Катодно-сеточный узел с автоэмиссионным катодом из углеродного материала

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции катодно-сеточных узлов с автоэмиссионным катодом из углеродного материала для вакуумных электронных приборов (в том числе к СВЧ приборам) с микросекундным временем готовности. Технический результат - повышение равномерности автоэлектронной эмиссии по всей поверхности катода и, как следствие, увеличение отбираемого с катода тока. В конструкции КСУ с по крайней мере одним автоэмиссионным катодом из углеродного материала, вершина катода имеет параболическую в сечении поверхность, на которой сформированы острия конусообразной формы. Оси симметрии каждого катода совпадают с осями симметрии отверстий в сетке. Параболическая форма вершины катодов обеспечивает одинаковую напряженность поля и равномерность эмиссии по всей поверхности катода, а наличие острий снижает рабочее напряжение на сетке. 3 ил.

 

Изобретение относится к катодно-сеточным узлам с автоэмиссионным катодом для электровакуумных приборов СВЧ с микросекундным временем готовности.

Катодно-сеточный узел (КСУ) состоит из отдельных ячеек, образованных поверхностью катода и отверстиями сетки, через которые электроны с поверхности катода проходят в область электронной пушки и далее в пространство взаимодействия прибора. Наличие отверстий в сетке вызывает неравномерность распределения напряженности электрического поля на поверхности катода в ячейках КСУ. Напряженность электрического поля на поверхности катода имеет минимальное значение на оси симметрии ячейки и возрастает по радиусу к ее периферии. Поскольку плотность автоэмиссионного тока зависит от напряженности электрического поля по экспоненциальному закону (уравнение Фаулера-Нордгейма), то в центре ячейки плотность тока на катоде в несколько десятков раз меньше, чем на периферии ячейки [А.И. Петросян, В.И. Роговин. Расчет электронно-оптических систем ЛБВО с полевой эмиссией // Прикладная физика. 2008. №2. С. 86-91].

Известна конструкция катодно-сеточного узла (КСУ), содержащего автоэмиссионный катод, покрытый пастой на основе углеродных нанотрубок, и токоперехватывающую сетку, размещенную над поверхностью катода [H.J. Kim, J.J. Choi, J.H. Han, J.H. Park, and J-BYoo. Design and Field Emission Test jf Carbon Nanotube Pfated Cathodes for Traveling-Wave Tube Applications // IEEE Transactions on Electron Devices. Vol. 53. №11. 2006. PP. 2674-2680]. В данной конструкции КСУ эмиссионными центрами являются углеродные нанотрубки (УНТ), которые выступают над поверхностью катода. Недостатком данной конструкции является упомянутая выше неравномерность эмиссии катода по диаметру ячейки. Кроме того, поток электронов, эмитированных с катода под перемычками сетки, перехватывается сеткой, что приводит к ее разогреву мощностью электронного потока, вплоть до расплавления перемычек и деградации эмиссии катода. Достигнутое в данной конструкции КСУ значение плотности тока, усредненное по всем ячейкам, не превышает 73 мА/см2, что не позволяет использовать КСУ данной конструкции в современных электронных устройствах, в которых плотность тока должна составлять единицы и десятки А/см2. Достичь более высоких значений плотностей тока с катода в данной конструкции КСУ за счет увеличения напряжения на сетке не удастся. Это связано с деградацией эмиссии катода вследствие отрыва углеродных нанотрубок от поверхности катода пондеромоторными силами, достигающих нескольких десятков килограмм на квадратный миллиметр [Б.В. Бондаренко, В.А. Силиверстов, А.Г. Шаховский, Е.П. Шешин. Автоэлектронная эмиссия стеклоуглеродного волокна // Радиотехника и электроника. 1987. Выпуск. 2. С. 395-400].

Известна конструкция КСУ с автоэмиссионным катодом из стеклоуглерода, выбранная в качестве прототипа, в которой прямой перехват тока перемычками сетки отсутствует [Н.А. Бушуев, О.Е. Глухова, Ю.А. Григорьев, Д.В. Иванов, А.С. Колесникова, А.А. Николаев, П.Д. Шалаев, В.И. Шестеркин. Исследование эмиссионных характеристик многолучевой электронной пушки с автоэмиссионным катодом из стеклоуглерода // ЖТФ, 2016, том 86, вып. 2, с. 134-139]. В данной конструкции КСУ микроострия с участков катода напротив перемычек сетки были механически удалены с помощью электроискровой обработки. Каждая ячейка КСУ состоит из отверстий сеточной структуры и отдельных миникатодов в форме прямых цилиндров, на вершинах которых сформированы микроострия, являющиеся продолжением тела цилиндрического миникатода. В данной конструкции миникатод и микроострия являются единым монолитным телом, благодаря чему устранен недостаток аналога по механической прочности сцепления оснований микроострий с поверхностью катода. Однако недостатком данной конструкции является неравномерность эмиссии по поверхности катода в ячейках. Так как в центральной части миникатода линии равного потенциала (далее эквипотенциали) отстоят от его поверхности значительно дальше, чем на его периферии, то напряженность электрического поля в центральной области миникатода примерно в 10 раз меньше, чем на его периферии. Основной вклад в эмиссию (примерно 70% от общего тока катода) вносят острия, расположенные в кольцевой области миникатодов на его краю. Электроны из этой кольцевой области испытывают наибольшее влияние напряженности поля, направляющего их на перемычки сетки и анода, где они и оседают.

Известно, что в КСУ без автоэмиссионного катода и в электронной пушке вследствие провисания потенциала в отверстия сетки и анода эквипотенциали имеют параболическую в сечении форму [Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки. - М.: Советское радио, 1966 г., стр. 87].

Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение количества отбираемого с катода тока за счет повышения равномерности автоэлектронной эмиссии по всей поверхности катода.

Это достигается тем, что в катодно-сеточном узле, состоящем из ячеек, которые образованы поверхностями автоэмиссионных катодов и отверстиями управляющей сетки, вершины каждого автоэмиссионного катода имеют параболическую в сечении форму, совпадающую с формой ближайшей к поверхности катода эквипотенциали. Сами катоды из монолитного углеродного материала сформированы на катодном диске. Они имеют цилиндрическую форму с упорядоченно расположенными на вершинах микроостриями. Катодный диск, катоды в форме цилиндров и микроострия на их вершинах являются единым монолитным телом.

Как показал компьютерный анализ электростатических полей и траекторий электронов в ячейке, токопрохождение через сетку КСУ составляет практически 100%, если диаметр отверстия в сетке Dc и диаметр катода d удовлетворяют соотношению:

Dc≥3d.

На фиг. 1 показаны распределения потенциала (кривые - 1) и напряженности электрического поля (кривые - 2) в ячейках с плоской поверхностью катода (конструкции КСУ прототипа). В центральной части катода с плоской поверхностью линии равного потенциала (эквипотенциали) отстоят от вершин, сформированных на катоде микроострий, значительно дальше, чем на периферии катода. Плотность тока на периферии катода на несколько порядков величины больше, чем в его центральной части.

На фиг. 2 показаны распределения потенциала (кривые - 1) и напряженности электрического поля (кривые - 2) в ячейках с параболической в сечении поверхностью катода (заявляемая конструкция КСУ). Данная форма вершины катода позволяет устранить неравномерности эмиссии по его поверхности в ячейках сетки за счет того, что форма эмитирующей поверхности катода и форма ближайшей к его поверхности линии равного потенциала (эквипотенциали) максимально совпадают. Расстояния от поверхности катода в любой его точке до воображаемой поверхности эквипотенциали одинаковы, что является необходимым и достаточным условием того, что напряженность электрического поля, а следовательно, и плотность автоэмиссионного тока одинаковы и максимальны на всей поверхности катода, что позволяет получить существенно больший ток катода при тех же напряжениях на сетке, что и в прототипе.

На фиг. 3 показана одиночная ячейка предлагаемой конструкции КСУ: 1 - катодный диск; 2 - автоэмиссионный катод цилиндрической формы с параболической вершиной; 3 - микроострия; 4 - сетка с отверстием.

Конструкция КСУ содержит: катодный диск (1), в котором любым из возможных способов (например, методом электроискровой обработки или лазерным фрезерованием) сформированы катоды (2) в форме прямого цилиндра или усеченного конуса с диаметром вершины d и микроострия (3) на его вершине. Над катодами (2) размещена сетка (4) с отверстиями диаметром Dc. Каждый из катодов (2) совмещен с отверстием сетки (4) таким образом, чтобы их оси симметрии совпадали. Расстояние от вершин микроострий (3) до внутренней плоскости сетки (4) выбирается для каждого прибора индивидуально. Вершины катодов (2) в сечении представляют собой параболу с центром кривизны внутри поверхности катода. На параболической поверхности вершин катодов (2) сформирована любым из возможных способов матрица микроострий (3).

КСУ в составе электронной пушки работает следующим образом. На электроды: катод, сетку и анод подаются потенциалы: Uк<Uc<Ua. Конкретные значения диаметра отверстий в сетке, высота и диаметр цилиндрических катодов, кривизна поверхности их вершин, положение сетки относительно катода, а также потенциалов на электродах КСУ определяются параметрами прибора.

Источники информации

1. А.И. Петросян, В.И. Роговин. Расчет электронно-оптических систем ЛБВО с полевой эмиссией // Прикладная физика. 2008. №2. С. 86-91.

2. H.J. Kim, J.J. Choi, J.H. Han, J.H. Park, and J-BYoo. Design and Field Emission Test jf Carbon Nanotube Pfated Cathodes for Traveling-Wave Tube Applications // IEEE Transactions on Electron Devices. Vol. 53. №11. 2006. PP. 2674-2680.

3. Б.В. Бондаренко, B.A. Силиверстов, А.Г. Шаховский, Е.П. Шешин. Автоэлектронная эмиссия стеклоуглеродного волокна // Радиотехника и электроника. 1987. Выпуск 2. С. 395-400.

4. Н.А. Бушуев, О.Е. Глухова, Ю.А. Григорьев, Д.В. Иванов, А.С. Колесникова, А.А. Николаев, П.Д. Шалаев, В.И. Шестеркин. Исследование эмиссионных характеристик многолучевой электронной пушки с автоэмиссионным катодом из стеклоуглерода // ЖТФ, 2016, том 86, вып. 2, с. 134-139.

5. Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки. - М.: Советское радио, 1966 г., стр. 87.

Катодно-сеточный узел, содержащий ячейки, образованные поверхностями автоэмиссионных катодов в форме цилиндра с упорядоченно расположенными на их вершинах микроостриями и отверстиями управляющей сетки, при этом катоды сформированы на катодном диске и, являясь его продолжением вместе с микроостриями, представляют собой монолитное тело из углеродного материала, отличающийся тем, что вершины катодов имеют параболическую в сечении форму, совпадающую с формой ближайшей к поверхности катода эквипотенциали, а диаметры отверстий в сетке Dc и катодов d удовлетворяют соотношению:

Dc≥3d.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к приборам вакуумной электроники для СВЧ-приборов, плоских дисплеев, портативных источников рентгеновского излучения и прочее, а также к способу изготовления катода на основе массива автоэмиссионных эмиттеров.

Изобретение относится к приборам вакуумной электроники для СВЧ-приборов, плоских дисплеев, портативных источников рентгеновского излучения и прочее, а также к способу изготовления катода на основе массива автоэмиссионных эмиттеров.

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано для выделения пучков электронов из плазмы рабочей среды, создания электрических генераторов на основе энергии электронных пучков, электрореактивных двигателей, электронно-лучевых и ионно-лучевых приборов.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в газоразрядных устройствах с самонакаливаемым полым катодом. Способ изготовления самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для систем генерации плазмы включает формирование трубчатого изделия из смеси порошков, содержащей нитрид титана, 10 вес.% титана, не более 2 вес.% пластификатора поливинилбутираля, импульсным или статическим прессованием, экструзией, шликерным литьем или альтернативным способом, отжиг трубчатого изделия в вакуумной печи в потоке азота при давлении 1 Па при температуре 500°С в течение 1 ч для термического разложения пластификатора и удаления продуктов разложения из объема трубчатого изделия, установку трубчатого изделия в качестве катодного электрода в электроразрядную систему, содержащую анодный электрод, постоянную прокачку азота через трубчатое изделие, приложение между анодом и трубчатым изделием напряжения и зажигание тлеющего разряда между трубчатым изделием и анодом, ток которого постепенно увеличивают по мере прекращения дугообразования, что обеспечивает удаление поверхностных загрязнений и рост температуры трубчатого изделия, переход разряда в термоэмиссионный дуговой режим и нагрев катода до температуры 2000°С.

Изобретение относится к электровакуумной технике, к технологии изготовления фотоэлектронных приборов (ФЭП), содержащих одну или несколько микроканальных пластин (МКП).

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к ионным системам, и может быть использовано в области ракетно-космической техники, при разработке, изготовлении и сборке ионно-оптической системы (ИОС) ионных двигателей (ИД).

Изобретение относится к электронной промышленности, области тонкопленочных технологий, нанесения и контроля пленочных покрытий с заданными характеристиками для эмиссионной электроники.

Изобретение относится к технологии получения материалов, поверхность которых обладает стабильными электрофизическими свойствами, в частности электродов газоразрядных и электровакуумных приборов (холодных катодов газоразрядных лазеров, контакт-деталей герконов, электродов масс-спектрометров и др.).

Изобретение относится к области рентгеновской техники. Анод (30) формируют, используя углерод, такой как армированный углеродом углеродный композит или иную керамическую подложку (50).

Изобретение относится к приборам вакуумной и твердотельной электроники, в частности к автоэмиссионным элементам на основе углеродных нанотрубок (УНТ), используемых в качестве катодов: к диодам, к триодам и к устройствам на их основе.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к катодам, работающим в режиме автотермоэлектронной эмиссии. Cпособ изготовления композитного катодного материала включает подготовку порошка активного компонента и нанопорошка матричного металла, смешивание и перемешивание порошка активного компонента с нанопорошком матричного металла и последующую обработку полученной смеси, при этом в качестве порошка активного компонента композитного катодного материала используется гидрид металла цериевой группы, в том числе лантана, церия или празеодима, в качестве порошка матричного металла используется нанопорошок иридия, смесь порошков приготавливают в соотношении 1-13% вес.

Изобретение относится к изготовлению металлосплавных катодов для приборов СВЧ-электроники. Способ получения катодного сплава на основе металла платиновой группы и бария включает прессование навески порошка металла платиновой группы, очистку поверхности бария от оксидов, совместную дуговую плавку прессовки и бария в атмосфере аргона с использованием нерасходуемого вольфрамового электрода.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для изготовления эффективных термо- и вторично-эмиссионных катодов. Путем плавки получают интерметаллид Рd5Ва, размалывают в атмосфере инертного газа или СО2 с получением порошка, полученный порошок смешивают с порошком палладия и проводят механоактивацию полученной смеси в планетарной или вибромельнице в течение 5-15 минут.

Изобретение относится к области изготовления диспенсерных катодов на основе скандата бария или других материалов на основе скандата бария, а именно к материалу мишени и мишени для физического осаждения тонких пленок, дисперсному катоду на основе скандата бария и способу его получения и способу получения мишени.

Изобретение относится к катодам электровакуумных приборов, а более конкретно к цилиндрическим термокатодам, преимущественно для магнетронов, и может быть использовано в электронной технике.

Изобретение относится к полупрозрачному фотокатоду (1) для фотодетектора, имеющего повышенную степень поглощения при сохраняющейся степени переноса. Согласно изобретению фотокатод (1) содержит пропускающую дифракционную решетку (30) для дифракции фотонов, расположенную в слое подложки (10), на которую нанесен фотоэмиссионный слой (20).

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронно-лучевых приборах с автоэлектронной эмиссией, а именно: в зондовых приборах, экранах, растровых электронных микроскопах, а также в исследовательских и аналитических установках.

Изобретение относится к приборам вакуумной и твердотельной электроники, в частности к автоэмиссионным элементам на основе углеродных нанотрубок (УНТ), используемых в качестве катодов: к диодам, к триодам и к устройствам на их основе.

Изобретение относится к технологии изготовления холодных катодов гелий-неоновых лазеров и может быть использовано в газоразрядной технике и микроэлектронике. Способ включает в себя нагрев заготовок катода из алюминия в вакууме не ниже 10-5 мм рт.ст.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способу изготовления катодно-сеточных узлов (КСУ) с холодными катодами из углеродного материала для вакуумных электронных приборов.

Изобретение относится к способам изготовления автоэмиссионных катодов с применением углеродных нанотрубок и может быть использовано для изготовления элементов и приборов вакуумной микро- и наноэлектроники. Способ включает осаждение на подложку электропроводящего буферного слоя, осаждение каталитического слоя, формирование вертикально ориентированного массива углеродных нанотрубок путем плазмохимического осаждения из газовой фазы с отношением длины углеродных нанотрубок к их диаметру в интервале от 25 до 75, термическую обработку массива углеродных нанотрубок в вакууме и обработку массива углеродных нанотрубок плазмой на основе водорода. Техническим результатом является увеличение максимальной плотности тока автоэмиссионных катодов на основе вертикально ориентированных массивов УНТ в совокупности с повышением стабильности тока эмиссии и срока службы катода. 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции катодно-сеточных узлов с автоэмиссионным катодом из углеродного материала для вакуумных электронных приборов с микросекундным временем готовности. Технический результат - повышение равномерности автоэлектронной эмиссии по всей поверхности катода и, как следствие, увеличение отбираемого с катода тока. В конструкции КСУ с по крайней мере одним автоэмиссионным катодом из углеродного материала, вершина катода имеет параболическую в сечении поверхность, на которой сформированы острия конусообразной формы. Оси симметрии каждого катода совпадают с осями симметрии отверстий в сетке. Параболическая форма вершины катодов обеспечивает одинаковую напряженность поля и равномерность эмиссии по всей поверхности катода, а наличие острий снижает рабочее напряжение на сетке. 3 ил.

Наверх