ИЗМЕРЕНИЕ

ПОЛЕВОЙ ЭМИССИИ

С НИОБИЕВЫХ ЭЛЕКТРОДОВ

 

М. Бастанинежад, университет «Old Dominion», Норфолк, Вирджиния, 236XX, США

П. Аддерли, Дж. Кларк, С. Коверт, Дж. Ханскнехт, С. Эрнандес-Гарсиа, М. Пелкер, Р. Маммей, лаборатория Джефферсона, Ньюпорт-Ньюс, Вирджиния, 23606, США

 

АННОТАЦИЯ

Повышение рабочего напряжения высоковольтных фотопушек постоянного тока способствует минимизации роста эмиттанса, обусловленного пространственным зарядом, и тем самым – сохранению яркости пучка электронов, однако полевая эмиссия с катода фотопушки может составлять значительные проблемы: постоянная низкоуровневая полевая эмиссия приводит к деградации вакуума из-за стимулируемой электронами десорбции, которая, в свою очередь, приводит к уменьшения выхода фотокатода из-за химического отравления и/или ионной бомбардировки; кроме того, высокие уровни полевой эмиссии могут привести к повреждению керамических изоляторов. С использованием высоковольтного стенда постоянного тока для испытаний на полевую эмиссию были определены характеристики ниобиевых электродов (однокристальных, крупнозернистых и мелкозернистых) при максимальном напряжении -225 кВ и градиенте электрического поля свыше 10 МВ/м. Представляется, что ниобиевые электроды превосходят электроды из нержавеющей стали с полировкой алмазной пастой.

 

ВВЕДЕНИЕ

Для надежных высоковольтных фотопушек постоянного тока с фотокатодами из арсенида галлия (GaAs) требуются электроды, не подверженные полевой эмиссии. Это требование становится все более сложным по мере того, как напряжения и градиенты пушек повышаются в целях получения более яркого выведенного пучка. В настоящее время во многих местах имеются высоковольтные фотопушки постоянного тока, работающие при напряжениях от 300 до 500 кВ, с максимальным градиентом поля около 12 МВ/м [1], но все программы разработки фотопушек, в том числе и работающих с существенно меньшими напряжениями и градиентами поля, время от времени терпят неудачи из-за полевой эмиссии: от разочаровывающе коротких эксплуатационных сроков службы фотокатодов до катастрофических отказов керамических изоляторов. В большинстве фотопушек используются электроды из нержавеющей стаи, отполированные до зеркального состояния алмазной крошкой. Процесс полировки трудоемок и может занимать несколько недель. Среди заметных проблем, связанных с полировкой алмазной пастой – изменчивость метода полировки, а также возможность того, что острые точки могут быть «смяты» с внедренными в них загрязнителями.

Ниобий используется для изготовления сверхпроводящих РЧ-резонаторов, и имеется много сообщений о работе таких устройств без полевой эмиссии при градиентах поля более 20 МВ/м и значительно выше [2]. Хотя эти результаты были получены примерно в 2000-е годы и с электрическими РЧ-полями, представляется обоснованным оценить характеристики ниобия в высоковольтной конфигурации постоянного тока и при комнатной температуре. Привлекательной особенностью ниобия является возможность его химической полировки, что значительно сокращает время подготовки этого материала. В данной работе сравниваются характеристики полевой эмиссии нержавеющей стали 304, отполированной алмазной пастой, и ниобия в трех различных формах: однокристальная, крупнозернистая и мелкозернистая. Были выполнены стандартизированные действия по подготовке каждого электрода с целью адаптации как можно большего набора сверхпроводниковых РЧ-технологий [3]. Следует также отметить, что эти измерения были выполнены с использованием установки, сильно напоминающей реальную высоковольтную фотопушку постоянного тока; в частности, измерения выполнялись с профильными электродами с отверстием в центре для размещения фотокатодов и реалистичных зазоров «катод – анод», а также для максимального напряжения -225 кВ.

 

ЭКСПЕРИМЕНТ

Использовавшаяся установка показана на рисунке 1. Испытательный электрод прикрепляется к «перевернутому» изолятору, выступающему внутрь вакуумной камеры. Все испытательные электроды имели геометрию, идентичную электродам, использовавшимся в установке CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility – «Ускоритель пучков электродов непрерывного действия») в течение многих лет [4], с отверстием в середине для размещения фотокатода из арсенида галлия, как если бы они использовались в реальной поляризованной фотопушке. В то же время для этих испытаний вместо фотокатода из арсенида галлия использовался кусок отполированной нержавеющей стали. Анод представлял собой большую плоскую пластину, электрически изолированную от земли и прикрепленную к чувствительному измерителю тока (электрометр Кейтли, модель 617). Анод можно было перемещать вверх и вниз, чтобы варьировать зазор «катод – анод», а значит, и градиент поля. Для этих испытаний применялись два различных анода: анод из нержавеющей стали 304 – для оценки катода из нержавеющей стали 304, изготовленного методом полировки алмазной пастой, и анод из мелкозернистого ниобия – для оценки всех ниобиевых катодов. Анод из нержавеющей стали был отполирован наждачной бумагой на основе порошкообразного карбида кремния 600 и 6-мкм алмазной пастой. Анод из мелкозернистого ниобия был отполирован химически.

 

Рисунок 1: слева – высоковольтный стенд для испытаний на полевую эмиссию, применявшийся для оценки каждого из электродов; справа – схема изолятора, испытательного катода и анода, применявшихся для сбора данных по полевой эмиссии

 

Для эксперимента использовался высоковольтный источник питания -225 кВ. В высоковольтном источнике питания и керамическом изоляторе размещались «промышленные стандартные» высоковольтные кабели с соединителями R-28. Последовательно с катодом был размещен кондиционирующий резистор на 100 МОм, предназначенный для защиты установки в случае внезапного разряда накопленной энергии.

Каждый из испытательных электродов перед установкой подвергался аналогичным подготовительным операциям, описываемым ниже. Перед подачей высокого напряжения вся вакуумная установка подвергалась прогреву при температуре 200°C в течение примерно 30 часов для достижения уровня вакуума около -11 торр. Для вакуумирования использовались ионный насос производительностью 220 л/с и насос с нераспыляемым газопоглотителем «SAES Getters GP-500»; последний частично приводился в действие во время прогрева. Запланировано проведение дополнительных испытаний, цель которых - выяснить, влияет ли уровень вакуума на определение характеристик полевой эмиссии.

Оценка свойств полевой эмиссии для каждого испытательного электрода включала контроль уровня вакуума внутри установки, рентгеновского излучения рядом с установкой и анодного тока в ходе повышения напряжения, подаваемого на катод. Высокое напряжение сначала подавалось на электрод с использованием максимального зазора «катод – анод»: 50 мм. После успешной обработки высоким напряжением (определение см. ниже) зазор можно было уменьшить, чтобы достичь более высокого градиента поля. Минимальный зазор составлял 20 мм и обеспечивал максимальный градиент поля величиной около 20 МВ/м, когда на катод действовало смещение -225 кВ.

Электроды подвергались «обработке» высоким напряжением: это означает, что подаваемое напряжение постепенно повышалось при поддержании анодного тока на уровне менее нескольких наноампер. В ходе обработки места полевой эмиссии должны «выгореть», и ток полевой эмиссии станет более стабильным. Электрод считался полностью обработанным, когда ток полевой эмиссии становился стабильным в пределах нескольких процентов от среднего значения. Это нередко занимало несколько часов.

Обработка высоким напряжением не всегда была успешной: иногда возникали места полевой эмиссии (одно или несколько), которые не «выгорали». Обычно это происходило при минимальных зазорах и максимальных градиентах. Для устранения стойких источников полевой эмиссии часто требовалось снимать электроды и полировать их заново.

Полировка нержавеющей стали алмазной пастой

Характеристики полевой эмиссии для ниобиевых электродов сравнивались с соответствующими характеристиками «обычного» электрода из нержавеющей стали, отполированного алмазной пастой; этот электрод успешно использовался в течение многих лет внутри одной из 100-кВ фотоэлектронных пушек с поляризацией спина в установке CEBAF [4]. Электрод из нержавеющей стали, отполированный алмазной пастой, был изготовлен из нержавеющей стали 304 вакуумно-дугового переплава. После вырезки по форме с использованием СОЖ, не содержащих углеводородов, электрод был отполирован на гончарном круге наждачной бумагой на основе карбида кремния с уменьшением размера частиц (сначала 300, затем 600 частиц/кв. дюйм), а затем – алмазной крошкой (6 мкм, 3 мкм). В результате был получен электрод с отделкой, близкой к зеркальной. Каждый раз между стадиями полировки электрод очищался в ультразвуковой ванне с использованием щелочного раствора.

Буферизованная химическая полировка ниобия

Оценивались три различных типа ниобиевых электродов: однокристальный, крупнозернистый (размер зерна свыше нескольких сантиметров) и мелкозернистый (другое название – поликристаллический, размер зерна около 0,13 мм). Однокристальный и крупнозернистый ниобиевые испытательные электроды были изготовлены из высококачественного материала, пригодного для производства сверхпроводящих РЧ-резонаторов с величинами коэффициента остаточного сопротивления свыше 250. Мелкозернистый ниобиевый электрод был изготовлен из материала «реакторного класса» с коэффициентом остаточного сопротивления около 40. В цехе механообработки была обеспечена отделка 32. Затем электроды подвергались химическому травлению в смеси фтористоводородной (49%), азотной (69%) и фосфорной (85%) кислоты, смешанных в соотношении 1:1:1 при комнатной температуре. Этот метод называется буферизованной химической полировкой. Обычно желаемое качество отделки поверхности достигается после погружения в кислотную ванну примерно на 20 минут, что соответствует удалению 100 мкм материала поверхности (шероховатость поверхности составляет менее 0,5 мкм  для однокристального и около 5 мкм для мелкозернистого ниобия). Кроме использования сверхпроводниковой РЧ-технологии буферизованной химической полировки, были также внедрены другие сверхпроводниковые РЧ-технологии, включая промывку под высоким давлением и вакуумную дегазацию. Этапы подготовки полированного ниобиевого электрода были следующими:

  • получить из цеха механообработки электрод с отделкой поверхности 32;
  • если требуется, выполнить полировку наждачной бумагой на основе порошкообразного карбида кремния 600, чтобы удалить явные заметные царапины;
  • выполнить чистку растворителем в ультразвуковой ванне с щелочным раствором;
  • выполнить буферизованную химическую полировку, чтобы удалить примерно 100 мкм материала;
  • выполнить промывку под высоким давлением (1200 фунтов / кв. дюйм) в течение 20 минут сверхчистой деионизированной водой с удельным сопротивлением свыше 18 МОм∙см;
  • выполнить высокотемпературную (900°C) вакуумную дегазацию в течение одного часа.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Характеристики полевой эмиссии для каждого из испытательных электродов показаны на рисунке 2 в виде зависимостей от напряжения смещения и зазора «катод – анод». Для всех ниобиевых электродов смещение до появления полевой эмиссии может выполняться до более высокого напряжения по сравнению с электродом из нержавеющей стали 304, отполированным алмазной пастой. Интересно, что характеристики мелкозернистого ниобиевого электрода оказались аналогичны характеристикам крупнозернистого и однокристального ниобиевых электродов, несмотря на то, что поверхность мелкозернистого электрода была существенно более шероховатой. Визуально мелкозернистый ниобиевый электрод имеет пятнистую поверхность в виде «апельсиновой корки». В таблице 1 показаны величины градиента поля на катоде, при которых на аноде был замерен ток полевой эмиссии 10 пА. Вариация в градиентах, связанная с каждой из величин зазора, противоречит прогнозам по Фоулеру-Нордхейму и указывает, что электроды, вероятно, не были полностью «обработаны».

 

Нержавеющая сталь 304, отполированная алмазной пастойМелкозернистый ниобийКрупнозернистый ниобийОднокристальный ниобий 9,68,18,15,4 8,16,58,15,2 8,26,47,05,6 7,46,07,9Электрод20 мм40 мм30 мм50 мм

 

 

 

Рисунок 2. Зависимость тока полевой эмиссии от катодного напряжения для различных зазоров «катод - анод». Заголовок графика указывает материал катода

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнена оценка характеристик полевой эмиссии для четырех катодов, аналогичных используемым в высоковольтных фотопушках постоянного тока из арсенида галлия, с использованием стенда для испытаний на полевую эмиссию при напряжении -225 кВ и при зазорах «катод - анод» от 20 до 50 мм. Все ниобиевые электроды, отполированные методом буферизованной химической полировки, продемонстрировали меньшие уровни полевой эмиссии, чем электрод из нержавеющей стали DPP 304. В отношении градиента поля электроды из нержавеющей стали DPP 304 демонстрировали полевую эмиссию при градиенте около 5,5 МВ/м, в то время как для ниобиевых электродов возникновение полевой эмиссии наблюдалось при градиенте между 7 и 10 МВ/м. Планируется выполнить оценку еще одного комплекта электродов для улучшения статистических показателей.

 

БЛАГОДАРНОСТИ

Благодарим Питера Кнейселя, Ларри Турлингтона и Тома Эллиотта за значительную помощь в изготовлении и подготовке ниобиевых электродов.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] See submissions by C. H. Garcia, L. Jones and K. Smolenski in the Proceedings of the 18th International Spin Physics Symposium,AIP Conf. Proc. No. 1149, p. 1032 (2008)

[2] R. Geng, Proceedings of the ALCPG2011: Linear Collider Workshop of the Americas.

[3] PP. Kneisel, “Cavity Preparation and Assembly Techniques and Impact on Q, Realistic Q-factors in a Module, Review of Modules”, Proceedings of the ERL05 Workshop.

[4] C. K. Sinclair, P. A. Adderley, B. M. Dunham, J. C. Hansknecht, P. Hartmann, M. Poelker, J. S. Price, P. M. Rutt, W. J. Schneider, and M. Steigerwald, Phys. Rev. ST Accel. Beams 10 023501 (2007).