Электронная пушка с автоэмиссионным катодом
ELECTRON GUN WITH FIELD-EMISSION CATHODE

Изобретение относится к источникам электронных пучков (электронных пушек), предназначенным для использования в вакуумных электронных приборах и устройствах различного типа и назначения.
Известны источники электронов (катоды и включающие их в свой состав электронные пушки) являются ключевым элементом всех электровакуумных устройств и приборов. Наиболее широкое применение в вакуумной электронике нашли источники электронов, использующие эффект термоэлектронной эмиссии, состоящий в испускании электронов нагретым телом [1]. Высокая температура нагрева, требуемая для получения эффективной эмиссии электронов, относится к одному из наиболее существенных недостатков термоэмиссионных катодов, т.к. приводит к значительному энергопотреблению, избыточному термовыделению в процессе работы, нежелательному воздействию на окружающие конструкционные элементы электровакуумных устройств, снижению ресурса, увеличению габаритов таких устройств и др.
2
2
Потенциально указанные недостатки могут быть устранены за счет использования не требующих нагрева (называемых по этой причине также «холодными») катодов на основе эффекта автоэмиссии электронов (известной также как «туннельной», «спонтанной» или «полевой») [2]. Эмитирующая поверхность таких холодных катодов обычно представляет собой массив из проводящих иглоподобных и/или лезвийных структур с высоким аспектным отношением и расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Величина необходимого аспектного отношения индивидуальных структур (т.е. отношение длины иглоподобной (или лезвийной) структуры к размеру области на ее конце, испускающей электроны) и расстояние между ними определяются условиями достижения необходимой напряженности электрического поля (порядка 1-10 В/мкм) при используемых в вакуумной электронике величинах напряжений между электродами (порядка 1-100 кВ). Плотность тока эмиссии для поверхности индивидуального острийного (или лезвийного) эмиттера может иметь достаточно высокое значение. Однако абсолютное значение тока эмиссии индивидуального эмиттера составляет небольшую величину из-за небольшого размера поверхности эмитирующей электроны. Общая величина эмитирующей поверхности массива проводящих острийных и/или лезвийных структур составляет незначительную долю от общей площади такого катода, состоящего из массива острий и/или лезвий. Соответственно усредненная плотность тока эмиссии автоэмиссионных катодов, содержащих массивы из большого количества острийных и/или лезвийных структур, не превышает величины 1-10 А/см. При этом плотность тока долговременной стабильной эмиссии ограничена еще больше и не превышает значений порядка 0,1-1 А/см. Такие предельные значения плотности тока автоэмиссионных катодов существенно ограничивают возможности их применения в вакуумной электронике.
Увеличения плотности тока электронных пучков, создаваемых с помощью автоэмиссии, потенциально возможно с помощью электронных пушек, использующих катоды большой площади и системы электродов фокусирующих (сжимающих) получаемый поток электронов. Примером такого рода могут служить катоды, выполненные в виде усеченного конуса, на внешнюю поверхность которого нанесено эмитирующее покрытие из углеродных нанотрубок [3, 4].
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является электронная пушка с кольцевыми термоэмиссионными катодами по авторскому свидетельству СССР 1360488, H01J 23/07, принятая за прототип.
упр
Электронная пушка-прототип содержит два кольцевых эмитирующих сегмента: внутренний (n=1) эмиттер (катод) и внешний (n=2) эмиттер (катод). Внутренний эмиттер охвачен парой управляющих электродов, один из которых выполнен в виде штыря и проходит через отверстие в центре эмиттера, дополнительный электрод выполнен в виде цилиндра, расположенного соосно с внешней стороны эмиттера. Внешний эмиттер  также охвачен другой парой управляющих электродов: внутренним дополнительным цилиндрическим электродом и внешним цилиндрическим электродом, расположенных соосно с катодом. Управляющие электроды электрически изолированы от катодов-эмиттеров и попарно подключены к источникам управляющих напряжений, с помощью которых подают напряжения постоянного смещения и импульсные управляющие напряжения U. Между катодами-эмиттерами и анодом приложено постоянное ускоряющее (анодное) напряжение U. Форма и взаимное расположение всех электродов (катода, управляющих электродов и анода) существенным образом определяются тем, что эмиссия электронов из нагретого тела не требует приложения электрического поля. Электрическое поле требуется только для управления потоком электронов, испускаемых катодами под действием нагрева.
Электронная пушка-прототип работает следующим образом.
упр1,2
упр.2
упр.1
При подаче на электроды положительных импульсов управляющего напряжения U > 0 эмиттеры открыты. Испускаемые ими электронные потоки фокусируются с помощью электродов в отверстие ускоряющего электрода - анода. В этом случае ток пучка максимален и равен сумме токов, испускаемых обоими эмиттерами. При снятии с управляющих электродов положительного импульса управляющего напряжения U > 0 верхний эмиттер закрыт, и пушка формирует поток с минимальным током. Аналогично при снятии с электродов положительного импульса управляющего напряжения U > 0 внутренний эмиттер запирается, и пушка формирует поток с промежуточным значением величины тока.
Таким образом, пушка с двумя кольцевыми эмиттерами (N=2) может работать при трех уровнях мощности пучка.
При других вариантах выполнения конструкции электронной пушки, например, с числом кольцевых эмитирующих сегментов N>2, пушка может работать в C режимах, где C - число сочетании из N элементов по i. В частности пушка с тремя кольцевыми эмиттерами (N=3) обеспечивает работу в 7 возможных режимах, пушка с N=4 - в 15 режимах и т.д.
упр.n
n
n
μ.n
Выполнение эмиттера в виде двух или более (N> 2) концентрических кольцевых сегментов обеспечивает низковольтное управление мощностью пучка. Это подтверждается проведенными расчетами на ЭВМ, которые показали, что величина управляющего напряжения U зависит от анодного напряжения U, ширины Δ n и среднего диаметра D кольцевого эмиттера, а также от величины тока I (или микропервеанса P) пучка, испускаемого эмиттером. Индексом n здесь и далее обозначен порядковый номер эмиттера (n=1, 2, … N; N число эмиттеров).
Электронная пушка-прототип формирует ламинарный электронный поток во всех режимах работы прибора. Ламинарность потока обеспечивает его согласование с магнитным полем и является необходимым условием высокого токопрохождения через отверстие в ускоряющем электроде-аноде и пролетный канал.
Однако при использовании термоэмиссионных катодов практическая реализация данной конструкции значительно затруднена необходимостью нагрева до высоких температур значительных по размерам элементов, входящих в состав таких электронных пушек, что является недостатком устройства-прототипа.
Задача предлагаемого технического решения состоит в создании электронной пушки, конфигурация и состав электродов которой обеспечивают увеличение плотности тока электронных пучков, создаваемых автоэмиссионным катодом.
Для решения поставленной задачи в электронной пушке с автоэмиссионным катодом, содержащей N (N≥1) кольцевых катодов, расположенных соосно, в плоскости, перпендикулярной продольной оси электронной пушки и с центром, совпадающим с продольной осью электронной пушки, а также анод и управляющие электроды, расположенные с внутренней и внешней стороны каждого из катодов соосно с ними, причем один из управляющих электродов выполнен осесимметричным и расположен по центру пушки, согласно изобретению, эмитирующая поверхность катодов содержит покрытие, обеспечивающее получение эффективной автоэмиссии электронов при подаче соответствующей разности потенциалов между катодом, анодом теми из управляющих электродов, которые выполняют функцию вытягивающих, при этом другая часть управляющих электродов выполняет роль фокусирующих электродов, которые при подаче на них соответствующих потенциалов, приводят к сжатию (фокусировке) пучка электронов, эмитируемых с поверхности катода к оси электронной пушки.
вытяг.
фокус.
анод.
Фиг. 1 - показывает форму и взаимное расположение электродов в заявляемой электронной пушке с одним кольцевым автоэмиссионным катодом 1; анодом 2 и фокусирующими электродами 3 и 4; вытягивающими электродами 5; и схемой их электрических соединений с подаваемыми потенциалами: U на вытягивающие электроды; Uна фокусирующий электрод 4, расположенный по центру; U - на анод 2. Область рисунка, обозначенная окружностью А, представлена также в увеличенном масштабе.
вытяг.
фокус.
анод.
Фиг. 2 - показывает пример расчета траекторий электронов 6 в электронной пушке, содержащей один кольцевой автоэмиссионный катод и соосно охватывающие его фокусирующие электроды все вместе находящиеся под общим потенциалом, а также вытягивающие электроды, находящиеся под потенциалом U= +14 кВ и создающие на поверхности катода электрическое поле, необходимое для получения автоэмиссионного тока, и фокусирующий электрод, находящийся под потенциалом U= 6кВ, и анод - под потенцалом U= 14 кВ. Результаты расчетов представлены на рисунке для сечения электронной пушки плоскостью, проходящей вдоль ее продольной оси.
вытяг.
фокус.
анод.
Фиг. 3 - показывает форму и взаимное расположение электродов в электронной пушке с двумя кольцевыми автоэмиссионными катодами 1, охватывающими их и расположенными соосно с ними фокусирующими электродами 3, а также расположенным по центру фокусирующим электродом 4; вытягивающими электродами 5; анодом 2 и схемой их электрических соединений с подаваемыми потенциалами: U на вытягивающие электроды 5; Uна фокусирующий электрод 4; Uна анод 2. Область рисунка, обозначенная окружностью А, представлена также в увеличенном масштабе.
вытяг.
фокус.
анод.
Фиг. 4 - показывает пример расчета траекторий электронов 6 в электронной пушке, содержащей два кольцевых автоэмиссионных катода, соосные с ними и охватывающие их фокусирующие электроды все вместе находящиеся под общим потенциалом, а также вытягивающие электроды, находящиеся под потенциалом U= +14 кВ и создающие на поверхности катодов электрическое поле, необходимое для получения автоэмиссионного тока, и фокусирующий электрод, находящийся под потенциалом U= 6кВ, и анод, под потенцалом U= 14 кВ. Результаты расчетов представлены на рисунке для сечения электронной пушки плоскостью, проходящей вдоль ее продольной оси.
вытяг.
фокус.
анод.
Фиг. 5 - показывает форму и взаимное расположение электродов в электронной пушке с двумя кольцевыми автоэмиссионными катодами 1, расположенными соосно в двух параллельных плоскостях; охватывающими их и расположенными соосно с ними фокусирующими электродами 3, а также расположенным по центру фокусирующим электродом 4; вытягивающими электродами 5; анодом 2 и схемой их электрических соединений с подаваемыми потенциалами: U на вытягивающие электроды 5; Uна фокусирующий электрод 4; U - на анод 2.
Область рисунка, обозначенная окружностью А, представлена также в увеличенном масштабе.
вытяг.
фокус.
анод.
Фиг. 6 - показывает пример расчета траекторий электронов 6 в электронной пушке, содержащей два кольцевых автоэмиссионных катода, соосные с ними и охватывающие их фокусирующие электроды, все вместе находящиеся под общим потенциалом, а также вытягивающие электроды, находящиеся под потенциалом U= +14 кВ и создающие на поверхности катодов электрическое поле, необходимое для получения автоэмиссионного тока, и фокусирующий электрод, находящийся под потенциалом U= 8 кВ, и анод, под потенцалом U= 14 кВ. Результаты расчетов представлены на рисунке для сечения электронной пушки плоскостью, проходящей вдоль ее продольной оси.
Предлагаемое устройство содержит N (N≥1) кольцевых катода 1, расположенных соосно, в плоскости, перпендикулярной продольной оси электронной пушки и с центром, совпадающим с продольной осью электронной пушки. Каждый из катодов 1 охвачен парой соосных ему электродов 3, предназначенных вместе с другим электродом 4, имеющим осесимметричную форму и расположенным в центре системы кольцевых электродов, для управления током и формой (фокусировкой) пучка электронов эмитируемых из поверхности катода 1 при наличии необходимой для этого напряженности электрического поля, аналогично устройству-прототипу, в котором такие электроды именовались управляющими. Электронная пушка содержит также анод 2, имеющий осесимметричную форму с осью, совпадающей с осью пушки. При этом эмитирующая поверхность катодов 1 содержит покрытие, состоящее из острийных и/или лезвийных проводящих структур с высоким аспектным отношением и имеющих преимущественную ориентацию вдоль нормали к поверхности катода. Указанное покрытие на поверхности катода 1 выступает в качестве автоэмиссионного источника электронов при создании соответствующей напряженности электрического поля. Для этого каждый из катодов 1 охвачен парой коаксиальных с ним вытягивающих электродов 5, при подаче на которые положительного потенциала относительно катода. Форма и взаимное расположение катода 1 и всех электродов выбираются из условия обеспечения на поверхности катода 1 электрического поля с напряженностью, необходимой для получения требуемого значения автоэмиссионного тока и его максимально возможного однородного распределения по поверхности, при приложении заданной разности потенциалов, а также для обеспечения фокусировки (сжатия) пучка электронов в пространстве между катодом 1 и анодом 2. Соответственно их основному назначению указанные электроды по отдельности именуются вытягивающими 5 и фокусирующими 3 и 4, а все вместе - управляющими.
Для создания заявляемой электронной пушки изготавливается кольцевой катод 1, обладающий достаточной эффективностью автоэлектронной эмиссии. Такой катод может быть выполнен, например, в виде кольца из проводящего материала с нанесенным на одну из его поверхностей покрытием, состоящим из пластинчатых кристаллитов графита нанометровой толщины. Благодаря высокому аспектному отношению таких кристаллитов и другим их свойствам, такое покрытие (нанографитная пленка) обладает способностью к эффективной автоэлектронной эмиссии [6, 7]. Такое покрытие может быть получено посредством газофазного химического осаждения из смеси водорода и метана, активированной разрядом постоянного тока при условиях, аналогичных тем, при которых получены нанографитные пленки, представленные в [6, 7]. Пластинчатые кристаллиты графита (или графитные наночешуйки), составляющие такие покрытия имеют преимущественную ориентацию вдоль нормали к поверхности подложки. За счет такой ориентации каждый из кристаллитов может выступать в качестве острийного или лезвийного автоэмиссионного источника электронов при создании соответствующей разности потенциалов между проводящей подложкой и напряженности электрического поля. Размеры отдельных кристаллитов (толщина около 2-20 нм, высота вдоль нормали около 2-4 мкм) и их расположение на подложке (расстояние между отдельными кристаллитами около 2-4 мкм) приводят к локальному усилению электрического поля на эмитирующей области (т.н. фактор усиления поля) примерно в 1000 раз по сравнению с плоскими электродами [6, 7].
2
Максимальное значение плотности тока эмиссии в режиме постоянного тока для такого нанографитного покрытия составляет около 1 А/см [6]. При нанесении нанографитной пленки на подложку, выполненную в виде кольца, площадь эмитирующей поверхности кольцевого катода (т.е. его диаметр, ширина и форма поверхности) выбираются исходя из этого значения и требований обеспечения необходимой величины общего тока создаваемого электронного пучка.
Аналогично пушкам Пирса [1] соосно с кольцевым катодом 1 размещают охватывающие его фокусирующие электроды 3, которые выполняются в виде кольцевых деталей. Кроме этого имеется еще один фокусирующий электрод, выполняемый в виде осесимметричной детали 4 и располагаемый по центру пушки. Также имеются охватывающие катод вытягивающие электроды 5, выполненные в виде кольцевых деталей и анод (2), выполненный в виде осесимметричной детали (см. фиг. 1).
Таким же образом изготавливаются пушки, содержащие два (и более) катодов с соответствующей системой электродов, представленные на фиг. 3 и фиг. 5.
Форма, геометрические размеры и расстояния между электродами, а также величина разности потенциалов между ними выбираются согласно расчетам так, чтобы обеспечить необходимую величину и равномерное распределение электрического поля на эмитирующей поверхности катода, а также конфигурацию электрического поля в пространстве между электродами, необходимую для достижения эффекта сжатия (фокусировки) электронного пучка при заданных условиях, к которым могут относиться предельные значения разности потенциалов и форма анода, как это показано на примере, представленном на фиг. 2, 4, 6.
2
2
Расчет распределения потенциала и величины электрического поля (Е) для заданной конфигурации электродов производится с помощью решения уравнения Лапласа с краевыми условиями, определяемыми на границах электродов. Расчет траекторий эмитированных электронов производится с помощью решения уравнений классической механики движения электрона в электростатическом поле. Плотность тока электронного пучка (т.е. плотность расположения траекторий электронов), создаваемого в результате автоэмиссии из катода, рассчитывается по теоретической формуле для автоэлектронной эмиссии [1,2]: J(E) = C1(bE)exp(-C2/(bE)), для величины плотности тока, выраженной в единицах [А/м], где C1 = 3,1e-7, C2 = 7,2e+10, b = 1000 - среднее значение коэффициента усиления поля для нанографитных катодов, величина E, выраженная в единицах [В/м], равна значению напряженности электрического поля на поверхности катода, полученному с помощью решения уравнения Лапласа с краевыми условиями, определяемыми на границах электродов. Влияние пространственного заряда, релятивистских эффектов не учитывается.
Примеры произведенных расчетов представлены на фиг. 2, фиг. 4 и фиг. 6 для конфигурации электродов, аналогичных пушкам Пирса [1, 2] с анодом, имеющим заданные размеры и форму в виде цилиндра с коническим отверстием, и указанными предельными значениями разности потенциалов и общего размера пушки. Форма и размер катода в виде кольца, имеющего вогнутую поверхность сферической формы, радиус которой, а также форма, размеры и взаимное расположение других электродов определяются результатами расчетов. Результаты расчетов показывают также траектории электронов 6 для конфигурации и электрических потенциалах электродов, указанных на фигурах.
2
2
r
В случае, показанном на фиг. 2, согласно расчетам, величина напряженности электрического поля на эмитирующей поверхности катода составит от 7 до 8 МВ/м, что соответствует плотности тока эмиссии, превышающей 0,3 А/см. При ширине кольцевого катода d=2.5 мм и внешнем радиусе R = 20 мм эмитирующая площадь составляет S = 2,8см, т.е. величина полного тока электронного пучка составляет более 0,8 А. Результаты расчетов показывают достижение эффективного сжатия (фокусировки) электронного пучка с соответствующим увеличением плотности тока.
Дальнейшее увеличение полного тока и плотности тока в сфокусированной части электронного пучка требует увеличения эмитирующей площади. При сохранении величин используемых потенциалов требуемое увеличение достигается за счет увеличения количества кольцевых катодов (эмиттеров), как это показано в качестве примера на фиг. 4 для двух кольцевых катодов, расположенных в одной плоскости, и на фиг. 6 для двух кольцевых катодов, расположенных в разных плоскостях, смещенных относительно друг друга вдоль продольной оси электронной пушки. В обоих примерах, показанных на фиг. 4 и фиг. 6, за счет использования нескольких кольцевых катодов оказывается возможным увеличить величину общего тока и плотность тока в сфокусированной части для пучка, создаваемого электронной пушкой, выполненной в соответствии с настоящим техническим решением.
Предлагаемая электронная пушка может быть использована для создания электронных пучков, необходимых для функционирования различных вакуумных электронных приборов и устройств. Отсутствие необходимости нагрева источника электронов (катода) приводит к существенному улучшению характеристик таких приборов, включая уменьшение энергопотребления, увеличение ресурса работы, снижение веса, увеличение стойкости к механическим воздействиям (удар, вибрация и т.п.) и др. Фундаментальные закономерности эффекта автоэмиссии электронов, используемого в электронных пушках, согласно заявляемому техническому решению, позволяют осуществлять быстрое управление (включение и выключение) создаваемым пучком электронов, недостижимое с термоэмиссионными катодами.
Техническим результатом является увеличение плотности тока электронных пучков, создаваемых автоэмиссионным катодом.
Источники информации.
[1] Gaertner G., Koops H.W.P. (2008) Vacuum Electron Sources and their Materials and Technologies. In: Eichmeier J.A., Thumm M.K. (eds) Vacuum Electronics. Springer, Berlin, Heidelberg, Germany.
[2] Egorov N., Sheshin E. (2017) Field Emission Cathodes. In: Field Emission Electronics. Springer Series in Advanced Microelectronics, vol 60. Springer, Cham, Switzerland.
[3] Xuesong Yuan, Weiwei Zhu, Yu Zhang, Ningsheng Xu, Yang Yan, Jianqiang Wu, Yan Shen, Jun Chen, Juncong She, Shaozhi Deng / A Fully-Sealed Carbon-Nanotube Cold-Cathode Terahertz Gyrotron / Scientific Reports 2016, v. 6, p. 32936.
[4] Xuesong Yuan, Yu Zhang, Matthew T. Cole, Yang Yan, Xiaoyun Li, Richard Parmee, Jianqiang Wu, Ningsheng Xu, William I. Milne, Shaozhi Deng / A truncated-cone carbon nanotube cold-cathode electron gun / Carbon 2017, v. 120, pp. 374-379.
[5] Голеницкий И.И., Еремка В.Д., Мякиньков Ю.П., Сазонов В.П., Сапрынская Л.А., Фирсович А.Я. / Электронная пушка для СВЧ-прибора типа «О» / Авторское свидетельство СССР SU 1360488A1 , 1996.
[6] Victor I. Kleshch, Elena A. Smolnikova, Anton S. Orekhov, Taneli Kalvas, Olli Tarvainen, Janne Kauppinen, Antti Nuottajarvi, Hannu Koivisto, Pekka Janhunen, Alexander N. Obraztsov / Nano-graphite cold cathodes for electric solar wind sail / Carbon 2015, v. 81, pp. 132-136.
[7] Alexander N. Obraztsov, Victor I. Kleshch, Elena A. Smolnikova / A nano-graphite cold cathode for an energy-efficient cathodoluminescent light source / Beilstein J. Nanotechnol. 2013, v. 4, pp. 493-500.