УСИЛИТЕЛЬ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ НА НАНОТРУБКАХ

Заявленное техническое решение относится к области усиления высокочастотного излучения и может быть использовано для улучшения рабочих характеристик передающих антенн, которые могут применяться в телекоммуникационных системах.
3
2
Эффекты автоэлектронной эмиссии используется для усиления и преобразования энергии в ряде изобретений. Техническая реализация автоэмиссионных задач в рамках традиционных технологий и материалов чрезвычайно затруднена из-за низкого предела текучести традиционных материалов и технологической сложности воспроизводства идентичной геометрии автоэмиттирующих острий в матричных устройствах [C.V. Lieber. Solid state Commun., v. 107, p. 607 (1998), Bryan p. Ribaya, Joseph Leung, Philip Brown. A study on the mechanical and electrical reliability of individual carbon nanotube field emission cathodes. // Nanotechnology, v. 19, p.p. 1-8, (2008), S.A. Gavrilov, V.V. Dvorkin, N.N. Dzbanovsky, E.A. Il′ichev, E.A. Poltoratsky, G.S. Rychkov, N.V. Suetin. Secondary Electron Emission from CVD Diamond Films. // Diamond and Related Materials, 12 (2003), pp. 2208-2218.]. В последнее время предложены возможности эффективного использования автоэмиссионных сред на углеродных наноструктурах, главным образом, на нанотрубках, основные преимущества которых обусловлены высокими значениями прочности таких структур (~45 ГПа), модуля Юнга (1 ТПа), аспектного отношения (~10), предельных плотностей тока (до 1 ТА/см) и малым диаметром острий. Известен катодолюминесцентный источник света, в основе которого эмиссионный диод с катодом в виде электропроводящего основания, имеющего покрытие из углеродного материала, обладающего свойством автоэлектронной эмиссии [патент RU №2382436, «Диодная катодолюминесцентная лампа» H01J 63/06].
Предложен автоэлектронный преобразователь для генератора холода или теплозащитного экрана, в котором катод включает в себя игольчатые электроды [патент RU №2394306, « Устройство для выделения или поглощения тепла» H01L 35/00, B82B 1/00].
Разработана конструкция усилителя-преобразователя катодно-сеточных узлов вакуумных радиоламп и генераторов в составе: автоэмиссионного катода на основе углеродных наноструктурированных материалов, сетки на алмазной пленке, коллектора электронов пленочной структуры из прозрачного для света люминесцирующего слоя и субмикронного слоя алюминия, прозрачного для пучка электронов [патент RU №2364981, «Усилитель-преобразователь» H01J 43/06, B82B 1/00].
В современных термоионных микроволновых приборах используют металлические иглы, которые работают либо на постоянных, либо на низкочастотных токах и требуют нагрева [патент US 6590321 B1, «Field emission electron source and production method thereof»]. Высокочастотная модуляция осуществляется на выходе из источника; все вместе это приводит к значительным габаритам, большой массе устройств и большому расходу энергии.
К наиболее существенным недостаткам указанных выше микроволновых приборов относится также недостаточно высокое время работы, которое лимитируется разрушением металлических игл под действием электрического поля и высокой температуры, которые приводят к деградации и, в конечном счете, к испарению металла на острие иглы [С.А. Гаврилов, Н.Н. Дзбановский, Э.А. Ильичев, П.В. Минаков, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков, Н.В. Суетин. Усиление потока электронов с помощью алмазной мембраны. // ЖТФ, 2004, т. 74, вып. 1, с 108-114.].
В качестве прототипа выбран безнакальный магнетрон с автоэлектронным возбуждением МИ-498-3 [патент RU №2380784, «Магнетрон с безнакальным катодом»], содержащий анод и коаксиально размещенный внутри него катод. Катод содержит не менее одного автоэлектронного эмиттера и не менее одного термо-вторично-электронного эмиттера. При этом термо-вторичный электронный эмиттер выполнен в виде прессованной пористой губки. Недостатками такого устройства является - габариты, нагрев и разрушение эмиттера.
Техническая задача предлагаемого технического решения состоит в создании усилителя высокочастотного излучения, который способен работать в отсутствие нагрева.
Решение указанной задачи достигается тем, что в качестве источника ионов предлагается использовать холодный катод на углеродных нанотрубках, работа которого основана на эффекте автоэлектронной эмиссии.
Суть технического решения поясняется фигурой 1, на которой приведена схема предлагаемого усилителя.
Предлагаемое устройство содержит анод 1 (приемник электронов), катод, образованный кремниевой подложкой 2, покрытой слоем оксида кремния, с линейкой из вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 4 (то есть эмиттер электронов). Корпус 3 устройства имеет входное окно 5.
Расстояния между соседними нанотрубками 4 равны их удвоенной высоте, что соответствует минимальному влиянию соседей на эмиссию индивидуальной нанотрубки и дает в результате максимальный эмиссионный ток из катода.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Подаваемое с помощью входного окна 5 радиочастотное электромагнитное поле (E) индуцирует высокое переменное электрическое поле на концах нанотрубок 4, вызывающее мощный переменный ток эмитированных электронов, которые собираются на выходном аноде 1. Если на электродах оказывается соответствующее напряжение (анод - «+», катод - «-»), то нанотрубка 4 заряжается отрицательно. Линии электрического поля вблизи заряженной нанотрубки 4 искривляются и в окрестности острия нанотрубки напряженность поля становится пропорциональной величине ее аспектного отношения, то есть отношения длины нанотрубки к ее радиусу.
Варьирование мощности подаваемого излучения сопровождается изменением величины эмиссионного тока (I). В предлагаемом устройстве межэлектродный промежуток составляет всего несколько сот микрон, благодаря чему прибор работает без нагрева катода, имеет малый вес, небольшую электрическую емкость и низкую инерционность, которые позволяют работать при частотах мега- и гигагерцового диапазона и обеспечить высокую плотность тока эмиссии.
2
2
2
Примером реализации является устройство, в которое в качестве катода введены 16 подложек 2 с линейкой из вертикально ориентированных нанотрубок 4. Каждая подложка 2 имеет активную площадь 0.5×0.5 мм и содержит около 2500 нанотрубок 4 средним диаметром 50 нм и длиной 5 мкм. Расстояние между нанотрубками 4 составляет 10 мкм. При напряженности переменного электрического поля (E) 29 МВ/м анодный ток достигает величины 3,2 мА, что соответствует плотности тока 1,3 А/см, пиковому значению тока 30 мА и пиковому значению плотности тока 12 А/см. Рассмотрим углеродную нанотрубку 4, закрепленную на подложке 2 и ориентированную в направлении анода 1. Этот параметр определяет значительное усиление электрического поля вблизи головки нанотрубки, которое может достигать трех порядков, поскольку в нанотрубках аспектное отношение достигает рекордных величин. Такое сильное локальное электрическое поле вырывает электроны из нанотрубки, и под действием внешнего поля (E) летящие электроны формируются в мощный пучок, который собирается на антенне и заряжает ее.