СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ В ТЕРМОЭМИССИОННОМ ДИОДЕ Российский патент 1995 года по МПК H01J21/04 

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к способам управления током в термоэмиссионных приборах, и может быть использовано при создании электровакуумных приборов для различных областей промышленности, например при создании сильноточных высокотемпературных преобразователей тока, обладающих высокой надежностью.

В электронной технике известны способы управления током в электронных лампах и полупроводниковых приборах транзисторах [1] Способ управления током в трехэлектродной электронной лампе-триоде заключается в следующем. Между двумя электродами накаленным катодом, испускающим электроны за счет термоэмиссии, и анодом, разделенными вакуумным промежутком, прикладывается положительное напряжение, ускоряющее электроны по направлению к аноду. При этом катод работает в режиме ограничения тока пространственным зарядом. Для управления анодным током используется третий электрод сетка, которая располагается между катодом и анодом. На сетку подается управляющий сигнал изменение напряжения относительно катода, что приводит к изменению тока в анодной цепи. Поскольку сетка располагается ближе к катоду, чем анод, ее влияние на пространственный электронный заряд вблизи катода и на проходящий анодный ток оказывается существенно сильнее, чем влияние анода. В связи с этим лампа обладает усилительными свойствами. Для пропускания достаточно больших анодных токов в триоде требуются довольно большие напряжения на аноде. Обычно они составляют величину порядка нескольких сотен вольт. Величины максимальных токов при этом определяются законом "степени 3/2", установленным Ленгмюром [2] и составляют десятки миллиампер. Как правило, на сетку подается отрицательное, или близкое к нулю напряжение смещения относительно катода, и проходящий ток оказывается меньше, чем определяемый по закону "3/2". Высокие значения анодных напряжений и низкий уровень анодного тока следует отнести к числу главных недостатков способа управления током в триоде.

В биполярном транзисторе n-p-n-типа управление электронным током в цепи эмиттер коллектор при заданном напряжении между ними осуществляется путем инжекции положительно заряженных дырок соответствующего напряжения в цепи эмиттер база [1] В полупроводниковых приборах управление может быть осуществлено при более низких напряжениях, чем в электронных лампах. Однако они не могут работать в условиях высоких температур и в агрессивных средах, а также в условиях повышенного уровня радиации.

Наиболее близкое решение, выбираемое в качестве прототипа, способ управления током в термоэмиссионном диоде, вытекающий из результатов Ленгмюра [3] Он заключается в подаче между плоскими электродами накаленным катодом, испускающим электроны, и относительно холодным анодом положительного напряжения U_a, выбираемого из условия, чтобы диод работал в режиме ограничения тока пространственным электронным зарядом, и создания в межэлектродном промежутке положительного пространственного заряда за счет инжекции в промежуток ионов с поверхности анода с тепловыми начальными скоростями. Как было показано Ленгмюром, наличие ионов в промежутке приводит к частичной компенсации электронного пространственного заряда, т.е. к снижению величины потенциального барьера у катода, и к увеличению электронного тока с катода j_e по сравнению с током в отсутствие ионов j_o, который определяется законом "3/2". Таким образом, варьируя ионный ток с анода j_i, а вместе с ним и величину ионного пространственного заряда, можно управлять электронным током. При этом отношение приращения электронного тока к вызывающему его приращению ионного тока, которое определяет усилительные свойства рассматриваемого способа, оказывается порядка (m_i/m_e)^1/2, где m_e(i) масса электрона (иона).

Такой способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что изменение электронного тока при поступлении ионов с анода можно осуществлять лишь в весьма узком диапазоне от j_o до 1,86 j_o. При этом предельно возможное значение отношения K j_e/j_o (первеанса диода), равное 1,86, соответствует режиму ограничения ионного тока на катод пространственным ионным зарядом у анода. Столь узкий диапазон управляемого тока делает рассматриваемый способ не имеющим практического значения. Причина невысокого предельного первеанса кроется в особенностях распределения ионной плотности в промежутке, которое создается локальным источником ионов, т.е. при генерации ионов лишь в одной плоскости на поверхности анода. Расчеты [4] проведенные для случаев, когда локальный источник ионов (плоскость, испускающая ионы) расположен внутри промежутка на различных расстояниях от катода, показали, что и здесь не могут быть получены значения предельного первеанса выше 4,6. При локальном источнике ионов плотность ионного заряда отлична от нуля лишь в области между плоскостью источника и катодом и убывает в направлении катода из-за разгона ионов в электрическом поле.

Целью изобретения является расширение диапазона управляемых токов.

Цель достигается тем, что в заявляемом способе, в отличие от прототипа, создается ионный пространственный заряд с неоднородным профилем плотности, спадающим от катода к аноду. При этом ионы могут непосредственно инжектироваться в межэлектродный промежуток вакуумного диода в направлении вдоль поверхностей электродов с требуемым поперечным распределением плотности в пучке, либо создаваться в газонаполненном диоде за счет ионизации атомов газа внешним ионизатором со специально подобранной непрерывно распределенной по промежутку интенсивностью ионизации. В качестве ионизатора могут, например, использоваться электроны или лазерное излучение с энергией, достаточной для ионизации атомов.

На фиг. 1 показаны распределения ионной плотности ρ_i в межэлектродном промежутке при локальной генерации ионов на аноде для различных значений ионного тока; на фиг. 2 соответствующие распределения потенциала U; на фиг. 3 примеры распределений ионной плотности при объемной генерации ионов в промежутке; на фиг. 4 соответствующие им распределения потенциала.

На фиг. 1 и 2 для кривых 1 K 1; 2 1,32; 3 1,86 (предельное решение). На фиг. 3 и 4 для кривых 1 K 1; 2 49 и 3 480. Единица плотности ионов ρ_o= U_a/4πd², z расстояние от катода; U_a потенциал анода; d межэлектродное расстояние. На фиг. 5 изображен пример реализации способа в газонаполненном диоде при ионизации атомов внешним пучком электронов, на фиг. 6 приведен профиль поперечного распределения плотности тока в ионизирующем пучке, который обеспечивает распределение ионной плотности в межэлектродном промежутке, представленное на фиг. 3.

В термоэмиссионном вакуумном или газонаполненном кнудсеновском диоде при достаточно большой эмиссионной способности катода проходящий через диод ток j_e ограничен электронным пространственным зарядом. При напряжениях на аноде Ua >> kT_k/e, где T_k температура катода, плотность проходящего тока подчиняется закону "3/2", который
j_o= (1/9π)(2e/m_e)^1/2U_a^3/2/d². (1) Рассмотрение взаимодействия электронного и ионного пространственного зарядов при наличии ионов в диоде требует решения уравнения Пуассона. При этом задается либо распределение ионной плотности (при инжекции внешних ионов вдоль поверхностей электродов), либо функция генерации ионов (при образовании ионов внутри промежутка внешним ионизатором). Проходящий через диод электронный ток и распределение потенциала (а в последнем случае и распределение ионной плотности) находятся в результате решения задачи.

В результате расчетов, проведенных Ленгмюром [3] для случая, когда ионы поступают в промежуток с анода, было показано, что величина K j_e/j_o монотонно возрастает по мере увеличения параметра
α= (m_i/m_e)^1/2j_i/j_e. (2) Так, при α 0 (фиг. 1 и 2, поз.1) K=1, при α 0,6 (фиг. 1 и 2, поз.2 K=1,32, при α1 (фиг. 1 и 2, поз.3) K=1,86. Предельное решение при α1 соответствует режиму ограничения ионного тока пространственным зарядом и характеризуется нулевой напряженностью электрического поля на аноде (фиг. 2, поз. 3). При этом (в силу теоремы Гаусса) выполняется условие равенства полных ионного и электронного зарядов в промежутке
ρ_i(z)dz ρ_e(z)dz, (3) где ρ_i(e)(z) распределение плотности ионного (электронного) заряда. Как видно из фиг. 1, в случае источника ионов на аноде плотность ионов монотонно возрастает от катода к аноду.

Специальные расчеты показали, что существуют такие неоднородные распределения плотности ионов, которые обеспечивают устойчивое прохождение тока при монотонном распределении потенциала в диоде с плотностями, в сотни и тысячи раз превышающими j_o. Соответствующие распределения плотности ионов характеризуются наличием максимума плотности на малом расстоянии от катода и относительно небольшими значениями плотности в прианодной области. При этом чем резче выражен максимум и круче спадает ионная плотность за максимумом по мере удаления от катода, тем большие значения K можно получить. Пример результатов таких расчетов приведен на фиг. 3 и 4. Предельное значение K, соответствующее распределению ионной плотности, представленному кривой 3 на фиг. 3 (при этом выполняется соотношение (3)), достигает 480. Таким образом, варьируя полный заряд ионов и профиль его плотности в пределах, определяемых соотношением (3), можно управлять токами, во много раз превышающими вакуумный. В заявляемом способе предлагается создавать требуемые для управления распределения ионной плотности, пропуская в вакуумном диоде пучок ионов соответствующего профиля вдоль плоскости электродов, или за счет ионизации атомов в газонаполненном диоде внешним ионизатором, например электронами или лазерным излучением с энергией, превышающей потенциал ионизации атомов газа.

Сопоставление заявляемого решения с прототипом показывает, что если в прототипе для достижения больших плотностей тока необходимо прикладывать большие напряжения на анод, причем диапазон регулирования тока оказывается весьма узким (от j_o до 1,86 j_o), то в заявляемом способе можно достичь таких же плотностей тока при гораздо меньших анодных напряжениях и при этом существенно расширить диапазон регулируемых токов. Так, в приведенном выше примере на фиг. 3 и 4 напряжению U_a=5В и величине межэлектродного расстояния d=1 мм соответствует диапазон управляемых токов от 2,5 мА/см² до 1 А/см². Из расчетов следует, что для получения наиболее высоких предельных значений K необходимо создавать как можно более сильный градиент плотности ионов вблизи катода. Следовательно, максимально достижимое в заявляемом способе K связано лишь с технической возможностью создания таких градиентов.

Существенное превышение тока над законом "3/2" достигается и в ионных газоразрядных приборах газотронах, тиратронах, таситронах. Однако в них нельзя осуществить полного управления током. В них имеются лишь два устойчивых состояния с малым током и большим напряжением (запертое состояние) и с большим током и малым напряжением (низковольтный разряд), переход между которыми происходит при зажигании разряда. В отличие от указанных способов в заявляемом способе можно осуществить непрерывное управление током, изменяя сигнал в источнике ионов.

При генерации ионов в газонаполненном промежутке характеристикой усилительных свойств заявляемого способа управления током является введенная Ленгмюром величина эффективности компенсации, определяемая отношением изменения плотности электронного тока к вызывающей это изменение плотности ионного тока на катод
β dj_е/dj (4) где α параметр (2). Предельное решение, как показывают расчеты, характеризуется значением α ≈ 1 и с учетом K >> 1 имеем в соответствии с результатами Ленгмюра для точечного источника ионов, описанным выше. Таким образом, усилительные свойства в заявляемом способе зависят от массы иона. Для тяжелых ионов усиление оказывается больше, поскольку они движутся медленнее и создают больший пространственный заряд при заданной функции их генерации. Для цезиевых ионов β 500.

В заявляемом способе создание специального спадающего от катода к аноду профиля ионного заряда в промежутке при полном ионном заряде, удовлетворяющем соотношению (3), позволяет пропускать через диод токи с плотностями, на два порядка и более превышающими ток по закону "3/2" j_o, в то время как в прототипе токи оказываются порядка j_o, а вариация профиля или величины ионного заряда позволяет осуществлять эффективное управление такими токами. За счет увеличения градиента ионной плотности достичь требуемого уровня управляемых токов при сравнительно малых по отношению к прототипу анодных напряжениях. Указанный выше признак существенен для достижения цели изобретения.

Авторами теоретически впервые показано, что выбором существенно неоднородных, спадающих от катода к аноду профилей ионной плотности можно достичь больших уровней проходящего через диод тока, на порядки превышающего исходный уровень токов, определяемый законом "3/2" Ленгмюра, при достаточно малых напряжениях между электродами. Именно этот факт позволяет осуществить устойчивое управление гораздо больших по сравнению с прототипом токов при пониженных по сравнению с прототипом напряжениях, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "существенные отличия".

Заявляемый способ может быть реализован, например, следующим образом. К плоскому диоду, заполненному парами цезия, с характерным размером катода L=1 см, межэлектродным расстоянием d=1 мм и термоэмиссионным катодом, обеспечивающим плотность эмиссионного тока 1 А/см², прикладывается напряжение U_a 5 В (фиг. 5). В межэлектродный промежуток сбоку (вдоль оси x, фиг. 5) инжектируются электроны с энергией 10-15 эВ и неоднородным поперечным (вдоль оси z, фиг. 5) распределением плотности тока j_п(z), с профилем, представленным на фиг. 6. Энергия электронов в пучке соответствует области максимума сечения ионизации атомов Cs. При этом энергия электронов используется наиболее эффективно. Давление атомов P_Cs 5 ˙10^-3 Торр выбирается из условия, чтобы электроны на длине L не испытывали сильного рассеяния при упругих столкновениях с атомами (при выбранных параметрах сечение упругого рассеяния электронов α_ea≈2˙ 10^-14 см², концентрация атомов n_a≈5˙10¹³1/см³ и число Кнудсена Kn_ea (δ_ean_aL^-1=1). Как следует из расчетов, при заданном профиле плотности ионизирующих электронов и величине плотности тока в максимумеj_n^max 10 А/см² генерируемые в промежутке ионы при своем движении к катоду создают представленное на фиг. 3, поз. 3, распределение плотности ионов, что позволяет пропускать через диод ток с плотностью 1 А/cм². При этом величина полного проходящего тока I_e= j_eL= 1А, а величина полного ионизирующего тока I_пI_п(z)dz= 0,06A Следовательно, коэффициент усиления в данном случае составляет величину порядка 20. Варьируя, например, величину полного тока I_п при сохранении его профиля в пределах от 0 до 60 мА можно изменять проходящий через диод ток I_e в пределах от 2,5 мА до 1А.

Можно показать, что если давление атомов выбирать из условия Kn_ea=1, то коэффициент усиления
γ= I_e/I_п=(σ_ион^max/σ_ea)˙β (5) где β дается формулой (4). Для приведенного выше примера α 1,5, β 330 и γ 17 в соответствии с предыдущими оценками. Эксперименты по поджигу кнудсеновского разряда в цезиевом диоде в условиях, близких к рассматриваемым, показали, что хорошее согласие с расчетами получается при значении сечения ионизации, примерно в 1,5 раза превышающем то значение сечения, которое использовалось в предыдущих оценках γ Если использовать при оценке γ это большее значение, то для γ получаем значение 25. Из (5) также следует, что для повышения γ следует выбирать газ с большим отношением σ_ион^max/σ_ea С этой точки зрения выгоднее в качестве наполнителя использовать барий. Действительно, для Ba сечение ионизации приблизительно совпадает с цезиевым, в то время как сечение рассеяния почти на порядок меньше, чем у Cs. Следовательно, переход от Cs к Ba в приведенном примере должен привести к увеличению коэффициента усиления до значений ≈ 100.

Использование предлагаемого способа управления током обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества: увеличивается диапазон управляемых токов за счет возрастания верхней границы на несколько порядков; расширяется диапазон анодных напряжений, при которых осуществляется управление током в сторону уменьшения напряжения при одном и том же предельном токе.

Отсутствие сетки в заявляемом способе позволяет снять ограничения по рабочей температуре прибора и использовать более широкий набор катодных материалов, в частности пленочные катоды из тугоплавких металлов в парах Cs и Ba (при работе в условиях газового наполнения), которые могут иметь высокие эмиссионные характеристики в широком диапазоне температур, обладают большим ресурсом и способны работать в условиях высоких температур и повышенного уровня радиации.

Использование: изобретение относится к проблеме управления током в термоэмиссионных диодах и может быть использовано при создании сильноточных высокотемпературных преобразователей тока, обладающих высокой надежностью. Цель изобретения - расширение диапазона управляемых токов. Сущность изобретения: способ осуществляется путем подачи напряжения на анод и создания в межэлектродном промежутке неоднородного ионного пространственного заряда с профилем плотности, спадающим от катода к аноду, либо за счет непрерывно распределенной по межэлектродному промежутку генерации ионов внешним ионизатором в газонаполненном диоде, либо пропусканием ионного пучка через межэлектродный промежуток в вакуумном диоде. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ В ТЕРМОЭМИССИОННОМ ДИОДЕ путем подачи напряжения на диод и создания в межэлектродном промежутке неоднородного ионного пространственного заряда, не превышающего полного электронного заряда, отличающийся тем, что распределение плотности ионного пространственного заряда создают спадающим от катодной области к аноду с помощью внешнего источника. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спадающее от катодной области к аноду распределение плотности ионного пространственного заряда создают облучением газонаполненного диода непрерывно распределенным по промежутку ионизирующим излучением из внешнего ионизатора. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что спадающее от катодной области к аноду распределение плотности ионного пространственного заряда создают пропусканием ионов из внешнего источника через межэлектродный промежуток в вакуумном диоде.