КАТОДНО-СЕТОЧНЫЙ УЗЕЛ С АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ ИЗ УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА
CATHODE-GRID KNOT WITH AUTO EMISSION CATHODE FROM CARBON MATERIAL

Изобретение относится к катодно-сеточным узлам с автоэмиссионным катодом для электровакуумных приборов СВЧ с микросекундным временем готовности.
Катодно-сеточный узел (КСУ) состоит из отдельных ячеек, образованных поверхностью катода и отверстиями сетки, через которые электроны с поверхности катода проходят в область электронной пушки и далее в пространство взаимодействия прибора. Наличие отверстий в сетке вызывает неравномерность распределения напряженности электрического поля на поверхности катода в ячейках КСУ. Напряженность электрического поля на поверхности катода имеет минимальное значение на оси симметрии ячейки и возрастает по радиусу к ее периферии. Поскольку плотность автоэмиссионного тока зависит от напряженности электрического поля по экспоненциальному закону (уравнение Фаулера-Нордгейма), то в центре ячейки плотность тока на катоде в несколько десятков раз меньше, чем на периферии ячейки [А.И. Петросян, В.И. Роговин. Расчет электронно-оптических систем ЛБВО с полевой эмиссией // Прикладная физика. 2008. №2. С. 86-91].
2
2
Известна конструкция катодно-сеточного узла (КСУ), содержащего автоэмиссионный катод, покрытый пастой на основе углеродных нанотрубок, и токоперехватывающую сетку, размещенную над поверхностью катода [H.J. Kim, J.J. Choi, J.H. Han, J.H. Park, and J-BYoo. Design and Field Emission Test jf Carbon Nanotube Pfated Cathodes for Traveling-Wave Tube Applications // IEEE Transactions on Electron Devices. Vol. 53. №11. 2006. PP. 2674-2680]. В данной конструкции КСУ эмиссионными центрами являются углеродные нанотрубки (УНТ), которые выступают над поверхностью катода. Недостатком данной конструкции является упомянутая выше неравномерность эмиссии катода по диаметру ячейки. Кроме того, поток электронов, эмитированных с катода под перемычками сетки, перехватывается сеткой, что приводит к ее разогреву мощностью электронного потока, вплоть до расплавления перемычек и деградации эмиссии катода. Достигнутое в данной конструкции КСУ значение плотности тока, усредненное по всем ячейкам, не превышает 73 мА/см, что не позволяет использовать КСУ данной конструкции в современных электронных устройствах, в которых плотность тока должна составлять единицы и десятки А/см. Достичь более высоких значений плотностей тока с катода в данной конструкции КСУ за счет увеличения напряжения на сетке не удастся. Это связано с деградацией эмиссии катода вследствие отрыва углеродных нанотрубок от поверхности катода пондеромоторными силами, достигающих нескольких десятков килограмм на квадратный миллиметр [Б.В. Бондаренко, В.А. Силиверстов, А.Г. Шаховский, Е.П. Шешин. Автоэлектронная эмиссия стеклоуглеродного волокна // Радиотехника и электроника. 1987. Выпуск. 2. С. 395-400].
Известна конструкция КСУ с автоэмиссионным катодом из стеклоуглерода, выбранная в качестве прототипа, в которой прямой перехват тока перемычками сетки отсутствует [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]. В данной конструкции КСУ микроострия с участков катода напротив перемычек сетки были механически удалены с помощью электроискровой обработки. Каждая ячейка КСУ состоит из отверстий сеточной структуры и отдельных миникатодов в форме прямых цилиндров, на вершинах которых сформированы микроострия, являющиеся продолжением тела цилиндрического миникатода. В данной конструкции миникатод и микроострия являются единым монолитным телом, благодаря чему устранен недостаток аналога по механической прочности сцепления оснований микроострий с поверхностью катода. Однако недостатком данной конструкции является неравномерность эмиссии по поверхности катода в ячейках. Так как в центральной части миникатода линии равного потенциала (далее эквипотенциали) отстоят от его поверхности значительно дальше, чем на его периферии, то напряженность электрического поля в центральной области миникатода примерно в 10 раз меньше, чем на его периферии. Основной вклад в эмиссию (примерно 70% от общего тока катода) вносят острия, расположенные в кольцевой области миникатодов на его краю. Электроны из этой кольцевой области испытывают наибольшее влияние напряженности поля, направляющего их на перемычки сетки и анода, где они и оседают.
Известно, что в КСУ без автоэмиссионного катода и в электронной пушке вследствие провисания потенциала в отверстия сетки и анода эквипотенциали имеют параболическую в сечении форму [Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки. - М.: Советское радио, 1966 г., стр. 87].
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение количества отбираемого с катода тока за счет повышения равномерности автоэлектронной эмиссии по всей поверхности катода.
Это достигается тем, что в катодно-сеточном узле, состоящем из ячеек, которые образованы поверхностями автоэмиссионных катодов и отверстиями управляющей сетки, вершины каждого автоэмиссионного катода имеют параболическую в сечении форму, совпадающую с формой ближайшей к поверхности катода эквипотенциали. Сами катоды из монолитного углеродного материала сформированы на катодном диске. Они имеют цилиндрическую форму с упорядоченно расположенными на вершинах микроостриями. Катодный диск, катоды в форме цилиндров и микроострия на их вершинах являются единым монолитным телом.
Как показал компьютерный анализ электростатических полей и траекторий электронов в ячейке, токопрохождение через сетку КСУ составляет практически 100%, если диаметр отверстия в сетке Dc и диаметр катода d удовлетворяют соотношению:
Dc≥3d.
На фиг. 1 показаны распределения потенциала (кривые - 1) и напряженности электрического поля (кривые - 2) в ячейках с плоской поверхностью катода (конструкции КСУ прототипа). В центральной части катода с плоской поверхностью линии равного потенциала (эквипотенциали) отстоят от вершин, сформированных на катоде микроострий, значительно дальше, чем на периферии катода. Плотность тока на периферии катода на несколько порядков величины больше, чем в его центральной части.
На фиг. 2 показаны распределения потенциала (кривые - 1) и напряженности электрического поля (кривые - 2) в ячейках с параболической в сечении поверхностью катода (заявляемая конструкция КСУ). Данная форма вершины катода позволяет устранить неравномерности эмиссии по его поверхности в ячейках сетки за счет того, что форма эмитирующей поверхности катода и форма ближайшей к его поверхности линии равного потенциала (эквипотенциали) максимально совпадают. Расстояния от поверхности катода в любой его точке до воображаемой поверхности эквипотенциали одинаковы, что является необходимым и достаточным условием того, что напряженность электрического поля, а следовательно, и плотность автоэмиссионного тока одинаковы и максимальны на всей поверхности катода, что позволяет получить существенно больший ток катода при тех же напряжениях на сетке, что и в прототипе.
На фиг. 3 показана одиночная ячейка предлагаемой конструкции КСУ: 1 - катодный диск; 2 - автоэмиссионный катод цилиндрической формы с параболической вершиной; 3 - микроострия; 4 - сетка с отверстием.
Конструкция КСУ содержит: катодный диск (1), в котором любым из возможных способов (например, методом электроискровой обработки или лазерным фрезерованием) сформированы катоды (2) в форме прямого цилиндра или усеченного конуса с диаметром вершины d и микроострия (3) на его вершине. Над катодами (2) размещена сетка (4) с отверстиями диаметром Dc. Каждый из катодов (2) совмещен с отверстием сетки (4) таким образом, чтобы их оси симметрии совпадали. Расстояние от вершин микроострий (3) до внутренней плоскости сетки (4) выбирается для каждого прибора индивидуально. Вершины катодов (2) в сечении представляют собой параболу с центром кривизны внутри поверхности катода. На параболической поверхности вершин катодов (2) сформирована любым из возможных способов матрица микроострий (3).
КСУ в составе электронной пушки работает следующим образом. На электроды: катод, сетку и анод подаются потенциалы: Uк<Uc<Ua. Конкретные значения диаметра отверстий в сетке, высота и диаметр цилиндрических катодов, кривизна поверхности их вершин, положение сетки относительно катода, а также потенциалов на электродах КСУ определяются параметрами прибора.
Источники информации
1. А.И. Петросян, В.И. Роговин. Расчет электронно-оптических систем ЛБВО с полевой эмиссией // Прикладная физика. 2008. №2. С. 86-91.
2. H.J. Kim, J.J. Choi, J.H. Han, J.H. Park, and J-BYoo. Design and Field Emission Test jf Carbon Nanotube Pfated Cathodes for Traveling-Wave Tube Applications // IEEE Transactions on Electron Devices. Vol. 53. №11. 2006. PP. 2674-2680.
3. Б.В. Бондаренко, B.A. Силиверстов, А.Г. Шаховский, Е.П. Шешин. Автоэлектронная эмиссия стеклоуглеродного волокна // Радиотехника и электроника. 1987. Выпуск 2. С. 395-400.
4. 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.
5. Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки. - М.: Советское радио, 1966 г., стр. 87.