ВАКУУМНЫЙ ЭМИССИОННЫЙ ТРИОД
VACUUM EMISSION TRIODE

2
Данное изобретение относится к приборам вакуумной эмиссионной электроники и может быть использовано в устройствах коммутации тока, в усилителях, в смесителях и в ряде других приборов и устройств силового сектора СВЧ-электроники. Области применений эмиссионной СВЧ электроники чрезвычайно широки. Это цифровое телевидение, спутниковая связь, узкополосная и сверхширокополосная радиолокация и многое другое. Их реализация требует освоения частотного диапазона в несколько сотен гигагерц, для чего необходимо иметь сильноточные катоды. Базовыми детектирующими и усилительными элементами силовых СВЧ устройств и систем являются вакуумные эмиссионные диоды и триоды. В настоящее время источниками электронов в приборах эмиссионной силовой электроники являются термокатоды. Они позволяют получить большие токи, однако термоэмиссия электронов положенная в основу работу термокатодов имеет недостаточно высокую мобильность (времена выхода приборов в рабочий режим составляют 1…3 минуты), что является крупным недостатком в ряде применений, например в радиолокации (приходится постоянно держать сеть станций в работающем состоянии). Создать активные элементы необходимой мобильности и быстродействия, возможно только при использовании «холодных» катодов, при плотностях токов превосходящих 1…5 A/cm и полных токах ~ 0,1…1,0 А. При этом, к электронно-компонентной базе силовой СВЧ электроники, предъявляются требования длительной стабильной работы в условиях повышенных температур (-100 + +300°С) и радиационных воздействий.
Аналогами заявляемого нами устройства могут быть вакуумные эмиссионные триоды, в которых управление потоком электронов между электродами катода и анода осуществляется с помощью электрического поля, созданного третьим (управляющим) электродом [1]. Преимущества вакуумной эмиссионной ЭКБ по сравнению с MESFET приборами твердотельной СВЧ электроники начинают значимо проявляться при рабочих частотах превышающих 50…60 ГГц (здесь резко уменьшается добротность твердотельных полупроводниковых приборов за счет утечек по паразитным цепям исток-затвор-сток), а также при их использовании в высоковольтных системах и в условиях повышенных температурных и радиационных воздействий. Однако, источниками электронов в таких вакуумных эмиссионных силовых приборах, как правило, являются термоэмиссионные катоды, что, как упомянуто выше, для ряда применений (например, в радиолокации) приводит к значительным ограничениям и является финансово затратным.
Высокой мобильностью обладают «холодные» катоды. В частности, к холодным мобильным источникам электронов относят автокатоды [2…4]. Автоэлектронной эмиссии электронов присуще уникальное быстродействие (характерные времена ~1…10 пс), слабая зависимость от температуры, и монохроматичность энергии электронного пучка. Однако многолетние попытки заменить в вакуумных сильноточных диодах и триодах термокатоды на автоэмиссионные микроострийные катоды, остро затребованные в силовом секторе СВЧ-электроники, сталкиваются с серьезными техническими проблемами [5]. Рабочий ресурс автокатодов недопустимо мал, а полные токи как правило не превышают 10 мА. Причина указанных проблем связана со значительной дисперсией аспектных отношений микроострий и с недостаточно высоким пределом текучести традиционных полупроводников и металлов.
2
Альтернативными источниками электронов, пригодными на роль "холодных" катодов для мобильных и стабильных приборов эмиссионной электроники могут стать изотопные источники бета- электронов. Степень монохроматичности бета- электронов чрезвычайно высока, а их поток стабилен на протяжении нескольких десятков лет. С учетом необходимости сберечь экологию окружающей среды и выполнить требования безопасности при эксплуатации приборов, изотопами для холодных катодов могут стать тритий либо никель - 63. Недостатки холодных катодов на основе указанных изотопов связаны с их низкой активностью, следствием чего являются невысокие значения предельных полных токов (~100 нА/см) и мощностей (не более 1 мкВт).
Наиболее близкой конструкцией (прототипом) к заявленному изобретению является конструкция эмиссионного триода в составе вакуумно-плотного корпуса, катода, управляющего электрода, анода и электрических контактов [6].
Задачей изобретения является значительное повышение величины плотного тока в вакуумных эмиссионных триодах и реализация высокой мобильности катода.
Достигается это посредством использования мобильного и стабильного изотопного катода, так что конструкция вакуумного эмиссионного триода содержит последовательно расположенные в вакуумно-плотном корпусе катод, управляющий электрод и анод, и отличается тем, что катод выполнен в форме микроканальной пластины, в массивы каналов которой со стороны одной из ее металлизированных поверхностей внедрено вещество изотопа, до глубины, выбранной с учетом необходимой величины коэффициента умножения потока электронов, управляющим электродом является вторая металлизированная поверхность микроканальной пластины, а между ней и анодом последовательно располагается ряд микроканальных пластин активированных к процессам вторичной эмиссии электронов.
На чертеже представлено условное изображение заявляемого вакуумного эмиссионного триода, в составе последовательно расположенных активных элементов: катода выполненного в виде микроканальной пластины (поз. 1), в каналы которой на оптимальную глубину внедрено вещество изотопа - источника бета - электронов (поз. 2), металлизированных контактов к ней (поз. 3 и поз. 4) один из которых (поз. 3) является контактом к веществу изотопа, а другой (поз.4) реализует функцию управляющего (ускоряющего вторичные электроны) электрода, дополнительных микроканальных пластин (в нашем примере поз.5 и поз.6) умножающих ток катода, и анод (поз.7). Работу предлагаемого устройства можно описать следующим образом. Вещество изотопа внедренное в каналы МКП испускает бета- электроны со средней энергией Ее (для 3Н она равна 5,7 кэВ, для 63Ni ~ 17 кэВ). Упомянутые бета-электроны, бомбардируя поверхность стенок каналов МКП, генерируют вторичные электроны, значительно увеличивая плотность электронного потока. Таким образом, реализуется холодный изотопный катод с внутренним усилением. В рамках одного цикла таких преобразований за счет вторичной эмиссии электронов реализуется умножение потока электронов в Ее/е раз. Так как энергия образования вторичных электронов (е) находится в диапазоне 5…15 эВ (например, ~ 5 эВ для активированного специализированного стекла, и 10…15 эВ для алмаза), а к электродам МКП приложена разность потенциалов от 500 до 1000 В, то в ней будут протекать и вторичные процессы преобразований, с учетом которых результирующий коэффициент умножения достигает ~ нескольких тысяч раз. Рожденные вторичные электроны дрейфуют к выходу из массивов каналов МКП в поле разности потенциалов, приложенной к металлизированным поверхностям первой из числа упомянутых микроканальных пластин, а по выходу из нее -направляются к ближайшему электроду последующего из ряда МКП. С учетом увеличения площади поверхности взаимодействия бета- электронов с активированной к вторичной эмиссии поверхностью каналов МКП примерно в 30 раз, при энергии бета-электронов в 5,7 кэВ, коэффициент умножения составит ~ 103 раз. Поэтому, при мощности изотопного источника в ~ 1 мкВт, на выходе первой МКП получим ток ~ 100 мкА. Мобильность и быстродействие обсуждаемого триода с изотопным катодом будут определяться временами "пролета" пространства между пластинами умножающих поток электронов МКП, а также характерным временем процессов вторичной эмиссии, и временем зарядки результирующим током емкостей последовательно расположенных умножающих МКП и анода. Так, для прибора в составе обсуждаемого изотопного катода с внутренним умножением, и двух дополнительных умножающих МКП, при площади катода ~ 1 см, длине пролета (дрейфовой длине) на свободном от вещества изотопа участке МКП (~ 100…200 мкм) и ~ в 1 мм суммарной длины дрейфа в пространствах между двумя последующими МКП, пролетные (дрейфовые) времена составят ~ 0,1 не, а полный ток достигнет величины ~ 1 А. Характерное время зарядки суммарной емкости МКП и анода составит величину ~ 0,3 не, что соответствует рабочим частотам в ~300 ГГц.
Таким образом, реализация эмиссионного триода для СВЧ-систем большой мощности (-0,1… 1,0 киловатт) может быть выполнена посредством использования стабильного мобильного хотя и недостаточно мощного изотопного катода с высокой степенью однородности эмиссии бета- электронов, если реализовать посредством внедрения вещества изотопа в каналы МКП внутреннее усиление потока за счет эффекта вторичной эмиссии электронов, и дополнительного использования последовательно расположенных МКП умножающих поток электронов.
Предлагаемая конструкция имеет ряд важных преимуществ перед прототипом.
Она экономична (в отличии от триода с термокатодом нет необходимости в питании накальной цепи); ей свойственны высокое быстродействие и мобильность (холодный катод выходит в рабочий режим за времена ~0,1 не); конструкция компактна (толщина активной части конструкции не более ~ 3…4 мм, а диаметр определяется мощностью триода, - в рассмотренном примере он составляет величину ~ 1 см).
Источники информации
[1] Кудинцева Г.А и др. Термоэлектронные катоды, М.Л., 1966
[2] Егоров Н.В., Шешин Е.П. Автоэлектронная эмиссия. Принципы и приборы. Долгопрудный:Интелект,2011-703 с.
[3] Spindt, С.А. Physical properties of thin-film feld emission cathodes with molybdenum cones // J. Appl. Phys. 1976. Vol. 47, №. 12. Pp. 5248-5263
[4] Тумарева T.A., Соминский Г.Г. Работа полевых эмиттеров с активированными фуллереновыми покрытиями в техническом вакууме// ЖТФ, 2013, том 83, выпуск 7
[5] В.А. Беспалов, Э.А. Ильичев, С.В. Куклев, А.Е. Кулешов, P.M. Набиев, Н.Н. Патюков, Г.Н. Петрухин, Г.С. Рычков, Д.С. Соколов, Е.Г. Теверовская, Е.Ю. Шелюхин. Разработка и исследование автоэмиссионной среды для автокатодов мобильных силовых СВЧ приборов. Журнал технической физики, 2018, том 88, вып. 3, с. 455-463
[6] Булычев А.Л. и др. Справочник по электровакуумным приборам. Минск, 1982.