КАТОДНО-СЕТОЧНЫЙ УЗЕЛ С ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗВИТЫМ АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНЫМ АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ
CATHODE-MESH ASSEMBLY WITH SPATIALLY-DEVELOPED AXIALLY SYMMETRIC FIELD-EMISSION CATHODE

Изобретение относится к электронной технике, в частности, к катодно-сеточным узлам для вакуумных электронных устройств, в том числе мощных приборов СВЧ-диапазона с микросекундным временем готовности.
2
Известна конструкция катодно-сеточного узла (КСУ), содержащая автоэмиссионный катод с матрицей вертикально ориентированных острийных автоэмиттеров и управляющую сетку с отверстиями, размещенную над вершинами острийных автоэмиттеров и отделенную от них вакуумным зазором [Н.А. Бушуев, В.И. Шестеркин, А.А. Бурцев, Ю.А. Григорьев, В.П. Кудряшов, П.Д. Шалаев. Матричные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода: современное состояние и перспективы использования в СВЧ-приборах // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. Вып. 4 (519), 2013. С. 175-183]. Недостатком конструкции является большой перехват тока катода (до 70%), эмитированного в основном с острий, расположенных под перемычками сетки. Мощность, рассеиваемая на сетке, приводит к термическому нагреву ее перемычек, ухудшению вакуума и снижению эмиссионного тока катода. При малом аспектном отношении размеров острийных автоэмиттеров (не более 10) требуется большое напряжение на управляющей сетке (несколько киловольт) для отбора тока с катода плотностью более 1 А/см. Вследствие провисания потенциала в отверстиях сетки создается рассеивающая электронный поток электростатическая линза, формирующая электронный поток, что приводит к увеличению амплитуды магнитного поля для его фокусировки в пространстве взаимодействия прибора.
Известна также конструкция КСУ, состоящего из множества автоэмиссионных ячеек, каждая из которых содержит ограниченное число острийных автоэмиттеров конусообразной формы, размещенных на «пьедестале» в форме прямого цилиндра, и сетку с отверстиями, размещенную над вершинами автоэмиттеров и отделенную от них вакуумным зазором [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]. С целью уменьшения прямого перехвата тока перемычками сетки в данной конструкции КСУ острия напротив перемычек удаляют с помощью технологии электроискрового фрезерования. В результате на катодном диске формируются «пьедесталы» в форме прямого цилиндра высотой до 500 мкм и диаметром 200-400 мкм, на вершинах которых размещается матрица конусообразных автоэмиттеров. Недостатком этой конструкции является столь же большой (как и в аналоге) угол расходимости электронного потока на выходе из ячеек вследствие провисания потенциала в отверстиях сетки и большой потенциал (более 6 кВ) на управляющей сетке, обусловленный малым аспектным отношением автоэмиттеров.
th
2
Наиболее близким к изобретению техническим решением является конструкция КСУ, содержащего автоэмиссионный катод в форме иглы с большим аспектным отношением размеров (более 1000) и сетку с круглым отверстием, отделенную от катода вакуумным зазором [Vasily I. Shesterkin. Large-sized field-emission cells with high aspect ratio of tip sizes made of carbon glass composed of electron guns for microwave devices // 11 Internationale Vacuum Electron Sources Conference. IVESC 2016. Seoul. 18 -20 October. 2016. PP. 119-120]. Достоинством данной конструкции является меньший по сравнению с предыдущими конструкциями КСУ потенциал управляющей сетки (2350 В) при плотности тока, усредненной по диаметру отверстия сетки, более 4,4 А/см. Ток единичной автоэмиссионной ячейки с катодом в форме иглы составляет ~ 14 мА. Данная конструкция позволяет использование автоэмиссионного катода, состоящего из множества игольчатых автоэмиттеров, размещенных в ячейках на окружностях, либо выполненного в форме лезвия, свернутого в цилиндр [А.И. Петросян, В.И. Роговин. Расчет электронно-оптической системы ЛБВО с полевой эмиссией. // Прикладная физика.. №2. 2008. С. 86-91].
Недостатком данной конструкции КСУ является большой угол расходимости (до 140 градусов) электронного потока на выходе из отверстия сетки.
Задача настоящего изобретения заключается в формировании электронного потока с меньшим углом расходимости траекторий электронов на выходе из отверстия сеточного электрода за счет уменьшения расфокусирующего действия электростатической линзы.
Поставленная задача решается путем использования сеточного электрода с кольцевым отверстием специальной формы, внутри которого размещены вершины острийных автоэмиттеров, сформированных на окружности диаметром D, либо вершина кольцевого цилиндрического катода того же диаметра. Конструкция сеточного электрода, согласно предлагаемому решению, отличается тем, что периферийная часть сеточного электрода, ограничивающая щелевое отверстие, имеет толщину H больше, чем толщина h центральной части сеточного электрода, ограничивающая щелевое отверстие в центральной области. В результате в щелевом отверстии создается «перекошенная» электростатическая линза, создающая распределение электростатического поля с вектором напряженности, направленным к оси щелевого отверстия. Уменьшение угла расходимости электронного потока достигается также за счет смещения вершин острийных автоэмиттеров или вершины кольцевого цилиндрического катода от центра щели к оси симметрии КСУ.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фигуре 1 представлено сечение аксиально симметричной конструкции КСУ ячейки прототипа, где щелевое отверстие образовано сеточным электродом одинаковой толщины на обоих краях щелевого отверстия, а вершины автоэмиттеров размещены по его центру.
Позициями на фиг. 1 обозначены:
1 - катодный диск;
2 - кольцевой катод, состоящий из отдельно размещенных на окружности диаметром D острийных автоэмиттеров, либо выполненный в форме лезвийного катода цилиндрической формы диаметром D с большим аспектным отношением (сечение КСУ);
3 - линии равного потенциала (эквипотенциали);
4 - центральная часть сеточного электрода толщиной h;
5 - траектории электронов;
6 - периферийная часть сеточного электрода толщиной h.
В данной конструкции КСУ кольцевой катод размещен по центру щелевого отверстия. Толщина сеточного электрода одинакова с обеих сторон кольцевой щели. Распределение электростатического поля, так же как и угол расходимости электронного потока, симметричны относительно центра щели в любом сечении, проходящем через ось симметрии КСУ.
На фигуре 2 представлена конструкция ячейки КСУ (сечение) согласно предлагаемому решению, где:
1 - катодный диск;
2 - кольцевой катод, состоящий из отдельно размещенных на окружности диаметром D острийных автоэмиттеров, либо выполненный в форме лезвийного катода цилиндрической формы диаметром D с большим аспектным отношением;
3 - линии равного потенциала (эквипотенциали);
4 - центральная часть сеточного электрода толщиной h;
5 - траектории электронов;
6 - периферийная часть сеточного электрода толщиной Н.
КСУ с пространственно-развитым аксиально-симметричным автоэмиссионным катодом содержит катодный диск (1), на котором сформирован пространственно-развитый аксиально-симметричный кольцевой катод (2), состоящий либо из отдельных острийных автоэмиттеров в форме иголок, размещенных на окружности диаметром D, либо выполненный в форме лезвия, свернутого в цилиндрическую поверхность диаметром D. Вершина кольцевого катода размещена в кольцевой щели шириной L, вырезанной в сеточном электроде и ограниченной центральным электродом сетки (4) и его периферийной частью (6). Вершина кольцевого катода смещена относительно периферийной границы щели к оси симметрии КСУ на расстояние l>L/2. Толщина периферийной части сетки (6) превышает толщину сетки (4) в центральной ее области.
Катодно-сеточный узел с пространственно-развитым аксиально-симметричным автоэмиссионным катодом работает следующим образом.
В соответствии с предлагаемым изобретением в данной конструкции КСУ вершина кольцевого катода смещена относительно периферийной границы щели к оси симметрии КСУ на расстояние l>L/2. Толщина сеточного электрода Н на периферии щели больше толщины сеточного электрода h в его центральной области. При такой геометрии щелевого отверстия распределение напряженности электрического поля теряет свою симметрию относительно центра щелевого отверстия, и электростатическая линза становится «перекошенной». В такой линзе вектор напряженности электрического поля направлен к оси симметрии КСУ. Угол наклона траекторий электронов с вершины автоэмиттеров к оси симметрии тем больше, чем больше разница в толщинах сеточного электрода в центральной и периферийной областях щели.
За счет смещения вершины кольцевого автоэмиссионного катода от центра щели к оси симметрии КСУ напряженность электрического поля между периферийной областью вершины острийного автоэмиссионного катода и периферийной поверхностью сеточного электрода ослабляется, что приводит к уменьшению автоэмиссионного тока с расходящимися от центра щелевого отверстия электронами и улучшает условия фокусировки электронного потока.
Источники информации
1. Н.А. Бушуев, В.И. Шестеркин, А.А. Бурцев, Ю.А. Григорьев, В.П. Кудряшов, П.Д. Шалаев. Матричные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода: современное состояние и перспективы использования в СВЧ-приборах // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. Вып. 4 (519), 2013. С. 175-183
2. 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
th
3. Vasily I. Shesterkin. Large-sized field-emission cells with high aspect ratio of tip sizes made of carbon glass composed of electron guns for microwave devices // 11 Internationale Vacuum Electron Sources Conference. IVESC 2016. Seoul. 18-20 October. 2016. PP. 119-120
4. А.И. Петросян, В.И. Роговин. Расчет электронно-оптической системы ЛБВО с полевой эмиссией. // Прикладная физика, №2, 2008. С. 86-91