ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №12

УДК: 537.533.2, 53.083.98, 53.082.722.4

Методика измерения субнаноамперных
автоэмиссионных токов

Ю.А. Земсков, Ю.И. Мамонтов, П.С. Михайлов,
И.Л. Музюкин, И.В. Уйманов

Институт электрофизики Уральского отделения РАН,
620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106

Статья поступила в редакцию 19 ноября 2024 г

Аннотация. В статье описывается разработанная и испытанная методика измерения тока автоэлектронной эмиссии в широком диапазоне, составляющем практически 7-8 порядков измеряемой величины. Использованная экспериментальная установка была создана на основе высоковакуумной камеры с остаточным давлением газа не хуже 10^‑6 Па. Автоэмиссионный катод представлял собой тонкую иглу из чистой меди марки М0 с закругленным полусферическим острием. Диаметр катода составлял ~70 мкм, радиус закругления вершины – ~35 мкм, длина катода – ~15 мм. Анодом выступал плоский люминесцентный экран. Измерение тока эмиссии проводилось в цепи катода. Для измерения тока использовались два подхода. В диапазоне токов 1 нА – 10 мкА использовался обычный токовый шунт сопротивлением 1 МОм. Для измерения тока эмиссии ниже 1 нА использовался метод накопления зарядки конденсатора током автоэмиссии в течение некоторого фиксированного периода времени. Затем конденсатор подключался ко входу осциллографа. При этом регистрировался сигнал разряда конденсатора через входное сопротивление осциллографа. Амплитуда сигнала разряда давала информацию о токе эмиссии, усредненном за период зарядки. Используя данную методику, удалось измерить ток эмиссии вплоть до ~0,2 пА. Также были исследованы границы применимости и ограничения методики.

Ключевые слова: автоэлектронная эмиссия, полевая эмиссия, эмиссионный ток, измерение тока, конденсаторы.

Финансирование: Работа выполнена в рамках государственного задания ИЭФ УрО РАН, тема 122011200367-7.

Автор для переписки: Мамонтов Юрий Игоревич, mamontov@iep.uran.ru

Литература

1. Zemskov Y.A., Mamontov Y.I., Uimanov I.V. Investigation of Changes in the Field Emission Characteristics of the Eroded Cathode Surface after Submicrosecond Vacuum Arc Discharges with Different Current Amplitudes // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2023. – V. 87. – No. Suppl 2. – P. S202-S209. https://doi.org/10.1134/S1062873823704610

2. Mamontov Y.I. et al. Conditioning a Copper Cathode Surface by High-Voltage Subnanosecond Pulses // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2024 (Early Access). https://doi.org/10.1109/TPS.2024.3374898

3. Mamontov Y.I. et al. Electrical properties of He-induced W" fuzz" within the pre-breakdown and breakdown regimes // 2020 29th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV). – IEEE, 2021. – P. 69-72. https://doi.org/10.1109/ISDEIV46977.2021.9587227

4. Mamontov Y.I. et al. Emission Properties and Dielectric Strength of a Nanostructured Tungsten Field-Emissive Cathode //IEEE Transactions on Plasma Science. – 2022. – V. 50. – No. 9. – P. 2720-2728. https://doi.org/10.1109/TPS.2022.3193177

5. Zemskov Y.A. et al. Instabilities of electrical properties of He-induced W “fuzz” within the pre-breakdown and breakdown regimes //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2021. – V. 2064. – No. 1. – Art. No. 012004. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012004

6. Lang S.A., Darr A.M., Garner A.L. Theoretical analysis of the transition from field emission to space-charge-limited emission in liquids and gases // Journal of Applied Physics. – 2020. – V. 128. – No. 18. – Art. No. 185104. https://doi.org/10.1063/5.0021948

7. Doytcheva M., Kaiser M., De Jonge N. In situ transmission electron microscopy investigation of the structural changes in carbon nanotubes during electron emission at high currents //Nanotechnology. – 2006. – V. 17. – No. 13. – P. 3226. https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/13/025

8. Gilkes M. J., Nicolaescu D., Wilshaw P. R. Residual gas effects on the emission characteristics of silicon field emitter arrays // Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. – 2000. – V. 18. – No. 2. – P. 948-951. https://doi.org/10.1116/1.591304

9. Forbes R. G. Development of a simple quantitative test for lack of field emission orthodoxy // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. – 2013. – V. 469. – No. 2158. – Art. No. 20130271. https://doi.org/10.1098/rspa.2013.0271

10. Houston J.M. The slope of logarithmic plots of the Fowler-Nordheim equation // Physical review. – 1952. – V. 88. – No. 2. – P. 349. https://doi.org/10.1103/PhysRev.88.349

11. Kim D. et al. Noise analysis and performance comparison of low current measurement systems for biomedical applications // IEEE transactions on biomedical circuits and systems. – 2012. – V. 7. – No. 1. – P. 52-62. https://doi.org/10.1109/TBCAS.2012.2192273

12. Al Mortuza A. et al. Pico-current measurement challenges and remedies: A review // Univers. J. Eng. Sci. – 2017. – V. 5. – No. 4. – P. 57-63. https://doi.org/10.13189/ujes.2017.050401

Для цитирования:

Земсков Ю.А., Мамонтов Ю.И., Михайлов П.С., Музюкин И.Л., Уйманов И.В. Методика измерения субнаноамперных автоэмиссионных токов. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.12.3