В основе методики лежит метод спектроскопии комбинационного рассеяния (КР-спектроскопия), который ранее для подобных задач практически не использовался. Ученые задались вопросом: существуют ли закономерные изменения структурно-фазового состояния поверхности углеродных материалов в процессе их работы в вакууме? Ответ на него позволит целенаправленно подбирать материалы и режимы эксплуатации для увеличения срока службы холодных катодов.

Как пояснил один из авторов разработки Кирилл Белов, КР-спектроскопия – это неразрушающий метод, чувствительный к мелкомасштабным структурным перестройкам. Он позволяет контролировать состояние поверхности без нарушения целостности образца. Спектры углеродных материалов хорошо изучены, а ключевые пики в спектре связаны с дефектностью и степенью упорядоченности структуры. Анализируя их параметры, можно судить о том, что происходит с материалом на наноуровне.

В работе, выполняемой совместно с коллегами из Московского физико-технического института (МФТИ), изучается набор углеродсодержащих катодов: волокна из углеродных нанотрубок (УНТ-волокно), полиакрилонитрильные (ПАН) волокна, пиролитический графит (пирографит) и терморасширенный графит. Эти материалы уже зарекомендовали себя как стабильные и долговечные излучатели электронов, однако механизмы их деградации до сих пор оставались малоизученными.

Ученые зафиксировали изменения в спектрах материалов до и после автоэмиссионных испытаний. Например, у пирографита отчетливо видно разрушение кристаллической структуры после работы в качестве катода. Это прямое экспериментальное подтверждение того, что процесс эмиссии оставляет «след» в виде накопления дефектов.

Исследование имеет прикладное значение. Углеродные автоэмиссионные катоды уже активно используются в вакуумной электронике. Наиболее перспективным направлением авторы считают создание катодолюминесцентных источников света с плоским, узконаправленным излучением высокой интенсивности и возможностью перестройки спектра. Такие источники могут применяться в агропромышленной отрасли для стимуляции роста растений, а также в медицине для эффективного обеззараживания с помощью ультрафиолетового излучения.

Кроме того, исследователи нацелены на разработку методики неразрушающего контроля качества катодов «по спектру», которая позволит на этапе производства отбирать оптимальные образцы и рекомендовать щадящие режимы эксплуатации.

В ближайших планах – серия повторных эмиссионных испытаний при различных рабочих режимах с контролем состояния поверхности методами оптической и электронной микроскопии, а также КР-спектроскопии. Полученные данные должны лечь в основу рекомендаций по созданию более надежных и долговечных устройств. Переход к прототипам изделий возможен с использованием инфраструктуры МФТИ.

Проект реализуется в рамках Грантовой программы В. Б. Христенко «Шаг в будущее» – программы ежегодной финансовой поддержки развития ЮУрГУ в рамках «Приоритет-2030».