ТРИОДНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА С АВТОКАТОДОМ

Полезная модель относится к электронной технике, а именно к вакуумным электронным приборам, в том числе к СВЧ приборам с протяженным взаимодействием и мгновенным временем готовности, использующие автоэмиссионные катоды.
Известна конструкция электронной пушки с автоэмиссионным катодом на основе углеродных нанотрубок, и молибденовой сеткой, размещенной над поверхностью катода через вакуумный зазор [1]. Недостатком данной конструкции заключается в том, что перемычки вытягивающей сетки не защищены от прямого перехвата тока с катода, что приводит к их расплавлению мощностью электронного потока.
Существует конструкция электронной пушки, включающая катодно-сеточный узел из стеклоуглерода с матрицей микроострий на их торцах и крупноячеистой вытягивающей сетки с отверстиями [2]. Катод с сеткой электрически разделены через керамическое кольцо с крупными отверстиями. Данная сетка размещена над поверхностью острийной структуры катода так, что отверстие в сетке много раз превышает расстояние между остриями. Недостатком данной конструкции, является неравномерность распределения токоотбора в ячейке сетки, большой разброс углов наклона траекторий электронов относительно оси симметрии ячеек сетки, высокое значение прилагаемого сеточного напряжения. Также в работе [3] представлена электронная пушка, состоящая из автокатода в виде стеклоуглерода в форме иголок с большим аспектным соотношением высоты к диаметру вершины, и сетки, расположенной над иглами через вакуумный зазор. При испытании такой электронной пушки обнаружено большое токооседание пучка на электродах пушки, что неизбежно приводило к деградации катода и ухудшению вакуума. Эти недостатки затрудняют использование таких конструкций электронных пушек с автокатодом из стеклоуглерода в вакуумных СВЧ приборах.
Наиболее близкой по конструкции техническим решением является конструкция автоэмиссионной триодной структуры [4], состоящей из отдельных автоэмиссионных ячеек, каждая из которых содержит металлическое острие конусообразной формы и сетку с отверстием, центр которого совпадает с осью симметрии острия. Острие на подложке из кремния электрически и сетка разделены слоем диоксида кремния. Токопрохождение обеспечивается за счет толщины сетки, имеющей величину десятые доли микрометра. Недостатком данной конструкции является распыление материала острия в процессе автоэмиссии и, как следствие, постепенная деградация острия.
Задачей настоящей полезной модели является создание триодной электронной пушки с автокатодом из нанотрубок, формирующей в зазорах катод-сетка-анод прямолинейные электронные потоки с минимальным угловым разбросом электронов, проходящих без токооседания в пушке.
Техническим результатом полезной модели является низковольтное управление током пучка, более продолжительный срок службы и мгновенное включение прибора.
c
a
кс
са
Поставленная задача достигается тем, что в триодной электронной пушке, содержащей автокатод, сетку и анод, согласно заявленному техническому решению, используется автокатод с микроячейками из вертикально расположенных нанотрубок, выращенных в отверстиях электрически изолированной сетки от катода. Значения потенциалов сетки V и анода V и зазоры катод-сетка d и сетка-анод d выбираются согласно соотношению:
са
a
Неравенство справедливо, при условии, что для триодных электронных пушек отношение зазора сетка-анод d к диаметру анодного отверстия D должно соответствовать неравенству:  при этом влияние анодного отверстия на распределение электрического поля в отверстиях сетки становится пренебрежимо малым.
Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показана конструкция триодной электронной пушки, которая включает в себя: автокатод (1), нанотрубки (2), сетку (3), диэлектрик (4), анод (5).
На фиг. 2 представлены результаты расчета распределения электрического поля (6) и траекторий электронов (7) в триодной электронной пушке, выполненных в программе Lorentz-3ЕМ.
6
8
-2
кс
са
a
ca
Триодная электронная пушка образована из автокатода (1) с размещенной на его поверхности микроячейками из нанотрубок с плотностью упаковки микроячеек от 10÷4⋅10 см (2), сетки с отверстиями (3), диэлектрика (4) с толщиной большей, чем высота нанотрубок и анода (5). В каждой микроячейке выращены нанотрубки (2), расположенные вертикально в соответствующем отверстии сетки (3). Каждая микроячейка автоэмиссионного катода (1) размещена соосно с отверстиями сетки (3). Сетка (3) с автокатодом (1) электрически разнесены через диэлектрик (4). Между автокатодом (1), сеткой (3) и анодом (5) образованы два зазора d и d соответственно. Анод имеет отверстие D, причем отношение зазора сетка-анод d к диаметру анодного отверстия соответствует неравенству:
с
кс
a
Триодная электронная пушка с автокатодом работает следующим образом. При подаче потенциала на сетку (3) и анод (5) в пушке образуется электрическое поле (6). С вершин поверхности нанотрубок (2) автокатода (1) стартуют электроны, под действием потенциала V, созданного сеткой (2) в зазоре катод-сетка d. Далее за сеткой (2) с небольшим возмущением формируются прямолинейные электронные пучки (7) в пушке и ускоряются под действием потенциала анода V (5). Сформированный электронный пучок (7) пролетает в отверстие анода (5). Сетка (3) и анод (5) имеют положительное относительно автокатода (1) напряжение. Потенциалы на электродах для установления однородного электрического поля в зазорах пушки выбирают согласно соотношению:
В предлагаемой конструкции триодной электронной пушки с автокатодом обеспечивается формирование прямолинейного электронного пучка с минимальными поперечными скоростями электронов, достигается низковольтное управление током пучка с минимальным коэффициентом модуляции, более продолжительный срок службы и мгновенное включение прибора.
c
a
кс
са
а
Пример реализации данной триодной электронной пушки с автокатодом демонстрируется проведением численного эксперимента, по моделированию электронной пушки и формированию электронного пучка в программе Lorentz-3ЕМ на фиг. 2. При напряжениях сетки V=100 В и анода V=20000 В и зазорах катод-сетка d=10 мкм и сетка-анод d=2000 мкм, D=200 мкм. формируется электронный пучок с одной микроячейки автокатода с током 1 мкА при стопроцентном токопрохождении.
Источники информации
1 H.J. Kim, W.B. Seo, J.J. Choi, J-h. Han and J-B Yoo. Design and Field Emission Test of Carbon Nanotube Pasted Cathodes for Traveling-Wave Tube Applications // IEEE Trans. On El. Devices, Vol. 53, No. 11, 2006 P. 2674-2680.
2 Бушуев H.A., Шестеркин В.И. и др. Матричные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода: соверменное состояние и перспективы использования в СВЧ приборах // Электронная техника Сер. СВЧ техника Вып. 4 (519). 2013 С. 175-183.
3 Шестеркин В.И. Многоострийный автоэмиссионный катод с большим аспектным отношением острий из стеклоуглерода в составе электронной пушки АПЭП 2016 Том 1 с. 117-120.
4 Spindt С // Journal of Appl. Phys. 1968, 39, p. 3504