АВТОЭМИССИОННЫЙ ТРИОД Российский патент 2001 года по МПК H01J21/20 H01J31/12 

Изобретение относится к области электроники, а именно к вакуумным триодам, позволяющим коммутировать большие токи малыми напряжениями.

Известны традиционные вакуумные триоды [1] с термоэмиссионным катодом. Именно термоэмиссионные катоды обеспечивают режим работы, когда на сетку подается запирающее по отношению к движению термоэмиссионных электронов напряжение.

В автоэмиссионном триоде [2], содержащем анод, автоэмиссионный катод, в данной конструкции выполненный микроострийным, и расположенную между ними управляющую сетку, и являющемся наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением, использование запирающего напряжения невозможно, т.к. в этом случае между сеткой и анодом возникает большая напряженность электрического поля, что может привести к паразитной эмиссии с поверхности сетки. Поэтому все холодно-эмиссионные триоды управляются ускоряющим полем сетки, т.е. напряженность поля анод - катод не остаточна для появления эмиссии и на сетку подается положительное по отношению к катоду напряжение, величина которого такова, что вызывает полевую эмиссию с поверхности катода, как правило, микроострийного. Такая схема управления имеет определенные недостатки, т.к. часть электронов может быть перехвачена сеткой, что вызовет паразитный сеточный ток. Кроме того, сетка должна иметь максимально большую прозрачность, а диаметр отверстий сетки должен быть существенно меньше расстояния сетка - катод. Все эти недостатки обусловлены традиционными материалами катода, которые имеют порог эмиссии порядка или более 100 В/мкм.

Предлагаемое изобретение позволяет ликвидировать указанные недостатки.

Технической задачей является создание автоэмиссионного триода с запирающей сеткой.

Технический результат заключается в уменьшении рассеяния электронов сеточным полем, упрощении технологических требований к параметрам сетки за счет снижения сеточного тока, повышении эффективности управляемых сеткой катодолюминесцентных источников света за счет подавления эмиссии под нитями сетки, а также облегчении управляемости полным током эмиссии.

Сами по себе нанокристаллические алмазные пленки известны [3], но не все они обладают высокими эмиссионными параметрами, в частности низким порогом эмиссии. В предлагаемом автоэмиссионном триоде, содержащем анод, автоэмиссионный катод и расположенную между ними управляющую сетку, катод выполнен в виде нанокристаллического алмазного эмиттера, имеющего порог эмиссии порядка 2-6 В/мкм, зазор D между катодом и анодом и напряжение U выбираются так, чтобы поле на катоде было достаточным для работы автоэмиссионного катода, при этом управляющая сетка выполняет роль запирающей сетки.

Отверстия в управляющей сетке могут быть выполнены с расширением к аноду.

Нанокристаллические алмазные эмиттеры, созданные по специальным технологиям, имеют порог эмиссии порядка 2-6 В/мкм [4]. Использование таких катодов в триодной конструкции делает возможным выполнение управляющей сеткой функций запирающей сетки. Однако до настоящего времени такие конструкции не были известны, хотя они обладают целым рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с прототипом [2].

В этом случае сеточный ток предельно мал, а требования к сетке существенно ниже по сравнению со случаем, когда управляющая сетка является ускоряющей.

Конструкция холодно-эмиссионного катода с запирающей сеткой позволит повысить эффективность управляемых сеткой катодолюминесцентных источников света за счет подавления эмиссии под нитями сетки и снижения тока на сетку, а также облегчит управляемость полным током эмиссии.

Использование предлагаемого холодно-эмиссионного катода в плоских эмиссионных дисплеях также позволит снизить управляющее напряжение, уменьшить расфокусировку электронного пучка (сетка отталкивает электроны), увеличить ресурс катода, т.к. сетка снизит поток ионов остаточного газа, бомбардирующих катод.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена схема термоэмиссионного триода; на фиг. 2 распределение потенциала между электродами триода; на фиг. 3 и 4 - распределение электрического поля в режиме запирания для различных геометрических размеров системы; на фиг. 5 - распределение электрического поля над центром катода.

Предлагаемая конструкция автоэмиссионного триода, изображенная на фиг. 1, содержит катод 1, анод 2 с зазором между ними, равным D, управляющую сетку 3 толщиной H, выполненную с отверстиями 4. диаметром h и расположенную с зазором, равным d, между ней и катодом 1. Катод 1 и анод 2 подсоединены к источнику питания 5. Управляющая сетка 3 соединена с катодом 1 через ключ 6. Катод 1 выполнен в виде нанокристаллического алмазного эмиттера.

На фиг. 2 показано распределение потенциала при разомкнутом ключе 6 - линия 7, и распределение потенциала при замыкании ключа 6 - линия 8.

Зазор, равный D, и напряжение U выбираются так, чтобы поле E=U/D было достаточным для работы автоэмиссионного катода 1, т.е. порядка 10 В/мкм. Управляющая сетка 3 устанавливается с зазором от катода, равным d. Напряжение коммутации, которое должен выдерживать ключ 6, определяется как u= Ud/D.

При разомкнутом ключе 6 управляющая сетка 3 автоматически приобретает потенциал, при котором поле сетка-катод равно полю анод-катод - линия 7. При замыкании ключа поле сетка-катод становится равным нулю и эмиссия прекращается - линия 8.

Реальная картина более сложная. Результаты численного расчета распределения электрического поля в режиме запирания для различных геометрических размеров системы представлены на фиг. 3 и 4.

На фиг. 3 представлено распределение электрического поля (E_z - ось ординат) вдоль катода (R - ось абсцисс) при различных напряжениях на сетке: при нулевом напряжении - линия 9, при напряжении, равном -250 В, - линия 10, при напряжении, равном 250 В, - линия 11. При этом напряжение на аноде равно 20 кВ, на катоде равно 0 В, расстояние между катодом и анодом - 1000 мкм, расстояние между катодом и сеткой - 50 мкм, толщина сетки - 50 мкм, диаметр отверстия сетки - 300 мкм.

На фиг. 4 представлено распределение электрического поля (E_z - ось ординат) вдоль катода (R - ось абсцисс) при различных напряжениях на сетке: при нулевом напряжении - линия 12, при напряжении, равном -80 В, - линия 13, при напряжении, равном 80 В, - линия 14. При этом напряжение на аноде равно 20 кВ, на катоде равно 0 В, расстояние между катодом и анодом - 1000 мкм, расстояние между катодом и сеткой - 16 мкм, толщина сетки - 0,5 мкм, диаметр отверстия сетки - 50 мкм.

На фиг. 5 представлена зависимость электрического поля (E_z - ось ординат) в центре катода от отношения диаметра отверстия сетки к сумме размера зазора между катодом и сеткой и толщиной сетки (h/(d+H) - ось абсцисс) при разных напряжениях на сетке: при нулевом напряжении - линия 15, при напряжении, равном 250 В, - линия 16, при напряжении, равном -250 В, - линия 17. При этом напряжение на аноде равно 20 кВ, на катоде равно 0 В, расстояние между катодом и анодом D=1000 мкм, расстояние между катодом и сеткой d=50 мкм, толщина сетки H=50 мкм.

Представленные на фиг. 3 зависимости отражают режим, близкий к режиму лампы, а представленные на фиг. 4, - к режиму эмиссионного дисплея.

При проведении моделирования предполагалось, что порог эмиссии катода 6 -7 В/мкм, а максимально допустимое поле 12 В/мкм, что соответствует реально существующим алмазным катодам.

Как видно из представленных зависимостей, предложенная схема хорошо работает и позволяет управлять током при напряжениях на сетке 100 - 300 В.

Зависимости напряжения над центом катода позволяет вычислить геометрические характеристики сетки, требуемые для каждого конкретного катода.

Проникновение электрического поля через отверстие в сетке увеличивается для расширяющегося к аноду отверстия по сравнению со случаем вертикальных стенок отверстия. Это связано с увеличением минимального отношения h/(d+H) (фиг. 5). Так, для угла расширения отверстия в 45^o максимальное поле у катода увеличивается на 30% в соответствии с изменением минимального отношения h/(d+H) от 3 до 4 (для параметров триода в случае, отображенном на фиг.3).

Источники информации
1. Л.Н. Добрецов, М.В. Гомоюнова. "Эмиссионная электроника", М.: Наука, 1966, стр.117.

2. I.Brodie, P.R.Schwoebel, Proceedins of the IEEE, 1994, v.82, n.7, p. 1006.

3. S. Sattel, J. Robertson, Z. Tass et. al., "Formation of nanocrystalline diamond by hydrocarbon plasma beam deposition", Proceedings of 7 European Conf. Diamond'96, Diamond and Related Materials, v. 6, 1997, p.255.

4. A. T. Rakhimnov, B. V. Seleznev, N.V.Suetin et al. Applications of Diamond Films and Related Material: 3-rd International Conf., Gaithersburg, MD, USA, 1995, NISTIR 5692, Supplement to NIST Special Publication 885, p. 11s.

Изобретение относится к электронике, а именно к вакуумным триодам, позволяющим коммутировать большие токи малыми напряжениями. В предлагаемом автоэмиссионном триоде, содержащем анод, автоэмиссионный катод и расположенную между ними управляющую сетку, катод выполнен в виде нанокристаллического алмазного эмиттера, имеющего порог эмиссии порядка 2 - 6 В/мкм, а зазор D между катодом и анодом и напряжение U выбираются так, чтобы поле на катоде было достаточным для работы автоэмиссионного катода, что делает возможным выполнение управляющей сеткой функций запирающей сетки. Технический результат заключается в уменьшении рассеяния электронов сеточным полем, упрощении технологических требований к параметрам сетки за счет снижения сеточного тока, повышении эффективности управляемых сеткой катодолюминесцентных источников света за счет подавления эмиссии под нитями сетки, а также облегчения управляемости полным током эмиссии. Использование предлагаемого холодно-эмиссионного катода в плоских эмиссионных дисплеях также позволит снизить управляющее напряжение, уменьшить расфокусировку электронного пучка (сетка отталкивает электроны), увеличить ресурс катода, т.к. сетка снизит поток ионов остаточного газа, бомбардирующих катод. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Автоэмиссионный триод, содержащий анод, автоэмиссионный катод и расположенную между ними управляющую сетку, отличающийся тем, что автоэмиссионный катод выполнен в виде нанокристаллического алмазного эмиттера, имеющего порог эмиссии порядка 2-6 В/мкм, зазор D между катодом и анодом и напряжение U выбирают так, чтобы поле на катоде было достаточным для работы автоэмиссионного катода, при этом управляющая сетка выполняет роль запирающей сетки. 2. Автоэмиссионный триод по п.1, отличающийся тем, что отверстия в управляющей сетке выполнены с расширением к аноду.