МИКРОВОЛНОВЫЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ГЕНЕРАТОР С ОТРАЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА
MICROWAVE ELECTROVACUUM GENERATOR WITH ELECTRON STREAM REFLECTION

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к микроэлектронным электровакуумным генераторам с отражением электронного потока, работающим в коротковолновой части микроволнового диапазона.
Уровень техники в данной области характеризуется публикациями в общедоступной литературе, в том числе и сведениями, приведенными ниже.
Известна конструкция электровакуумного генератора с отражением электронного потока, например отражательного клистрона [Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т.II. М.: издательство «Высшая школа», 1972, с.172].
Этот прибор состоит из источника первичных электронов-термокатода, ускоряющего электрода-анода, объемного резонатора с сеточным зазором и отражателя, на который первичные электроны не попадают. Причем влияние вторичных электронов, выбиваемых первичными электронами из сетки, на общий ток пучка электронов невелико. Подобные устройства могут генерировать колебания дециметрового и сантиметрового диапазонов и позволяют получить мощность порядка долей ватта при электронном КПД до 2-3%.
Однако при работе в коротковолновой части микроволнового диапазона выходная мощность таких устройств уменьшается пропорционально квадрату рабочей частоты, и электронный КПД в диапазоне 10-100 ГГц обычно не превышает одного процента.
При таком низком электронном КПД мощность накала термокатода становится сравнимой с выходной мощностью. Поэтому такие конструкции не нашли широкого применения.
6
7
Можно, в известной степени, устранить этот недостаток, если выполнить отражательный клистрон по технологии вакуумных интегральных схем (ВИС). ВИС - это микроэлектронные вакуумные лампы с размерами, близкими к размерам полупроводниковых транзисторов. Из-за более высокой скорости электронов (10…10 м/с) они обладают лучшими частотными свойствами, чем кремниевые транзисторы, характеризуются более высокой радиационной стойкостью.
В ВИС используются матрицы холодных катодов, работающие на принципе электростатической (автоэлектронной) эмиссии.
Известна ВИС-микроэлектронный отражательный клистрон с матричным автоэмиссионным источником первичных электронов, получившая название «наноклистрон» (Design and fadrication of a THZ nanoklystron, Harish M. Manohara, Peter H. Siegel, Colleen Marrese Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 4800 Oak Grove Drive, Pasadena, CA 91109, USA Baohe Chang, Jimmy Xu Brown University, Division of Engineering, Providence, RI, USA). Этот прибор предназначен для генерации электромагнитных колебаний в терагерцовом диапазоне. Наноклистрон состоит из матричного автоэмиссионного источника первичных электронов, управляющей сетки, объемного резонатора с сетками, отражателя особой формы и устройства связи с нагрузкой, снабженного диафрагмой связи. Все эти узлы размещены монолитно на двух кремниевых пластинах.
Однако, несмотря на матричное исполнение, автоэмиссионный источник подобного устройства не позволяет получить большую плотность тока катода, что ограничивает выходную мощность микроволнового прибора.
Известно, что можно увеличить ток автоэлектронной эмиссии за счет вторично-эмиссионного тока. В патенте (US №2010045158 А1, опубл. 25.02.2010 Electron density controllable field emission devices) описано устройство электронного эмиттера с автоэлектронной эмиссией и управляемой плотностью электронного потока. Устройство включает в себя автоэмиссионный источник первичных электронов, источник вторичных электронов, представляющий собой пленку материала с большим коэффициентом вторично-электронной эмиссии, расположенную на внутренней поверхности диэлектрической трубы, управляющий электрод, анод. Автоэмиссионный источник первичных электронов в этом устройстве изготовлен из углеродных нанотрубок. За ним располагается диэлектрическая труба в форме конуса, причем поперечное сечение выходного конца пролетной трубы меньше чем поперечное сечение входного конца пролетной трубы. На внешней поверхности пролетной трубы расположен управляющий электрод, изготовленный из проводящего материала. Недостатком подобного устройства является то, что он эмитирует однолучевой электронный поток, что ограничивает выходную мощность устройства.
Известен ВИС-микротриод с автоэмиссионным источником первичных электронов (Microscale vacuum tube device and method for making same Patent № US 6987027 B2, опубл. Jan. 17.01.2006). Это устройство содержит автоэмиссионный источник первичных электронов и дополнительный источник вторичных электронов, выполненный в виде пластины с отверстиями для пролета первичного электронного потока, расположенной между управляющей сеткой и анодом. Стенки отверстия покрыты пленкой материала, имеющего большой коэффициент вторично-электронной эмиссии. Это обеспечивает существенное повышение плотности тока по сравнению с существующими автоэмиссионными источниками. Однако такое устройство не предназначено для работы в качестве микроволнового электровакуумного генератора.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является ВИС-микроволновый электровакуумный генератор с отражением электронного потока. [Patent WO 2007/142419 A1, Jeon, Seok Gy, Klystron oscillator using cold cathode electron gun, and oscillation method, опубл. 13.12.2007], содержащий подложку с расположенным на ней матричным автоэмиссионным источником первичных электронов, управляющую мелкоструктурную сетку с каналами для пролета электронов, первую и вторую мелкоструктурные сетки, которые расположены в продольном направлении по ходу движения электронов и образуют емкостный зазор объемного резонатора; отражатель с расположенным на его поверхности источником вторичных электронов в виде тонкой пленки материала с большим коэффициентом вторично-электронной эмиссии.
2
Однако эффект увеличения тока в этом устройстве сравнительно невелик, так как на вторично-эмиссионное покрытие на отражателе попадают только самые быстрые электроны, прошедшие ВЧ зазор в положительный полупериод модулирующего напряжения, (источник электронов для наноклистрона должен обеспечивать плотность тока, по крайней мере 100 А/см). Кроме того, этот прибор, при работе его в терагерцовом диапазоне длин волн, имеет пониженный КПД. Уменьшение КПД в значительной мере связано с нарушением, так называемого, условия «квазистационарности» резонатора, так как поперечные размеры сеток резонатора сравнимы с длиной волны. При этом напряженность ВЧ электрического поля, действующего в емкостном зазоре резонатора между первой и второй сетками, уменьшается в радиальном направлении при движении от центра емкостного зазора к его краю.
В результате электроны, проходящие по центру емкостного зазора, испытывают бóльшую скоростную модуляцию, чем электроны, проходящие емкостный зазор по его краю. В результате эффекта «расслоения» электронов ухудшается группировка и электронный КПД падает.
Этот микроволновый электровакуумный генератор взят нами за прототип.
Задачей заявляемого технического решения является повышение КПД и выходной мощности микроволнового электровакуумного генератора с отражением электронного потока путем значительного увеличения плотности общего тока электронов в приборе. Поставленная задача достигается за счет создания дополнительного источника вторичных электронов, а также за счет выполнения емкостного зазора в радиальном направлении неравномерным, так что величина зазора в его центре больше, чем величина зазора на его краю.
Микроволновый электровакуумный генератор с отражением электронного потока содержит подложку с расположенным на ней матрицей автоэмиссионных источников первичных электронов, управляющую сетку с каналами для пролета электронов, первую и вторую мелкоструктурные сетки, которые расположены в продольном направлении по ходу движения электронов и образуют емкостный зазор объемного резонатора; отражатель с расположенной на его поверхности пленкой, являющейся источником вторичных электронов. Новым является то, что матрица автоэмиссионных источников первичных электронов разделена на несколько групп матриц, при этом боковые матрицы симметрично расположены на подложке относительно центральной матрицы; каналы для пролета электронов в управляющей сетке имеют поперечное сечение со стороны первой мелкоструктурной сетки меньшее, чем со стороны матрицы автоэмиссионных источников первичных электронов, при этом форма поперечного сечения на входе и выходе каждого из каналов повторяют форму отдельной матрицы; боковые поверхности каналов покрыты пленкой материала с высоким коэффициентом вторично-электронной эмиссии и представляют собой дополнительный источник вторичных электронов; емкостный зазор объемного резонатора выполнен в радиальном направлении неравномерным, так что величина емкостного зазора в центре больше, чем величина зазора в центре емкостного зазора.
Кроме этого каждая отдельная матрица может иметь в поперечном сечении форму квадрата, при этом каналы для пролета электронов в управляющей сетке имеют форму четырехгранной усеченной пирамиды, грани которой наклонены к подложке под углом.
Кроме этого каждая отдельная матрица может иметь в поперечном сечении форму круга, а каналы для пролета электронов в управляющей сетке при этом имеют форму усеченного конуса.
Кроме того, боковые матрицы могут имеет в поперечном сечении фасолеобразную форму и боковые каналы для пролета электронов в управляющей сетке также имеют фасолеобразную форму.
Первая мелкоструктурная сетка выполнена в радиальном направлении ступенчато-неравномерной, при этом величина зазора в центре емкостного зазора выбрана из условия:
1
2
d=d+δ
0<δ/а<1,
1
где d - величина зазора в центре емкостного зазора,
2
d - величина зазора на краю емкостного зазора,
δ - величина ступенчатого углубления в центре емкостного зазора, мкм.
а - радиальный размер ступенчатого углубления, мкм.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана конструкция микроволнового электровакуумного генератора, на фиг.2 показана конструкция управляющей сетки с каналами для пролета электронов в форме усеченного конуса, на фиг.3 показана конструкция управляющей сетки с каналами для пролета электронов фасолевидной формы и центральным отверстием в форме усеченного конуса, на фиг.4 показана конструкция управляющей сетки с каналами для пролета электронов в форме четырехгранной усеченной пирамиды, на фиг.5 показано радиальное распределение напряженности электрического поля в резонаторе для трех случаев: а) δ=0; б) δ=0.5а; в) δ=а. На фиг.6 показана конструкция канала в управляющей сетке: а) для канала в форме четырехгранной усеченной пирамиды и б) для канала в форме усеченного конуса.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - подложка, 2 - матрица автоэмиссионных источников первичных электронов, 3 - управляющая сетка, 4 - каналы для пролета электронов, 5 - первая мелкоструктурная сетка, 6 - вторая мелкоструктурная сетка, 7 - емкостный зазор объемного резонатора, 8 - объемный резонатор, 9 - отражатель, 10 - пленка, являющаяся источником вторичных электронов, 11 - верхняя кремниевая пластина объемного резонатора, 12 - устройство связи с внешней нагрузкой, 13 - вакуумно-плотное окно, 14 - нижняя кремниевая пластина объемного резонатора, 15 - первый источник питания, 16 - второй источник питания, 17 - третий источник питания, 18 - внутреннее покрытие объемного резонатора, 19 - пленка материала с большим коэффициентом вторично-электронной эмиссии.
Микроволновый электровакуумный генератор (фиг.1), содержит подложку 1, с расположенным на ней матрицей автоэмиссионных источников первичных электронов 2, управляющую сетку 3 с каналами для пролета электронов 4, первую 5 и вторую 6 мелкоструктурные сетки, которые расположены в продольном направлении по ходу движения электронов и образуют емкостный зазор объемного резонатора 8, отражатель 9 с расположенной на его поверхности пленкой 10, являющейся источником вторичных электронов. Согласно изобретению матрица автоэмиссионных источников первичных электронов 2 разделена на несколько отдельных матриц, группами расположенных на подложке. Боковые матрицы расположены симметрично на одинаковом расстоянии относительно центральной матрицы. Группы боковых матриц автоэмиссионных источников первичных электронов 2 могут также быть объединены в одну матрицу фасолеобразной формы.
Каналы для пролета электронов 4 в управляющей сетке 3 имеют поперечное сечение со стороны первой мелкоструктурной сетки резонатора 5 меньшее, чем со стороны матрицы автоэмиссионных источников первичных электронов 2, причем форма поперечного сечения на входе и выходе каждого из каналов повторяют форму отдельной матрицы; боковые поверхности каналов покрыты пленкой материала с большим коэффициентом вторично-электронной эмиссии 19 и представляют собой дополнительный источник вторичных электронов. В зависимости от форм используемых матриц каналы в управляющей сетке могут иметь форму усеченного конуса (Фиг.2), могут быть фасолевидной формы (Фиг.3), либо могут быть в форме четырехгранной усеченной пирамиды (Фиг.4).
1
2
Емкостный зазор объемного резонатора 7 выполнен в радиальном направлении неравномерным (Фиг.1), так что величина зазора d в центре зазора больше, чем величина зазора d на его краю.
1
Наиболее просто это можно реализовать в конструкции прибора, в котором первая мелкоструктурная сетка 5 выполнена в радиальном направлении ступенчато-неравномерной, причем величина зазора d в центре емкостного зазора выбрана из соотношения
1
2
d=d+δ
0<δ/а<1,
где δ - величина ступенчатого углубления в центре емкостного зазора, мкм,
а - радиальный размер ступенчатого углубления, мкм.
Каналы 4 в управляющей сетке могут иметь в поперечном сечении форму четырехгранной усеченной пирамиды (Фиг.6а), грани которой наклонены к подложке под углом, а каждая отдельная матрица имеет в поперечном сечении форму квадрата.
Возможно выполнение каналов в управляющей сетке 4 в форме усеченного конуса (Фиг.6б), при этом диаметр каждой матрицы 2 равен минимальному диаметру канала в управляющей сетке.
Первый источник питания 15, подключенный между управляющей сеткой 3 и матрицей автоэмиссионных источников первичных электронов 2, обеспечивает автоэлектронную эмиссию и формирование первичного потока электронов с энергией, соответствующей максимуму коэффициента вторично-электронной эмиссии дополнительного источника вторичных электронов. Второй источник питания 16, обеспечивающий дополнительное ускорение электронного потока перед входом его в модуляторную зону, включен между матрицей автоэмиссионных источников первичных электронов 2 и внутренним металлизированным покрытием резонатора 18. Третий источник питания 17 подключен между внутренним металлизированным покрытием резонатора 18 и отражателем 9 с расположенным на его поверхности источником вторичных электронов 10 в виде тонкой пленки материала с большим коэффициентов вторично-электронной эмиссии.
Индуктивная часть объемного резонатора 8 образована за счет выполнения на нижней и верхней кремниевой пластинах 11, 14 металлизированного покрытия 18, электрически соединенного с первой и второй мелкоструктурными сетками 5, 6. Емкостная часть объемного резонатора 6 определяется величиной высокочастотного зазора 7 между первой 5 и второй 6 мелкоструктурной сетками. Нижняя и верхняя кремниевые пластины, включая вакуумно-плотное окно 13, герметично соединены, так что весь прибор находится в вакуумной оболочке. Вывод СВЧ энергии осуществляется через устройство связи с внешней нагрузкой 12.
Прибор работает следующим образом.
Между матрицей автоэмиссионных источников первичных электронов 2 и управляющей сеткой 3 приложено ускоряющее напряжение первого источника питания 15, в результате чего осуществляется автоэлектронная эмиссия с матрицей автоэмиссионных источников первичных электронов 2. Электронный поток, эмитированный с матрицы автоэмиссионных источников первичных электронов 2, ускоряется управляющей сеткой 3, выполняющей также роль умножителя-концентратора электронов. Каналы для пролета электронов 4 в управляющей сетке 3 сужаются по направлению движения электронного потока. Так как стенки каналов покрыты пленкой 19 поликристаллического проводящего алмаза или другим типом материала с высоким коэффициентом вторично-электронной эмиссии, то при попадании на стенки каналов первичных электронов происходит вторичная электронная эмиссия. Первичный поток электронов, который проникает с каждой матрицы автоэмиссионного источника первичных электронов 2 в отверстие управляющей сетки 3 с широкой части, попадает на стенки отверстия 4 и генерирует вторичные электроны во вторично-эмиссионной пленке. Алогичные процессы происходят и в других отверстиях, выполненных в управляющей сетке 3. Например, для алмазной пленки коэффициент умножения первичных электронов оказывается не менее 7, а плотность тока на выходе умножителя-концентратора электронов может возрастать почти в 30 раз, при анодном напряжении около 20 В. Полный коэффициент умножения зависит от числа лучей, определяемых количеством матриц автоэмиссионного источника первичных электронов 2.
Далее, пройдя через отверстия первой мелкоструктурной сетки 5 объемного резонатора 8, электронный поток ускоряется напряжением второго источника питания 16.
При прохождении электронного потока через первую и вторую мелкоструктурные сетки 5 и 6 объемного резонатора 8 в прямом направлении происходит модуляция электронов по скорости, которая затем в пространстве между второй мелкоструктурной сеткой 6 и отражателем 9 переходит в модуляцию по плотности.
На отражатель 9 подается отрицательный потенциал относительно металлизированного покрытия 18 объемного резонатора 8 с помощью третьего источника питания 17, в результате этого после пролета второй мелеоструктурной сетки электроны двигаются сначала в сторону отражателя 9, затем возвращаются в зазор резонатора 8. Причем на вторично-эмиссионное покрытие на отражателе 10 попадают только самые быстрые электроны, прошедшие ВЧ зазор в положительный полупериод модулирующего напряжения. Эти электроны вызывают вторично-электронную эмиссию, увеличивая общий поток отраженных электронов.
При втором прохождении зазора объемного резонатора 8 электроны, взаимодействуя с полем высокочастотного зазора 7, отдают часть энергии СВЧ полю в моменты, когда на зазоре резонатора имеется тормозящее высокочастотное электрическое поле.
1
2
Так как емкостный зазор 7 объемного резонатора 8 выполнен в радиальном направлении неравномерным, за счет того, что величина зазора d в центре зазора больше, чем величина зазора d на его краю, разность между ними определяет высоту емкостного выступа δ, величина которого определяет степень неоднородности поля. При δ=0 поле неоднородно и имеет максимальное значение в центре емкостного зазора 7, уменьшаясь по краям. При δ=а наблюдается уменьшение напряженности в центре емкостного зазора 7. При значении δ=0.5а в емкостном зазоре 7 поле имеет наиболее однородную форму.
За счет того, что напряженность ВЧ электрического поля, действующего в емкостном зазоре резонатора между первой и второй сетками, становится одинаковой по величине как в центре, так и на краю зазора (Фиг.5), электроны, проходящие по центру емкостного зазора, испытывают такую же скоростную модуляцию, как электроны, проходящие емкостный зазор по его краю. В результате эффект «расслоения» исчезает и электронный КПД возрастает.
Таким образом, использование автоэмиссионного источника первичных электронов в виде отдельных матриц, управляющей сетки с функцией умножителя-концентратора электронов, ступенчато-неоднородной первой мелкоструктурной сетки позволяет увеличить плотность тока катода, что в свою очередь увеличивает КПД и выходную мощность прибора.
Вывод СВЧ энергии из прибора в нагрузку осуществляется волноводным устройством связи с внешней нагрузкой 12.