Способ получения мелкодисперсных частиц вещества в электронном вакуумном приборе

 

Изобретение относится к физической электронике и электронной технике . Целью изобретения является Повышение эффективности излучения малых частиц в электронном вакуумном приборе , в частности улучшение .вакуумных условий, чистоты поверхностей эмиттера и частиц, снижение затрат энергии путем исключения .потока таза , уменьшение размеров получаемых частиц , снижение воздействия на них разрушающих факторов.. Сущность изобретения заключается в воздействии на эмиттер высокочастотным импульсным электромагнитным полем. При этом величину СВЧ-мощности в импульсе, частоту импульсов и длительность определяют из математических соотношений, приведенных в описании изобретения. Изобретение делает возможным и перспективным создание нового поколения приборов широкого назначения, в которых рабочим элементом является поток микрочастиц в вакууме или газе. k ил. Ј5 сл 4 j СП Ф ОЭ

„„SU„„1547596 A 1 союз советсних социАлистичесних

РЕаЪБЛИН (51)5 H 01 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСИОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЕЛНОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ВЕЦЕСТВА В ЭЛЕКТРОННОМ

ВАКУУМНОМ ПРИБОРЕ (57) Изобретение относится к физической электронике и электронной технике. Целью изобретения является повышение эффективности излучения малых частиц в электронном вакуумном приборе, в частности улучшение вакуумных условий, чистоты поверхностей эмиттера и частиц, снижение затрат энергии путем исключения, патока газа, уменьшение размеров получаемых частиц, снижение воздействия на них разрушающих факторов,, Сущность изоЬретения заключается в воздействии íà 3 эмиттер высокочастотным импульсным электромагнитным полем. При этом величину СВЧ-мощности в импульсе, час- ( тоту импульсов и длитегьность опреде- . ляют из математических соотношений, приведенных в описании избЬретения,, 1 Иаир

Изобретение делает возможным и перспективным создание нового поколения приборов широкого назначения, в Ноторых рабочим элементом является flo 4 ток микрочастиц в вакууме или газе. Ql

4 ил. <©

С5

OCVQAPCTBEHHblA НОМИтат пО изОБРетениям и ОтнРытиям пРи Гннт сссР (46) 23.05.91. Бюл. 4 19 (21) 4303251/21 (22) 01 07.87 (71) Ленинградский .политехнический институт им. t1, È . Êàëè Hè Hà (72) О.Ю.Цыбин (53) 621.384 (088.8) (56) Петров И.И. Кластеры и малые частицы. И., 1986.

Ыведков Е.Л. и др. Порошковая металлургия, 1985,, в. 11, с. 69-75.

Сливков И.А. Процессы при высоком напряжении в вакууме, И.: Энергоатомиздат, 1986.

Дмитриев А,С. Об одном механизме . анодного инициирования вакуумного проЬоя. ДАН СССР, т, 267, К 2, с. 363

366.

Лебедев С.В. и др. Металлы в процессе быстрого нагревания электрическим током большой плотности. УФН, т. 144, вып.2, !984, с. 2!5-250.

Власов А.П. и др. Высокочастотная металлизация. И.: Иашгиз, !960, Чернушенко A.È. Конструирование

СВЧ-устройств и экранов. И.: Радио и связь, l983.

Кикоин И.К, Таблицы физических величин. И.: Атомиздат, 1976.

Пчельников IO.Н. Нетрадиционное применение замедляющих систем. Изв. вузов. Радиоэлектроника, т. 29, 1; 10, 198Ь, с. 79-83.

Изобретение относится к физической электронике и электронной технике.

Вещества в виде мелкодисперсных частиц необходимы в научных исследованиях, например в промышленности, технологических операциях и др.

Целью изобретения является повышение эффективности получения малых частиц в электронном вакуумном приборе, а именно улучшение вакуумных условий, чистоты поверхностей эмит"тера и частиц, снижение затрат энео154159

25 гии путем исключения потока газа, уменьшение размеров получаемых частиц, снижение воздействия на них разрушающих факторов.

СпосоЬ заключается в том, что эмиттер устанавливают в виде вставки на участке поверхности СВЧ-нагрузки вакуумного волноводно о тракта и подают в тракт импульс потока мощнос- 1р ти P на частоте f длительностью Ф, определяемыми соотношениями:

Л Т,„И2 „1 — -ср р f м .2<)о noP (РОМЫ,М где d — размер эмиттируемых частиц;:15 коэффициент теплопроводносе ти вещества частиц; коэффициент температуропроводности;

Т+ - критическая темпеРатУРа поверхности; р, - магнитная постоянная; р - магнитная проницаемость;

6 - коэффициент электропроводности °

P„, - пороговое значение мощности, определяемое вакуумными условиями, материалом стенок и геометрией волноведущего тракта и нагрузки, Способ поясняется фиг. 1 -. 4, на которых изоЬражены варианты выполнения устройства, где изоЬражен эмиттер 1 в виде участка поверхности вол новодной СВЧ-нагрузки 2 (фиг.1), поглощающего аттенюатора 3 (фиг.2), 35 стенки резонатора замедляющей системы (фиг.3), коаксиальной линии (фиг.,4). Магнитная подложка оЬозначена позицией 4.

Использование волноведущего тракта и СВЧ-нагрузки позволяет расширить полосу частот, исключив индуктор.

Обычно СВЧ-нагрузка в виде нагрузки волновода,. коаксиальной линии, замед- „ ляющей системы работает без разрушений поверхности. Достижение цели изобретения обеспечивается тем, что эмиттер малых частиц выполнен в виде вставки на этой поверхности при соблюдении следующих условий. Размер

50 вставки L âäoëü направления распространения волны выЬирается из условия

1. Ы.„. (1. где Ь вЂ” заданныи Размер эмиттера;

° 55

L — размер оЬласти максимума м амплитуды высокочастотного тока.

Это условие обеспечивает максимум эмиссии мелкодисперсных частиц с поверхности вставки при минимальной энергии СВЧ-поля в области. над поверхностью. Тем самым устраняется воздействие поля на полученные частицы, так как эмиссия инициируется высокочастотным током, а не электрическим полем, Поток мощности, протекающий через поперечное сечение СВЧ-тракта, может быть сфокусирован на малую площадь эмиттера,. если эмиттер выполнен в виде вставки на участке поверхности СБЧ-нагрузки.

Скин-эффект обеспечивает локальный нагрев эмиттирующей поверхности, джоулево тепло выделяется в тонком приповерхностном слое эмиттера мелкодисперсных частиц. Змиттер при этом может быть массивным оЬразцом, который оЬразовывает мелнодисперсные частицы путем последовательного послойного разрушения. Разрушение поверхности и эмиссии мелкодисперсных частиц осуществляется за счет поверхностных термоупругих напряжений при температуре поверхности Тз Т, где

Т„ - критическая температура термоупругих разрушений поверхности (1-2 )b»

Т =---------, + с Е где 9 - коэффициент Пуассона вещества мелкодисперсных частиц;

6„- критическое значение механического напряжения; коэффициент теплового расшит рения; Е " модуль Юнга.

Если на характерной глубине d проникновения тепловой волны в проводник оЬразуется перепад температуры

Т„., то поверхность подвергается интенсивному термоупругому разрушению с выбросом осколков в хрупкой фазе в виде мелкодисперсных частиц. Использование эффекта термоупругого разрушения в СКИН-источнике мелкодисперсных частиц позволяет существенно снизить потребление энергии, так как значение Т„ значительно ниже температуры плавления веществ T „(ñ Т „„, Для эмиссии мелкодисперсных частиц размером d, при поверхностном оптимальном нагреве глубина проникновения тепловой волны d т достигает глубины СКИН-слоя d (значение d зави154759 где d, о

Р

6 пор медляющих систем изготавливаются иэ хорошо проводящих материалов, чаще всего из меди, и «х разрушения несущественны. Тем не менее даже в этих условиях возможно образование мелкодисперсных частиц, если выполняются требования, оговоренные в формуле изобретения, Локальная вставка в разрез токовой поверхности СВЧ-резонато- 10 ра приводит к резкому увеличению локальных значений энергии, т.е. джоулева тепла, выделяемого в скин-слое, что позволяет снизить в тракте уро- .. вень СВЧ-мощности, необходимой для 15 эмиссии мелкодисперсных частиц, Эмиссия мелкодисперсных частиц

B мощных электровакуумных приборах

ЭВП может иметь паразитный характер, например приводит к разрушению эле- 20 ментов электронных пушек и электронных оптических систем, коллекторов, СВЧ-резонаторов. Применение скинисточника мелкодисперсных частиц позволит лучше изучить эти эффекты для отыскания путем борьбы или перспективного их использования.

Применение способа представляет интерес для очистки поверхностей от адсорбированных частиц, например в 30 технологии микроэлектроники, для диагностики состояния поверхности твердого тела методом масс-спект рометрии эмиттируемых частиц, для создания источников частиц в масс- 35 спектрометрии и т.д.

Применение скин-источников мелкодисперсных частиц представляется важным для изучения свойств поверхности твердого тела. Послойная обработка 40 материала позволит добиться высокой степени чистоты изучаемой поверхности, исключит существенную адсорбцию инородных атомов в паузе между им1 пульсами. 45

В скин-источниках должна наблюдаться не только эмиссия мелкодисперсных частиц, но и аномальная эмиссия электронов, что открывает перспективы создания новых типов катодов для 50

ЭВП.

Потоки мелкодисперсных частиц иэ скин-источников могут быть исполь6 8

4 зованы для управления быстродействующими вакуумными коммутаторами, для запуска. СВЧ-приборов с вторичноэмиссионными катодами, в технологии

ЭВП для обработки твердотельной электроники, например для легирования полупроводников, в космической технике для моделирования микрометеоритных потоков, создания движителей на основе механического импульса отдачи потока мелкодисперсных частиц. Возможно создание нового поколения приборов широкого назначения, в которых рабочим элементом является поток мел; кодисперсных частиц в вакууме или в газе.

Формула изобретения

Способ получения мелкодисперсных частиц вещества в электронном вакуумном приборе, заключающийся в воздействии на эмиттер высокочастотным электромагнитным полем, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уменьшения размеров частиц и снижения энергозатрат, высокочастотное электромаг. нитное поле подают импульсно, причем величину СВЧ-мощности P в импульсе, его частоту f. и длительность с выби-. рают, исходя из следующих условий: размер эмиттируемых частиц, м1 коэффициент теплопроводности вещества частиц, Вт/и .град; коэффициент температуропроВОДНОСТИ, M критическая температура поверхнос ти; магнитная постоянная, Гн/м; магнитная проницаемость; коэффициент электропроводности

2 пороговое значение мощности, определяемое вакуумными ус- ловиями, материалом стенок и геометрией волноведущего тракта и нагрузки, Вт..1547596

Отсюда можно определить необходимые условия для осуществления поверхностного нагрева в требуемой фазе и с эмиссией мелкодисперсных частиц заданного размера л т».

---Ы

2do (Т) deih (d нанесен на подложку, изготовленную иэ изолятора или ферромагнетика. Нанесение вещества мелкодисп pcHblx частиц производится, например, методом

50 вакуумного напыления в промежутках времени между импульсами эмиссии мелкодисперсных частиц.

Среди разнообразных волноведущих линий отрезки замедляющих систем отличаются миниатюрностью и наибольшими локальными значениями плотности тока. Отрезками замедляющих сис х н 2,1 а Р оор о тем являются, в частности, объемные

-„вакуумные резонаторы. Элементы засит от частоты f, à d от длительности импульса t ) «1"«1 ° ю d "do где d-(%у»,1»ВЕ)/", d -()

ВР 1 1

„c --й „„, «р

Избыточная температура поверхности при. СВЧ-нагреве достигает критического значения Т„ при

Увеличение потока мощности относительно минимума сопровождается уменьшением размеров эмиттируемых мелкодисперсных частиц, при этом температура поверхности превышает критическое значение Т, Т, приближаясь к температуре плавления, и вызывает падение электропроводности.

Увеличение удельного сопротивления

Р приводит в свою очередь к дополнительному росту падающей на поверхность СВЧ-мощности, так как

Процесс может приобрести характер неустойчивости, приводящей при большой мощности Р „, к Ьыстрому испарению вещества мелкодисперсных частиц или к возникновению шунтирующего пробоя вблизи поверхности эмиттера,, если напряженность электрического г поля у поверхности эмиттера достигнет значения Е„, 5кВ/мм..

Ограничивающим явлвется также процесс нагрева поверхности СВЧ-нагрузки, окружающей вставку, т,е.

Здесь индекс В указывает на характеристики вещества, из которого выполнена поверхность СВЧ-нагрузки.

6

Значение пороговой мощности Р„ в формуле изоЬретения определяется наименьшим из P„, - Р „, I

П р и и е р. Используется волновод с медными стенками на частоте

10 ГГц при длительности импульса генератора 40 нс. На поверхности

СВЧ-нагрузки в области максимума

СВЧ-тока располагают вставку из алюминия размером Ь„=2 мм, 1. „« Л .

Расчеты показывают, что мощность

СВЧ-генератора должна составлять около 200-500 кВт в импульсе, размер получаемых частиц d"-1 мкм, Для различных материалов неоЬходимые значения мощности, чагтоты и длительности могут быть получены при использовании типичных мощных СВЧ-генераторов, клистронов, магнетронов, гиротронов в диапазоне длин волн от метров до миллиметров.

Эти генераторы обеспечивают необходимый уровень потока СВЧ-мощности в тракте и соответственно на участке СВЧ-нагрузки с вставкой, Для Ьольшого количества элементов могут быть использованы такие оЬычные материалы поверхностей СВЧ-нагрузки, как медь, серебро. Цирокий перечень пластмасс, органических соединений может быль использован в данном устройстве для получения мелкодисперсных частиц.

С целью дополнительного снижения затрат СВЧ-энергии, повышения чиста" ты получаемых мелкодисперсных частиц локальная вставка-эмиттер мелкодисперсных частиц изготовлена в виде слоистой структуры, причем внешний спой вещества мелкодисперсных частиц толщиной

1547596

1 7

Составитель Н. Катинова

Редактор Т.Лошкарева Техред Л ОЛийнык Корректор Л.Патай аказ 2450 i Тираж 317 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35,. Рауаская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент" г. Укгород„ ул. Гагарина, 1О!