КАТОДНО-СЕТОЧНЫЙ УЗЕЛ С АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ
CATHODE-GRID KNOT WITH FIELD-EMISSION CATHODE

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.
Известна конструкция катодно-сеточного узла (КСУ), содержащая множество ячеек, каждая из которых образована автоэмиссионным катодом и отверстием в управляющей сетке, через которое электроны с катода поступают в область электронной пушки и далее в пространство взаимодействия [H.J. Kim, W.B. Seo, J.J. Choi, J-h. Han and J-B Yoo. Beam Emission Test in Carbon Nanotube Cathode if a Gridded Gun. IVEC-2006. P. 479-480. Monterey]. В данной конструкции КСУ управляющая сетка размещена над поверхностью автоэмиссионного катода. Главным недостатком данной конструкции является большой (более 36%) перехват катодного тока перемычками управляющей сетки при геометрической прозрачности сетки 72%. Основная доля тока сетки эмитирована с участков катода, расположенных напротив перемычек сетки. Часть тока с участков катода напротив отверстий сетки оседает на цилиндрической поверхности, образующей ее отверстия. Кинетическая энергия электронов, перехваченных сеткой, переходит в тепловую энергию, за счет которой повышается температура сетки и, как следствие, возрастает десорбция газов с перемычек сетки, инициирующая пробои в цепи катод-сетка, приводящие к необратимому уменьшению эмиссии катода.
Известна также конструкция КСУ, в которой устранен прямой перехват тока с поверхности катода напротив перемычек сетки [Н.А. Бушуев, О.Е. Глухова, Ю.А. Григорьев, Д.В. Иванов, А.С. Колесникова, А.А. Николаев, П.Д. Шалаев, В.И. Шестеркин Исследование эмиссионных характеристик многолучевой электронной пушки с автоэмиссионным катодом из стеклоуглерода // ЖТФ, 2016, том 86, вып. 2, с. 134-139]. Острия под перемычками сетки были удалены электроискровым способом.
Однако перехват тока катода цилиндрической поверхностью сетки, ограничивающей ее отверстие, в данной конструкции не устранен. Это связано с тем, что автоэмиссионный катод имеет форму цилиндра с плоской вершиной, которая размещена внутри отверстия сетки. Максимальная напряженность поля, а соответственно и максимальная плотность автоэмиссионного тока имеет место на периферии плоской вершины цилиндрического катода, и ток с данной поверхности оседает на поверхности сетки, образующей ее отверстие. В данной конструкции КСУ ток сетки достигает 70% от тока катода и вызывает (как и в предыдущей конструкции) пробои и необратимое снижение эмиссии катода.
th
Наиболее близким к предполагаемому изобретению является конструкция КСУ [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. Korea. 2016. PP. 119-120], в которой перехват тока сеткой уменьшен за счет применения катода в форме иглы с закругленной вершиной и аспектным отношением ~1000. В данной конструкции максимальное значение плотности тока реализуется на вершине иглы и уменьшается по ее поверхности от вершины иглы к ее основанию. Однако одновременно с все большим снижением плотности тока с боковой поверхности острия при перемещении от вершины иглы возрастает площадь эмиссии с заданным значением плотности тока. Снизить перехват тока сеткой более чем до 10% от величины тока катода не представляется возможным.
Известно, что для инициирования вакуумного пробоя между любыми электродами электровакуумного прибора необходима газовая среда, которая может поставляться в объем с электродов при их бомбардировке электронным потоком [А.Г. Месяц, Д.И. Проскуровский. Импульсный электрический разряд в вакууме. Новосибирск: Изд-во «Наука». Сибирское отделение, 1984 г.]. Для повышения надежности работы КСУ необходимо использовать все доступные способы, в том числе и конструктивные, для уменьшения напряжения между электродами, а также для уменьшения напряжения на сетке в КСУ.
3
Известно, что увеличение аспектного отношения (отношение высоты автоэмиттера к его радиусу кривизны вершины) позволяет достигать необходимой для автоэмиссии величины напряженности электрического поля при меньших значениях напряжения на сетке. Так, например, аспектное отношение для углеродных нанотрубок может достигать значения порядка 10 и даже выше, что открывает возможность разработки нового поколения электровакуумных приборов, отличающихся пониженным значением напряжения [А.В. Елецкий. Холодные полевые эмиттеры на основе углеродных нанотрубок // 2010. УФН. Том. 180. №9. С. 899].
Задачей настоящего изобретения является повышение эмиссионной способности катода, надежности работы катодно-сеточного узла электронного устройства и улучшение качества электронного потока путем уменьшения угла эмиссии с вершины автоэмиттера.
Поставленная задача решается тем, что 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.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлена единичная ячейка КСУ. Позициями на фиг. 1 обозначено:
1 - автоэмиссионный катод;
2 - сетка с отверстием;
3 - пленка диэлектрика;
4 - линии равных потенциалов (эквипотенциали);
5 - траектории электронов;
1
6 - угол эмиссии (α).
Ячейка катодно-сеточного узла содержит автоэмиссионный катод (1), управляющую сетку (2), пленку из диэлектрического материала (3), нанесенную на поверхность сетки (2), линии равного потенциала (4), траектории электронов (5), стартующих с поверхности автоэмиссионного катода, и (6) - максимальный угол эмиссии электронов с вершины автоэмиссионного катода. Длина линий траекторий электронов пропорциональна плотности тока с соответствующего участка поверхности катода.
На фиг. 2 показано влияние отрицательного заряда пленки диэлектрика на напряженность поля боковой поверхности острия в единичной ячейке КСУ. Позициями на фиг. 2 обозначено:
1 - катод;
2 - сетка;
3 - пленка диэлектрика;
4 - электрические заряды;
5, 6, 7 - эквипотенциали при отсутствии отрицательного заряда;
5', 6', 7' - эквипотенциали при наличии отрицательного заряда;
2
α - угол эмиссии.
Катодно-сеточный узел работает следующим образом.
1
В рабочем состоянии на сетку подают напряжение Uc, положительное относительно потенциала катода Uк. Следовательно, Uc>Uк. При подаче напряжения на управляющую сетку эмиссия электронов начинается на вершине острия, где величина напряженности электрического поля максимальна. При увеличении напряжения на сетке напряженность поля на вершине острия возрастает (что приводит к увеличению тока автоэлектронной эмиссии), а на кольцевой области острия, прилегающей к вершине, достигает порогового для начала автоэлектронной эмиссии значения. При дальнейшем увеличении напряжения на сетке пороговое значение напряженности электрического поля, соответствующее началу автоэлектронной эмиссии, перемещается по поверхности от вершины острия к его основанию. Угол эмиссии (α) все больше возрастает и достигает некоторого критического значения, при котором электроны начинают перехватываться сеткой. Пленка диэлектрика приобретает отрицательный заряд, который уменьшает напряженность электрического поля на поверхности катода. На фиг. 2 влияние отрицательного заряда пленки диэлектрика на напряженность поля боковой поверхности острия иллюстрируется перемещением эквипотенциалей от поверхности острия к сетке (направление перемещения эквипотенциалей показано стрелками). Удаление эквипотенциалей тем больше, чем больший отрицательный заряд приобретает пленка диэлектрика вследствие оседания тока на его поверхность.
2
В результате уменьшения напряженности электрического поля до критического значения и ниже эмиссия электронов, оседающих на сетку с данных участков, прекращается. Угол автоэлектронной эмиссии (α) уменьшается до величины, когда весь ток катода покидает ячейку без оседания на диэлектрическую пленку. Отрицательный заряд с пленки постепенно стекает, а напряженность электрического поля между поверхностью катода и сеткой постепенно возрастает до величины, соответствующей началу автоэлектронной эмиссии. Ток с данного участка снова достигает поверхности сетки и снова заряжает пленку диэлектрика отрицательным зарядом, который вновь ограничивает эмиссию с поверхности катода. Данный процесс токооседания на сетку и зарядки пленки диэлектрика, ограничивающий перехват тока сеткой, динамический и саморегулируемый. Критерием саморегуляции является отсутствие перехвата тока сеткой.