Катодно-сеточный узел с вертикально ориентированным автоэмиссионным катодом

Изобретение относится к электронной технике, в частности к катодно-сеточным узлам для вакуумных электронных устройств, в том числе приборов СВЧ диапазона с наносекундным временем готовности, в которых используются автоэмиссионные катоды. Технический результат - уменьшение угла расхождения траекторий электронов за сеткой путем устранения автоэлектронной эмиссии с боковой поверхности вершины острия и уменьшение расфокусирующего действия сеточной линзы за счет уменьшения поперечной составляющей электрического поля в области отверстия в сетке и, как следствие, уменьшение поперечных скоростей электронов. Катодно-сеточный узел с автоэмиссионным катодом содержит вертикально ориентированный острийный автоэмиссионный катод и сеточный электрод с круглым центральным отверстием, размещенным соосно с осью симметрии острийного катода, вершина которого размещена внутри отверстия в сетке. В сеточном электроде формируют концентрично с центральным отверстием кольцевое отверстие в форме щели шириной, равной диаметру центрального отверстия, отделенное от центрального отверстия кольцевой перегородкой из сеточного электрода. 2 ил.

 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к катодно-сеточным узлам для вакуумных электронных устройств, в том числе приборов СВЧ диапазона с наносекундным временем готовности, в которых используются автоэмиссионные катоды.

Известна конструкция катодно-сеточного узла (КСУ), содержащая автоэмиссионный катод с матрицей остриев и размещенную над поверхностью остриев и отделенную от них вакуумным зазором вытягивающую сетку с отверстиями [Н.А. Бушуев, В.И. Шестеркин, А.А. Бурцев, Ю.А. Григорьев, В.П. Кудряшов, П.Д. Шалаев. Матричные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода: современное состояние и перспективы использования в СВЧ-приборах // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. Вып. 4 (519). 2013. С. 175-183]. Недостатком данной конструкции является большой перехват тока катода (до 70%) с остриев, расположенных под перемычками сетки, а также перехват тока боковыми поверхностями сеток вследствие провисания потенциала в отверстия сетки [А.И. Петросян, В.И. Роговин. Расчет электронно-оптической системы ЛБВО с полевой эмиссией. // Прикладная физика.. №2. 2008. С. 86-91]. Угол расхождения траекторий электронов за отверстиями сетки может достигать 120 градусов, что существенно усложняет задачу фокусировки и сопровождения электронного пучка в пролетных каналах электронных приборов с длительным пространством взаимодействия.

Известна также конструкция катодно-сеточного узла, состоящего из отдельных автоэмиссионных ячеек, каждая из которых содержит острие конусообразной формы и сетку с отверстием, центр которого совпадает с осью симметрии острия (катод Спиндта). Катод и сетка отделены слоем диэлектрика. Перехват тока сеткой в данной конструкции сведен к минимуму за счет размещения кончика острия в плоскости сетки, имеющей толщину десятые доли микрометра [Spindt С.А. // J of Appl. Phys. 1968. Vol. 39. №6. P. 3504]. Недостатком данной конструкции является столь же большой (как и в аналоге) угол расхождения электронного потока на выходе из ячейки вследствие провисания потенциала в ее отверстие. Кроме того, для КСУ с диэлектрическим зазором катод-сетка характерен короткий срок службы (на сегодняшний день не более 150 часов) [Whaley D.R., Duggal R., Armstrong С.M. et al. // IEEE Trans. 2009. V. ED-56. №5. P. 896], вследствие напыления материала катода на поверхность диэлектрика и ухудшения его изоляционных свойств с течением времени.

Наиболее близким техническим решением является конструкция катодно-сеточного узла, содержащего автоэмиссионный катод в форме иглы из стеклоуглерода с большим аспектным отношением геометрических размеров и сетку с круглым отверстием, отделенную от катода вакуумным зазором [Vasily I. Shesterkin. Large-sized field-emission cells with high aspect ratio of tip sizes made of carbon glass composed of electron guns for microwave devices // 11 th Internationale Vacuum Electron Sources Conference. IVESC - 2016. Seoul. 18-20 October. 2016. PP. 119-120]. Достоинством данной конструкции является высокая по сравнению с КСУ с диэлектрическим зазором долговечность и надежность за счет использования вакуумного зазора катод-сетка. Ток единичной автоэмиссионной ячейки с катодом в форме «Эйфелевой башни» более чем на три порядка величины превосходит ток с единичной ячейки Спиндта.

Недостатком данной конструкции является присущий всем КСУ, использующим сетки с отверстиями, большой угол расхождения электронного потока на выходе из сетки вследствие расфокусирующего действия сеточной линзы.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции КСУ с автоэмиссионным катодом, в котором уменьшение угла расхождения траекторий электронов за сеткой осуществляется путем устранения автоэлектронной эмиссии с боковой поверхности вершины острия и уменьшения расфокусирующего действия сеточной линзы за счет уменьшения поперечной составляющей электрического поля в области отверстия в сетке, и, как следствие, уменьшение поперечных скоростей электронов.

Поставленная задача достигается тем, что катодно-сеточный узел с автоэмиссионным катодом содержит вертикально ориентированный острийный автоэмиссионный катод и сеточный электрод с круглым центральным отверстием, размещенным соосно с осью симметрии острийного катода, вершина которого размещена внутри отверстия в сетке. Причем в сеточном электроде формируют концентрично с центральным отверстием кольцевое отверстие в форме щели шириной, равной диаметру центрального отверстия, отделенное от центрального отверстия кольцевой перегородкой из сеточного электрода.

Предлагаемая конструкция катодно-сеточного узла поясняется чертежами.

На Фиг. 1 представлена схема КСУ с единичным вертикально ориентированным острием и сеточным электродом, центр которого лежит на оси симметрии острия, где:

1 - катодный диск - основание острия;

2 - автоэмиссионный катод в форме острия;

3 - линии равного потенциала (эквипотенциали);

4 - траектории электронов;

5 - центральное отверстие сетки;

6 - сеточный электрод.

Катодно-сеточный узел содержит автоэмиссионный катод в форме вертикально ориентированного острия (2), размещенного по центру отверстия (5) сеточного электрода (6). Потенциалы катода – 0 В, сетки 1 В и эквипотенциалей от 0.1 В до 0.9 В (3) даны в относительных единицах. Полуугол расхождения α1 электронных траекторий (4) за отверстием в сетке может достигать 60 градусов.

На Фиг. 2 представлена конструкция КСУ согласно заявляемому изобретению. В сеточном электроде любым известным способом (лазерным фрезерованием, электроискровой обработкой, химическим травлением) формируют кольцевое отверстие (7), концентрично расположенное относительно центрального отверстия (5) и отделенное от него кольцевой перегородкой (6). Абсолютные размеры центрального отверстия и ширина кольцевой щели определяются требованиями к конкретному КСУ по величине тока и напряжению на сетке.

Катодно-сеточный узел с вертикально ориентированным автоэмиссионным катодом работает следующим образом. За счет провисания потенциала в щелевое отверстие в сетке электрическое поле по оси щелевого отверстия ослабляется, что вызывает искривление эквипотенциалей и их перемещение от основания острия (1) к сетке (6). Направление перемещения эквипотенциалей показаны стрелками (8) на фиг. 2. Ослабление электрического поля в области вершины острия приводит к уменьшению напряженности электрического поля на боковой поверхности острия вблизи его вершины и, как следствие, к уменьшению плотности автоэмиссионного тока и уменьшению угла эмиссии острия. За счет провисания потенциала в щелевое отверстие ослабляется электрическое поле над кольцевой перегородкой и в периферийной области центрального отверстия.

Ослабление напряженности электрического поля приводит к увеличению радиуса кривизны эквипотенциалей в области центрального отверстия и уменьшению радиальной составляющей электрического поля, отклоняющей траектории электронов от оси острийного автоэмиттера. За счет уменьшения радиальной составляющей электрического поля вблизи острия как с наружной, так и с внутренней стороны сетки поперечные составляющие скоростей электронов уменьшаются. Полуугол расхождения траекторий электронов с вершины острия α2 становится меньше угла расхождения α1 в конструкции КСУ без щелевого отверстия.

Предлагаемая конструкция катодно-сеточного узла формирует электронный поток на выходе из сетки с меньшим углом расходимости и меньшими поперечными скоростями электронов, что позволяет формировать электронные пучки для вакуумных электронных приборов меньшего поперечного размера с меньшей потерей тока на элементах электродинамической системы и применять для их фокусировки магнитные поля с меньшей амплитудой индукции.

В конечном итоге данное изобретение позволит улучшить характеристики вакуумного электронного прибора - повысить КПД и уменьшить вес.

Источники информации

1. Н.А. Бушуев, В.И. Шестеркин, А.А. Бурцев, Ю.А. Григорьев, B.П. Кудряшов, П.Д. Шалаев. Матричные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода: современное состояние и перспективы использования в СВЧ-приборах // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. Вып. 4 (519). 2013. C. 175-183.

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

3. Spindt С.А. // J of Appl. Phys. 1968. Vol. 39. №6. P. 3504.

4. Whaley D.R., Duggal R., Armstrong С.M. et al. // IEEE Trans. 2009. V. ED-56. №5. P. 896.

5. Vasily I. Shesterkin. Large-sized field-emission cells with high aspect ratio of tip sizes made of carbon glass composed of electron guns for microwave devices // 11 th Internationale Vacuum Electron Sources Conference. IVESC - 2016. Seoul. 18-20 October. 2016. PP. 119-120.

Катодно-сеточный узел с автоэмиссионным катодом, содержащий вертикально ориентированный острийный автоэмиссионный катод и сеточный электрод с круглым центральным отверстием, размещенным соосно с осью симметрии острийного катода, вершина которого размещена внутри отверстия в сетке, отличающийся тем, что в сеточном электроде формируют концентрично с центральным отверстием кольцевое отверстие в форме щели шириной, равной диаметру центрального отверстия, отделенное от центрального отверстия кольцевой перегородкой из сеточного электрода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способу изготовления катодно-сеточного узла (КСУ), предназначенного для использования в электронных приборах с автоэлектронной эмиссией.

Изобретение относится к ускорителю электронов на основе сегнетоэлектрического плазменного (СЭП) катода. В предложенном ускорителе накопитель энергии совместно с формирователем импульса выполнен в виде формирующей линии, состоящей из n+1, где n - натуральное число отрезков однородных линий с волновым сопротивлением ρ, трансформатор включен между формирующей линией и диодом и состоит из n, где n - натуральное число отрезков однородных линий с волновым сопротивлением ρ, соединенных на входе параллельно, а на выходе последовательно, между формирующей линией и трансформатором включен управляющий разрядник, отдельный кабель с волновым сопротивлением ρ соединяет формирующую линию с катодом.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов для создания автоэмиссионных электронных приборов (с «холодной эмиссией электронов) для изготовления зондов и кантилеверов сканирующих зондовых микроскопов и оперативных запоминающих устройств с высокой плотностью записи информации, поверхностно-развитых электродов электрохимических ячеек источников тока, а также для использования в технологиях изготовления кремниевых солнечных элементов нового поколения для повышения эффективности антиотражающей поверхности фотопреобразователей.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способу изготовления катодно-сеточного узла (КСУ), предназначенного для использования в электронных приборах с холодной эмиссией.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способу модификации эмиссионной поверхности электродов для приборов с автоэлектронной эмиссией. Способ включает размещение в общем вакуумированном корпусе 1 анодного электрода 3.1 и катодного электрода 3.2, имеющего рабочую поверхность, материал которой обладает автоэмиссионными свойствами.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для изготовления эффективных термо- и вторичноэмиссионных катодов для мощных приборов СВЧ-электроники.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для изготовления эффективных термо- и вторичноэмиссионных катодов для мощных приборов СВЧ-электроники, в частности ламп бегущей волны, магнетронов и т.п.

Изобретение относится к технике радиосвязи, радиолокации и радиоэлектронной борьбы и может быть использовано в авиационной и космической технике. Способ снижения радиолокационной заметности летательных аппаратов, оборудованных газотурбинными двигателями, заключается в том, что перед элементами двигателей, вносящими большой вклад в мощность отраженного излучения, создают плазменное образование, поглощающее зондирующее излучение радиолокационной станции.

Изобретение относится к способам изготовления автоэмиссионных катодов с применением углеродных нанотрубок и может быть использовано для изготовления элементов и приборов вакуумной микро- и наноэлектроники.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния. Изготовление матрицы многоострийного автоэмиссионного катода осуществляют на пластинах монокристаллического кремния в плазме микроволнового газового разряда осаждением из паров углеродосодержащих веществ, например этанола, с использованием явлений самоорганизации и структурирования субмонослойных углеродных покрытий в наноостровковые образования. Для увеличения коэффициента усиления электрического поля и уменьшения, тем самым, рабочих напряжений осуществляют формирование эмиссионных центров в виде интегральных столбчатых наноструктур высотой до нескольких десятков нанометров, которые получают высокоанизотропным травлением кремниевых пластин с использованием полученных углеродных островковых нанообразований в качестве масочного покрытия. Для повышения плотности и стабильности автоэмиссионного тока матрица многоострийного автоэмиссионного катода на поверхности монокристаллического кремния подвергается плазменной обработке для удаления естественного оксидного покрытия в среде хладона-14 при отрицательном смещении на подложкодержателе. Технический результат - повышение плотности и стабильности автоэмиссионных токов.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к вакуумным электронным устройствам, в том числе к вакуумным устройствам СВЧ-диапазона, использующим в качестве источников тока автоэмиссионные катоды. Технический результат- повышение эмиссионной способности катода, надежности работы катодно-сеточного узла электронного устройства и улучшение качества электронного потока путем уменьшения угла эмиссии с вершины автоэмиттера. Катодно-сеточный узел содержит автоэмиссионный катод в форме иглы с большим аспектным отношением геометрических размеров и управляющую сетку из токопроводящего материала с отверстиями. Управляющая сетка отделена от катода вакуумным зазором. При этом поверхность сетки и поверхности, образующие отверстия сетки, покрыты пленкой из диэлектрического материала. При подаче на управляющую сетку положительного относительно катода напряжения, соответствующей началу автоэлектронной эмиссии с катода, электроны с боковой поверхности вблизи вершины острия оседают на участки сетки, покрытые пленкой из диэлектрического материала, и сообщают ей отрицательный заряд. Отрицательный заряд пленки уменьшает напряженность электрического поля на боковой поверхности автоэмиссионного катода и ограничивает эмиссию с тех участков, с которых электроны попадали на сетку. В результате угол эмиссии с вершины острия уменьшается до значений, когда весь ток катода без потерь проходит в отверстие в сетке. По мере стекания заряда с пленки диэлектрика ее потенциал повышается, что приводит к восстановлению эмиссии с боковой поверхности автоэмиттера и оседанию электронов на участки сетки, покрытые пленкой диэлектрика. Отрицательный заряд пленки вновь возрастет, что приводит к ограничению эмиссии с боковой поверхности острия, и т.д. Данный процесс динамический, саморегулируемый и устанавливается при отсутствии токоперехвата на сетку. 2 ил.

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. Изготовление матрицы многоострийного автоэмиссионного катода осуществляют на пластинах монокристаллического кремния дырочного типа проводимости в плазме микроволнового газового разряда осаждением из паров углеродосодержащих веществ, например этанола, углеродных покрытий на кремниевые столбчатые наноструктуры высотой до нескольких десятков нанометров. Для повышения плотностей автоэмиссионных токов используют эмиссионные слои с низкой поперечной электропроводностью. Технический результат - повышение стабильности и эффективности автоэмиссии. 2 ил.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к катодно-сеточным узлам для вакуумных электронных устройств, в том числе приборов СВЧ диапазона с наносекундным временем готовности, в которых используются автоэмиссионные катоды. Технический результат - уменьшение угла расхождения траекторий электронов за сеткой путем устранения автоэлектронной эмиссии с боковой поверхности вершины острия и уменьшение расфокусирующего действия сеточной линзы за счет уменьшения поперечной составляющей электрического поля в области отверстия в сетке и, как следствие, уменьшение поперечных скоростей электронов. Катодно-сеточный узел с автоэмиссионным катодом содержит вертикально ориентированный острийный автоэмиссионный катод и сеточный электрод с круглым центральным отверстием, размещенным соосно с осью симметрии острийного катода, вершина которого размещена внутри отверстия в сетке. В сеточном электроде формируют концентрично с центральным отверстием кольцевое отверстие в форме щели шириной, равной диаметру центрального отверстия, отделенное от центрального отверстия кольцевой перегородкой из сеточного электрода. 2 ил.

Наверх