای اکسیدی است تا بتوان به چگالی جریانهای بسیار بالا دست یافت. کاتدهای اسکاندیمی یکی از کاتدهای بارور شده است که کمترین تابع کار بدست آمده تا کنون را فراهم می کند. در اواخر دهه ۱۹۵۰ مشخص شد که اضافه کردن SC2O3 به مواد گسیل کننده الکترون باعث بهبود گسیل الکترونی تا چگالی جریانهای بیش از A/cm ۱۰۰ می شود. در اواخر دهه ۱۹۷۰ بود که گروه فیلیپس  اولین نمونه را برای ارزیابی توانایی گسیل الکترون از کاتد باریم اسکاندیم زینتر شده، ساخت. بعدها در اواخر دهه ۱۹۸۰ [۷۶] تولید چگالی جریانی بالا از کاتد نوع MM که مقدار کمی SC2O3 در ماتریس آن به کار رفته بود، گزارش شد. سپس کاتدهای بارور شده با لایه فوقانی متشکل از یک ماتریس مرکب  یک لایه باریک W+SCO3 و یک لایه باریک از W+SCW 3O42 معرفی شدند که با استفاده از فرآیند کندوپاشی و یک لایه فوقانی از Re/SCO3 ساخته شده اند. مشاهده شد که این لایه ایجاد شده بر روی سطح کاتد گسیل الکترونی بسیار خوبی ایجاد کرده و نسبت به کاتدهای نوع M عملکرد بهتری نشان میدهشد. نوعاً در کاتدهای با لایه فوقانی اسکاندیمی به چگالی جریانی در حدود A.cm ۱۰۰ می توان دست یافت در حالیکه این مقدار در دمای مشابه برای کاتدهای نوع M برابر با A.cm ۱۵ میباشد. این مقدار حتی در کاتد اسکاندیمی ADها  بسیار بهبود یافته و به A.Cm ۴۰۰ میرسد. اخیراً نیز گروه وانگ کاتدهای اسکاندیمی بارور شده مخلوط را در ابعاد نانومتری را توسعه داده اند که قادر به تولید چگالی جریانی به بزرگی کاتد اسکاندیمی AD است

3-1-فرآیند گسیل حرارتی 28

3-2-بررسی اثر پارامتر دما 30

3-3-بررسی اثرتابع کار  33

3-3-1-تابع کار براساس روابط پدیده شناختی   35

3-3-2-بررسی تابع کار ازنظر تئوری 41

3-4-انواع کاتدهای حرارتی 44

3-4-1-کاتدهای مواد خالص 45

3-4-1-1-کاتدهای فلزهای دیرگداز 45

3-4-1-2-کاتدهای مواد مرکب 46

3-4-2-کاتدهای اکسیدی 4

3-4-3-کاتدهای توزیع کننده 53

3-4-3-1-کاتد نوع L ومشتقات آن 54

3-4-3-2-کاتد بارور شده و مشتقات آن 56

3-4-3-3-کاتدهای اسکاندیمی  61

3-4-4-بررسی روشهای ساخت کاتدهای حرارتی 70

3-4-4-1-ساخت کاتد با روش پرس کردن   71

3-4-4-2-ساخت کاتد با روش بارورسازی    72

3-5-کاربرد گسیل کننده های حرارتی 74

شمای گسیل کننده های الکترونی MIM

شمای گسیل کننده های الکترونی MIM

فصل چهارم:ساخت گسیل کننده های حرارتی درآزمایشگاه نیمه هادی دانشکده برق

در این فصل فرآیند ساخت گسیل کننده حرارتی ساخته شده در آزمایشگاه تشریح میگردد. مراحل ساخت این نوع گسیل کننده حرارتی، همانطور که قبلا توضیح داده شد، شامل فرآیندهای پرس کردن پودر تنگستن، زینتر کردن قرصی تنگستنی و بارورسازی قرص حاصل می باشد. در این فصل ابتدا روش ساخت مناسب انتخاب شده، سپس فرآیند ساخت گسیل کننده حرارتی مرحله به مرحله توضیح داده شده و به کمک تصاویر SEM مورد بررسی قرار می گیرند.

۱-۴ انتخاب روش ساخت

در فصل ۳ انواع گسیل کننده های حرارتی و روش های ساخت آنها به تفصیلی مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به امکانات موجود در آزمایشگاه نیمه هادی و میکروتکنولوژی دانشکده برق، ساخت گسیل کنندههای حرارتی توزیع کننده بارور شده نوع S در نظر گرفته شد. این نوع از کاتدهای حرارتی پایه ساخت بسیاری از کاتدهای حرارتی دیگر بوده و در عمل موفقیت در ساخت این نوع از گسیل کننده های حرارتی، ساخت بسیاری از کاتدهای دیگر از این خانواده را ممکن میسازد.

۴-۴ پروسه زینتر کردن

در گام بعد برای ساخت کاتدهای حرارتی باید قرص های تنگستنی را که طی پروسه پرس کردن حاصل شد. زینتر کنیم. برای این منظور باید قرصی مذکور را در دمای حدود oc ۲۵۰۰ و در محیط خلا یا هیدروژنی زینتر کنیم. از طرفی با توجه به عدم دسترسی به کوره ای با قابلیت کارکرد در دمای C ۲۵۰۰ بر آن شدیم که با بهینه سازی عملکرد دستگاه لایه نشانی تبخیر پرتو الکترونی پروسه زینتر کردن را به انجام برسانیم. با توجه به اهمیت این پروسه در ساخت کاتدهای حرارتی در این قسمت ابتدا مروری بر تئوری پروسه زینتر کردن کرده و پارامترهای تاثیر گذار در این فرآیند را معرفی می کنیم. سپس روش استفاده شده در این پایان نامه را بررسی می کنیم.

۱-۴-۴ مروری بر تئوری پروسه زینتر کردن

زمانیکه انرژی حرارتی به یک پودر متراکم اعمال می شود، این پودر چگال تر شده و متوسط اندازه گرین افزایش مییابد به این پروسه زینتر کردن می گویند. به عبارت دیگر زینتر کردن یک تکنیک پردازش است که با اعمال انرژی حرارتی برای تولید پودر مواد و ترکیبات فلزی یا سرامیکی با چگالی کنترل شده، به کار می رود. همانطور که در شکل ۴ – ۴ مشاهده می شود اتفاقی که در حین این پروسه رخ می دهد فشرده سازی و بزرگ شدن اندازه گرین می باشد.به طور کلی هدف از زینتر کردن ایجاد اجزاء زینتر با قابلیت تولید مجدد و طراحی ریز ساختارها از طریق کنترل متغیرهای زینتر می باشد. کنترل ریز ساختارها به معنای کنترل اندازه گرین، چگالی ماده زینتر شده، اندازه و توزیع ذرات می باشد. در بسیاری از حالات هدف نهایی از کنترلی ریز ساختارها فراهم کردن یک بدنه کاملاً چگال با یک ساختار با اندازه گرین های یکسان است

4-1-انتخاب روش ساخت  76

4-2-مشخصات مواد اولیه مورد نیاز 76

4-3-پروسه پرس کردن  77

4-3-1-طراحی وساخت قالب پرس 78

4-3-2-مراحل انجام پروسه پرس کردن 79

4-4-پروسه زینتر کردن 81

4-4-1-مروری برتئوری پروسه زینتر کردن 81

4-4-1-1-انواع زینتر کردن 82

4-4-1-2-متغیرهای زینتر کردن 83

4-4-2-بررسی پروسه زینتر کردن انجام شده درآزمایشگاه نیمه هادی ومیکروتکنولوژی  84

4-4-2-1-بهینه سازی کارکرد دستگاه لایه نشانی تبخیر پرتو الکترونی 85

4-4-2-2-زینتر کردن به روش تابش پرتو الکترونی 88

4-5-بررسی پروسه بارورسازی انجام شده دراین پروژه  97

4-6-پروسه شستشو 98

مراحل فرآیند گسیل نوری

مراحل فرآیند گسیل نوری

فصل پنجم:اندازه گیری گسیل حرارتی

۱-۵ محفظه ی خلاً

محفظه ی خلاً مورد استفاده در آزمایشهای اندازه گیری گسیل الکترونی، محفظه خلاً دستگاه لایه نشانی تبخیر الکترونی مورد استفاده در پروسه زینتر کردن و بارورسازی میباشد که از طریق دو پمپ رو تاری و دیفیوژن قادر به ایجاد خلاً ۱۰ × ۱ می باشد. شکل ۵-۲ سیستم اندازهگیری مورد استفاده و نصب شده در آزمایشگاه را نشان میدهد. لازم به ذکر است که در این شکل کاتد، آند در محفظه ی خلاً قرار دارند و در تصویر دیدہ نمیشود۔

۲-۵ منبع تغذیه ولتاژ بالا

منبع تأمین ولتاژ مورد استفاده در سیستم اندازه گیری گسیل الکترونی، یک منبع تغذیه ولتاژ بالا میباشد که قادر به تولید ولتاژ kV ۶ و جریان mA ۱۰۰ می باشد که در آزمایشگاه نیمه هادی موجود است (شکل ۳-۵). این منبع به منظور جهت دهی به الکترونهای گسیلی از کاتد حرارتی به سمت آند استفاده می شود. جهت اتصال خروجی های منبع تغذیه از دو قید تر و استفاده شده است

۵- ۳ منبع جریان

منبع جریان مورد استفاده در سیستم اندازه گیری گسیل الکترونی قادر به تولید جریان A ۲۵۰ میباشد که در آزمایشگاه نیمه هادی موجود است (شکل ۵-۴). این منبع نیز جهت اعمال حرارت مورد نیاز برای گسیل الکترون .3 کاتد حرارتی ساخته شد ه در آزمایشگاه می باشد. جهت اتصال خروجی منبع جریان به دو سر کاند حرارتی در داخلی چمبر نیز از دو فیدتروی جریان بالا استفاده شده است.

نمودار انرژی پتانسیل الکترون ها در سطح یک فلز

نمودار انرژی پتانسیل الکترون ها در سطح یک فلز

نتیجه گیری و پیشنهادات برای کارهای آتی

در بخش اول این پایاننامه، انواع مکانیسم های گسیل میدان و پارامترهای مهم آنها مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه و بخش دوم و سوم، انواع گسیل کننده های الکترونی معرفی شدند و در بخش پایانی، ساخت کاتد حرارتی توزیع کننده بارور شده در آزمایشگاه نیمه هادی به تفصیل و مرحله به مرحله مورد مطالعه و آنالیز قرار گرفت. روش ساخت انجام شده، شامل فرآیندهایی همچون پرسی کردن، زینتر کردن، بارورسازی تنگستن زینتر شده توسط اکسید باریم، آلومینیوم و کلسیم است. نتایج SEM هر بخشی از فرایند ساخت بیانگر صحت فرایندهای انجام شده در آزمایشگاه و ساخت گسیل کننده حرارتی با چگالی جریان A/cm ۱/۴۸ می باشد. نتایج کسب شده نشان میدهند که مهمترین عامل مؤثر بر روی فرآیند ساخت، دمای پروسه زینتر کردن می باشد. ضمن اینکه پارامترهایی مانند درصد خلوص تنگستن خریداری شده و نیز دمای پروسه بارورسازی تأثیر گذار هستند.سپس به منظور اندازه گیری چگالی جریان گسیل الکترونی از کاتد ساخته شده، یک سیستم اندازه گیری جریان گسیل الکترونی طراحی و ساخته شد. اندازه گیری های انجام شده نشان دهنده توانایی تولید جریان گسیل A ۱/۴۸ در هر سانتی متر مربع می باشد.

پیشنهاد می شود در کارهای آینده، از فلز اسکاندیم در پروسه ساخت استفاده گردد و تأثیر آن بر روی ولتاژ عملکرد و جریان گسیلی کاتدها مورد بررسی قرار گیرد. استفاده از روش نانولیتوگرافی برای ساخت کاتد های نوع CPD و بررسی کیفیت گسیل الکترونی ایجاد شده، لایه نشانی نانومتری مواد با تابع کار کمتر از تنگستن و بررسی اثر آن بر روی گسیل، بررسی فرایندهای بهبود کیفیت الکترونهای گسیلی نظیر فرایند شکل دهی کاتد و ساخت آن به صورت مقعر و … از دیگر پیشنهادات می باشد. سیستم تست گسیل حرارتی ساخته شده در این پروژه، یک سیستم جریان مستقیم است. این سیستم می تواند در آینده و با استفاده از منبع تعذیه ولتاژ بالا با قابلیت سوئیچ زنی تعمیم یافته و برای محاسبه ی زمان پاسخ دهی گسیل کننده حرارتی مورد استفاده قرار گیرد.

5-1-محفظه ی خلا  100

5-2-منبع تغذیه ولتاژ بالا 101

5-3-منبع جریان  101

5-4-سیستم اندازه گیری جریان گسیل الکترونی  102

5-5-کاتد وآند 102

5-5-1-نحوه اتصال کاتد وآند 103

5-6-سیستم اندازه گیری دمای کاتد حرارتی 104

5-7-نتایج اندازه گیری گسیل الکترونی 106

نتیجه گیری وپیشنهادات برای کارهای آتی    109

منابع ومراجع    110

نمودار انرژی پتانسیل الکترون ها در سطح یک نیمه هادی نوعn با نفوذ میدان داخل نیمه هادی

نمودار انرژی پتانسیل الکترون ها در سطح یک نیمه هادی نوعn با نفوذ میدان داخل نیمه هادی

فهرست شکل ها

شکل ۲-۱. نمودار انرژی پتانسیل الکترونها در سطح یک فلز     7

شکل ۲-۲. مقایسه شکلهای تقریبی با حلهای دقیق برای توابع گسیل میدان فاولر – نوردهایم         8

شکل ۲-۳. نمودار انرژی پتانسیل الکترونها در سطح یک نیمه هادی نوع با نفوذ میدان داخل نیمه هادی       10

شکل ۲-۴. شمای کلی گسیل کنندههای الکترونی اسپیندت    12

شکل ۲-۵. شمای گسیل کننده های الکترونی         16

شکل ۲-۶. شمای گسیل کننده های الکترونی هدایت سطحی       16

 شکل ۲-۷. مراحل فرآیند گسیل نوری          17

شکل ۲-۸. شماتیک یک صفحه نمایش گسیل میدانی    24

شکل ۳-۱. وابستگی جریان گسیل بر دمای عملکرد       33

شکل ۳-۲. نمودار انرژی پتانسیل          34

شکل ۳-۳. رابطه تابع کار عناصر منفرد و الکترونگاتیوی   36

شکل ۳-۴. مقایسه ای بین توابع کار تئوری و عملی          40

شکل ۳-۵. مقایسه ای بین تابع کار نظری و عملی عناصر فلزی     43

شکل ۳-۶، پیشرفت در چگالی الکترون گسیلی کاتدهای حرارتی در قرن بیستم  47

شکل ۳-۷. قابلیت گسیل کاتدهای هگزا بوراید     47

شکل ۳-۸. اصول گسیل الکترونی از کاتدهای اکسیدی      50

شکل ۳-۹. بهبود عملکرد کاتدهای اکسیدی        52

شکل ۳- ۱۰. شمای عرضی کاتد نوع CPD ا    55

شکل ۳-۱۱. شمای عرضی کاتد استاندارد بارور شده        56

شکل ۳-۱۲. شمای عرضی کاتد نوع Mا      60

شکل ۳-۱۳. مقایسه ی توزیع تابع کار کاتدهای نوع L و Mا       61

شکل ۳-۱۴. شمای عرضی کاتد نوع MMا  60

شکل۳-۱۵. شمای کاتد با لایه فوقانی هاسکر      64

شکل ۳-۱۶. شمای کاتد با لایه فوقانی یا ماموتو       65

شکل ۳-۱۷. شمای کاتد اسکاندیمی با ماتریس مخلوط یاماموتو       67

شکل18-3منحنی چگالی جریان برحسب ولتاژ ماتریس Sc-O-w با چهار پروسه متفاوت        68

شکل ۳-۱۹. مراحل ساخت کاتد با روش پرس کردن        72

شکل ۳-۲۰. مراحل ساخت کاتد با روش بارورسازی        73

شکل ۴-۱. شمایی از قالب پرسی مورد استفاده در ساخت کاتدهای حرارتی      78

شکل ۴-۲. نمایی از قرص های تنگستنی پس از انجام پروسه پرس کردن       80

شکل ۴-۳. تصویر میکروسکوپ نوری از سطح پودر تنگستن پرسی شده با بزرگنمایی        80

شکل ۴-۴. پدیده فشرده سازی و بزرگ شدن اندازه گرین در حین زینتر کردن        82

شکل ۴-۵. شمای دستگاه لایه نشانی تبخیر پرتو الکترونی موجود در آزمایشگاه نیمه هادی  84

شکل ۴-۶، شمای از محل قرار گرفتن بوت گرافیتی دستگاه لایه نشانی تبخیر پرتو الکترونی       88

شکل ۴-۷تصویرSEM نمونه s1 پس از پروسه زینتر کردن با جریان گسیل        91

شکل8-4  تصاویرSEM نمونه های S3 و S4 پس از پروسه زینتر کردن   92

شکل ۴-۹. تصویر SEM نمونه S5 پس از زینترینگ باجریان گسیل      93

شکل ۴- ۱۰. تصاویر SEM ا    94

شکل ۴-۱۱. تصاویر SEM ا    94

شکل ۴-۱۲. تصویر SEMا     96

شکل ۵-۱. شمای کلی سیستم اندازهگیری گسیل میدان ساخته شده در آزمایشگاه میکروتکنولوژی           99

شکل ۵-۲. محفظه خلا مورد استفاده در سیستم اندازهگیری گسیل حرارتی        100

شکل ۵-۳. منبع تغذیه ولتاژ بالا       101

شکل ۵-۴. منبع جریان      102

شکل ۵-۵. ساختار مورد استفاده به منظور تنظیم فاصله کاتد و آند      103

شکل ۵-۶. شمایی از نمایشگر ترموکوپلی       104

شکل ۵-۷. الف) فیدتروی ترموکوپلی از نمای کناری ب) فیدتروی ترموکوپل از نمای بالا      104

شکل ۵-۸. نحوهی اتصال سیم ترموکوپل به کاتد حرارتی    105

شکل ۵-۹. نمایی از سیستم اندازه گیری گسیل حرارتی پس از قرارگیری کاتد و آند در فاصله مناسب       106

شکل ۵-۱۰. منحنی جریان گسیل الکترون برحسب ولتاژ اعمالی، اندازهگیری شده برای کاتد حرارتی        نوع S.با سطح مقطع ۰/۲۸ سانتی متر مربع      107

شکل ۵-۱۱. منحنی چگالی جریان گسیل الکترون برحسب ولتاژ اعمالی، اندازهگیری شده برای کاتد

حرارتی نوع S با سطح مقطع 28/0 سانتی متر مربع   107

فهرست جدول ها

جدول۲-۱مقایسه انواع کاتدهای نوری          22

جدول ۳-۱. مقایسه انواع کاتدهای حرارتی      69

جدول ۴-۱. پارامترهای مهم پودر تنگستن      77

جدول ۴-۲. پروسه زینتر کردن ۸ نمونه قرص تنگستنی در زمان ثابت ۵ دقیقه و خلاً شروع به کار ۱۰×۲میلی بار      90

جدول ۴-۳. پروسه زینتر کردن ۸ نمونه قرص تنگستنی در جریان گسیلی فیلمان ثابت mA ۵۵ و خلاً

شروع به کار ۱۰ ×۲ میلی بار      95


Abstract

For years, in thermionic emission, a great deal of scientists’s effort has been devoted to the search for low work function materials with high melting temperature. In this way, high brightness and long life are the central targets of emission material investigations. In addition, high current density and low power consumption are the guiding principles for some applications. In first part of this thesis, basic electron emission theories, fabrication methods of thermionic emission, effect of different parameters on the electron emission properties of thermionic emitters and applications of them are investigated. After setting up fabrication methods of S type cathode, in the second part of thesis, tungsten pellets are sintered using electron beam evaporation systems and S type cathode are fabricated and as a result completely open prosity tungsten pellets are achieved. Improvements in methods, results and SEM images of different parts of the fabrication process are demonstrated. At the final stage, current density and electron emission I V characteristics are measured.

Keywords: Thermionic, Emission, Oxide based mano-structures.


تعداد صفحات فایل : 110

مقطع : کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

خرید فایل pdf و word

قبل از خرید فایل می توانید با پشتبانی سایت مشورت کنید