КАТОДНО-СЕТОЧНЫЙ УЗЕЛ С УПРАВЛЯЮЩЕЙ СЕТКОЙ И АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ, РАЗДЕЛЕННЫМ НА УПРАВЛЯЕМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
CATHODE-GRID KNOT WITH A CONTROL GRID AND AN AUTO-EMISSION CATHODE DIVIDED INTO CONTROLLED ELEMENTS

Изобретение относится к электронной технике, в частности к созданию катодно-сеточных узлов с автоэмиссионными катодами для вакуумных электронных устройств, в том числе приборов СВЧ-диапазона с микросекундным временем готовности.
Известна конструкция катодно-сеточного узла (КСУ), содержащая множество автоэмиссионных ячеек, каждая из которых образована автоэмиссионным эмиттером, форма которого представляет собой прямой конус высотой до 1.5 мкм с радиусом кривизны вершины порядка нескольких десятков нанометров, и управляющей сеткой с отверстием диаметром до 1.5 мкм, которая отделена от катода диэлектрической пленкой [Spindt С.A. A Thin - Film Field - Emission Cathode // Journal of Applied Physics. 1968, Vol.39, No 7, PP. 3504-3505].
Главным недостатком данной конструкции является неоднородность автоэмиссионных токов в ячейках, что связано с неточностью изготовления автоэмиссионных ячеек. Разброс размеров элементов ячеек автокатода обусловлен технологическими процессами изготовления автоэмиссионных острий, сетки и диэлектрического слоя между катодом и сеткой. Известно, что ток автоэлектронной эмиссии экспоненциально зависит от напряженности электрического поля у поверхности автоэмиттеров, которая в значительной степени определяется кривизной поверхности вершины острия и его аспектным отношением. В результате значительной разности токов в ячейках при отборе тока с катодной матрицы, в отдельных ячейках плотность тока автоэлектронной эмиссии на вершине острия может превышать предельно допустимое значение, при котором происходит термическое разрушение вершины острия, напыление материала эмиттера на поверхность диэлектрика, разделяющего катод и сетку, что приводит к замыканию электродов и выходу из строя КСУ в целом [Шестеркин В.И. Эмиссионно-эксплуатационные характеристики различных типов автоэмиссионных катодов // Радиотехника и электроника 2020. Том 65. №1. С. 3-30].
Известна конструкция КСУ, состоящая из единичного автоэмиссионного катода в форме иглы с большим аспектным отношением и сетки с отверстием, которая отделена от катода вакуумным зазором [Шестеркин В.И. Эмиссионно-эксплуатационные характеристики различных типов автоэмиссионных катодов // Радиотехника и электроника 2020. Том 65. №1. С. 3-30]. Данная конструкция может обеспечить эмиссионный ток порядка 8÷14 мА с одного острия при напряжении на управляющей сетке 2000-2500 В. К достоинствам конструкции можно отнести технологичность и простоту изготовления.
Однако при рассмотрении системы с множеством подобных автоэмиссионных ячеек, объединенных в единой конструкции КСУ, учитывая неидентичность геометрических размеров элементов ячеек, возникают трудности получения близких по величине токов в каждой из ячеек при заданном напряжении на единой для всех ячеек управляющей сетке. Примером тому служит КСУ с несколькими ячейками, в котором общий ток катода незначительно отличался от тока в единичной ячейке [Шестеркин В.И. Автоэмиссионные ячейки с диэлектрическим зазором катод - сетка и перспективы их использования в электронных приборах // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Международной научно-технической конференции АПЭП - 2016. 22-23 сентября 2016 г. СГТУ. Саратов. Россия. С. 161-165].
Известна конструкция КСУ, которая состоит из множества автоэмиссионных ячеек и сеточного электрода, расположенного на катодной матрице [Патент №2589722 РФ, МПК H01J 1/304. Способ изготовления катодно-сеточного узла с углеродным автоэмиссионным катодом / В.И. Шестеркин]. Сеточный электрод состоит из диэлектрической пленки с отверстиями толщиной порядка 200 мкм, которая покрыта с двух сторон проводящими ток пленками толщиной до 10 мкм. На катоде сформированы острийные автоэмиттеры, которые в совокупности с отверстиями в сеточном электроде образуют автоэмиссионные ячейки. Недостатком данной конструкции, как и описанных ранее, является неоднородность автоэмиссионных токов в ячейках, а также высокое напряжение, подаваемое на управляющую сетку.
Наиболее близким техническим решением является конструкция КСУ, которая содержит множество автоэмиссионных ячеек, представляющих собой совокупность автоэмиттеров и сеточного электрода с отверстиями [Патент №2697193 РФ, МПК H01J 9/02. Катодно-сеточный узел с автоэмиссионным катодом и управляющей сеткой, разделенной на элементы / М.П. Апин, Д.Н. Золотых, П.Д. Шалаев, В.И. Шестеркин]. Для решения проблемы неоднородности автоэмиссионных токов в ячейках управляющая сетка разделена на электрически изолированные друг от друга элементы, имеющие электрические выводы для подачи на них различных по величине потенциалов. Данная конструкция позволяет получить автоэмиссионные токи равной величины от всех ячеек подбором соответствующих потенциалов отдельных элементов сетки относительно катода. Однако при работе КСУ в процессе эксплуатации параметры автоэмиттеров могут меняться не идентично, поэтому условие равенства токоотбора от отдельных ячеек будет нарушаться, автоэмиссионный ток от части ячеек будет снижаться, что приведет к снижению суммарного тока катода и снижению работоспособности КСУ. Причем в работающем приборе с таким КСУ при отборе тока с большого количества ячеек определить величину автоэмиссионного тока от любой дискретной ячейки невозможно и, соответственно, невозможно выполнить корректировку потенциалов отдельных элементов сетки относительно катода для восстановления работоспособности катода.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение возможности контроля величины автоэмиссионного тока от любой дискретной ячейки КСУ в процессе его эксплуатации, возможность корректировки потенциалов отдельных автоэмиттеров катода относительно сетки для восстановления работоспособности катода при изменении параметров ячеек в процессе эксплуатации, повышение срока службы КСУ.
Это достигается тем, что катод представляет собой дискретные электрически изолированные друг от друга сформированные любым известным способом автоэмиттеры и сеточный электрод с отверстиями, образующими вместе с автоэмиттерами автоэмиссионные ячейки. При этом автоэмиссионные катоды имеют независимые электрические выводы. Сеточный электрод отделен от автоэмиттеров вакуумным зазором или материалом с диэлектрическими свойствами. Благодаря тому что катоды изолированы друг от друга и каждый из них имеет свой электрический вывод, имеется возможность контролировать силу тока в цепи каждого из них и при необходимости изменять ее путем изменения потенциала автоэмиттера относительно сетки независимо от потенциалов автоэмиттеров остальных ячеек. Это позволяет получать не только максимально близкие значения токов в каждой ячейке с максимальным прохождением тока через сеточный электрод, но и не допускать превышения тока автокатода, при котором происходит интенсивная деградация автокатода или его термическое разрушение.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 - фиг.3 представлен вариант конструкции КСУ, соответствующий предлагаемому изобретению.
На фиг.1 (КСУ в разрезе) обозначены: (1) - электрические выводы автоэмиттеров, (2) - автоэмиттеры, (3) - изолятор, электрически изолирующий автоэмиттеры в катоде друг от друга, (4) - сеточный электрод, (5) - отверстия в сетке.
На фиг.2 изображена сетка КСУ, цифрами обозначены: (4) - сеточный электрод. (5) - отверстия в сетке, (6) - электрический вывод управляющей сетки.
На фиг.3 (вид снизу) обозначены: (1) - электрические выводы автоэмиттеров, (2) - автоэмиттеры, (3) - изолятор, электрически изолирующий автоэмиттеры в катоде друг от друга.
Катодно-сеточный узел (фиг. 1 - фиг. 3) содержит электрически изолированные друг от друга автоэмиттеры (2) с выводами (1), сеточный электрод (4), имеющий электрический вывод (6), с отверстиями (5), образующими вместе с автоэмиттерами автоэмиссионные ячейки, причем сеточный электрод отделен от катода вакуумным зазором или материалом с диэлектрическими свойствами.
Катодно-сеточный узел работает следующим образом.
На автоэмиттеры (2) при помощи электрических выводов (1) подаются отрицательные потенциалы относительно сеточного электрода (4), потенциал на который подается при помощи электрического вывода (6). В пространстве между сеточным электродом и автоэмиттерами создается постоянное электрическое поле благодаря разности приложенных потенциалов. При определенной величине напряженности поля на поверхности автоэмиттеров начинается процесс автоэлектронной эмиссии. Сила автоэлектронного тока каждого автоэмиттера определяется величиной поля, т.е. величиной приложенного напряжения между автоэмиттером и сеточным электродом. Благодаря тому, что автоэмиттеры изолированы друг от друга, потенциал на каждом из них можно менять независимо от потенциала других автоэмиттеров и, следовательно, регулировать значение силы автоэмиссионного тока каждого автоэмиттера независимо от остальных. Далее для каждого автоэмиттера устанавливается такой потенциал, который обеспечивает требуемый автоэмиссионный ток. В рабочем режиме на каждый автоэмиттер подается определенное значение отрицательного по отношению к сеточному электроду потенциала, в общем случае отличного от потенциалов других автоэмиттеров, которые создают равные по величине автоэмиссионные токи. Общий ток определяется как суперпозиция автоэмиссионных токов автоэмиттеров.
Источники информации
1. Spindt С.А. A Thin - Film Field - Emission Cathode // Journal of Applied Physics. 1968, Vol.39, No 7, PP. 3504-3505.
2. Шестеркин В.И. Эмиссионно-эксплуатационные характеристики различных типов автоэмиссионных катодов // Радиотехника и электроника 2020. Том 65. №1. С. 3-30.
3. Шестеркин В.И. Автоэмиссионные ячейки с диэлектрическим зазором катод -сетка и перспективы их использования в электронных приборах // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Международной научно-технической конференции АПЭП - 2016. 22-23 сентября 2016 г. СГТУ. Саратов. Россия. С. 161-165.
4. Патент №2589722 РФ, МПК H01J 1/304. Способ изготовления катодно-сеточного узла с углеродным автоэмиссионным катодом / В.И. Шестеркин.
5. Патент №2697193 РФ, МПК H01J 9/02. Катодно-сеточный узел с автоэмиссионным катодом и управляющей сеткой, разделенной на элементы / М.П. Апин, Д.Н. Золотых, П.Д. Шалаев, В.И. Шестеркин.