КАТОДНО-СЕТОЧНЫЙ УЗЕЛ С МНОГОСЛОЙНОЙ СВЯЗАННОЙ С КАТОДОМ СЕТКОЙ

Полезная модель относится к электронной технике, в частности к импульсным вакуумным электронным устройствам, в том числе к импульсным СВЧ приборам О-типа, в которых используются сеточные структуры для управления током с поверхности термоэмиссионного катода.
Известна конструкция катодно-сеточного узла (КСУ), содержащая испускающий электроны термоэмиссионный катод, теневую сетку, расположенную в непосредственной близости от поверхности термоэмиссионного катода, и управляющую эмиссионным током катода сетку, расположенную между теневой сеткой и анодом, причем ее перемычки находятся в геометрической тени перемычек теневой сетки [Лысова И.К., Корешкова О.Н. ЛБВ импульсного действия с низковольтным управлением электронными пучками // Обзоры по электронной технике. 1976. Сер. 1. Электроника СВЧ. - М.: ЦНИИ «Электроника». Вып. 16 (426). - 27 с.]. Управляющая сетка имеет потенциал выше потенциала катода и обеспечивает эмиссию электронов с поверхности термоэмиссионного катода и их транспортировку через отверстия между перемычками за анод электронной пушки в пространство взаимодействия прибора. Теневая сетка устраняет эмиссию с поверхности катода под перемычками сетки, препятствует оседанию электронов на перемычки управляющей сетки и увеличению их температуры за счет рассеяния кинетической энергии электронов, которые могли быть перехвачены ею при отсутствии теневой сетки. Необходимым условием стабильной работы импульсного электронного прибора является отсутствие термоэлектронной эмиссии с управляющей сетки в паузе между импульсами когда она имеет отрицательный потенциал относительно катода и электронный прибор работает в режиме приема отраженного от цели высокочастотного сигнала.
Однако выполнение данного требования возможно при отсутствии перехвата части тока катода перемычками управляющей сетки и дополнительного ее разогрева кинетической энергией перехваченных перемычками сетки электронов до температуры начала термоэлектронной эмиссии с сетки. Обеспечить защиту от перехвата тока возможно при идеальном совмещении перемычек управляющей и теневой сеток и при условии, что ширина перемычек теневой сетки превышает ширину перемычек управляющей сетки в 1.5-2.0 раза. Увеличение ширины перемычек теневой сетки приводит к уменьшению рабочей поверхности катода и снижению его тока. Для восстановления требуемого значения рабочего тока катода необходимо увеличить температуру катода, что в свою очередь снизит длительность его эксплуатации. Кроме того, в данной конструкции КСУ вследствие разных температур теневой и управляющей сеток не удается обеспечить одинаковый зазор между перемычками теневой и управляющей сетками в различных точках их поверхности. В этом случае не удается обеспечить равномерность эмиссии по поверхности катода.
Известна также конструкция катодно-сеточного узла со связанной с поверхностью катода сеткой, в которой перемычки управляющей сетки одинаково удалены от поверхности катода в любой точке его поверхности [Патент №3967150 (USA), МКИ J 19/14. Grid controlled electron source and method of making same / E.L. Lien, G.V. Miram, R.B. Nelson (USA); Varian Associates (USA)]. В данной конструкции КСУ неизменность зазора катод -управляющая сетка обеспечивалась толщиной пленки диэлектрика, расположенной между управляющей сеткой и поверхностью катода. Управляющая сетка представляла собой пленку из проводящего материала (циркония или титана). После изготовления сквозных отверстий связанная сетка прижималась к поверхности катода.
Недостатком данной конструкции КСУ является возрастающая в процессе срока службы термоэлектронная эмиссия с управляющей сетки, температура которой близка к температуре катода, за счет оседания на ее поверхность испарившихся с поверхности катода бария и его окиси под воздействием высокой температуры катода.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является конструкция КСУ с двойной связанной сеткой [Патент №4263528 (USA), МПК H01J 1/46; H01J 21/10. Grid coating for thermionic electron emission suppression / George Miram]. В данной конструкции КСУ между поверхностью катода и пленкой диэлектрика сформирован барьерный слой из пиролитического графита для крепления связанной сетки с поверхностью катода методом термодиффузии. Барьерный слой в данной конструкции выполнял функцию теневой сетки. В качестве материала барьерного слоя и управляющей сетки использован пиролитический графит, имеющий коэффициент термического расширения, близкий к коэффициенту термического расширения пиролитического нитрида бора. Одинаковая ширина перемычек теневой и управляющей сеток обеспечивалась двухсторонней прошивкой сетки с помощью абразивного порошка в струе сжатого воздуха. Для уменьшения нежелательной термоэлектронной эмиссии с управляющей сетки из пленки пиролитического графита на нее наносилась пленка пиролитического нитрида бора толщиной менее одного микрометра.
Недостатком данной конструкции является возрастающие в процессе работы катода утечки по поверхности нитрида бора, разделяющей теневую и управляющую сетки за счет испарения и оседания на поверхность нитрида бора материала катода, разогретого до высокой температуры. Данный эффект был зарегистрирован и исследован при использовании связанной сетки в катодно-сеточном узле с автоэмиссионным катодом [Шестеркин В.И. Автоэмиссионные ячейки с диэлектрическим зазором катод-сетка и перспективы их использования в электронных приборах // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. научн.-техн. конф. АПЭП - 2016. 22-23 сентября 2016 г. СГТУ. Саратов. Россия. С. 161-165]. Утечки между катодом и управляющей сеткой и последующие пробои были вызваны напылением на нитрид бора материала автоэмиссионного катода (углерода), разогретого до высокой температуры собственным протекающим током (выделение джоулева тепла). В процессе работы термоэмиссионного катода с его поверхности также испаряется не только барий и окись бария, но и материал металлической губки катода, который оседает в том числе и на разделяющую теневую и управляющую сетки пленку из нитрида бора. С течением времени проводимость образующейся металлической пленки возрастает, что приводит к утечкам между управляющей сеткой и катодом и заканчивается пробоем и выходом из строя катодно-сеточного узла.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение надежности и долговечности катодно-сеточного узла с многослойной связанной с поверхностью катода управляющей сеткой.
Это достигается тем, что конструкция катодно-сеточного узла с многослойной связанной с катодом сеткой, содержит эмитирующий электроны катод, теневую и управляющую сетки из проводящего материала, разделенные пленкой диэлектрика и размещенные на поверхности катода. Перемычки многослойной связанной сетки полностью покрыты защитной пленкой диэлектрика. Защитная пленка диэлектрика (например, пленка нитрида бора) предотвращает оседание продуктов испарения с термоэмиссионного катода на поверхность разделяющею теневую и управляющую сетки диэлектрика и сохраняет ее чистой в процессе работы КСУ, препятствует появлению утечек между управляющей сеткой и катодом.
Перемычки теневой сетки отделены от поверхности катода пленкой диэлектрика и выполняют также функцию формирующей сетки [Патент №2586119 (RU), МПК H01J 1/00. Катодно-сеточный узел с углеродным автоэмиссионным катодом / В.И. Шестеркин]. Отклоняя траектории электронов, эмитированных поверхностью катода по периметру перемычек теневой сетки, к центру отверстий между перемычками происходит компенсация расфокусирующего влияния на электронные траектории электростатической линзы в области управляющей сетки. В результате разнонаправленного влияния теневой и управляющей сеток на траектории электронов в области электронной пушки формируется ламинарный электронный поток, что способствует улучшению качества его фокусировки и сопровождения до коллектора прибора с минимальными потерями.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом. На Фиг. 1 представлена конструкция КСУ.
Катодно-сеточный узел с многослойной связанной с катодом сеткой содержит эмитирующий электроны катод (1), теневую (2) и управляющую сетку (4), разделяющую перемычки теневой и управляющей сеток пленку диэлектрика (3) и защитную пленку диэлектрика (5). Эмитированные катодом (1) электроны проходят в область электронной пушки через отверстия (6) между перемычками связанной сетки.
Катодно-сеточный узел работает следующим образом. Электронный поток, эмитированный катодом (1), создается за счет положительного относительно катода потенциала на управляющей сетке (4). При потенциале управляющей сетки ниже потенциала катода его эмиссия прекращается и электронный прибор работает в режиме приема отраженного от цели сигнала без помех. Продукты испарения с поверхности термоэмиссионного катода осаждаются на поверхности защитной пленки и не изменяют изолирующие свойства разделяющей теневую и управляющую сетки пленки диэлектрика, предотвращая возможные утечки и пробои между катодом и управляющей сеткой.
Источники информации:
1. Лысова И.К., Корешкова О.Н. ЛБВ импульсного действия с низковольтным управлением электронными пучками // Обзоры по электронной технике. 1976. Сер. 1. Электроника СВЧ. - М.: ЦНИИ «Электроника». Вып. 16 (426). - 27 с.;
2. Патент №3967150 (USA), МКИ J 19/14. Grid controlled electron source and method of making same / E.L. Lien, G.V. Miram, R.B. Nelson (USA); Varian Associates (USA);
3. Патент №4263528 (USA), МПК H01J 1/46; H01J 21/10. Grid coating for thermionic electron emission suppression / George Miram;
4. Шестеркин В.И. Автоэмиссионные ячейки с диэлектрическим зазором катод - сетка и перспективы их использования в электронных приборах // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. научн.-техн. конф. АПЭП - 2016. 22-23 сентября 2016 г. СГТУ. Саратов. Россия. С. 161-165;
5. Патент №2586119 (RU), МПК H01J 1/00. Катодно-сеточный узел с углеродным автоэмиссионным катодом / В.И. Шестеркин.