КАТОДНО-СЕТОЧНЫЙ УЗЕЛ С ВЕРТИКАЛЬНО ОРИЕНТИРОВАННЫМ АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ
CATHODE-GRID KNOT WITH VERTICALLY ORIENTED FIELD EMITTER

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.
th
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  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.
1
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 α 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.
2
1
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 α становится меньше угла расхождения α 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.
th
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  Internationale Vacuum Electron Sources Conference. IVESC - 2016. Seoul. 18-20 October. 2016. PP. 119-120.