КАТОДНО-СЕТОЧНЫЙ УЗЕЛ С АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ И УПРАВЛЯЮЩЕЙ СЕТКОЙ, РАЗДЕЛЁННОЙ НА ЭЛЕМЕНТЫ
CATHODE-MESH ASSEMBLY WITH FIELD-EMISSION CATHODE AND CONTROL MESH, DIVIDED INTO ELEMENTS

Изобретение относится к электронной технике, в частности, к созданию катодно-сеточных узлов с автоэмиссионными катодами для вакуумных электронных устройств, в том числе мощных приборов СВЧ-диапазона с микросекундным временем готовности.
Известна конструкция катодно-сеточного узла (КСУ), состоящего из множества автоэмиссионных ячеек, каждая из которых включает автоэмиссионный эмиттер в форме прямого конуса высотой до 1.5 мкм с радиусом кривизны вершины, равным нескольким десяткам нанометров, и управляющую сетку с отверстием диаметром до 1.5 мкм, отделенную от катода пленкой диэлектрика [Spindt С.А. A Thin - Film Field - Emission Cathode // Journal of Applied Physics. 1968, Vol.39, No 7, PP. 3504-3505]. Недостатком данной конструкции является неоднородность эмиссии в ячейках, что связано с разбросом размеров конусообразных автоэмиттеров и отверстий в сеточном электроде. Разброс размеров обусловлен технологическими процессами изготовления как автоэмиттеров, так и отверстий в сеточном электроде. Известно, что изменение радиуса кривизны вершины автоэмиттера приводит к изменению напряженности электрического поля у поверхности вершин автоэмиттеров и, как следствие, к изменению тока автоэлектронной эмиссии по экспоненте [Бондаренко Б.В. Проблемы стабильности автоэлектронной эмиссии и некоторые пути ее решения // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1980. Вып. 9 (321). С.3-8]. Значительное отличие токов в ячейках при интенсивном отборе тока с катодной матрицы приводит к превышению тока эмиссии в отдельных ячейках над предельно допустимым значением и, как следствие, к термическому разрушению джоулевым теплом автоэмиттеров и выходу из строя всей катодной матрицы.
Известна конструкция КСУ, состоящая из множества автоэмиссионных ячеек и сеточного электрода, размещенного непосредственно на катодной матрице [Патент №2589722 РФ, МПК H01J 1/304. Способ изготовления катодно-сеточного узла с углеродным автоэмиссионным катодом / В.И. Шестеркин]. Сеточный электрод представляет собой трехслойную пленочную структуру (проводник-диэлектрик-проводник) с отверстиями диаметром 180÷350 мкм. Проводящие ток пленки толщиной до 10 мкм сформированы на обеих сторонах пленки из диэлектрика толщиной 180÷220 мкм. В каждой автоэмиссионной ячейке, ограниченной диаметром отверстия в сеточном электроде и катодной подложкой, размещены острийные автоэмиттеры, количество которых определяется плотностью их упаковки и диаметром отверстия в сеточном электроде. Вследствие больших (по сравнению с ячейкой Спиндта) размеров ячеек вольт-амперная характеристика данной конструкции обладает меньшей крутизной и менее критична к изменению напряжения на сеточном электроде. Недостатком данной конструкции, как и предыдущей, является разброс автоэмиссионных токов в ячейках, что обусловлено неточностью изготовления ячеек, и высокое напряжение на управляющей сетке сеточного электрода. Данное напряжение на порядок больше, чем в ячейках Спиндта, и достигает нескольких киловольт.Это ограничивает применение данной конструкции КСУ в импульсных приборах с низковольтным сеточным управлением.
th
Наиболее близким техническим решением является конструкция катодно-сеточного узла, 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 International Vacuum Electron Sources Conference. IVESC 2016. Seoul. 18-20 October. 2016. PP. 119-120]. Высота иглы может достигать 1.5 мм. Эмиссионный ток с одной иглы составляет 8÷14 мА при радиусе кривизны вершины 0.5÷5.0 мкм, диаметре отверстия в сетке до 500 мкм и напряжении на управляющей сетке 2000-2500 В. Достоинством данной конструкции является простота и технологичность изготовления.
Однако при увеличении количества автоэмиссионных ячеек в КСУ возрастают требования к точности их изготовления для обеспечения идентичности напряженностей электрических полей на вершинах автоэмиттеров, что достигается идентичностью размеров элементов ячеек. Существующие технологии изготовления и сборки КСУ с множеством автоэмиссионных ячеек не обеспечивают необходимую идентичность размеров элементов ячеек и не позволяют получать одинаковые токи эмиссии от каждой ячейки при одинаковом для всех ячеек напряжении на управляющей сетке. Так, например, в КСУ с семью ячейками общий ток катода составил примерно такую же величину, как и ток единичной ячейки [Шестеркин В.И. Автоэмиссионные ячейки с диэлектрическим зазором катод - сетка и перспективы их использования в электронных приборах // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. научн.-техн. конф. АПЭП - 2016. 22-23 сентября 2016 г. СГТУ. Саратов. Россия. С. 161-165].
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение равномерности токоотбора от ячеек автоэмиссионного катода.
Это достигается тем, что катодно-сеточный узел с множеством автоэмиссионных ячеек содержит катод произвольной формы, на котором сформированы любым известным способом автоэмиттеры, и сеточный электрод с отверстиями, образующими вместе с автоэмиттерами автоэмиссионные ячейки. Сеточный электрод отделен от катода вакуумным зазором или изоляционной подложкой, или размещен непосредственно на поверхности катода. При этом сеточный электрод состоит из диэлектрической пленки, выполняющей функции несущей конструкции сеточного электрода, проводящей пленки, сформированной на одной стороне диэлектрической пленки и являющейся управляющей сеткой, или проводящей пленки, являющейся управляющей сеткой, и проводящей пленки, являющейся фокусирующей сеткой, причем управляющая и проводящая пленки сформированы на противоположных сторонах диэлектрической пленки. При этом управляющая сетка разделена на электрически изолированные друг от друга, охватывающие каждое отверстие или группы отверстий в сеточном электроде элементы, которые имеют электрические выводы для подачи на них разных потенциалов.
Благодаря возможности раздельного регулирования потенциалов на сеточных элементах обеспечивается получение равных по величине токов от каждой автоэмиссионной ячейки или группы ячеек.
На фиг. 1 - фиг. 3 представлены варианты конструкции КСУ, соответствующие предлагаемому изобретению.
На фиг. 1 и фиг. 2 обозначены: (1) - автоэмиссионный катод в форме диска или любой другой формы, (2) - автоэмиссионные эмиттеры, (3) - сеточный электрод типа проводник-диэлектрик или проводник-диэлектрик-проводник с отверстиями, (4) - фокусирующая сетка (при наличии) сеточного электрода, (5) - пленка диэлектрика, (6) - управляющая сетка сеточного электрода, разделенная на токопроводящие элементы, ограничивающие ячейки, (7) - отверстия в сетке, (8) - изоляционная подложка.
На фиг. 3 представлены два из возможных вариантов конструкции сеточного электрода (вид сверху), где цифрами обозначены: (5) - пленка диэлектрика, (6) - управляющая сетка сеточного электрода, разделенная на токопроводящие элементы, ограничивающие ячейки, (7) - отверстия в сетке, (9) - электрические выводы токопроводящих элементов управляющей сетки.
Катодно-сеточный узел (фиг. 1 - фиг. 3) содержит катод (1) цилиндрической, ленточной или любой другой формы, на котором сформированы любым известным способом автоэмиттеры (2), сеточный электрод (3) с отверстиями (7), образующими вместе с автоэмиттерами автоэмиссионные ячейки, причем сеточный электрод отделен от катода вакуумным зазором или изоляционной подложкой (8), или размещен непосредственно на поверхности катода и состоит из диэлектрической пленки (5), выполняющей функции несущей конструкции сеточного электрода; проводящей пленки (6), сформированной на одной стороне диэлектрической пленки и являющейся управляющей сеткой сеточного электрода, или проводящей пленки (6), являющейся управляющей сеткой сеточного электрода, и проводящей пленки (4), являющейся фокусирующей сеткой сеточного электрода, причем пленки (6) и (4) сформированы на противоположных сторонах диэлектрической пленки. Управляющая сетка сеточного электрода, управляющая током автоэмиттеров, разделена на охватывающие каждое отдельное отверстие (7) или группы отверстий в сеточном электроде и электрически изолированные друг от друга элементы (6), имеющие электрические выводы (9) для подачи на них разных, при необходимости, потенциалов.
n
n
Устройство работает следующим образом: на каждый элемент управляющей сетки подается, при необходимости разное, напряжение U выше потенциала катода, необходимое для получения автоэмиссионного тока ячейки или группы ячеек, равного I/n, где: I - суммарный автоэмиссионный ток КСУ; n - количество ячеек или групп ячеек в КСУ. Для изменения общего автоэмиссионного тока катода требуется пропорциональное увеличение или уменьшение напряжений U на элементах управляющей сетки. На фокусирующую сетку (при наличии) подается потенциал, равный или близкий к потенциалу катода, или любой другой потенциал, необходимый для формирования минимального угла расходимости электронного потока на выходе из ячеек. Конструкция КСУ с разделенной управляющей сеткой на электрически изолированные элементы с соответствующими потенциалами для каждой автоэмиссионной ячейки или для групп автоэмиссионных ячеек позволяет обеспечить одинаковый для всех автоэмиссионных ячеек или групп автоэмиссионных ячеек ток и избежать токовой перегрузки какой-либо автоэмиссионной ячейки или группы автоэмиссионных ячеек, что является необходимым условием для увеличения автоэмиссионного тока катода и улучшения параметров надежности КСУ.
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. Бондаренко Б.В. Проблемы стабильности автоэлектронной эмиссии и некоторые пути ее решения // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1980. Вып. 9 (321). С. 3-8.
3. Патент №2589722 РФ, МПК H01J 1/304. Способ изготовления катодно-сеточного узла с углеродным автоэмиссионным катодом / В.И. Шестеркин.
th
4. 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 International Vacuum Electron Sources Conference. IVESC 2016. Seoul. 18-20 October. 2016. PP. 119-120.
5. Шестеркин В.И. Автоэмиссионные ячейки с диэлектрическим зазором катод - сетка и перспективы их использования в электронных приборах // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. научн.-техн. конф. АПЭП - 2016. 22-23 сентября 2016 г. СГТУ. Саратов. Россия. С. 161-165.