АВТОЭМИССИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2002 года по МПК H01J1/28 H01J1/30 H01J9/04 H01J29/04 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронно-лучевых приборах с автоэлектронной эмиссией, а именно в зондовых приборах, экранах, растровых электронных микроскопах, а также в исследовательских и аналитических установках.

Эксплуатация автоэмиссионных устройств в высоком техническом вакууме сопровождается непрерывной бомбардировкой катода ионами остаточных газов, а также адсорбцией и десорбцией молекул остаточного газа. Бомбардировка ионами остаточных газов приводит к распылению материала катода (катодное распыление), и, как следствие, к изменению геометрии катода, ухудшению его прочностных и автоэмиссионных характеристик, и в конечном итоге к выходу катода из строя. Адсорбция остаточных газов и поверхностные явления влияют на значение работы выхода электронов.

Основными требованиями, предъявляемыми к автокатодам, в частности работающим в условиях высокого технического вакуума, являются низкие стабильные значения работы выхода электронов и коэффициентов катодного распыления, а также высокие значения механической прочности, электропроводности и теплопроводности. Пригодными для работы в условиях высокого технического вакуума (10^-4...10^-5 Па) являются автоэлектронные катоды из углеродных волокон, в частности полиакрилонитрильных.

В известном источнике [Lea С. Field emission gun from carbon fibers. // J. Phys. D: Appl.Phys., 1973, V.6, p.1105-1114] описана конструкция автокатода из углеродных волокон с нанесением на его поверхность тонкого слоя вольфрамового покрытия с последующим электрохимическим травлением. Известно также устройство [Braun E., Smith J.F., Sykest D.E. Carbon fibers as field emitters // Vacuum, 1975, V. 25, 9/10, p. 425-426], содержащее автокатод, волокна которого покрыты слоем меди, для обеспечения механического крепления, электрического и теплового контакта.

Известные аналоги не обеспечивают высокой долговечности устройств. Из-за малого размера углеродных волокон (диаметр 5...10 мкм) технологически крайне сложно обеспечить надежный монтаж каждого волокна, поэтому при эксплуатации, в особенности в аппаратуре, подверженной вибрационным нагрузкам, очень высока вероятность выхода из строя вследствие механического разрушения катода. Однако даже при обеспечении приемлемой механической прочности индивидуальный монтаж каждого волокна существенно повышает различие эмиссионных характеристик отдельных волокон, что снижает стабильность автоэмиссионных параметров, в частности увеличивает нестабильность эмиссионного тока.

Наиболее близким по технической сущности техническим решением, принятым за прототип, является автоэмиссионное устройство, автокатод которого выполнен из углеродных волокон, собранных в пучок и помещенных в никелевую трубку [Бондаренко Б.В., Рыбаков Ю.Л., Шешин Е.П. Автоэлектронная эмиссия углеродного волокна // Радиотехника и электроника, 1982, т. 27, 8, 1593-1597].

Недостатком данной конструкции является невозможность обеспечения точной ориентации пучка волокон, являющегося эмиттером, относительно модулятора. Это приводит в первую очередь к изменению распределения электрического поля в области катода, что в свою очередь увеличивает рабочие напряжения, ухудшает модуляционные свойства и не позволяет получать автоэмиссионные устройства с повторяемыми характеристиками. Обжим пучка волокон в никелевой трубке приводит к деформации волокон, что снижает их прочностные характеристики, и может, в частности, явиться причиной короткого замыкания между катодом и модулятором при обрыве волокна. Изменение ориентации катода относительно модулятора приводит также к изменению геометрии выходного электронного пучка, что в ряде случаев существенно затрудняет работу электронной оптики, и в частности в электронно-лучевых трубках и растровых электронных микроскопах может приводить к снижению разрешения. Низкая механическая прочность крепления волокон в никелевой трубке не позволяет применять автоэмиссионное устройство в приборах, подверженных вибрационным нагрузкам.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение автоэмиссионных характеристик, в частности повышение срока службы и обеспечение виброустойчивости, за счет обеспечения точной ориентации пучка волокон относительно модулятора и устранения механических нагрузок на волокна.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном автоэмиссионном устройстве, содержащем размещенные в вакуумной колбе анод, автокатод, выполненный из пучка углеродных волокон, модулятор, по крайней мере с одним отверстием, и контактные выводы, пучок волокон автокатода заключен в оболочку из диэлектрика, размещен в отверстиях юстировочных дисков, ориентированных соосно отверстию модулятора посредством штабиков из диэлектрического материала, жестко закрепленных в пазах дисков и модулятора, с которым соединены жесткие контактные выводы, при этом контактный узел автокатода выполнен из электропроводного вещества, нанесенного на свободный от оболочки конец волокон, и контактирующей с ним по боковой поверхности обечайки, с которой жестко соединен контактный вывод автокатода.

Предложенная конструкция поясняется чертежом.

Согласно чертежу автоэмиссионное устройство содержит вакуумную колбу 1, анод 2, модулятор 3, контактные выводы 4, автокатод 5, выполненный из пучка углеродных волокон, заключенных по длине в диэлектрическую оболочку, преимущественно из стекла. Автокатод размещен в отверстиях юстировочных дисков 6, имеющих пазы по периметру, в которых жестко установлены штабики 7, выполненные преимущественно из стекла, и ориентирующие диски таким образом, чтобы центры их отверстий были соосны с отверстием модулятора, что обеспечивается в процессе сборки катодно-модуляторного узла. Контактный узел 8 автокатода выполнен из электропроводного вещества, в частности аквадага, нанесенного на свободный от оболочки пучок волокон и контактирующей с ним по боковой поверхности обечайки, с которой жестко соединен контактный вывод 9 автокатода.

Реализация конструкции предложенного автоэмиссионного устройства осуществляется следующим образом. Пучок углеродных волокон покрывают оболочкой из диэлектрика, в частности из стекла, при этом операция "остекловки" позволяет изготавливать катоды с пучком волокон, ориентированным вдоль оси и расположенным строго по центру катода при отсутствии механических нагрузок на волокна. Остеклованные и нарезанные на требуемую длину заготовки освобождают от стеклянной оболочки с обоих концов и на один конец наносят электропроводное вещество, в частности аквадаг, для увеличения площади контактирующей поверхности, после чего обжимают обечайкой для получения надежного электрического контакта с катодом с последующей приваркой к обечайке контактного вывода.

Для обеспечения точности центровки катода и установки расстояния от модулятора до катода служат юстировочные диски, которые жестко связаны с модулятором, таким образом, что центры их отверстий соосны между собой и с отверстием модулятора посредством штабиков, изготовленных из стекла и одновременно присоединенных к пазам юстировочных дисков и модулятора с образованием механического соединения. Автокатод помещают в отверстия юстировочных дисков, жестко крепят к нижнему диску, затем собранный таким образом катодно-модуляторный узел посредством выводов модулятора устанавливают на монтажном цоколе, подсоединяют контактные выводы автокатода с последующей герметизацией и вакуумированием колбы. Подготовленное таким образом автоэмиссионное устройство готово к работе. Работает автоэмиссионное устройство известным образом.

Преимущества заявляемого автоэмиссионного устройства, как показали испытания, состоят в том, что остекловывание пучка углеродных волокон позволило повысить вибрационную стойкость катода, а повышение точности юстировки катода относительно модулятора привело к увеличению стабильности эмиссионного тока, повторяемости автоэмиссионных характеристик и долговечности автоэмиссионного устройства.

Автоэмиссионное устройство предназначено для использования в электронно-лучевых приборах с автоэлектронной эмиссией, а именно в зондовых приборах, экранах, растровых электронных микроскопах, а также может быть использовано в исследовательских и аналитических установках. Автоэмиссионное устройство содержит размещенные в вакуумной колбе автокатод, выполненный из пучка углеродных волокон, модулятор с отверстием и контактные выводы. Для обеспечения соосности или юстировки пучка волокон относительно модулятора пучок волокон автокатода заключен в диэлектрическую оболочку преимущественно из стекла, размещен в отверстиях юстировочных дисков, ориентированных соосно отверстия модулятора посредством штабиков из диэлектрического материала, в частности из стекла, жестко закрепленных в пазах дисков и модулятора равномерно по периметрам. Для увеличения контактирующей поверхности вывод автокатода может быть выполнен из электропроводного вещества, в частности аквадага, нанесенного на свободный от оболочки конец пучка волокон, и контактирующей с ним по боковой поверхности обечайки, с которой жестко соединен контактный вывод. Технический результат заключается в точной фокусировке электронного пучка, что способствует улучшению параметров и рабочих характеристик электронно-лучевых приборов. 1 ил.

Автоэмиссионное устройство, содержащее размещенные в вакуумной колбе автокатод, выполненный из пучка углеродных волокон, анод, модулятор с отверстием и контактные выводы, отличающееся тем, что пучок волокон заключен в оболочку из диэлектрика, размещен в отверстиях юстировочных дисков, ориентированных соосно отверстия модулятора посредством штабиков из диэлектрического материала, жестко закрепленных в пазах по периметрам дисков и модулятора, с которым соединены жесткие контактные выводы, при этом контактный узел автокатода выполнен из электропроводного вещества, нанесенного на свободный от оболочки конец пучка волокон, и контактирующей с ним по боковой поверхности обечайки, с которой жестко соединен контактный вывод автокатода.