Автоэмиссионный катод



Автоэмиссионный катод
Автоэмиссионный катод
Автоэмиссионный катод
Автоэмиссионный катод

 


Владельцы патента RU 2504858:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ (RU)

Изобретение относится к устройствам вакуумной электроники, в частности к источникам для получения электронного потока - автоэмиттерам (холодным эмиттерам) электронов, материалам и способам их изготовления. Подобные катоды могут использоваться в качестве источников электронов в различных электронных приборах - электронных микроскопах, рентгеновских трубках, усилительных и генераторных приборах СВЧ электроники, источниках света и т.п. Технический результат изобретения - получение стабильного автоэмиссионного катода с высокой удельной проводимостью, плотностью автоэмиссионного тока до 20 мА/см2. Результат достигнут использованием в автоэмиссионном катоде объемного композитного материала, содержащего частицы металла, окруженные наноструктурированным углеродным материалом (углеродные или углерод-азотные нанотрубки, углеродные нановолокна, фуллерены и им подобные материалы). При этом металл обеспечивает низкое удельное сопротивление, высокую теплопроводность и механическую прочность, а наноуглеродный материал - высокие эмиссионные свойства катода. Для повышения эффективности автоэлектронной эмиссии при изготовлении катода применены: дополнительная механическая обработка с удалением поверхностного слоя катода и последующей шлифовкой, химическое и плазменное травление рабочей поверхности. Полученный катод обеспечивает плотность автоэмиссионного тока на уровне 10-20 мА/см2 с высокой стабильностью и однородностью. 4 ил.

 

Настоящее изобретение относится к устройствам вакуумной электроники, в частности к источникам для получения электронного потока - автоэмиттерам (холодным эмиттерам) электронов, материалам и способам их изготовления. Подобные катоды используют в качестве источников электронов в различных электронных приборах - электронных микроскопах, рентгеновских трубках, усилительных и генераторных приборах СВЧ электроники, источниках света и т.п.

В настоящее время широко известны автоэмиссионные катоды на основе различных наноструктурированных углеродных (наноуглеродных) материалов и различные материалы для их изготовления.

Известен (патент РФ 2288890, кл. H01J 1/30 С01В 31/02 В82В 3/00, опубликован 20.03.2005) нановолоконный углеродный материал для холодных катодов. Материал изготовленный по предложенному способу пригоден для изготовления автоэмиссионных катодов, однако изготовленные обычными способами из этого материала катоды имеют недостаточную стабильность.

Известен холодноэмиссионный пленочный катод и способ его получения (Патент РФ 2194328, кл. H01J 1/30, 9/02 опубликован 10.12.2002). Такой катод получен методом газофазного синтеза, включающим зажигание тлеющего разряда постоянного тока в смеси водорода с углеродсодержащей добавкой и осаждения на расположенную на аноде подложку для углеродной пленки. При этом углеродные пленки осаждают последовательно, выдерживая соответствующие параметры температуры и давления. Такой катод позволяет добиться хорошей стабильности автоэлектронной (холодной) эмиссии электронов, но метод его нанесения дорог и сложен, кроме того предусматривает разогрев подложки до высоких температур, что не всегда приемлемо.

Известен графеновый полевой эмиттер (катод) и способ его формирования (патент РФ 2400858, кл. H01J 1/30, 1/62, 9/00 опубликован 27.09.2010). Такой катод формируется литографическими методами из специально подготовленных графеновых слоев. Такой способ требует литографического оборудования высокого разрешения а значит дорог, кроме того графен не всегда позволяет достичь оптимальных параметров эмиттера.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является холодный эмиттер электронов, изготовленный из нанопористого углерода (патент РФ 2249876, кл. H01J 1/30 опубликован 10.04.2005). Такой эмиттер (катод) включает электропроводящую подложку с углеродным слоем на ее поверхности, причем этот углеродный слой состоит из нанопористого углерода и имеет поры диаметром от 0,6 до 4 нм, при этом суммарный объем пор составляет от 50 до 90 объемных %. Существенным недостатком такого катода является недостаточно высокая плотность автоэмиссионного тока, которая составляет 100-200 мкА/см2. Для практических применений иногда требуется существенно большая плотность тока.

Задачей данного изобретения является создание автоэмиссионного катода (холодного эмиттера электронов) позволяющего получить стабильный эмиссионный ток плотностью существенно большей чем у прототипа (до 1-2 мА/см2).

Для решения поставленной задачи предлагаем изготавливать автоэмиссионный катод из объемного композита, в состав которого входит компонент из ряда наноуглеродных материалов, например, углеродные или углерод-азотные нанотрубки, углеродные нановолокна, фуллерены и им подобные материалы, либо их смесь и один из металлов из ряда Cu, Al, Mg, Ag, Au, Zn, Cd и/или сплавов на их основе. Рабочую поверхность катода подвергают механической обработке для удаления верхнего слоя глубиной 20-100 мкм и шлифованию до достижения средней шероховатости не более 20 мкм. Затем эту поверхность подвергают химическому травлению и плазменной обработке. Электроны будут эмитироваться из частиц наноуглеродного материала, оказавшихся на поверхности катода. Металл обеспечит низкое удельное сопротивление, механическую прочность и высокую теплопроводность. Ряд металлов ограничен требованием отсутствия влияния металла на целостность наноуглеродных частиц в диапазоне температур и давлений создания композита. Схематично заявляемый катод показан на Фиг.1. Автоэлектронная эмиссия может быть получена с любой из поверхностей композита. Для увеличения ее стабильности и однородности выбранную рабочую поверхность автоэмиссионного катода дополнительно обрабатывают.Механическая обработка рабочей поверхности катода (шлифование), последущее химическое травление (химическое структурирование), и плазменная обработка (активация) наноуглеродной компоненты на рабочей поверхности катода позволяют существенно повысить эмиссию электронов. В случае использования в качестве наноуглеродного материала углеродных нанотрубок или нановолокон возможно дополнительное изменение параметров автоэлектронной эмиссии путем изготовления композитного материала, например по способу, описанному в заявке на патент США US 2006/0269435 А1 кл. B22/F опубликован 30.11.2006. Согласно этому способу изготовления композита может быть обеспечено преимущественное направление наноуглеродной компоненты, причем в этом случае рабочую поверхность катода необходимо ориентировать перпендикулярно этому направлению. Это может быть использовано для автоэмиссионных катодов, для которых необходимо получение минимального порогового напряжения автоэмиссии, но не требуются максимально возможные автоэмиссионные токи, так как стойкость катода в этом случае может оказаться ниже, чем в случае отсутствия ориентации наноуглеродной компоненты.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми фигурами.

Фиг.1 схематично иллюстрирует устройство катода. Цифрой 1 на ней обозначен металл-наноуглеродный композит, цифрой 2 - рабочая поверхность катода.

На Фиг.2 приведено электронно-микроскопическое изображение медных наночастиц, окруженных слоем наноуглеродного материала толщиной около 2 нм.

На Фиг.3 показано изображение поверхности автоэмиссионного катода, полученного из металло-наноуглеродного композита CuC60 с весовым содержанием 10% С60, изготовленного по технологии, включающей химическое травление и плазменную обработку.

На Фиг.4 приведена вольт-амперная характеристика автоэмиссионного катода при включении его по схеме вакуумного диода с расстоянием катод - анод 300 мкм.

Пример реализации предлагаемого автоэмиссионного катода.

Для получения заявляемого типа автоэмиссионного катода был изготовлен металл-наноуглеродный композит. Металлической составляющей композита была выбрана медь исходя из ее свойств и доступности. В качестве второго (наноуглеродного) компонента был выбран фуллерен С60. Смесь меди и фуллерена С60 был подвергнута совместному измельчению исходных материалов взятых в виде гранул размером около 1 мкм в планетарной мельнице. Время обработки составило около 30 мин чистота исходных материалов не ниже 99,5%. Измельчение велось до уменьшения размера частиц меди порядка 10-30 нм. В начальной смеси содержалось 10% по весу наноуглеродного материала. Обработку производили в атмосфере аргона чистоты 99,999% (содержание кислорода менее 0.1 ppm). Полученный после обработки в планетарной мельнице материал был изучен на просвечивающем электронном микроскопе. Изображения (Фиг.2) показали, что вокруг медных наночастиц располагается слой наноуглеродного материала толщиной 2 нм. Далее полученный материал был подвергнут горячему прессованию при давлении 6,5 ГПа и температуре в 850°С, 1 минута. В результате был получен композит: металл-наноуглеродный материал, поверхность которого после дополнительной обработки становится высокоэффективным эмиттером автоэлектронов. Для исследований автоэлектронной эмиссии были изготовлены цилиндры диаметром 3 мм высотой 2 мм. Один из торцов (рабочая поверхность катода) был механически отшлифован до шероховатости примерно 50-20 мкм. Затем было проведено химическое травление. Был использован водный раствор хлорного железа FeCl3, так как он полностью инертен по отношению к углеродной составляющей. Результатом химической обработки стало получение поверхности, состоящей из наноструктурированной углеродной составляющей. Дополнительная активация автоэмиссионных свойств катода производилась обработкой катода в водородной плазме при давлении 35 Па с плотностью мощности 0,5 КВт/см2 при температуре подложки 150°С. Полученные образцы автоэмиссионного катода исследовали на электронном микроскопе. На Фиг.3 показано изображение поверхности автокатода, полученного из металло-наноуглеродного композита CuC60 с весовым содержанием 10% С60, изготовленного по описанной технологии включающей химическое травление и плазменную обработку, а на Фиг.4 вольтамперная характеристика данного катода при включении его по схеме вакуумного диода с расстоянием катод - анод 300 мкм. При этих измерениях автоэмиссионный катод показал хорошие токовые характеристики и высокую стабильность (плотность тока примерно в 5-10 раз выше, чем у прототипа).

При использовании исходного композита с другим процентным содержанием наноуглеродной компоненты результаты ухудшались. Например, при уменьшении содержания С60 до 5% по весу максимальный автоэмиссионный ток уменьшался примерно на 20%, а при увеличении до 20% существенно снижалась механическая прочность и становилась невозможной механическая обработка.

При использовании вместо меди металлов из перечисленного ряда, как и при использовании вместо фуллерена С60 других наноуглеродных компонентов, не происходит существенного изменения параметров автоэлектронной эмиссии при условии сохранения оптимального весового соотношения металл/наноуглеродный компонент.

Таким образом, предложенный способ позволяет создавать новый тип автоэмиссионных катодов из металл-наноуглеродных композитов. Технический результат изобретения - получение стабильного автоэмиссионного катода с высокой удельной проводимостью, плотностью автоэмиссионного тока до 20 мА/см2.

Автоэмиссионный катод, содержащий наноуглеродный материал, отличающийся тем, что катод выполнен из металл-наноуглеродного композита, содержащего металл, выбранный из ряда: медь, аллюминий, магний, серебро, золото, цинк, кадмий и/или их сплавы, а в качестве наноуглеродного материала содержит компонент из ряда: углеродные нанотрубки, углерод-азотные нанотрубки, углеродные нановолокна, фуллерены, причем рабочая поверхность катода предварительно подвергнута шлифованию до шероховатости 50-20 мкм, структурированию химическим травлением и активированию плазменной обработкой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии изготовления электронных приборов, в частности к технологии изготовления углеродных многоострийных автоэмиссионных катодов, используемых в вакуумных электронных приборах с эффективными холодными источниками электронов.
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных углеродных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии многоострийных углеродных структур.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении приборов вакуумной микроэлектроники. .

Изобретение относится к углеродсодержащим наноматериалам с низким порогом полевой эмиссии электронов (НППЭЭ). .

Изобретение относится к способам формирования защитного слоя при изготовлении плазменной индикаторной панели (PDP). .
Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при производстве газоразрядных приборов, в частности холодных катодов моноблочных газовых лазеров.

Изобретение относится к области электронной техники. .

Изобретение может найти применение в качестве приборной структуры для твердотельных автоэмиссионных диодов и эмитирующих электроны активных элементов функциональных узлов как в твердотельной электронике, так и в вакуумной эмиссионной электронике, в том числе в силовой СВЧ электронике.
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных углеродных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технике газоразрядных приборов. .

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии многоострийных углеродных структур.

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к способу обработки поверхности электронно-полевых катодов, изготовленных из углеродных наноматериалов, которые могут использоваться для производства дисплеев, осветительных элементов, радиочастотных усилителей, в рентгеновских установках, ионизаторов газовых сред, измерителей вакуума.

Изобретение относится к области электроники и нанотехнологии, в частности к способу создания материала для высокоэффективных автоэмиссионных катодов на основе углеродных нанотруб, которые могут найти применение в дисплеях, панельных лампах, ионизаторах, рентгеновских источниках и других областях техники.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве газоразрядных источников света высокого давления. .

Изобретение относится к электронной технике, а именно к металлопористым катодам электронных приборов СВЧ-типа и способам изготовления их катодов. .

Фотокатод // 2454750
Изобретение относится к области электровакуумной электронной техники. .

Изобретение может быть использовано при глубокой переработке пыли, уловленной из отходящих газов электротермического производства кремния. Репульпируют водой при соотношении жидкого к твердому (15-20):1 техногенный отход в виде пыли, содержащей углеродные наночастицы, обрабатывают водным раствором фтористоводородной кислоты с концентрацией 15-32%, нейтрализуют аммиаком до pH 6,5-8,5.
Наверх