СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТОДНО-СЕТОЧНОГО УЗЛА С АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ
METHOD FOR FABRICATION OF CATHODE-GRID ASSEMBLY WITH FIELD-EMISSION CATHODE

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к области техники катодно-сеточных узлов (КСУ) с автоэмиссионными катодами для вакуумных электронных устройств, преимущественно приборов с микросекундным временем готовности.
Известен способ изготовления КСУ с углеродным автоэмиссионным катодом, включающий изготовление катода с матрицей микроострий на рабочей поверхности, изготовление трехслойной сетки со сквозными отверстиями, содержащей формирующую сетку из металла переходной группы и металлическую вытягивающую сетку, разделенные слоем диэлектрика, закрепление трехслойной сетки на рабочей поверхности катода с частичным погружением перемычек формирующей сетки в тело катода методом термохимического травления [Патент РФ №2589722, Шестеркин В.И., опубл. 10.07.2016 г., бюл. №19, МПК H01J 1/304].
Этот способ изготовления КСУ имеет следующие недостатки. Использование при изготовлении КСУ трехслойной сетки со слоем диэлектрика между формирующей и вытягивающей сетками и закрепление трехслойной сетки на рабочей поверхности катода с частичным погружением перемычек формирующей сетки в тело катода обеспечивает электрическую изоляцию вытягивающей сетки от катода слоем диэлектрика. Такие КСУ имеют низкую надежность из-за того, что в процессе работы КСУ происходит распыление материала, составляющего эмитирующую часть катода, на поверхность диэлектрика в сквозных отверстиях сетки, и отказ КСУ вследствие возникновения электрического пробоя между катодом и вытягивающей сеткой по запыленной поверхности диэлектрика.
Известен также способ изготовления КСУ электронного прибора, включающий центровку сеточных заготовок и катодной маски относительно продольной оси КСУ, предварительное соединение сеточных заготовок и катодной маски в узел, прорезание пазов в КСУ, прорезание радиального отверстия в КСУ, разборку узла, нанесение антиэмиттера на сеточные заготовки и катодную маску, повторную сборку и соединение сеточных заготовок и катодной маски в узел с центровкой относительно продольной оси КСУ с помощью фиксатора по радиальному отверстию [Авт. св-во №1075325, М.М. Зильберман, В.В. Роднов, опубл. 23.02.1984 г., бюл. №7, МПК H01J 9/02].
Недостатки этого способа заключаются в сложности технологии изготовления КСУ и в том, что не может быть обеспечена высокая точность требуемого взаимного расположения перемычек сеток и антиэмиттера на катоде при выполнении предложенных в патенте процессов сборки, разборки и повторной сборки. Эти недостатки приводят к низкой точности расположения автоэмиссионных структур напротив отверстий в вытягивающей сетке и, соответственно, к частичному перехвату автоэмиссионных токов перемычками сеток и снижению надежности КСУ.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления КСУ с автоэмиссионным катодом, который включает формирование на рабочей поверхности катода сплошного массива углеродных нанотрубок, изготовление вытягивающей сетки, размещение и закрепление ее над рабочей поверхностью катода с вакуумным зазором между ними [H.J. Kim, W.B. Seo, J.J. Choi, J-H. Han and J-B Yoo. Beam Emission Test on Carbon Nanotube Cathode of a Gridded Pierce Gun. IVEC-2006. P. 479-480. Monterey].
Недостаток данного способа состоит в том, что вытягивающая сетка не защищена от перехвата тока с участков катода, расположенных под перемычками сетки, что может привести к разогреву вытягивающей сетки и, при больших плотностях автоэмиссионного тока, к ее расплавлению.
2
Поэтому такие КСУ работают при плотностях автоэмиссионных токов значительно меньше 1 А/см.
Задача настоящего изобретения заключается в создании на рабочей поверхности автоэмиссионного катода участков, не обладающих автоэлектронной эмиссией и обеспечении высокой точности расположения этих участков в КСУ под перемычками вытягивающей сетки.
Техническим результатом настоящего изобретения является точное расположение автоэмиссионных структур напротив отверстий в вытягивающей сетке, снижение автоэмиссионного тока вытягивающей сетки в рабочем режиме КСУ и повышение за счет этого его надежности и долговечности.
-5
-3
Технический результат достигается тем, что способ изготовления КСУ с автоэмиссионным катодом, включает формирование на рабочей поверхности автоэмиссионного катода сплошного массива автоэмиссионных структур; изготовление вытягивающей сетки; изготовление металлокерамического узла, содержащего держатель автоэмиссионного катода, электрический изолятор и держатель вытягивающей сетки, размещение и закрепление автоэмиссионного катода в держателе автоэмиссионного катода; размещение и закрепление вытягивающей сетки в держателе вытягивающей сетки над рабочей поверхностью автоэмиссионного катода, с вакуумным зазором между автоэмиссионным катодом и вытягивающей сеткой. Также дополнительно размещают и закрепляют над вытягивающей сеткой технологический электрический изолятор и сплошной технологический анод, с возможностью их раскрепления и удаления; размещают КСУ с технологическим электрическим изолятором и сплошным технологическим анодом в вакуумной камере; соединяют автоэмиссионный катод, вытягивающую сетку и технологический анод с электрическими выводами источника электрического питания; откачивают вакуумную камеру с КСУ в сборе с технологическим электрическим изолятором и сплошным технологическим анодом до давления не выше 10 мм.рт.ст. (1,33⋅10 Па); подают на вытягивающую сетку постоянное или импульсное, положительное относительно автоэмиссионного катода, электрическое напряжение с увеличением его до появления автоэмиссионного тока в электрической цепи «автоэмиссионный катод - вытягивающая сетка»; подают на технологический анод отрицательное относительно автоэмиссионного катода постоянное электрическое напряжение минимальной величины, при которой автоэмиссионный ток в электрической цепи «автоэмиссионный катод -вытягивающая сетка» принимает минимальное значение; увеличивают по абсолютной величине, пропорционально и не меняя полярности, электрические напряжения на технологическом аноде и вытягивающей сетке до значений, при которых рост автоэмиссионного тока в электрической цепи «автоэмиссионный катод - вытягивающая сетка» прекращается и происходит разрушение части массива автоэмиссионных структур на поверхности автоэмиссионного катода в местах, расположенных напротив перемычек вытягивающей сетки, а целостность и работоспособность автоэмиссионных структур на поверхности автоэмиссионного катода в местах, расположенных напротив отверстий в вытягивающей сетке сохраняется за счет запирания автоэлектронной эмиссии с них электрическим полем технологического анода; снижают до нуля электрическое напряжение на вытягивающей сетке; снижают до нуля электрическое напряжение на технологическом аноде; увеличивают давление в вакуумной камере с КСУ в сборе с технологическим электрическим изолятором и сплошным технологическим анодом до атмосферного; отсоединяют автоэмиссионный катод, вытягивающую сетку и технологический анод от электрических выводов источника электрического питания; извлекают из вакуумной камеры КСУ с технологическим электрическим изолятором и сплошным технологическим анодом; отсоединяют и удаляют технологический анод и технологический электрический изолятор от изготовленного таким способом КСУ с автоэмиссионным катодом.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено сечение конструкции КСУ с технологическим анодом в соответствии с предлагаемым изобретением, до обработки катода электрическими напряжениями вытягивающей сетки и технологического анода.
На фиг. 2 представлено сечение конструкции КСУ с технологическим анодом в соответствии с предлагаемым изобретением, после обработки катода напряжениями сетки и технологического анода.
На фиг. 3 представлено сечение конструкции КСУ в соответствии с предлагаемым изобретением, после обработки катода напряжениями сетки и технологического анода.
Позициями на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 обозначены:
1 - автоэмиссионный катод;
2 - массив автоэмиссионных структур;
3 - вытягивающая сетка;
4 - металлокерамический узел;
5 - держатель катода;
6 - держатель вытягивающей сетки:
7 - электрический изолятор металлокерамического узла;
8 - технологический анод;
9 - технологический электрический изолятор;
10 - преобразованный массив автоэмиссионных структур.
-5
-3
Способ изготовления КСУ с автоэмиссионным катодом осуществляют следующим образом. Формируют на рабочей поверхности автоэмиссионного катода (1) сплошной массив автоэмиссионных структур (2); изготавливают вытягивающую сетку (3); изготавливают металлокерамический узел (4), содержащий держатель (5) автоэмиссионного катода (1) и держатель (6) вытягивающей сетки (3), изолированные по электрическому напряжению через электрический изолятор (7); размещают и закрепляют автоэмиссионный катод (1) в держателе (5); размещают и закрепляют вытягивающую сетку (3) в держателе (6) над рабочей поверхностью автоэмиссионного катода (1), с вакуумным зазором между автоэмиссионным катодом (1) и вытягивающей сеткой (3); размещают и закрепляют над вытягивающей сеткой (3), с возможностью раскрепления и удаления, технологический электрический изолятор (9) и сплошной технологический анод (8); размещают КСУ с технологическим электрическим изолятором (9) и сплошным технологическим анодом (8) в вакуумной камере; соединяют автоэмиссионный катод (1), вытягивающую сетку (3) и технологический анод (8) с электрическими выводами источника электрического питания; откачивают вакуумную камеру с КСУ в сборе с технологическим электрическим изолятором и сплошным технологическим анодом до давления не выше 10 мм.рт.ст. (1,33⋅10 Па); подают на вытягивающую сетку (3) постоянное или импульсное, положительное относительно автоэмиссионного катода (1) электрическое напряжение и увеличивают его до появления автоэмиссионного тока в электрической цепи автоэмиссионный катод (1) - вытягивающая сетка (3); подают на технологический анод (8) отрицательное относительно автоэмиссионного катода (1) постоянное электрическое напряжение минимальной величины, при которой автоэмиссионный ток в электрической цепи автоэмиссионный катод (1) - вытягивающая сетка (3) принимает минимальное значение; увеличивают по абсолютной величине, увеличивают по абсолютной величине, пропорционально и не меняя полярности, электрические напряжения на технологическом аноде (8) и вытягивающей сетке (3) до значений, при которых рост автоэмиссионного тока в электрической цепи автоэмиссионный катод (1) - вытягивающая сетка (3) прекращается и происходит разрушение части массива автоэмиссионных структур на поверхности автоэмиссионного катода (1) в местах, расположенных напротив перемычек вытягивающей сетки (3), а целостность и работоспособность автоэмиссионных структур на поверхности автоэмиссионного катода (1) в местах, расположенных напротив отверстий в вытягивающей сетке (3) сохраняется за счет запирания автоэлектронной эмиссии с них электрическим полем технологического анода (8); снижают до нуля электрическое напряжение на вытягивающей сетке; снижают до нуля электрическое напряжение на технологическом аноде (8); увеличивают давление в вакуумной камере с КСУ в сборе с технологическим электрическим изолятором (9) и сплошным технологическим анодом (8) до атмосферного; отсоединяют автоэмиссионный катод (1), вытягивающую сетку (3) и технологический анод (8) от электрических выводов источника электрического питания; извлекают из вакуумной камеры КСУ с технологическим электрическим изолятором (9) и сплошным технологическим анодом (8); отсоединяют и удаляют технологический анод (8) и технологический электрический изолятор (9) от изготовленного таким способом КСУ с автоэмиссионным катодом.
Разрушение автоэмиссионных структур (2) автоэмиссионного катода (1) под действием электрического поля вытягивающей сетки (3) обеспечивает высокую точность и симметричность взаимного расположения оставшейся части автоэмиссионных структур (10) автоэмиссионного катода (1) и отверстий в вытягивающей сетке (3), что обеспечивает снижение автоэмиссионного тока вытягивающей сетки (3) в рабочем режиме КСУ и повышение за счет этого его надежности и долговечности.
Источники информации:
1. Патент РФ №2589722, Шестеркин В.И., опубл. 10.07.2016 г., бюл. №19, МПК H01J 1/304.
2. Авт. св-во №1075325, М.М. Зильберман, В.В. Роднов, опубл. 23.02.1984 г., бюл. №7, МПК H01J 9/02.
3. H.J. Kim, W.B. Seo, J.J. Choi, J-H. Han and J-B Yoo. Beam Emission Test on Carbon Nanotube Cathode of a Gridded Pierce Gun. IVEC-2006. P. 479-480. Monterey.