КАТОДНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ И ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР Российский патент 1999 года по МПК H01J1/30 H01J31/12 

Изобретение относится к области вакуумной электронике, а более конкретно, к автоэлектронным катодам и вакуумным приборам, работающим на основе автоэлектронной эмиссии.

Известны вакуумные приборы, содержащие автоэлектронный катодный узел и удаленный от него анод (см. например, патент США 4818914).

Известны также вакуумные электронные приборы, содержащие катодный узел, включающий управляющий электрод вблизи автоэлектронного эмиттера, и анод (см. например, патент США 5015912).

Известны также вакуумные электронные приборы, в которых катодные узлы помимо автоэлектронного эмиттера и управляющего электрода содержат вторично-электронные эмиттеры (см., например, патент GB 2254486 A).

Конструкция катодного узла, включающая автоэлектронный и вторично-электронный эмиттер, а также приборы на ее основе является наиболее близким к предлагаемому техническому решению и выбирается в качестве прототипа.

Недостатками конструкции аналогов являются малые величины тока автоэлектронного эмиттера, высокие рабочие напряжения и как следствие этого деградация эмиттера из-за ионной бомбардировки, что ведет к снижению срока службы прибора.

Недостатками конструкций прототипа являются их малая эффективность и связанная с этим, большая потребляемая мощность, а также сложность фокусировки автоэлектронного пучка.

В предлагаемом изобретении ставятся задачи увеличения эффективности и срока службы катодного узла, содержащего автоэлектронный и вторично-электронный эмиттер, при одновременном уменьшении его размеров и расширении области использования в конструкциях электронных приборов различного применения.

Эти задачи решены в конструкции катодного узла, содержащего по крайней мере один вторично-электронный и автоэлектронный эмиттер, по крайней мере одну магнитную цепь, создающую магнитное поле, вектор индукции которого направлен перпендикулярно потоку электронов с автоэлектронного эмиттера, при этом вторично-электронный эмиттер расположен на расстоянии от рабочей поверхности автоэлектронного эмиттера, не превышающем величину отклонения электронов под действием магнитного поля.

Согласно п. 2 предлагаемой конструкции, магнитная цепь, нижняя поверхность которой обращена к плоскости подложки, находится на уровне рабочей поверхности автоэлектронного эмиттера.

Согласно п. 3 формулы, катодный узел может содержать по крайней мере два автоэлектронных эмиттера и один вторично-электронный эмиттер.

Согласно п. 4 формулы катодный узел снабжен управляющим электродом, а магнитная цепь размещена на управляющем электроде, расположенном в плоскости рабочего торца автоэлектронного эмиттера.

Согласно п. 5 формулы, магнитная цепь отделена от управляющего электрода дополнительным слоем.

Согласно п. 6 формулы, конструкция снабжена дополнительным фокусирующим магнитом.

Согласно п. 7, катодный узел снабжен магнитоэкранирующим слоем, расположенным на обратной стороне подложки, на лицевой стороне которой размещен автоэлектронный эмиттер.

Согласно п. 8 магнитная цепь может быть выполнена в виде электромагнитов, расстояние между полюсами которых не превышает диаметра отверстия в управляющем электроде.

Согласно п. 9, расстояние r от вторично-электронного эмиттера до поверхности автоэлектронного эмиттера не должно превышать величины, определяемой соотношением
r = mVe/B,
где m - масса электрона;
e - заряд электрона;
V - начальная скорость электрона;
B - индукция постоянного магнитного поля.

Согласно п. 10 направление продольной оси автоэлектронного эмиттера должно быть параллельно рабочей поверхности вторично-электронного эмиттера.

Согласно п. 11 предложен электронный прибор, содержащий по крайней мере один катодный узел, выполненный по п. 1, и анод, покрытый слоем люминофора.

Согласно п. 12 в электронном приборе при наличии двух магнитных цепей вторая магнитная цепь лежит на поверхности вторично-эмиссионного эмиттера, а анод со слоем люминофора расположен на поверхности подложки, на которой размещен катодный узел.

Существенное отличие катодного узла заключается в наличии по крайней мере одной магнитной цепи, создающей отклоняющее магнитное поле у автоэлектронного эмиттера, вектор индукции которой направлен перпендикулярно потоку электронов с поверхности автоэлектронного эмиттера и расположении вторично-электронных эмиттеров на расстояниях, не превышающих величины отклонения электронов под действием магнитного поля.

Это существенное отличие обуславливают решение поставленных в изобретении задач.

При этом увеличение рабочих токов катодного узла при меньших рабочих напряжениях достигается за счет более эффективного отклонения потока автоэлектронов магнитным полем цепи к поверхности вторично-электронного эмиттера. Рабочий ток увеличивается на величину коэффициента вторично-электронной эмиссии σ (который в зависимости от материала вторично-электронного тела лежит в пределах от 1,5 до 50), что позволяет снизить рабочие напряжения на автоэлектронном эмиттере, тем самым уменьшить ионную бомбардировку автоэлектронного эмиттера и, следовательно, увеличить срок службы катодного узла и вакуумного прибора в целом. Дополнительным преимуществом предложенного изобретения является упрощение конструкции вакуумных электронных приборов за счет возможности уменьшения количества технологических операций, а также увеличение разрешающей способности и яркости свечения люминофора при уменьшении геометрических размеров катодных узлов и одновременном уменьшении рабочих напряжений в приборах, имеющих слой люминофора на аноде.

Предложенное изобретение поясняется приведенными чертежами.

На фиг. 1 приведен схематический разрез вакуумного прибора с предложенным катодным узлом согласно п. 1 формулы изобретения.

На фиг. 2 приведен разрез вакуумного прибора с предложенным катодным узлом согласно п. 2 формулы изобретения.

На фиг. 3 приведен вид сверху катодного узла согласно п.п. 1, 2 формулы изобретения.

На фиг. 4, 5 приведен разрез катодного узла предложенного согласно п. 3 формулы изобретения.

На фиг. 6 приведен разрез и вид сверху соответственно вакуумного прибора с предложенным катодным узлом согласно п. 4 формулы изобретения.

На фиг. 7 приведен схематический разрез фрагмента вакуумного прибора с предложенным катодным узлом согласно п. 5 формулы изобретения.

На фиг. 8, 9 приведен схематический разрез и вид сверху катодного узла согласно п.6 формулы изобретения.

На фиг. 10 приведен схематический разрез вакуумного прибора согласно п. 7 формулы изобретения.

На фиг. 11 приведен разрез катодного узла согласно п. 3 формулы изобретения.

На фиг. 12, 13 приведен разрез и вид сверху катодного узла согласно п. 11 формулы изобретения.

На фиг. 14, 15 приведены разрез и вид сверху электронного прибора согласно п. 12 формулы изобретения.

На фиг. 16,17 приведен разрез и вид сверху электронного прибора с n-количеством катодных узлов.

На приведенных чертежах приняты следующие обозначения:
1 - подложка; 2 - автоэлектронный эмиттер; 3 - анод; 4 - магнитная цепь; 5 - вторично-электронный эмиттер; 6 - диэлектрический слой (слои); 7 - вакуумный зазор; 8 - управляющий электрод; 9 - фокусирующий магнит; 10 - магнито-экранирующий слой; 11 - люминофор; 12 - прозрачный проводящий слой; 13 - шина управления строчек на оси X; 14 - шина управления столбцов на оси Y; 15 - противоположная подложке поверхность из стекла; N, S - полюса магнитов; D - диаметр отверстия в управляющем электроде, r - расстояние (радиус) отклонения электронов; e - электроны; B - индукция магнитного поля.

Предложенный катодный узел согласно п. 1 формулы изобретения содержит расположенный на подложке 1 по крайней мере один автоэлектронный эмиттер 2 и по крайней мере один вторично-электронный эмиттер 5, магнитную цепь, выполненную по крайней мере в виде одного постоянного магнита 4, расположенные на подложке 1. На фиг. 1 приведен его схематический разрез. Этим примером конкретной реализации предложенного изобретения не исчерпываются все возможные варианты его исполнения. Магнитная цепь выполнена в частности, в виде постоянного магнита 4, создает магнитное поле с вектором индукции B, направленным перпендикулярно потоку электронов, эмитированных с поверхности автоэлектронного эмиттера 2 и отклоняет электроны к вторично-электронному эмиттеру 5. Магнитная цепь может быть выполнена так же и с электромагнитом (не показанным на чертеже на фиг. 1) или в виде двух постоянных магнитов, имеющих противоположное направление векторов магнитной индукции.

В случае электронов, обладающих высокой начальной энергией, на фиг. 2 изображен вариант катодного узла с дополнительным слоем диэлектрика 6, позволяющего удалить магнитную цепь от вершины автоэлектронного эмиттера.

Вид сверху конструкций, указанных на фиг. 1 и фиг. 2, показан на фиг. 3.

Приведенный на фиг. 1; 2 и 3 конкретный пример реализован в простейшей конструкции источника электронов предложенного катодного узла.

Другой пример реализации предложенного изобретения иллюстрируется фиг. 4, 5. В данном примере в катодный узел введен дополнительный автоэлектронный эмиттер 2 и магнитная цепь 4, вектор индукции которой перпендикулярен эмитируемому с автоэлектронного эмиттера потоку электронов, но имеет противоположное направление, по сравнению с первой магнитной цепью 4, вектором индукции, позволяющим отклонить автоэлектронный поток второго автоэлектронного эмиттера 2 на один и тот же вторично-электронный эмиттер 5, что позволяет увеличить интеграцию и общий ток катодного узла за счет более интенсивного использования вторично-электронного тела. Данная конструкция иллюстрирует и вариант изобретения согласно п. З.

Другой пример конкретной реализации предложенного изобретения иллюстрирует фиг. 6. В данном примере в катодный узел введен управляющий электрод 8, который служит для управления потоком электронов с поверхности автоэлектронного эмиттера 2.

В этом примере фиг. 6 магнитная цепь 4 лежит на поверхности управляющего электрода 8, что позволяет упростить технологию изготовления прибора. Данная конструкция иллюстрирует вариант изобретения согласно п. 4.

Другой пример конкретной реализации предложенного изобретения иллюстрирует фиг. 7. В данном примере магнитная цепь 4 изолирована слоем диэлектрика 6 (либо любой немагнитный материал) от управляющего электрода 8, что позволяет использовать более широкий выбор материалов при изготовлении данной конструкции. Данная конструкция иллюстрирует вариант изобретения согласно п. 5.

Другой один из конкретных примеров реализации предложенного изобретения иллюстрирует фиг. 8, 9 (разрез и вид сверху соответственно). В данном примере введен фокусирующий магнит 9, расположенный между управляющим электродом 8 и магнитной цепью 4 (расположение магнита 9 может быть и выше магнитной цепи 4), позволяющий сфокусировать и уменьшить перераспределение автоэлектронного тока на управляющий электрод и на магнитную цепь. Данная конструкция соответствует п. 6 формулы изобретения.

Другой пример конкретной реализации предложенного изобретения проиллюстрирован на фиг. 10, на которой представлен слой люминофора 11, находящийся на аноде 3 и позволяющий визуально наблюдать электронный поток. Данная конструкция соответствует п. 11 формулы изобретения.

Другой пример конкретной реализации предложенного изобретения иллюстрируется на фиг. 11, на которой представлен слой 10, позволяющий уменьшить магнитные наводки от других элементов.

Другой пример конкретной реализации предложенного изобретения иллюстрирует фиг. 10, 13, на которых представлен катодный узел, состоящий из автоэлектронного эмиттера 2, продольная ось которого параллельна поверхности вторично-электронного тела 5, это позволяет расширить варианты применения конструкции катодного узла.

Другой пример конкретной реализации предложенного изобретения иллюстрирует фиг. 11, 15, на которых представлен катодный узел, состоящий из автоэлектронного эмиттера 2, с магнитной цепью 4, вторично-электронным эмиттером 5 и дополнительной магнитной цепью 4, лежащей на поверхности вторично-электронного эмиттера 5, а анод 3 со слоем люминофора 11 находится на поверхности подложки 1, на которой размещен катодный узел, что позволяет использовать предложенную конструкцию в качестве плоского экрана, имеющего более высокую светоотдачу.

Другой пример конкретной реализации предложенного изобретения иллюстрируется фиг. 16 и 17, на которых представлен катодный узел, состоящий из катодных узлов триодного типа, соединенных в матричную структуру управляющими шинами 13, 14 по оси X и Y, соответственно, и слоя люминофора 12, лежащего на прозрачном проводящем слое 13, находящемся на поверхности 14.

Приведенными примерами конкретных конструктивных вариантов не исчерпываются все возможные варианты реализации изобретения.

Предложенный прибор работает следующим образом.

Анод 3 подключается к положительному полюсу источника высокого напряжения (не показан), катодный узел к - противоположному полюсу упомянутого источника. В результате приложенного напряжения с автоэлектронного эмиттера 2 происходит эмиссия электронов. Эмитированные электроны с рабочей поверхности эмиттера 2, в результате воздействия магнитного поля (у которого вектор индукции направлен перпендикулярно начальной скорости электронов с вершины автоэлектронного эмиттера 2) попадают на поверхность вторично-электронного эмиттера 5. Происходит соударение первичных электронов с поверхностью вторично-электронного эмиттера с выбиванием вторичных электронов, количество которых пропорционально коэффициенту вторичной электронной эмиссии σ, что вызывает увеличение общего тока катодного узла (в σ раз), который под воздействием электрического поля в межэлектродном зазоре 7 попадает на анод 3.

Поток электронов в предложенной конструкции катодного устройства можно регулировать напряжением дополнительного источника напряжения, подключенного к управляющему электроду 8 (фиг. 3). Таким образом, предложенный катодный узел может работать как в диодном, так и в триодном режиме.

В варианте предложенного изобретения (фиг. 16, 17), когда катодный узел представляет собой матричный катод (у которого каждая ячейка содержит автоэлектронный эмиттер, вторично-электронный эмиттер, магнит и управляющий электрод), в котором автоэлектронные и вторично-электронные эмиттеры соединены электрически последовательно в вертикальную шину по оси Y, управляющие электроды соединены последовательно в горизонтальную шину по оси X. Подавая соответствующей электронной схемой (не указанной) сигнал, производится выборка одной из ячеек. Для этого с помощью упомянутой электронной схемы на соответствующую вертикальную шину 14 подается отрицательное напряжение от источника высокого напряжения. При этом на соответствующий управляющий электрод 13 подается положительное напряжение от 5 до 60 В от источника управляющего напряжения электронной схемы (не показанной). В результате и выбранной ячейке происходит эмиссия электронов. В зависимости от управляющего напряжения на электроде 13, образуется поток электронов вдоль оси перпендикулярной подложки. Процессы, происходящие при этом в элементарной катодной ячейке, описаны выше.

Достоинством предложенного катодного узла является увеличение (по сравнению с известными конструкциями) рабочих токов, уменьшение величины напряжения, и как следствие этого, увеличение его срока службы, а также повышение экономичности и технологичности изготовления прибора.

Предложенный катодный узел может быть изготовлен по известной технологии с использованием технологических операций и процессов, применяемых при изготовлении вакуумных приборов и интегральных схем. При этом подложка 1 и автоэлектронный эмиттер 2 может быть изготовлен из проводящих или полупроводящих материалов, например из кремния или подложка 1 из диэлектрических материалов. Диэлектрические слои 6 могут быть выполнены из окиси кремния. Управляющий электрод 8 может быть выполнен из проводящих материалов, например молибдена. Магниты 4, 9 могут быть выполнены, например, из самарий-кобальтовых сплавов типа Fe Co Sm. Вторично-электронные эмиттеры 5 могут быть выполнены из платино-бариевых или палладий-бариевых сплавов и других материалов, обладающих коэффициентом вторичной электронной эмиссией σ > 1. Магнитоэкранирующий слой может быть выполнен из магнитомягких металлов или сплавов типа Fe, FeNi и других материалов.

Предложенное изобретение может найти широкое применение в микроэлектронике и вакуумной электронике для изготовления микродиодов, микротриодов, интегральных схем, устройств отображения информации.

Изобретение относится к вакуумной электронике, а более конкретно - к автоэлектронным катодам и вакуумным приборам, работающим на основе автоэлектронной эмиссии. В катодный узел, содержащий автоэлектронный и вторично-электронный эмиттеры, введена магнитная цель, создающая магнитное поле, вектор индукции которой перпендикулярен потоку электронов, эмиттированных с автоэлектронного эмиттера, при этом вторично-электронный эмиттер расположен на расстоянии от рабочей поверхности автоэлектронного эмиттера, не превышающем величину отклонения электронов под действием магнитного поля. Для оптимального отклонения электронов выбираются различные варианты расположения магнитной цепи относительно автоэлектронного эмиттера. Приведены примеры конкретной реализации конструкции катодного узла и приборов на его основе, в том числе плоских экранов для отображения информации. Технический результат заключается в повышении эффективности работы катодного узла и увеличении срока службы. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Катодный узел для электронных приборов, содержащий по крайней мере один автоэлектронный эмиттер на подложке и по крайней мере один вторично-электронный эмиттер, отличающийся тем, что он снабжен по крайней мере одной магнитной цепью, создающей магнитное поле, вектор индукции которой направлен перпендикулярно потоку электронов с автоэлектронного эмиттера, при этом вторично-электронный эмиттер расположен на расстоянии от рабочей поверхности автоэлектронного эмиттера, не превышающем величины отклонения электронов под воздействием магнитного поля. 2. Узел по п.1, отличающийся тем, что магнитная цепь, нижняя поверхность которой обращена к плоскости подложки, находится на уровне рабочей поверхности автоэлектронного эмиттера. 3. Узел по п.1 или 2, отличающийся тем, что по крайней мере два автоэлектронных эмиттера имеют один вторично-электронный эмиттер. 4. Узел по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он снабжен управляющим электродом, расположенным в плоскости рабочего торца автоэлектронного эмиттера, а магнитная цепь размещена на управляющем электроде. 5. Узел по п.4, отличающийся тем, что магнитная цепь отделена от управляющего электрода дополнительным слоем. 6. Узел по п.4 или 5, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным фокусирующим магнитом. 7. Узел по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что снабжен магнитно-экранирующим слоем, расположенным на обратной стороне подложки, на лицевой стороне которой размещен автоэлектронный эмиттер. 8. Узел по п.4, отличающийся тем, что управляющий электрод выполнен с отверстием, а магнитная цепь выполнена в виде электромагнитов, расстояние между полюсами которых не превышает диаметра отверстия в управляющем электроде. 9. Узел по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что расстояние r от вторично-электронного эмиттера до поверхности автоэлектронного эмиттера не превышает величины, определяемой соотношением
r = m • Ve/B,
где m - масса электрона;
V - начальная скорость электрона;
е - заряд электрона;
В - индукция постоянного магнитного поля. 10. Узел по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что направление продольной оси автоэлектронного эмиттера параллельно рабочей поверхности вторично-электронного эмиттера. 11. Электронный прибор, содержащий по крайней мере один катодный узел и анод, отличающийся тем, что катодный узел выполнен согласно п.1, а анод покрыт слоем люминофора. 12. Прибор по п. 11, отличающийся тем. что при наличии двух магнитных цепей вторая магнитная цепь лежит на поверхности вторично-электронного эмиттера, а анод расположен на поверхности подложки автоэлектронного эмиттера. 13. Прибор по п.11 или 12, отличающийся тем, что он снабжен взаимно перпендикулярными шинами матричного управления катодными узлами.