ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА С АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ
ELECTRONIC GUN WITH FIELD EMISSION CATHODE

Изобретение относится к электронной технике, в частности к вакуумным электронным устройствам, в том числе к СВЧ приборам O-типа с микросекундным временем готовности, в которых используются автоэмиссионные источники тока.
Известна конструкция электронной пушки, содержащая автоэмиссионный катод на основе углеродных нанотрубок, вытягивающую сетку, размещенную над поверхностью катода, и анод [H.J. Kim, J.J. Choi, J.H. Han, J.H. Park, and J-B Yoo. Design and Field Emission Test of Carbon Nanotube Pasted Cathodes for Traveling-Wave Tube Applications // IEEE Transactions on Electron Devices. Vol. 53, №11, 2006, PP. 2674-2680]. Недостатком данной конструкции является большой разброс углов наклона траекторий электронов по углам наклона за сеткой вследствие расфокусирующего действия электростатических линз в ячейках сетки, который препятствует получению токопрохождения на коллектор на уровне 97-100%. Для уменьшения радиуса электронного пучка в пролетном канале между вытягивающей сеткой и анодом размещена дополнительная фокусирующая сетка. Однако и в этом случае радиус пучка за анодом пушки примерно в 2.4 раза больше, чем радиус пучка в пушке с термоэмиссионным катодом, а токопрохождение электронного пучка на коллектор не превышало 63%.
Известна конструкция электронной пушки, содержащая ячейки с автоэмиссионным катодом и вытягивающей сеткой, в которой разброс углов наклона траекторий электронов за сеткой уменьшен за счет введения в область электронной пушки магнитного поля с индукцией несколько единиц тесла [А.И. Петросян, В.И. Роговин. Расчет электронно-оптической системы ЛБВО с полевой эмиссией. // Прикладная физика, №2, 2008, С. 86-91]. Как отмечают авторы вышеупомянутой статьи, таких значений индукции магнитного поля достичь чрезвычайно трудно.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является конструкция электронной пушки, включающая автоэмиссионные ячейки, в каждой из которых автоэлектронный эмиттер представлял собой острие конусообразной формы высотой 1.5 мкм и радиусом кривизны вершины в несколько десятков нанометров. Вытягивающая сетка толщиной в десятые доли микрона отделена от катода слоем диэлектрика. Вершина острия располагалась в плоскости вытягивающей сетки [Whaley D.R., Duggal R., Armstrong C.M. et al. // IEEE Trans, 2009, V. ED-56, №5, P. 896]. Для уменьшения расходимости электронного пучка авторы данной статьи также использовали дополнительные фокусирующие электроды, расположенные между вытягивающей сеткой и анодом. Данная электронная пушка была применена в ЛБВ С-диапазона, в которой диаметр катода был в несколько раз меньше диаметра пролетного канала пространства взаимодействия. Благодаря этому в данной ЛБВ удалось достичь токопрохождения на коллектор прибора 97.3%. Однако, как отмечают авторы, при попытке использования данной конструкции электронной пушки в ЛБВ Ku-диапазона, где диаметр пролетного канала значительно меньше, чем в ЛБВ C-диапазона, большой разброс углов наклона траекторий электронов не позволил получить столь же высокое значение коэффициента токопрохождения на коллектор [Whaley D., Duggal R., Armstrong С. et al. // Proc. 2013 IEEE 14th Int. Conf. Vacuum Electron. Paris. 21-23 May, 2013. N.Y.: IEEE, 2013. P. 9].
Недостатком данной конструкции является большой разброс углов наклона электронных траекторий к оси прибора, что не позволяет обеспечить близкий к 100% коэффициент токопрохождения электронного пучка на коллектор прибора.
В приведенных выше конструкциях формирование электронного потока осуществлялось в пространстве сетка-анод, где электронный поток имел большой радиус за счет расфокусирующего действия сеточной электростатической линзы и большой (более 100 градусов) угол эмиссии электронов со сферической поверхности вершины острия [М.И. Елинсон, Г.Ф. Васильев. Автоэлектронная эмиссия // Государственное издательство физико-математической литературы. Москва, 1958, 272 с.]. Уменьшение радиуса электронного потока за счет введения в промежуток сетка-анод дополнительной фокусирующей сетки приводило к увеличению разброса углов наклона траекторий электронов, согласно теореме Лиувилля о сохранении фазового объема электронного потока. Большой разброс углов наклона траекторий электронов в электронном пучке является главным препятствием достижения необходимого в электронном приборе токопрохождения на коллектор на уровне 97-100%.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции электронной пушки с автоэмиссионным катодом, в которой уменьшение разброса углов наклона траекторий электронов в пучке осуществляется внутри автоэмиссионной ячейки за счет уменьшения угла эмиссии электронов с вершины острия.
Поставленная задача достигается тем, что электронная пушка состоит из ячеек, содержащих автоэмиссионные эмиттеры в форме остриев, вытягивающую сетку с соосными остриям отверстиями и анода. При этом внутри ячеек между вытягивающей сеткой и плоскостью катода, являющейся основанием остриев, размещена формирующая сетка, отстоящая от вершины острия на расстоянии X, удовлетворяющем соотношению: D/6≥X≥0, где: D - расстояние между противоположными плоскостями сеток, а диаметры отверстий в сетках d и расстояние между наружными плоскостями обеих сеток D связаны соотношением: d/4≥D≥d/5. Формирующая и вытягивающая сетки разделены пленкой диэлектрика, формирующая сетка отделена от катода вакуумным зазором, а потенциал формирующей сетки выше потенциала катода, но не превышает потенциал вытягивающей сетки.
Предлагаемая конструкция электронной пушки поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлена размерная схема единичной ячейки электронной пушки, где:
1 - автоэмиссионный катод в форме острия;
2 - вакуумный зазор;
3 - формирующая сетка;
4 - слой диэлектрика;
5 - вытягивающая сетка;
6 - анод.
На фиг. 2 представлена ячейка электронной пушки без формирующей сетки (прототип), где:
1 - катод с острием;
2 - слой диэлектрика;
3 - вытягивающая сетка;
4 - эквипотенциали;
5 - траектории электронов.
На фиг. 3 представлена ячейка электронной пушки с формирующей сеткой, где:
1 - катод с острием;
2 - вакуумный зазор;
3 - формирующая сетка;
4 - диэлектрик;
5 - вытягивающая сетка;
6 - эквипотенциали;
7 - траектории электронов.
Электронная пушка с автоэлектронным катодом работает следующим образом. На вытягивающую сетку подается положительный относительно катода (острия) потенциал, создающий необходимую для автоэлектронной эмиссии напряженность электрического поля на вершине острия. На анод подается положительный относительно катода и вытягивающей сетки потенциал, равный потенциалу замедляющей системы электронного прибора. Формирующая сетка имеет потенциал, равный потенциалу катода. Для корректировки влияния допусков при изготовлении деталей и сборке электронной пушки на формирующую сетку подается потенциал выше потенциала катода, но не превышающий потенциал вытягивающей сетки. Напряженность электрического поля на поверхности шарового сегмента вершины острия имеет максимальное значение на вершине острия и уменьшается по мере увеличения телесного угла шарового сегмента. В соответствии с изменением напряженности поля на поверхности шарового сегмента изменяется и плотность автоэмиссионного тока, уменьшаясь от его вершины к основанию по экспоненциальному закону в соответствии с уравнением Фаулера-Нордгейма. Формирующая сетка изменяет напряженность поля вблизи вершины острия, уменьшая телесный угол шарового сегмента вершины острия, с которого происходит автоэлектронная эмиссия. В результате угол эмиссии с вершины острия уменьшается, что является необходимым условием уменьшения разброса углов наклона траекторий электронов в пучке и увеличения токопрохождения на коллектор.
В составе электронной пушки может быть размещено от нескольких десятков до нескольких сотен ячеек. В ячейке с вытягивающей сеткой угол эмиссии с вершины острия (угол шарового сегмента, с которого идет автоэмиссия) может достигать 100 градусов, вследствие чего оседание тока на перемычки вытягивающей сетки достигает 30%. В ячейке с формирующей сеткой перехват тока перемычками формирующей сетки отсутствует. При уменьшении угла эмиссии уменьшается площадь шарового сегмента, с которого происходит автоэлектронная эмиссия. Следовательно, уменьшается величина тока катода. При этом величина тока, прошедшего через анодное отверстие, уменьшается незначительно. Таким образом, введением дополнительной формирующей сетки внутрь ячейки из общего электронного потока вырезается та его часть, которая в электронной пушке без формирующей сетки перехватывается перемычками вытягивающей сетки и анодом, вызывая их термический разогрев, ухудшение вакуума и снижение эмиссии катода. Электронный поток, сформированный ячейкой с расположенной внутри ее формирующей сеткой, имеет малый угол расходимости, а следовательно, и малый разброс углов наклона электронных траекторий.
Оптимальной является геометрия ячейки, размеры которой удовлетворяют соотношениям:
D/6≥X≥0,
где D - расстояние между противоположными плоскостями сеток, включающее толщину слоя диэлектрика и толщины обеих сеток;
d/4≥D≥d/5.
Источники информации
1. H.J. Kim, J.J. Choi, J.H. Han, J.H. Park and J-B Yoo. Design and Field Emission Test of Carbon Nanotube Pasted Cathodes for Traveling-Wave Tube Applications // IEEE Transactions on Electron Devices. Vol. 53, №11, 2006, рр. 2674-2680.
2. А.И. Петросян, В.И. Роговин. Расчет электронно-оптической системы ЛБВО с полевой эмиссией. // Прикладная физика, №2, 2008, с. 86-91.
3. Whaley D.R., Duggal R., Armstrong C.M. et al. // IEEE Trans, 2009, v. ED-56, №5, р. 896.
4. Whaley D., Duggal R., Armstrong С. et al. // Proc. 2013 IEEE 14th Int. Conf. Vacuum Electron. Paris. 21-23 May, 2013. N.Y.: IEEE, 2013. P. 9.
5. М.И. Елинсон, Г.Ф. Васильев. Автоэлектронная эмиссия // Государственное издательство физико-математической литературы. Москва, 1958, 272 с.