В НИИЯФ МГУ разработан наноструктурный материал с уникальными автоэмиссионными свойствами

• 
• Внешний вид поверхности разработанного в НИИЯФ МГУ имени М.В. Ломоносова НКГ-материала. Фото с сайта: www.i-mash.ru

В НИИЯФ МГУ имени М.В. Ломоносова разработан наноструктурный материал с уникальными автоэмиссионными свойствами, делающими его перспективным для реализации приложений вакуумной электроники, включая рентгеновские источники, источники света, вакуумные СВЧ приборы, нейтрализаторы заряда ионных потоков.

В последние годы углеродные наноматериалы являются объектом пристального изучения со стороны исследователей. Вызвано это тем, что наноструктуры обладают рядом уникальных свойств, связанных с размерными эффектами лежащими в основе ряда приложений электроники. При этом из всего множества форм углеродных наноразмерных структур можно выделить две наиболее перспективные с точки зрения практического применения – это нанотрубки и графен, характеризующиеся высокой электронной проводимостью и сравнительно низкой эффективной работой выхода.

Однако большинство устройств, основанных на использовании единичных наноразмерных углеродных структур, несмотря на уникальность результатов, не выходит за рамки лабораторий. Связано это с тем, что на сегодня не существуют эффективные технологии, позволяющие, с одной стороны, вести массовое производство таких устройств, а с другой – снизить себестоимость продукта до экономически оправданного уровня. Поэтому наиболее перспективными направлениями применения углеродных наноструктур пока остаются те, которые основаны на использовании тонких пленок, состоящих из массивов наноразмерных структур.

Для повышения эффективности работы электровакуумных приборов, например, миниатюрных микрофокусных рентгеновских трубок, компактных СВЧ-усилителей и других, углеродные пленки должны обладать однородными по поверхности автоэмиссионными свойствами, хорошей адгезией к подложке, а также способностью пропускать высокие токи. Кроме того, увеличение срока эксплуатации прибора связано напрямую с уменьшением степени деградации автокатода в результате протекания токов. Всем этим критериям удовлетворяют методы, основанные на осаждении пленок из углеродосодержащей плазмы. При этом конечные свойства углеродных пленок во многом определяются процессами, протекающими в плазме в ходе их синтеза.

Нанокристаллический графит, разработанный в НИИЯФ МГУ, формируется в виде тонких пленок, которые могут быть осаждены как на проводящие, так и на диэлектрические подложки методом газофазного синтеза без использования катализаторов роста. НКГ пленки обладают характерной микрореберной текстурой (рисунок 1), образованной преимущественно вертикально ориентированными графитовыми пластинками разной толщины и содержат также некоторое количество нановискеров (усов).

Для синтеза пленок нанокристаллического графита (НКГ) применен метод плазмохимического осаждения в разряде постоянного тока. Кроме того, предложена новая методика создания центров нуклеации пленок нанокристаллического графита, основанная на использовании плазмохимической обработки поверхности в комбинированном ВЧ/СВЧ разряде.

Созданные НКГ-автоэмиттеры значительно превосходят лучшие мировые аналоги на основе алмазоподобных пленок и углеродных нанотрубок по ключевым параметрам: стабильность работы, высокие плотности эмиссионных токов, низкий уровень шума, рекордный ресурс работы в широком диапазоне вакуумных условий.

Применение НКГ-материала открывает принципиальную возможность создания протяженных и многокатодных рентгеновских источников, что открывает возможность реализации технологии пространственного сканирования с помощью управляющей электроники. Задача пространственного сканирования рентгеновского излучателя вокруг исследуемого объекта в ряде применений является ключевой, например, при создании рентгеновских 3D-изображений нестационарных или движущихся объектов. В качестве примера можно привести два, в настоящее время крайне востребованных, применения: создание досмотровых систем (проблема безопасности) и кардиотомографов (медицина), способных работать в реальном режиме времени.

Применение нанокристаллического графита позволяет создать энергоэффективные экологически безопасные и недорогие бытовые источники света на основе катодолюминесцентных ламп с НКГ автокатодом. Проведенные предварительные исследования показали, что энергоэффективность катодолюминесцентной лампы с автокатодом будет более чем в 2 раза превосходить эффективность ламп накаливания, а долговечность не будет уступать бытовым люминесцентным лампам. В течение последнего десятилетия активно разрабатываются концепции перехода в ряде применений в космических исследованиях от единичных крупногабаритных космических аппаратов к набору узкоспециальных малых спутников (< 100 кг). В настоящее время на отечественных и зарубежных космических аппаратах (КА) используются холловские и ионные электроракетные двигатели (ЭРД), обеспечивающие коррекцию и поддержание орбиты в течение длительного периода эксплуатации.

Рассматривая различные варианты электрореактивных двигателей важно отметить, что во всех них применяется принцип ионной тяги, т.е. частицы, составляющие реактивную струю, несут на себе положительный заряд, что позволяет придать им дополнительное ускорение за счет приложения внешнего электростатического поля.

Оптимальным вариантом, обеспечения компенсации электростатического заряда ионного потока ЭРД, является нейтрализатор на основе автоэмиссионного источника электронов, который для своей работы не требует расхода рабочего газа и, тем самым, практически идеально подходит для применения на малых КА в силу ограничений на общую массу и допусков по изменению центровки в результате выработки рабочего тела.

Наконец, существенным преимуществом использования автоэмиссионного катода является нулевое время его включения – это позволяет реализовать работу нейтрализатора не только в непрерывном, но и в импульсно-периодическом режиме, при котором при неизменном общем энергопотреблении можно в широком диапазоне параметров варьировать мгновенные значения тока нейтрализатора.

Несмотря на значительный интерес к использованию в конструкциях ЭРД малой мощности (< 500 Вт) технологии автоэмиссионных катодов, до настоящего времени в мире отсутствуют завершенные разработки как самих двигателей, так и нейтрализаторов на основе углеродных наноматериалов. По сравнению с автоэмиттерами на основе углеродных нанотрубок, свойства которых достаточно хорошо изучены, разработанные в НИИЯФ МГУ автоэмиссионные источники электронов на основе нанокристаллического графита обладают существенно более высокими эмиссионными характеристиками что делает их пригодными для применения в перспективных моделях ЭРД.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.