Источники рентгеновского излучения с холодным полевым катодом, содержащим углеродные нанотрубки (УНТ) в качестве эмиттера, получили широкое распространение и доказали свою эффективность благодаря высоким эмиссионным свойствам УНТ.

Особенно привлекательны такие приборы при исследовании объектов с высокой степенью разрешения. До настоящего времени наилучшее разрешение рентгеновских источников с УНТ-катодами составляло 10 мкм.

Недавно сотрудники Korea Advanced Institute of Science and Technology (Daejeon, Korea) [1] разработали источник с разрешением лучше 5 мкм. Такой результат достигнут благодаря использованию специальной конфигурации катода, в которой нанотрубки, эмитирующие электроны, нанесены на поверхность острого вольфрамового наконечника с радиусом кривизны ~ 5 мкм. Конструкция рентгеновского источника представлена схематически на рис. 1а.

Рис. 1. a) Схема устройства источника рентгеновского излучения, включающая в себя электронную пушку, линзу в виде соленоида, и мишень просвечивающего типа; b) вычисленная траектория электронов; c) микроизображение катода, поверхность которого однородно покрыта многослойными нанотрубками диаметром около 50 нм и длиной около 1 мкм.

Для изготовления наконечника из вольфрамовой проволоки толщиной 250 мкм с заостренным концом использовали электрохимическое травление. УНТ на поверхности наконечника выращивали методом плазмохимического осаждения паров (PECVD) (Ni катализатор). Для улучшения адгезии нанотрубок на протравленную поверхность наконечника напыляли буферный слой нитрида титана. Степень однородности покрытия наконечника нанотрубками иллюстрируется микрофотографией (рис. 1с).

С целью снижения эффекта сферической аберрации использовали электронную магнитную линзу на основе соленоида. Этой же цели служит диафрагма диаметром от 4 до 10 мм, помещаемая перед входом в линзу. Для того, чтобы соударения электронов с атомами внутри материала мишени не вызывали дополнительной расходимости пучка рентгеновского излучения в работе использовали мишень просвечивающего типа, толщина которой много меньше характерной длины пробега электронов в материале. Мишень представляла собой пленку Ве толщиной 500 нм и диаметром 20 мм с напыленным слоем W. Результаты измерений эмиссионных характеристик катода на основе УНТ и транспортных характеристик электронной пушки показаны на рис. 2.

Рис. 2. Эмиссионные характеристики катода на основе УНТ и транспортные характеристики электронной пушки: черный квадрат – ток эмиссии; красный круг – ток, теряемый на управляющем электроде; синий треугольник – ток, попадающий на мишень. На вставке показана вольтамперная характеристика в координатах Фаулера-Нордгейма.

Измерения проводили при напряжении на катоде –40 кВ и варьируемом напряжении на сетке, помещенной на расстоянии 0.25 мм от катода. Напряженность электрического поля, обеспечивающая плотность тока эмиссии 10 мА/см², составила 1.6 В/мкм. Полученное на основании результатов обработки зависимости Фаулера-Нордгейма величина коэффициента усиления электрического поля составила 2700. Столь высокое усиление достигается в результате использования специальной конфигурации катода, когда УНТ эмиттеры помещены не на плоской поверхности, а на заостренном вольфрамовом наконечнике. Площадь эмитирующей поверхности оценивается величиной 1.6х10^-6 см², что примерно соответствует площади полусферического наконечника с радиусом кривизны 5 мкм.

Тестовые испытания описанной выше рентгеновской трубки были выполнены с использованием в качестве эталона решетки, содержащей полоски золота шириной 6 мкм, нанесенные на подложку с интервалом 25 мкм. Результаты испытаний позволяют считать, что данный прибор имеет разрешающую способность ниже 5 мкм.

Автор – А.В.Елецкий

• 1. S.H. Heo et al., Appl. Phys. Lett. 90, 183109 (2007)