КАТОДНО-СЕТОЧНЫЙ УЗЕЛ С УГЛЕРОДНЫМ АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ
CATHODE-GRID ASSEMBLY WITH CARBON FIELD-EMISSION CATHODE

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции катодно-сеточных узлов (КСУ) с автоэмиссионными катодами из углеродного материала для вакуумных электронных приборов с микросекундным временем готовности.
Известна конструкция электронной пушки (ЭП), включающая КСУ с автоэмиссионным катодом из углеродных нанотрубок и токоперехватывающей молибденовой вытягивающей сеткой, размещенной над поверхностью катода [H.J. Kim, W.B. Seo, J.J. Choi, J-h. Han and J-B Yoo. Beam Emission Test in Carbon Nanjtube Cathode if a Gridded Gun. IVEC-2006. P. 479-480. Monterey]. В данной конструкции КСУ наибольшая напряженность электрического поля и, как следствие, наибольшая плотность тока автоэлектронной эмиссии создаются в зазорах между перемычками вытягивающей сетки и поверхностью катода, что приводит к прямому перехвату части тока катода перемычками сетки и ее разогреву вплоть до температуры плавления материала сетки. К недостаткам данной конструкции относится так же большой разброс углов наклона электронных траекторий относительно оси симметрии ячеек сетки в результате дефокусирующего действия электростатических линз в ячейках сетки. Это существенно усложняет согласование электронного пучка с магнитным полем и его транспортировку в пролетном канале прибора без оседания части тока на замедляющую систему.
Известна конструкция многолучевой электронной пушки, включающая КСУ, состоящий из 19-ти цилиндрических миникатодов из монолитного стеклоуглерода с матрицей микроострий на их торцах и крупноячеистой вытягивающей сетки с 19 отверстиями. Вытягивающая сетка размещена над поверхностью цилиндрических миникатодов так, что оси симметрии каждого миникатода и центры соответствующих отверстий сеток совпадают [Бушуев Н.А., Шестеркин В.И., Бурцев А.А., Григорьев Ю.А., Кудряшов В.П., Шалаев П.Д. Матричные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода: современное состояние и перспективы использования в СВЧ-приборах // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. Вып. 4 (519). 2013. С. 175-183]. Автоэмиссионный катод и вытягивающая сетка отделены друг от друга вакуумным зазором. Прямой перехват тока катода с микроострий, расположенных под перемычками сетки, в данной конструкции устранен, поскольку под перемычками сетки микроострия отсутствуют.
Недостатком данной конструкции, как и приведенной выше конструкции, является большой разброс углов наклона траекторий электронов относительно оси симметрии ячеек сетки [Darmaev A.N., Komarov D.A., Morev S.P., Shesterkin V.I., and Shalaev P.D. Experimental Investigations and Numerical Simulation of the Electron Flow Shaped bu Grigor, - Shesterkin matrix Carbon Field-Emission Cells // Journal of Communications Technology and Electronics. 2014. V. 59. №8. Р. 820-826].
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является конструкция КСУ с матричным автоэмиссионным катодом из монолитного стеклоуглерода и „сэндвич-сеткой", которая размещена непосредственно на поверхности микроострий автоэмиссионного катода и механически прижата к нему [Бушуев Н.А., Шестеркин В.И., Бурцев А.А., Григорьев Ю.А., Кудряшов В.П., Шалаев П.Д. Матричные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода: современное состояние и перспективы использования в СВЧ-приборах // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. Вып. 4 (519). 2013. С. 175-183]. „Сэндвич-сетка" представляет собой тонкопленочную „сэндвич-структуру" со сквозными отверстиями, состоящую из слоя диэлектрика, на обе стороны которого нанесены пленки пиролитического графита. Ближайшая к плоскости микроострий сетка выполняет функцию формирующей сетки, а вторая - вытягивающей сетки. В данной конструкции КСУ перехват тока катода перемычками вытягивающей сетки составляет ≈3% от тока катода.
Недостатком данной конструкции является то, что разброс углов наклона электронных траекторий к оси симметрии ячеек сетки полностью не устранен, что является причиной перехвата части тока катода перемычками вытягивающей сетки. Данный недостаток связан с неоптимальным соотношением геометрических размеров ячеек сетки.
Задачей изобретения является уменьшение разброса углов наклона электронных траекторий в плоскости вытягивающей сетки КСУ и уменьшение оседания тока катода на перемычки вытягивающей сетки.
Поставленная задача достигается тем, что катодно-сеточный узел включает автоэмиссионный катод из монолитного углеродного материала с матрицей микроострий на его рабочей поверхности, формирующую и вытягивающую сетки со сквозными отверстиями, разделенные слоем диэлектрика и образующие ячейки „сэндвич-сетки" над матрицей микроострий. Причем формирующая сетка частично погружена в тело катода, а высота выступающей части формирующей сетки - над поверхностью микроострий h, диаметры отверстий ячеек „сэндвич-сетки" d и полная высота „сэндвич-сетки" Н, включающая высоту выступающей части h формирующей сетки, толщину пленок диэлектрика и вытягивающей сетки, связаны соотношениями
h<d/5
d≈2×H
В конструкции КСУ, состоящей из катода с матрицей микроострий из монолитного углеродного материала, формирующей сетки, частично погруженной в тело катода и выступающей ее частью над поверхностью микроострий h, вытягивающей сетки, разделенные слоем диэлектрика, геометрические размеры h, d и H выбраны в соответствии с приведенными выше соотношениями так, что в плоскости вытягивающей сетки углы наклона электронных траекторий к оси симметрии ячейки сетки близки к нулю.
Предлагаемая конструкция КСУ с углеродным автоэмиссионным катодом поясняется фиг. 1:
1 - катод
2 - формирующая сетка
3 - слой диэлектрика
4 - вытягивающая сетка
5 - микроострия
Катодно-сеточный узел содержит многоострийный автоэмиссионный катод 1 с матрицей микроострий 5 из монолитного углеродного материала, формирующую сетку 2, слой диэлектрика 3 и вытягивающую сетку 4. Формирующая сетка 2 частично погружена в тело катода 1, что обеспечивает прочное соединение катода и „сэндвич-сетки. В „сэндвич-сетке" имеются сквозные отверстия диаметрами d. Полная высота Н „сэндвич-сетки" включает в себя высоту выступающей над поверхностью микроострий части формирующей сетки h, а также толщину слоя диэлектрика и вытягивающей сетки.
На фиг. 2 и фиг. 3 показано, как достигается положительный эффект. Реализуемый в данной конструкции КСУ положительный эффект достигается за счет выбора геометрических размеров ячеек „сэндвич-сетки", удовлетворяющих соотношениям (1) и (2). На фиг. 2 показано влияние выступающей над поверхностью микроострий части формирующей сетки на электронные траектории. Выступающая часть h формирующей сетки 2 искривляет линии одинакового потенциала (далее эквипотенциали) 6 электростатического поля так, что траектории электронов 7, стартующих с кольцевой поверхности автоэмиссионного катода шириной Δr, отклоняются к центру ячейки под углом α. Это отклонение тем значительнее, чем больше величина h. Угол наклона α электронных траекторий к оси симметрии ячейки тем больше, чем дальше от центра ячейки находятся их точки старта.
На фиг. 3 показано дефокусирующее влияние электростатической линзы вытягивающей сетки на электронные траектории. В плоскости вытягивающей сетки 4 электронные траектории 7 отклоняются от оси симметрии ячейки на угол α и его величина тем больше, чем дальше от центра ячейки они находятся. Электроны, стартующие в центральной части ячейки сетки, где электростатическое поле не возмущено и эквипотенциали 6 параллельны поверхности катода 1, траектории электронов 7 параллельны оси симметрии ячейки сетки. Отклонения электронных траекторий вблизи формирующей сетки и в области вытягивающей сетки разнонаправлены и компенсируют друг друга при определенных соотношениях размеров ячейки сетки d и Н и высоты выступающей над поверхностью катода части формирующей сетки h:
В результате выбора геометрических размеров элементов ячейки „сэндвич-сетки", удовлетворяющих соотношениям (1) и (2), в плоскости вытягивающей сетки электронные траектории имеют близкие к нулю углы наклона к оси симметрии ячейки сетки по всей ее площади, что позволяет исключить оседание тока на перемычки вытягивающей сетки, сформировать за вытягивающей сеткой ламинарный электронный поток и обеспечить оптимальное согласование электронного потока с магнитным полем в переходной области и его транспортировку через пространство взаимодействия прибора до коллектора с высоким коэффициентом токопрохождения.
Катодно-сеточный узел с углеродным автоэмиссионным катодом работает следующим образом.
7
На вытягивающую сетку подается положительное относительно катода напряжение, которое обеспечивает на вершинах микроострий внутри каждой ячейки КСУ необходимое для автоэлектронной эмиссии значение напряженности электрического поля Ε≥3×10 в/см. С увеличением напряжения на вытягивающей сетке возрастает напряженность поля на вершинах микроострий автоэмиссионного катода. Одновременно возрастает дефокусирующее действие электростатической линзы в плоскости вытягивающей сетки. Формирующая сетка находится под потенциалом катода. В кольцевой области каждой ячейки сетки, примыкающей к перемычкам формирующей сетки, выступающая часть формирующей сетки искривляет эквипотенциали электростатического поля, вследствие чего траектории электронов отклоняются к центру ячейки сетки. В плоскости вытягивающей сетки электронные траектории, которые в области формирующей сетки были отклонены к центру ячейки сетки, отклоняются от ее центра. Отклоняющие действия электростатических линз в плоскостях формирующей и вытягивающей сеток разнонаправлены и при выполнении соотношений (1) и (2) нейтрализуют друг друга. Траектории электронов, исходящие из центра ячейки сетки, не отклоняются от оси симметрии ячейки сетки. Для каждого значения напряжения на вытягивающей сетке (напряжения на вытягивающей сетке выбираются индивидуально для каждого прибора) абсолютные значения размеров h, d и H рассчитываются индивидуально и должны удовлетворять соотношениям (1) и (2). В результате, траектории электронов на выходе из „сэндвич-сетки" параллельны осям симметрии ее ячеек, а электронный поток ламинарен и фокусируется магнитным полем с минимальным значением амплитуды его индукции.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. H.J. Kim, W.B. Seo, J.J. Choi, J-h. Han and J-B Yoo. Beam Emission Test jn Carbon Nanjtube Cathode jf a Gridded Gun. IVEC-2006. P. 479-480. Monterey.
2. Бушуев Η.Α., Шестеркин В.И., Бурцев Α.Α., Григорьев Ю.А., Кудряшов В.П., Шалаев П.Д. Матричные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода: современное состояние и перспективы использования в СВЧ-приборах // Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника. Вып. 4 (519). 2013. С. 175-183.
3. Darmaev A.N., Komarov D.A., Morev S.P., Shesterkin V.I., and Shalaev P.D. Experimental Investigations and Numerical Simulation of the Electron Flow Shaped bu Grigor, - Shesterkin matrix Carbon Field-Emission Cells // Journal of Communications Technology and Electronics. 2014. V. 59. №8. P. 820-826.
4. Бушуев H.A., Шестеркин В.И., Бурцев A.A., Григорьев Ю.А., Кудряшов В.П., Шалаев П.Д. Матричные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода: современное состояние и перспективы использования в СВЧ-приборах // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. Вып. 4 (519). 2013. С. 175-183.