КАТОД ХОЛОДНЫЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H01J1/30 H01J19/24 

Изобретение относится к электронной технике и может найти применение в устройствах для получения электронных потоков в электронных пушках с холодным катодом.

Известно устройство (а. с. N 546037, СССР, 15.07.75 г. ), в котором к катоду прикладывается импульсное электрическое напряжение.

Недостатком этого устройства является большая величина амплитуды импульсного напряжения до 50 кВ при длительности импульсов до 200 мкс, что ведет к созданию мощных электромагнитных помех и уменьшает надежность устройства.

Известно также устройство холодного катода, содержащего эмиттирующий элемент с низким давлением обратимого фазового перехода и нагрузочный элемент. Эмиттирующий элемент выполняют из редкоземельного металла, как правило, из церия (давление обратимого фазового перехода для него 7.8 кбар). (Эмиссия электронов из церия, празеодима, неодима и самария под давлением / Трапезников В. А. и др. // Физика металлов и металловедение. 1991, N 8, с. 198. 201).

Однако такая конструкция холодного катода не обеспечивает непрерывности эмиссии электронов, обладает низким КПД.

Задача изобретения повышение надежности работы холодного катода и его КПД.

Поставленная задача решается тем, что в известном холодном катоде, содержащем эмиттирующий элемент с низким давлением обратимого фазового перехода, выполненный из церия, и нагрузочный элемент, последний выполнен в виде полого цилиндра из магнитострикционного материала с обмоткой управления, проводники которой расположены на внутренней и наружной поверхности нагрузочного элемента вдоль его образующей, эмиттирующий элемент выполнен также в виде полого цилиндра и размещен в полости нагрузочного элемента в непосредственном контакте с ним.

Расположение обмоток на цилиндрическом нагрузочном элементе обеспечивает создание радиального направления силового механического воздействия на эмиттирующий материал, в котором при этом возникают сжимающие напряжения в окружном направлении.

Амплитуда сжимающих напряжений выбирается таким образом, что напряжение обратимого фазового перехода содержится в диапазоне ее значений и, следовательно, возникают импульсы эмиссионного тока с частотой питания на обмотку.

Для еще большего повышения КПД. предлагаемого устройства возможно выполнение эмиттирующего элемента тонкостенным и дополнительно содержащим цилиндрическую втулку, размещенную на нем с натягом.

В этом случае появляется постоянное сжимающее напряжение на активный материал (церий) и уменьшается значение амплитуд, при которых достигается напряжение обратимого фазового перехода. Следовательно, снижается уровень потерь на гистерезис внутреннего и конструкционного трения в предлагаемом устройстве.

Широко известно, что КПД пьезокерамических преобразователей на 15.25% выше КПД магнитострикционных (Ультразвуковые преобразователи. Под ред. Кикучи, М. Мир, 1972, с. 424), поэтому во втором варианте выполнения холодного катода, содержащего эмиттирующий элемент с низким давлением обратимого фазового перехода и нагрузочный элемент, последний выполнен в виде полого цилиндра из пьезокерамического материала с электродами, нанесенными на его торцы, эмиттирующий элемент выполнен также в виде полого цилиндра и размещен в полости нагрузочного элемента, причем контакт между эмиттирующим и нагрузочными элементами осуществляется через промежуточную электроизолирующую втулку.

Еще больший эффект может быть достигнут, если нагрузочный элемент будет содержать дополнительную цилиндрическую втулку, установленную на нем с натягом.

Наличие сжимающих напряжений в данном случае повышает надежность работы устройства, т.к. предел прочности на сжатие пьезокерамики более чем в 10 раз выше, чем на растяжение. Кроме того, при сжатии у пьезокерамики улучшаются пьезоактивные контакты.

На фиг. 1 показана схема катода холодного с магнитострикционным нагрузочным элементом (I вариант);
на фиг. 2 временные диаграммы воздействия и эмиссии электронов с поверхности холодного катода;
на фиг. 3 схема катода холодного с нагрузочным элементом, состоящим из двух втулок;
на фиг. 4 схема холодного катода с нагрузочным элементом из пьезокерамического материала (II вариант);
на фиг. 5 то же, что и фиг. 4, с выполнением нагрузочного элемента в виде двух втулок.

Холодный катод по первому варианту содержит эмиттрирующий элемент 1, выполненный из церия в виде полого цилиндра, размещенного в полости нагрузочного элемента 2 из магнитострикционного материала, выполненного также в виде полого цилиндра, и управляющую обмотку 3, электрически соединенную с генератором переменного тока 4. Катод в сборе (1, 2, 3) с анодом 5 и другими управляющими электронным пучком электродами (на чертеже по показаны) помещается в вакуумную камеру 6. Между эмиттирующим элементом 1 и анодом 5 существует разность потенциалов Е, которая обеспечивает создание тока I_к направленного движения эмиссионных электронов.

Эмиттирующий элемент 1 может быть выполнен тонкостенным и дополнительно содержит цилиндрическую втулку 7 (фиг. 3), установленную в нем с натягом. Натяг обеспечивается посадкой "на корпус". Эмиттирующий элемент 1 также выполняется из активного материала (церия), с внутренней поверхности которого происходит эмиссия электронов. Такая конструкция позволяет повысить КПД устройства, т. к. амплитуда питающего напряжения и тока, необходимые для достижения напряжений обратимого фазового перехода в этом случае меньше.

Если эмиттирующий элемент 1 выполнить из высокодобротного материала (например, титанового сплава), а на его внутреннюю поверхность нанести слой активного материала, то появляется дополнительная возможность повысить КПД устройства. В процессе циклического деформирования материала элемента 1 работа, затраченная на преодоление сил внутреннего трения, будет меньше, чем у того же элемента, выполненного из низкодобротного активного материала. В связи с тем, что эпюра напряжений в радиальном направлении имеет наибольшие значения на наружном и внутреннем радиусе устройства, то эмиссия развивается именно в нанесенном слое активного материала, экранируя более глубокие слои. Следовательно, эмиссионные свойства катода и в этом случае не ухудшаются.

Устройство работает следующим образом. Генератор 4 создает переменное напряжение U_г, вызывающее ток в обмотке 3, электромагнитное поле которой замыкается в нагрузочном элементе 2 из магнитострикционного материала. За счет явления магнитострикции применяется средний радиус элемента 2 - уменьшается в один и увеличивается в другой полупериод действия напряжения σ_θθ,, воздействуя механически на эмиттирующий элемент 1. В нем под действием радиальных напряжений s_RR возникают на внутренних слоях повышенные касательные напряжения σ_θθ, превышающие по абсолютной величине 7.8 кбар (для церия), что вызывает в материале элемента 1 фазовый переход и, как следствие, эмиссию электронов с поверхности. При наличии соответствующего вакуума в камере 6 под воздействием ускоряющего напряжения Е возникает эмиссионный ток I_к (фиг. 2), если s_qq превышает 7 кбар. В следующем периоде колебаний эмиссия электронов повторяется.

Холодный катод по второму варианту содержит эмиттирующий элемент 1, выполненный из церия в виде полого цилиндра, нагрузочный элемент 2, выполненный также в виде полого цилиндра из пьезокерамического материала с электродами 8, нанесенными на противоположных поверхностях, ограничивающих размер элемента 2 наименьшей длины, т. е. на его торцах. В тех случаях, когда размеры пьезоэлемента в двух или более направлениях близки друг к другу, следует учитывать также направление поляризации элемента и технологические особенности конструкции. Наименьшее расстояние между электродами позволяет для создания требуемой напряженности электрического поля в материале пьезокерамики использовать меньшие напряжения источника питания, снизив тем самым уровень помех на систему управления катодом.

Между эмиттирующим 1 и нагрузочным 2 элементами размещена электроизолирующая втулка 9.

При подаче от внешнего источника переменного напряжения между электродами возникает электрическое поле, которое в силу пьезоактивных свойств материала приводит к его деформациям и смещениям границ элемента 2. Деформации в радиальном направлении наводят на его гранях (без электродов) разность потенциалов (прямой пьезоэффект), который может оказывать существенное влияние на потенциал эмиттирующего элемента и снизить его эмиссионную способность. Для устранения этого недостатка и предусмотрена электроизолирующая втулка 9.

Перемещения нагрузочного элемента 2 вызывают в эмиттирующем элементе 1 радиальные s_RR и касательные σ_θθ напряжения, превышение которых вызовет на внутренних слоях элемента 1 величины 7.8 кбар, как и в первом варианте, эмиссию электронов с поверхности.

Нагрузочный элемент 2 может дополнительно иметь цилиндрическую втулку 7, установленную в нем с натягом. Это обеспечивает работу нагрузочного элемента 2, выполненного из пьезокерамического материала, в области сжимающих напряжений, что повышает надежность его работы и улучшает пьезоэффект, а также КПД и коэффициент электромеханической связи устройства. Оптимальным, как и для любого другого составного пьезокерамического преобразователя, следует считать толщину элемента 2 в радиальном направлении равной 35.40% от общей толщины устройства в этом направлении.

Таким образом, использование электромеханических преобразователей предложенной конструкции позволяет осуществить механическое воздействие на эмиттирующий элемент в области напряжений его фазового перехода и получить надежный управляемый холодный катод с малым уровнем электромагнитных помех на управляющие устройства и высоким КПД.

Использование: в электронной технике для получения электронных потоков в вакууме. Сущность изобретения: холодный катод содержит эмиттирующий элемент в виде полого цилиндра, размещенный в полости нагрузочного элемента, выполненного также в виде полого цилиндра из магнитострикционного материала с обмоткой управления, проводники которой расположены на внутренней и наружной поверхности нагрузочного элемента вдоль его образующей. Контакт между эмиттирующим и нагрузочным элементом может быть непосредственным или через электроизолирующую втулку. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Холодный катод, содержащий эмиттирующий элемент с низким давлением обратимого фазового перехода и нагрузочный элемент, отличающийся тем, что нагрузочный элемент выполнен в виде полого цилиндра из магнитострикционного материала с обмоткой управления, проводники которой расположены на внутренней и наружной поверхностях нагрузочного элемента вдоль его образующей, эмиттирующий элемент выполнен также в виде полого цилиндра и размещен в полости нагрузочного элемента в непосредственном контакте с ним. 2. Катод по п.1, отличающийся тем, что эмиттирующий элемент выполнен тонкостенным и дополнительно содержащим цилиндрическую втулку, установленную на нем с натягом. 3. Холодный катод, содержащий эмиттирующий элемент с низким давлением обратимого фазового перехода и нагрузочный элемент, отличающийся тем, что нагрузочный элемент выполнен в виде полого цилиндра из пьезокерамического материала с электродами, нанесенными на его торцы, эмиттирующий элемент выполнен также в виде полого цилиндра и размещен в полости нагрузочного элемента, причем контакт между эмиттирующим и нагрузочным элементами осуществлен через промежуточную электроизолирующую втулку. 4. Катод по п.3, отличающийся тем, что нагрузочный элемент содержит дополнительную цилиндрическую втулку, установленную на нем с натягом.