МАЛОГАБАРИТНАЯ АВТОЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА
SMALL-SIZE AUTOEMISSIVE ELECTRON GUN

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронно-лучевых приборах с автоэлектронной эмиссией, а именно: в зондовых приборах, экранах, растровых электронных микроскопах, а также в исследовательских и аналитических установках.
Известна малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка, содержащая автокатод, выполненный из наноструктурированного углеродного материала, заключенный в диэлектрическую оболочку, включающую первую часть и вторую часть, модулятор, расположенный на отдельных изолирующих конструкциях, и контактный электрод [1].
Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Недостатки этого устройства заключаются в низкой надежности и долговечности, связанных с тем, что модулятор расположен на отдельных изолирующих конструкциях. Такая компоновка снижает жесткость и увеличивает габариты автоэмиссионной пушки. При этом может происходить уход геометрических параметров крепления модулятора, что со временем может вызывать выход из строя автоэмиссионной пушки в целом.
Целью предлагаемого изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик устройства.
Технический результат изобретения заключается в повышении надежности и долговечности работы устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в малогабаритной автоэмиссионной электронной пушке, содержащей автокатод, выполненный из наноструктурированного углеродного материала, заключенный в диэлектрическую оболочку, включающую первую часть и вторую часть, модулятор и контактный электрод, модулятор выполнен в виде первой обечайки, которая плотно насажена на первую часть диэлектрической оболочки, причем свободная часть первой обечайки и первый свободный конец автокатода выступают над первым торцом первой части диэлектрической оболочки, а в качестве контактного электрода используют вторую обечайку, соединенную со второй частью диэлектрической оболочки и имеющую электрический контакт с автокатодом.
В одном из вариантов первый свободный конец автокатода выступает над первым торцом диэлектрической оболочки на высоту h1, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.
В одном из вариантов свободная часть первой обечайки выступает над первым свободным концом автокатода на величину h2, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.
В одном из вариантов первый свободный конец автокатода выступает над свободной частью первой обечайки на величину h3, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.
В одном из вариантов размер h4 свободной части первой обечайки больше размера h5 остальной части первой обечайки в 1,2-1,6 раза.
В одном из вариантов h4 свободной части первой обечайки составляет величину 0,6-0,9 от размера h5 остальной части первой обечайки.
В одном из вариантов автокатод включает второй свободный конец, который выступает из второго торца диэлектрической оболочки на величину h6, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм, при этом пространство на эту величину внутри второй обечайки заполнено проводящим составом.
В одном из вариантов диэлектрическая оболочка выполнена из стекла или керамики.
В одном из вариантов первая и вторая обечайки посажены на диэлектрическую оболочку неразъемным соединением.
В одном из вариантов обечайки закреплены на диэлектрической оболочке с помощью клеевого шва, причем на краях обечаек, направленных друг к другу, выполнены диэлектрические бортики.
В одном из вариантов расстояние между первым краем первой обечайки и вторым краем второй обечайки, направленных друг к другу, составляет величину h7, находящуюся в диапазоне 5-20 мм.
В одном из вариантов диэлектрическая оболочка имеет цилиндрическую форму.
В одном из вариантов автокатод выполнен из пучка углеродных волокон.
В одном из вариантов первый свободный конец автокатода имеет округлую форму.
В одном из вариантов автокатод выполнен в виде фольги из терморасширенного графита.
В одном из вариантов первая часть диэлектрической оболочки, расположенная внутри первой обечайки, представляет собой усеченный конус с углом αl при вершине, находящийся в диапазоне 160-10°.
В одном из вариантов размер h8 свободной части первой обечайки составляет величину 0,6-0,9 от размера h9 остальной части первой обечайки, но угол α2 схождения обечайки всегда больше угла αl при вершине усеченного конуса диэлектрической оболочки минимум на 10°.
На фиг. 1 изображена малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка в разрезе.
На фиг. 2 изображен вариант выполнения автокатода.
На фиг. 3 и 4 изображены варианты выполнения торца диэлектрической оболочки и первой обечайки.
Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка, содержит автокатод 1 (фиг. 1), выполненный из наноструктурированного углеродного материала и заключенный в диэлектрическую оболочку 2, включающую первую часть 3 и вторую часть 4. Кроме этого, электронная пушка включает модулятор и контактный электрод 6.
Модулятор выполнен в виде первой обечайки 7, которая плотно насажена на первую часть 3 диэлектрической оболочки 2. Плотность посадки должна обеспечить какое-либо отсутствие перемещения первой обечайки 7 относительно диэлектрической оболочки 2 при монтаже в электронном приборе, а также при его эксплуатации. Это включает как ударные, так и термические нагрузки. При этом материалы первой обечайки 7 и диэлектрической оболочки 2 должны иметь очень близкие коэффициенты линейного и объемного расширения (подробно см. ниже).
Свободная часть 8 первой обечайки 7 и первый свободный конец 9 автокатода 1 выступают над первым торцом 10 первой части 3 диэлектрической оболочки 2. В качестве контактного электрода 6 используют вторую обечайку 11, соединенную со второй частью 4 диэлектрической оболочки 2 и имеющую электрический контакт с автокатодом 1. Соединение второй обечайки 11 со второй частью 4 диэлектрической оболочки 2 должно быть также осуществлено по плотной посадке, которая должна обеспечить какое-либо отсутствие перемещения второй обечайки 11 относительно диэлектрической оболочки 2 при монтаже в электронном приборе, а также при его эксплуатации. Материалы второй обечайки 8 и диэлектрической оболочки 2 должны иметь очень близкие коэффициенты линейного и объемного расширения (подробно см. ниже).
В данной конфигурации происходит уменьшение запыления материалом автокатода 1 первой части 3 (первого торца 10) диэлектрической оболочки 2 и, как следствие, повышение надежности и долговечности электронной пушки.
В первом варианте первый свободный конец 9 автокатода 1 выступает над первым торцом 10 диэлектрической оболочки 2 на высоту h1, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм. Эта величина определяет максимальную величину угла расхождения электронного пучка и степень экранирования электронного пучка, эмитированного со свободного конца 9 автокатода 1, первым торцом 10 диэлектрической оболочки 2.
Такой диапазон высоты h1 дает уменьшение экранирующего эффекта автокатода, тем самым уменьшается рабочее напряжение электронной пушки и повышается ее надежность и долговечность, а также увеличивается мощность пучка.
Величина h1 определяет также влияние первого торца 10 диэлектрической оболочки 2 на величину электронного пучка в зависимости от диаметра автокатода 1. Нижний размер (0,1 мм) относится к диаметру автокатода 1 около 50 мкм, а верхний (2 мм) к величине диаметра автокатода 0,5-1 мм. Большие диаметры автокатода 1 использовать нецелесообразно из-за внутренней экранировки эмиссионных центров и, соответственно, уменьшения автоэмиссионного тока.
Во втором варианте свободная часть 8 первой обечайки 7 выступает первым свободным концом 9 автокатода 1 на величину h2, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм. Чем больше величина h2, тем более узкий электронный пучок может быть сформирован, что дает возможность изменять форму пучка и приводит к улучшению эксплуатационных свойств электронной пушки.
В третьем варианте для получения расходящегося электронного пучка в конструкции электронной пушки первый свободный конец 9 (фиг. 2) автокатода 1 выступает над свободной частью 8 первой обечайки 7 на величину h3, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм. Это позволяет получить более широкий пучок электронов и, кроме того, уменьшает практически до нуля токоперехват электронов на модулятор, что повышает экономичность и долговечность работы электронной пушки.
При этом размер h4 свободной части 8 первой обечайки 7 может быть больше размера h5 остальной части 12 первой обечайки 7 в 1,2-1,6 раза.
Данный вариант расширяет угол разлета электронов и увеличивает ширину пучка электронов, а также повышает надежность и долговечность электронной пушки за счет уменьшения запыления материалом автокатода 1 первой части 3 (первого торца 10) диэлектрической оболочки 2.
Размер h4 может также составлять величину 0,6-0,9 от размера h5 остальной части 12 первой обечайки 7. В этом случае можно сузить электронный пучок.
Надежный электрический контакт автокатода 1 (фиг. 1) с внешними устройствами, обеспечивается тем, что автокатод 1 включает второй свободный конец 13, который выступает из второго торца 14 диэлектрической оболочки 2 на величину h6, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм, при этом пространство на эту величину внутри второй обечайки 11 заполнено проводящим составом 15, в качестве которого можно использовать аквадак, т.е. суспензию графитового порошка в воде с добавлением жидкого стекла. Электрическое сопротивление проводящего состава 15 может варьироваться в широких пределах: от долей Ом до нескольких десятков МОм. В последнем случае проводящий состав работает как резистор отрицательной обратной связи, это существенно повышает стабильность автоэмиссионного тока.
Надежный электрический контакт автокатода 1 с контактным электродом 6 повышает надежность и долговечность электронной пушки.
Материал диэлектрической оболочки 2 должен обладать хорошими вакуумными свойствами, т.е. температурной устойчивостью вплоть до 500°С, и малым газоотделением. В зависимости от назначения автоэмиссионной электронной пушки диэлектрическая оболочка 2 может быть выполнена из либо из стекла (Ст 52), либо из керамики (22ХС).
Стекло наиболее дешевый и технологичный материал, в то время как керамика обладает большим удельным электрическим сопротивлением и прочностью. При выполнении диэлектрической оболочки из керамики повышается надежность и долговечность электронной пушки. Как уже отмечалось, в зависимости от материала диэлектрической оболочки 2 следует подбирать материал первой обечайки 7 и контактного электрода 6 (второй обечайки 11), для обеспечения равенства коэффициентов линейного расширения. В качестве материалов первой 7 и второй 11 обечаек можно использовать ковар, нержавеющую сталь, молибден.
Возможен вариант, в котором соединение диэлектрической оболочки 2 с первой обечайкой 7 и второй обечайкой 11 выполнено неразъемным. Это необходимо, чтобы при высокотемпературной обработке (например, при откачке прибор прогревается до 400-500°С) обеспечивалась плотная неразъемная посадка первой 7 и второй 11 обечаек на диэлектрическую оболочку 2.
Неразъемное соединение означает, что при температурных изменениях (например, технологических), а также монтажных и ударных нагрузках не происходят смещения первой 7 и второй 11 обечаек относительно диэлектрической оболочки 2.
Такое неразъемное соединение может быть осуществлено разными способами, например горячей посадкой первой 7 и второй 11 обечаек на диэлектрическую оболочку 2. Другой вариант неразъемного соединения - монтаж обечаек 7, 11 на диэлектрической оболочке 2 с помощью точечной сварки. То, что соединение диэлектрической оболочки 2 с первой обечайкой 7 и второй обечайкой 11 выполнено неразъемным, повышает надежность и долговечность электронной пушки.
Также существует более простой и эффективный способ, когда обечайки 7 и 11 закреплены на диэлектрической оболочке 2 с помощью клеевого шва 16, причем на краях обечаек, направленных друг к другу, выполнены диэлектрические бортики 17.
В данном случае можно использовать вакуумные стеклоцементы соответствующего состава, совместимого с коэффициентом термического расширения обечаек 7, 11 и диэлектрической оболочки 2, например стеклоцемент СЦ-317.
Использование клея позволяет корректировать положение обечаек 7 и 11 на диэлектрической оболочке 2, увеличивает электрическую прочность конструкции и повышает надежность и долговечность электронной пушки.
Бортики 17 увеличивают электрическую прочность промежутка автокатод 1 - модулятор (первая обечайка 7) по диэлектрической оболочке 2 за счет исключения электрических пробоев между первым краем 18 первой обечайки 7 и вторым краем 19 второй обечайки 11, и, тем самым, позволяют уменьшить длину автоэмиссионной электронной пушки.
При приемлемых для практики напряжениях между автокатодом 1 и первой обечайки 7 (0,1-1,5 кВ) расстояние между первым краем 18 первой обечайки 7 и вторым краем 19 второй обечайки 11, направленных друг к другу, составляет величину h7, находящуюся в диапазоне 5-20 мм. Этот вариант следует соблюдать и в варианте, изображенном на фиг. 1.
Наиболее технологичной и дешевой формой диэлектрической оболочки 2 является цилиндр, хотя в некоторых случаях, могут быть использованы и другие формы, например шестигранник или квадрат (не показаны). Такие формы целесообразны в случае использования электронной пушки в специальных электронных приборов, например многолучевых клистронов.
На сегодняшний день наилучшим углеродным материалом автокатодов для электронных пушек являются пучки углеродных волокон с радиусом острий 10-100 нм.
-6 -
-7
Этот материал наиболее удобен для электронных пушек, т.к. обладает большой (более 10 000 часов) долговечностью в условиях высокого технического вакуума (1010мм рт. ст.), который может быть достигнут в большинстве отпаянных электронных приборов.
Для улучшения равномерности автоэмиссии с первого свободного конца 9 (фиг. 3, фиг. 4) автокатода 1 он может иметь округлую форму 25. Такая форма достигается специальной обработкой в тлеющем разряде.
Для увеличения автоэмиссионного тока и возможности изменения формы электронного пучка автокатод 1 может быть выполнен в виде фольги из терморасширенного графита, что приводит к улучшению эксплуатационных свойств.
Увеличение долговечности автоэмиссионной электронной пушки можно достичь, если первая часть 3 (фиг. 3) диэлектрической оболочки 2, расположенная внутри первой обечайки 7, представляет собой усеченный конус 20 с углом αl при вершине, находящийся в диапазоне 160-10°. Это достигается за счет большего времени запыления материалом автокатода 1 поверхности конуса 20 и, соответственно, увеличивает долговечность электронной пушки. Такая конструкция наиболее удобна для пучков электронов с широким углом распределения электронов.
Для узкого пучка электронов необходимо, чтобы размер h8 свободной части 23 (фиг. 4) первой обечайки 7 составлял величину 0,6-0,9 от размера h9 остальной части 24 первой обечайки 7. При этом угол α2 схождения обечайки должен быть всегда больше угла αl при вершине усеченного конуса 20 диэлектрической оболочки 2 минимум на 10°. Эта конструкция может не только существенно сузить электронный пучок, но и повысить надежность и долговечность электронной пушки за счет уменьшения запыления материалом автокатода 1 поверхности конуса 20 диэлектрической оболочки 2. Подробнее принципы автоэлектронной эмиссии, в том числе углеродных материалов, изложены в [2-4].
3
Устройство работает следующим образом. На модулятор, выполненный в виде первой обечайки 7, подают положительный потенциал относительно автокатода 1 величиной порядка 100-2000 В. Приложенное напряжение понижает потенциальный барьер у свободного конца 9 автокатода 1, что приводит к туннелированию электронов через конец 9. Угол разлета эмиттированных электронов зависит от соотношения между величинами h1, h2, h3. Выбирая их соответствующим образом, можно получить как расходящийся, так и остросфокусированный электронный пучок. При величине h3 больше 0,1 мм будет расходящийся электронный пучок и чем hбольше, тем угол расхождения тоже больше. При h2>h1 происходит сужение электронного пучка. Чем больше соотношение h2/h1, тем этот эффект больше.
Механизм долговечности катода 1 приведенной электронной пушки следующий. Ионы остаточных газов, образующиеся в межэлектродном пространстве работающей электронной пушки, бомбардируют кончики микроострий наноструктурированного углеродного материала катода 1. Под действием ионной бомбардировки они, затупляясь и уменьшаясь по высоте, уменьшают свой вклад в автоэмиссионный ток. Однако при этом "выдвигаются" другие микроострия, которые вступают в работу из-за увеличения напряженности электрического поля на них. В результате средний автоэмиссионный ток автокатода 1 остается постоянным.
Литература
1. Патент RU 2180145. Автоэмиссионное устройство. 27.02.2002.
2. Елинсон М.И., Васильев Г.В. Автоэлектронная эмиссия. - М.: ГИФМЛ, 1958.
3. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. - М.: ФИЗМАТГИЗ, 2001.
4. Егоров Н.В., Шешин Е.П. Автоэлектронная эмиссия. Принципы и применение. - Долгопрудный: Интеллект, 2011.