АВТОЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА

Полезная модель относится к электронной СВЧ технике, а именно к электронным приборам с кольцевым электронным пучком, таким как гиротроны, клистроны, ЛБВ, и более конкретно к приборам, в которых необходима низковольтная модуляция тока электронного пучка.
В высокопервеансных электронно-оптических системах приборов СВЧ с одним пролетным каналом часто применяется полый электронный пучок, формируемый электронной пушкой магнетронно-инжекторного типа. Магнетронно-инжекторная пушка содержит следующие основные электроды: анод в виде урезанного конуса, конусный или цилиндрический катод расположенный соосно внутри анода, передний и задний прикатодный фокусирующий электроды влияющие па форму пучка. Применение пушек такого типа для формирования трубчатых электронных пучков в вакуумных СВЧ приборах сантиметрового диапазона длин ноли с линейными траекториями электронов хорошо известно [1]. В последнее время рассматривается возможность применения трубчатых пучков для перспективных приборов миллиметрового диапазона [2]. Также они находят применение в гиротронах, для формирования кольцевых электронных потоков со спиральными траекториями электронов, т.н. винтовые электронные пучки [3].
Традиционно в магнетронно-инжекторных электронных пушках используются катоды на основе термоэлектронной эмиссии, что исключает мгновенное включения приборов и ограничивает срок службы приборов. Альтернативой этому подходу являются пушки с автоэмиссионными катодами. В настоящее время наиболее хорошо исследованы электронные пушки с катодом Спиндта [4] на основе которых разработана ЛБВ с выходной мощностью 100 Вт в диапазоне частот 5 ГГц [5]. Широкое применение пушек с такими катодами ограничивается необходимостью поддержания высокого вакуума в приборе, необходимостью защиты от ионного тока, сложностью технологии. Есть примеры использования автоэмиссионных катодов в магнетронах [6].
Магнетронно-инжекторная пушка по сравнению с традиционными пушками Пирса обеспечивает большую сходимость электронных пучков, поэтому при одинаковых технологиях изготовления автокатодов она обеспечивает повышенный ток луча по сравнению с пушкой с плоским катодом. В последнее время в автоэмиссионной электронике в качестве эмиттеров расширяется использование углеродных материалов на основе наноструктур [7] и фольги [8]. На основе углеродных панотрубок разработана конструкция магнетронно-инжекторной электронной пушки [9], [10], которую можно считать прототипом предлагаемой конструкции. Недостатком прототипа, как и конструкций с термоэлектронными катодами, является невозможность низковольтной модуляции тока пучка. Для модуляции тока пучка в магнетронно-инжекторных пушках используется модулирующий анод с высоким потенциалом, часто до половины напряжения анода [11], что усложняет и удорожает систему питания и управления прибора.
Предлагаемая конструкция позволяет использовать низковольтную модуляцию тока пучка путем подачи напряжения на управляющий электрод (модулятор) и повысить долговечность автоэмиссионных пушек магнетронно-инжекторного типа.
Анод, катод и прикатодные электроды в предлагаемой конструкции электронной пушки имеют цилиндрическую форму, как в классической конструкции магнетронно-инжекторной пушки. Их взаимное расположение также остается неизменным. Замена цилиндрических электродов на электроды в форме многоугольной призмы, например [6], существенно усложняют конструкцию и поэтому в предлагаемой модели не рассматриваются.
Основное отличие предлагаемой модели от прототипа состоит в введении низковольтного модулирующего электрода. Чаще всего в электронных пушках управляющий электрод в виде сетки с отверстиями круглой или прямоугольной формы расположен над поверхностью катода (автоэмиссионного или термоэмиссионного). При расположении управляющего электрода над поверхностью катода в магнетронно-инжекторной пушке будет значительный перехват тока катода сеткой, что приводит к снижению надежности узла.
Низковольтная модуляция электронного пучка в магнетронно-инжекторной пушке может быть достигнута применением катода так называемой латеральной конструкции. В системе с латеральным катодом эмитирующая поверхность перпендикулярна плоскости управляющего электрода (модулятора) и анода [12]. Преимуществами такой системы являются увеличение относительно катодов Спиндта площади эмитирующей поверхности и защита эмитирующей поверхности от воздействия ионов остаточных газов. Работоспособность латеральной конструкции доказана ее применением в устройствах отображения информации [13].
Также при использовании латерального катода становится возможным применение так называемой конструкции с обратным расположением модулятора [14]. Такая конструкция стала возможной после появления материалов, не требующих высокого напряжения для возникновения автоэмиссии [15]. В этом случае управляющий электрод (модулятор) располагается ниже плоскости катода, т.е. катод расположен между анодом и управляющим электродом. Подача напряжения па управляющий электрод уменьшает поле вблизи катода и нарушает условия эмиссии. Изменением расстояния между катодом и управляющим электродом можно регулировать модулирующее напряжение. Конструкция с латеральным катодом была использована для автоэмиссионных катодолюминесцентных ламп [16] плоской конструкции.
Выбор терморасширенного графита в качестве эмитирующего материала связан с его эмиссионными свойствами наиболее подходящими для катода латеральной конструкции. Фольга из терморасширенного графита обладает кристаллитной структурой. Вследствие технологических особенностей производства, кристаллиты обладают высокой степенью упорядоченности, и поэтому фольга обладает ярко выраженной анизотропией физических свойств в плоскости фольги и перпендикулярно ее поверхности. Происходит преимущественная ориентация базисной плоскости кристаллической структуры графита параллельно плоскости прокатки. Это обеспечивает формирование па срезе фольги лезвийной структуры, обеспечивающей усиление электрического поля на микронеровностях поверхности.
Применение в магнетронно-инжекторной пушке катода в виде лезвия из фольги повышает долговечность узла. Одним из факторов, влияющим на деградацию автокатодов, является их разогрев Джоулевым теплом. Учет этого фактора важен как при разработке катодов с большими токами эмиссии, так и при использовании наноразмерных эмиттеров. Площадь контакта эмиттера с подложкой составляет десятки нанометров, что создает достаточно высокое электрическое сопротивление всей системы. В условиях вакуума отвод тепла происходит только через подложку, и разогрев отдельных эмиссионных центров может быть значительным [17]. Для нанотрубок температура в этом случае может превышать 1500°С, что приводит к интенсивному испарению материала и разрушении эмиссионных центров. Лезвийный автокатод из углеродной фольги имеет меньшее электрическое сопротивление и, следовательно, меньше подвержен влиянию Джоулева тепла.
Возможность низковольтной модуляции электронного пучка в предложенной конструкции достигается применением катода латеральной конструкции из терморасширенного графита и обратного расположения управляющего электрода.
Устройство и принцип действия конструкции поясняется рисунками. Схема предложенной электронной пушки приведена па фиг.1, где приняты следующие обозначения: 1 - автоэмиссионные катоды латеральной конструкции, 2 - продольное сечение кольцевого электронною пучка, 3 - анод, 4 - прикатодные фокусирующие электроды. 5 - фольга из терморасширенного графита. Стрелкой указано направление внешнего магнитного поля Н. Поперечный разрез отдельного латерального катода схематично изображен на фиг.2, где дополнительно показаны: 6 -эмитирующая поверхность, 7 - управляющий электрод, 8 - диэлектрическая прокладка, 9 - траектории электронов. Магнитное поле на фиг.2 направлено перпендикулярно плоскости рисунка.
Как видно из фиг.2 каждый латеральный катод содержит две симметрично расположенных эмитирующих поверхности 6. Траектории 9 показаны для электронов, вылетевших с центральной части эмитирующей поверхности 6. Выбором величины магнитного и электрического поля можно получить общий электронный пучок от эмитирующих поверхностей 6 латерального катода.
Возможны различные способы создания требуемого зазора между катодом и управляющим электродом. В предлагаемой конструкции используется диэлектрическая прокладка 8, что позволяет использовать отработанные технологии осаждения тонких пленок, обеспечивая высокую точность зазора управляющий электрод - катод. Создание латеральных катодов заключается в создании продольных пазов, доходящих до уровня управляющего электрода. При этом разрезание фольги 5 (т.е. формирование эмитирующей поверхности 6) и удаление излишних участков диэлектрической прокладки над управляющим электродом 7 проводится одновременно, воздействием лазерного излучения. Как показывают эксперименты, механическая обработка края фольги не обеспечивает достаточной эффективности автокатодов и повторяемости свойств. Лазерная обработка создает на поверхности автокатода микронеровности с характерным размером 20-60 нм, равномерно распределенным на поверхности катода [18]. Эти микронеровности имеют пороговую напряженность электрического поля около 5 В/мкм. что снижает требования к источникам питания и повышают эффективность работы эмиттера, использованного в предложенной конструкции.
Во время работы предложенной конструкции электроны, вылетевшие с эмитирующей поверхности 6 латеральных катодов 1, под влиянием электрического поля анода 3 отклоняются в сторону анода 3, одновременно, при взаимодействии электронов с внешним магнитным полем Н возникает сила Лоренца, отклоняющая электроны к выходу электронной пушки и не позволяющая им достигнуть поверхности анода, как показано на фиг.1 и фиг.2. Таким образом, электронные пучки от отдельных латеральных катодов 1 формируют на выходе электронной пушки кольцевой электронный пучок 2.
Однородность пучка 2 улучшается при увеличении числа отдельных латеральных катодов 1, при этом суммарный ток пучка возрастает. В электронных приборах СВЧ при повышении однородности распределения электронов в пучке снижается уровень шумов на выходе приборе. Минимально допустимый шаг латеральных катодов в предложенной конструкции не рассматривался, т.к. он сильно зависит от технологии изготовления фольги, технологии нанесения диэлектрической прокладки и фокусировки луча лазера. В случае использования технологий, применяемых в микроэлектронном производстве, возможно создание малошумящих приборов. Технологии, применяемые в настоящее время [18], позволяют использовать предлагаемую конструкцию в источниках освещения и источниках излучения для целей СВЧ обработка материалов.
Предлагаемая конструкция электронной пушки позволяет разрабатывать приборы с кольцевым пучком и низковольтной модуляцией тока пучка путем подачи напряжения на управляющий электрод. Конструкция технологична, дешева в изготовлении и проста в эксплуатации.
Источники информации.
1. И.В.Алямовский Электронные пучки и электронные пушки. - М.: Сов. радио, 1966.
2. A.V.Mishin, R.Schonberg, H.Deruyter, T.Roumbanis, R.Miller, J.Potter. Multiple beam coupled cavity microwave periodic structure. LINAC 1996 p.809-811.
3. Цимринг Ш.Е. Формирование винтовых электронных пучков. - 13 кн.: Лекции по электронике СВЧ (3-я зимняя школа-семинар для инженеров). Кн. 4. - г.Саратов: СГУ, 1974. С.3-94
4. Пат. US 3775704
5. 100 W Operation of a Cold Cathode TWT; D.R.Waley, R. Duggal, C. Armstrong et al.; IEEE Transactions on Electron Devices. 2009. Vol.56. №.5. P. 869-904.
6. A Faceted Magnetron Concept Using Field Emission Cathodes. J.Browning, J.Watrous; Journal of Vacuum Science and Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. http://avspublications.org/jvstb/. DOI: 10.1116/1.3546035
7. Эмиссионная электроника на основе нано- (микро-) структурированных углеродных материалов. С.Вартапетов, Э.Ильичев, Р. Набиев и др. Наноиндустрия. 2009. №5. С.12-18.
8. Leychenko A.S., Starikov Р.А., Shehin Е.Р; IFES'2008. Electron source based on the carbon foil field emission cathode.
9. A.A.Бурцев, Ю.А.Григорьев, В.Г.Пименов, П.Д.Шалаев 3D компьютерное моделирование автоэмиссионных электронных пушек. - Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭГП-2010. с.151-153. Саратов 2010 г.
10. Бурцев А.А. Дисс. кандидата техн. наук. Саратов. 2011 г.
11. К использованию магнетронно-инжекторных пушек в пучково-плазменных приборах СВЧ. М.А.Завьялов, В.А.Сыровой, В.Н.Мануйлов, Е.А.Солуянова. Прикладная физика, 2002, №3, с.74-79
12. Пат. US 5818166
13. Лейченко А.С., Негров Д.В., Рауфов А.С., Шешин Е.П. Формирование элемента матрицы автоэмиссионного дисплея на основе латерального катода из углеродной фольги; Труды 18-й Международной научно-технической конференции «Современное телевидение», Москва, ФГУП МКБ «Электрон», 2010, стр.65-67.
14. Пат. US 7129626
15. Y.S. Choi et. al. A simple structure and fabrication of carbon-nanotube field emission display // Applied Surface Science 221 (2004). P. 370-374.
16. С.Грознов, А.Лейченко, E.Шешин, А.Щука. Плоские дисплейные экраны на основе автоэмиссионных катодов; CHIP NEWS №7(131) 2008.
17. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. - М.: МФТИ, 2001.
18. Лейченко А.С. Дисс. кандидата физ. мат. наук. Москва. 2010 г.