ХОЛОДНЫЙ КАТОД, ИЗГОТОВЛЕННЫЙ ИЗ ПОРИСТОГО ПЕНОУГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2003 года по МПК H01J1/30 C25B11/12 C25B3/00 

Устройства, испускающие электроны, являются ключевыми компонентами многих современных технологических изделий. Например, сфокусированные "пучки" электронов, излучаемые такими устройствами, используются в рентгеновском оборудовании, высоковакуумных датчиках, широкоформатных дисплеях стадионного типа и аналитических устройствах, таких как сканирующий электронный микроскоп.

Стандартные устройства, испускающие электроны, работают путем извлечения электронов из катода, сделанного из материала, который легко высвобождает электроны при стимулировании известным образом. Обычно электроны испускаются катодом при приложении к катоду либо термоэлектронного стимула, либо электрического поля. Устройства, работающие с помощью приложения электрического поля, называются автоэмиссионными. Катоды, использующиеся в автоэмиссионных устройствах, соответственно известны как автоэмиссионные катоды и считаются "холодными" катодами, поскольку не требуют для работы использования источника тепла.

Автоэмиссия имеет различные преимущества перед термоэлектронным стимулом во многих случаях применения эмиссии электронов. Автоэмиссионное устройство (которое генерирует электрическое поле) обычно требует меньше энергии, чем термоэлектронное устройство (которое создает источник тепла) для выработки того же самого тока эмиссии, соответственно. Автоэмиссионные источники обычно в тысячи раз ярче, чем соизмеримые термоэлектронные источники. Дополнительная яркость может быть особым преимуществом при использовании в рекламных осветительных приложениях, таких как дисплеи стадионов, или там, где требуется использование пучков электронов, работающих в интенсивном фокусе, например в микроскопах.

Более того, источники тепла, использующиеся в термоэлектронных эмиссионных устройствах, в конце концов повреждают их, приводя к относительно быстрому "пережогу". В приложениях, требующих использования многих устройств, испускающих электроны, таких как телевизионные экраны для коллективного пользования на больших площадях, применение термоэлектронных эмиссионных устройств очень дорого из-за необходимости частой замены быстро перегорающих устройств.

Кроме того, для некоторых приложений термоэлектронные эмиссионные устройства не допустимы. Термоэлектронные устройства температурозависимы и, таким образом, не могут быть использованы в приложениях, работающих в экстремальных условиях или там, где температурные условия окружающей среды значительно варьируют по времени. Например, термоэлектронные устройства не могут хорошо работать в моторах и двигателях, где температурные условия могут колебаться от 70^o по Фаренгейту до -60^o по Фаренгейту в течение нескольких минут. В противоположность им автоэмиссионные устройства, которые работают относительно независимо от температурных условий, могут быть использованы в таких приложениях. Термоэлектронные устройства также не подходят для применения там, где тепло, используемое для высвобождения пучка электронов, может повредить среду, в которой должна возникнуть электронная эмиссия. Например, при использовании рентгеновских лучей, фокусирующихся около тела человека, термоэлектронная эмиссия нежелательна, так как применяемый источник тепла может причинить боль или повреждение объекту. Автоэмиссионные устройства позволяют избежать этого беспокойства, так как применяют и генерируют относительно мало тепла.

Среди различных материалов, известных своей пригодностью для выполнения холодных катодов, углеродсодержащие материалы, как было доказано, способны вырабатывать значительные токи эмиссии на протяжении длительного периода времени жизни в относительно низковакуумных средах (10^-7 Торр или менее). Углеродсодержащие материалы особенно желательны для применения в автоэмисии потому, что продукты химического взаимодействия углерода с наиболее распространенными газами (такими как кислород и водород) являются неконденсируемыми газами (такими как угарный газ, углекислый газ и метан), которые не загрязняют поверхность холодного катода.

Разработаны катоды, использующие алмазную пленку, объемный уголь или графит, однако они требуют приложения к катоду значительного напряжения, прежде чем начать генерировать существенную электронную эмиссию. Другие катоды, имеющие регулярные, рельефные поверхностные структуры, выполненные из углеродного материала, включают катоды, сконструированные из отдельных связанных друг с другом углеродных волокон, катоды, изготовленные на станках из углеродных стержней и матричные катоды с углеродной поверхностью, нанесенной при помощи фотолитографии и термохимического протравливания. Хотя такие катоды могут вырабатывать высокую плотность тока при использовании низких напряжений, они дороги в изготовлении, поскольку для их производства требуются сложные производственные процессы и/или ручная сборка.

Объектом настоящего изобретения является эффективный и надежный холодный катод, который может быть изготовлен просто и недорого.

Другим объектом настоящего изобретения является холодный катод, включающий эмиссионный элемент, выполненный из пористого пеноуглеродного материала, имеющий эмиссионную поверхность, которая характеризуется множеством эмиссионных ребер.

Другие объекты и преимущества настоящего изобретения станут ясны при рассмотрении холодного катода по настоящему изобретению вместе с приложенными чертежами, описанием и формулой изобретения.

Сущность изобретения
Предлагается холодный катод, включающий эмиссионный элемент, выполненный из пористого пеноуглеродного материала. Эмиссионный элемент имеет эмиссионную поверхность, характеризующуюся множеством эмиссионных ребер.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 показывает выполненную с помощью сканирующего электронного микроскопа микрофотографию эмиссионного элемента по настоящему изобретению, выполненного из Сетчатого Прозрачного Углерода^ТМ (СПУ) и имеющего срезанный вертикальный край.

Фиг. 2 показывает вариант автоэмиссионного устройства, использующего катод по настоящему изобретению.

Фиг. 3 представляет собой перспективное изображение катода по настоящему изобретению, имеющего эмиссионную поверхность, вырезанную таким образом, что она имеет параллельные прямоугольные пазы.

Фиг. 4 представляет собой поперечное сечение катода по настоящему изобретению, внутри которого врезан шуруп, который служит электрическим контактом.

Фиг. 5 является графиком типичных характеристик тока эмиссии/приложенного напряжения СПУ катодов, протестированных при значениях напряжения постоянного тока от низких до средних.

Фиг. 6 представляет собой поперечное сечение катода по настоящему изобретению, расположенного внутри никелевого колпачка.

Описание предпочтительных вариантов изобретения
На фиг. 1 показан пористый пеноуглеродный материал 10, используемый для выполнения эмиссионного элемента холодного катода по настоящему изобретению. Элемент, с которого сделана микрофотография, выполнен из Сетчатого Прозрачного Углерода^ТМ (СПУ). СПУ образует сетчатую структуру прозрачного углерода с открытыми ячейками, имеющую произвольную пористую структуру со статистически хорошим равномерным распределением пор. Типичные характеристики доступных в настоящее время пористых пеноуглеродных материалов перечислены в таблице.

Эмиссионный элемент катода по настоящему изобретению изготавливается путем образования из пористого пеноуглеродного материала эмиссионной поверхности, отличающейся множеством эмиссионных ребер. Эмиссионные ребра образуют фрагментарные ребра 12 отдельных поровых структур 13 на поверхности углеродного материала. Эти ребра 12 могут быть выполнены на эмиссионном элементе в соответствии с различными методами, включая, но не ограничиваясь, распиловку и сверление пеноуглеродного материала, или техники точного фрезерования. Предпочтительна обработка пеноуглеродного материала на станке, так как при этом образуются ясно очерченные твердые и острые ребра в трехмерной структуре эмиссионного элемента. Пеноуглеродный материал может быть обработан в катод желаемой формы одновременно с формированием эмиссионной поверхности. Фиг. 1 показывает СПУ материал, разрезанный так, что он образует трехмерную поверхностную структуру с вертикальным краем 14.

Во время работы электроны высвобождаются из эмиссионных ребер 12 пеноуглеродного материала при приложении к катоду электрического поля. Поскольку пеноуглеродный материал пористый и не имеет непрерывной поверхности, каждое ребро 12 отделено от каждого другого ребра 12, и электрическое поле, приложенное к пеноуглеродному материалу, будет усиливаться у каждого ребра 12, являясь причиной испускания электронов из пеноуглеродного материала на ребре 12. Используя преимущества произвольного распределения пор в пористом пеноуглеродном материале, настоящее изобретение позволяет избежать затрат рабочей силы и средств, требующихся для выполнения определенных эмиссионных точек на поверхности катода, при изготовлении холодного катода из углеродного материала, который хорошо работает при низких напряжениях и в низковакуумных условиях (10^-7 Торр или менее). СПУ катоды были успешно испытаны в такой низковакуумной среде, как 10^-6 Торр.

Катод по настоящему изобретению обеспечивает долгосрочную стабильность излучения благодаря использованию большого числа произвольно расположенных на эмиссионной поверхности катода поровых ребер. Катоды, работающие при помощи определенных эмиссионных точек, аккуратно выполненных в регулярном порядке, обычно не используют слишком большое количество эмиссионных точек и могут быть выведены из строя разрушением немногих ключевых областей излучения. В противоположность этому, поскольку катод по настоящему изобретению образует большое количество эмиссионных ребер, утрата нескольких эмиссионных ребер окажет незначительный эффект на вырабатываемый ток эмиссии. Более того, в катоде по настоящему изобретению разрушение эмиссионного ребра часто приводит к образованию нового порового ребра, которое будет работать вместо разрушенного.

Плотность тока, получаемого с катода, может регулироваться путем изменения количества эмиссионных ребер. Это может быть достигнуто варьированием пористости пеноуглеродного материала: более высокая степень пористости будет характеризоваться большим количеством пор 13 на дюйм (ppi) и соответственно большим количеством ребер 12 на той же площади поверхности. Соответственно, пористость используемого пеноуглеродного материала может быть выбрана в соответствии с уровнем плотности тока эмиссии, желаемым для конкретного приложения, в котором используется автоэмиссионное устройство с катодом по настоящему изобретению. Нижние пределы пористости материала диктуются по существу уменьшением количества эмиссионных точек с увеличением размеров пор. Подходящая пористость СПУ материалов по настоящему изобретению равна или больше 50 ppi. Верхние пределы пористости материала регулируются эффектом наложения тока: если эмиссионные ребра эмиссионной поверхности расположены слишком близко друг к другу, электроны не высвобождаются из каждого эмиссионного ребра, а вместо этого собираются в немногих эмиссионных объектах, снижая количество эффективных эмиссионных ребер и понижая уровень плотности тока эмиссии. Образцы СПУ, имеющие исходную пористость 100 ppi и подвергающиеся 2-х, 3-х, 5-ти и 10-ти кратному сжатию, при испытаниях автоэмиссионных приложений показали успешные результаты.

Форма эмиссионного элемента катода также может быть выбрана в соответствии с требованиями желаемого приложения, в котором он будет использоваться. Формы, имеющие большую, ровную эмиссионную поверхность, с которой может быть получен значительный ток эмиссии, будут пригодны для многих приложений, таких как рекламное освещение. Подходящие формы для катода по настоящему изобретению включают диски, кубы, цилиндры, стержни и параллелепипеды, но не ограничиваются ими.

СПУ является предпочтительным пористым пеноуглеродным материалом благодаря характеристикам, которыми он обладает и которые желательны при автоэмиссии. СПУ имеет максимальный объем пустот (до 97%) и большую площадь поверхности (до 66 см²/см³ на 100 ppi), что создает большое количество эмиссионных ребер на его эмиссионной поверхности. Более того, СПУ характеризуется высокооднородной микроморфологией. Как стекловидный материал, СПУ имеет значительно большую внутреннюю однородность пористой структуры, нежели природный графит. Соответственно, ток эмиссии, вырабатывающийся на эмиссионной поверхности СПУ, имеет более равномерное распределение, чем от природного графитового материала.

СПУ характеризуется также исключительной химической инертностью и устойчивостью к окислению. Эти особенности уменьшают риск химического взаимодействия ионов или молекул остаточных газов с поверхностью катода, что может быть критическим фактором при использовании холодного катода в ограниченной вакуумной среде. Твердость СПУ, его жесткая объемная структура и высокое сопротивление сжатию обеспечивают длительную прочность и позволяют производить легкую обработку материала до желаемой формы. Его высокое сопротивление растяжению противодействует силам, создаваемым сильными электрическими полями, которые оказывают растягивающее действие на структуру катода и являются причиной растяжения материала. Более того, СПУ имеет довольно высокое для углеродного материала удельное сопротивление (0,18-0,27 Ом•дюйм для СПУ по сравнению с 0,001-0,002 Ом•дюйм для твердого прозрачного углерода), что ограничивает локальные токи и таким образом уменьшает вероятность образования поверхностных токов. Это увеличивает срок службы катода.

СПУ обычно изготавливается высокотемпературным пиролизом под регулируемым давлением из природной полимерной смолы. В настоящее время СПУ можно приобрести у Энерджи Рисерч энд Дженерейшн, Инк. ("ЭРДж") в Окленде, Калифорния. Дестех Корпорейшн в Таксоне, Аризона, также продает прозрачный пеноуглерод с открытыми ячейками.

Следует понимать, однако, что пористый пеноуглеродный материал, используемый для производства катода по настоящему изобретению, не обязательно должен быть СПУ или производиться в соответствии с каким-то определенным способом. Изобретение направлено на использование поверхностной морфологии пористого углеродного материала для образования большого количества ребер, выступающих в качестве отдельных эмиссионных объектов. Материал должен иметь достаточно низкую пористость, чтобы не возникало наложение токов, но достаточно высокую пористость для надежного вырабатывания катодом значительного тока эмиссии. Инертность материала и его устойчивость к окислению должны быть достаточны для предотвращения риска химической реакции. Материал должен быть долговечным и иметь достаточное сопротивление растяжению, чтобы противостоять силам растяжения, возникающим внутри структуры катода. Его удельное сопротивление должно быть достаточно велико, чтобы значительные поверхностные токи не возникали во время работы автоэмиссионного устройства, в котором используется катод. Катод по настоящему изобретению может быть изготовлен из любого пористого пеноуглеродного материала, произведенного любым способом и имеющего описанные выше характеристики.

Катод по настоящему изобретению может быть использован в любой области применения эмиссионных устройств. Фиг. 2 представляет собой пример простого автоэмиссионного устройства 20, в котором может быть использован катод по настоящему изобретению. Катод по настоящему изобретению 22, имеющий эмиссионную поверхность 24, и анод 26 заключены в вакуумной колбе, в которой создан достаточно высокий вакуум, что предотвращает нежелаемые химические реакции с остаточными газами при возбуждении электронной эмиссии. Управляющий электрод 30 расположен между катодом 22 и анодом 26 так, что эмиссионная поверхность 24 катода 22 отделена от управляющего электрода 30 расстоянием L1, а управляющий электрод 30 отделен от анода 26 расстоянием L2. Катод 22 предпочтительно располагается внутри изолирующего элемента 32 так, что изолирующий элемент 32 не преграждает путь от эмиссионной поверхности 24 до управляющего электрода 30. Изолирующий элемент 30 выполняет функцию электрической изоляции управляющего электрода 30 от катода 22 при сборке управляющего электрода 30 и катода 22 в одну конструкцию, обеспечивая соблюдение соответствующего расстояния L1. Контакт 34 катода, контакт 36 анода и контакт 38 управляющего электрода располагаются, соответственно, в катоде 22, аноде 26 и управляющем электроде 30 и выходят за границы вакуумной колбы 28 так, что перепад напряжений между катодом 22, анодом 26 и управляющим электродом 30 может быть достигнут подключением средства для создания перепада напряжений (не показано) к контактам.

При работе первый перепад напряжений прикладывается к катоду 22 и аноду 26, создавая между катодом 22 и анодом 26 электрическое поле, которое направляет электроны, испускаемые с поверхности катода 22, к аноду 26 через вакуумную среду 40, но вырабатывает незначительный ток эмиссии, если прикладывается независимо. Если желательно получить эмиссию, прикладывается второй перепад напряжений той же полярности, что и первый перепад напряжений, к катоду 22 и управляющему электроду 30, генерируя электрическое поле, достаточное для вырабатывания желаемого тока эмиссии. Желательно такое использование управляющего электрода 30, поскольку уровень тока эмиссии, вырабатываемого автоэмиссионным устройством, может регулироваться малым увеличением второго перепада напряжений. Оба перепада напряжений могут создаваться заземлением катода 22 и приложением положительного напряжения к управляющему электроду 30 и аноду 26, но следует понимать, что могут быть задействованы и другие средства получения обоих перепадов напряжения. Расстояния L1 и L2, а также первый и второй перепады напряжений следует выбирать так, чтобы они отвечали требованиям конкретного приложения, на которое ориентировано автоэмиссионное устройство 20, создающее эмиссионные эффекты, описанные выше.

Простое автоэмиссионное устройство 20, описанное выше, сконфигурировано так, что может выступать в роли катодо-люминисцентного источника освещения и может быть изготовлено из материалов, обычно используемых в устройствах типа электронно-лучевой трубки. Например, вакуумная колба 28 может быть стеклянной колбой, в то время как управляющий электрод 30 может быть сеткой, подвешенной на раме, поддерживаемой керамическими изоляторами 32. Материалы, пригодные для изготовления управляющего электрода 30, но не ограничивающиеся ими, включают тугоплавкие металлы с низким давлением пара, такие как платина, золото, молибден, никель или нихром, и проводящие неметаллы, такие как угольная сетка.

Следует понимать, что катод по настоящему изобретению может использоваться во множестве вариантов эмиссионных приложений и его применение не ограничивается автоэмиссионным устройством 20. Возможные приложения, в которых может применяться катод по настоящему изобретению, включают, но не ограничены этим списком, широкоформатные экраны стадионного типа, источники рентгеновского излучения (которые потенциально могут быть использованы in vitro), высоковакуумные датчики, плоские телевизионные экраны, цифровые или графические индикаторы, контржурные осветители для жидкокристаллических дисплеев, ультравысоковольтные устройства, такие как клистроды (clystrodes) или магнетроны, аналитические приборы, такие как сканирующий электронный микроскоп, и приборы для микротехнологий, такие как электронно-лучевые испарители и нагреватели.

Результаты экспериментов
Были испытаны различные конфигурации эмиттеров из сетчатого прозрачного углерода. Тестируемые СПУ катоды были изготовлены из кускового СПУ материала и отформованы разрезанием СПУ материала вручную с помощью ножа или лезвия бритвы либо на станке. Было испытано некоторое количество форм простых СПУ катодов, включая цилиндры, имеющие диаметр приблизительно 3 мм, пирамиды и кубические и прямоугольные блоки со сторонами, имеющими длину в диапазоне от 3 до 5 мм.

Эмиссионная поверхность каждого СПУ катода была сформирована во время разрезания или обработки на станке каждого СПУ катода. Для некоторых из тестируемых СПУ катодов эмиссионная поверхность была сделана плоской. На фиг. 3 изображены другие тестируемые СПУ катоды, которые были вырезаны или обработаны на станке для получения трехмерной эмиссионной поверхности 100, сформированной вырезанными в эмиссионной поверхности параллельными прямоугольными пазами 102. При испытаниях СПУ катоды, имеющие трехмерную эмиссионную поверхность, как показано на фиг. 3, в основном вырабатывали большие токи эмиссии, чем при приложении такого же напряжения к катодам, имеющим плоскую эмиссионную поверхность.

Каждый тестируемый СПУ катод был снабжен контактом в виде шурупа или гладкой гибкой проволоки, сделанным из нержавеющей стали или из молибдена. Шуруп 104 (фиг. 4) или гибкую проволоку погружают одним концом в препарат из коллоидного графита и изопропанола, такой как Electrodag^ТМ (Электродаг^ТМ) или Aquadag^ТМ (Аквадаг^ТМ), которые производятся Эчесон Коллоидз Компани в Порте Гурон, Мичиган. Затем этот конец шурупа или проволоки ввинчивается или вдавливается в поверхность 106 СПУ катода 108, расположенную напротив эмиссионной поверхности 100 катода, до тех пор, пока шуруп или проволока не погрузится в катод на глубину d₁ от двух до пяти миллиметров. В некоторых из тестируемых СПУ катодах препарату коллоидного графита, который служит в качестве клея, давали высохнуть на воздухе без обжига в течение трех-четырех часов. Другие тестируемые СПУ катоды обжигали при температуре от 150 до 200^oС до получаса, чтобы высушить препарат коллоидного графита. Обожженный или высушенный на воздухе, препарат коллоидного графита, который является и электро-, и теплопроводящим, обеспечивает достаточное механическое и электрическое соединение контакта и СПУ катода для целей тестирования. После испытаний было установлено, что использование шурупа или рифленой проволоки или нити в качестве контакта предпочтительнее, чем использование гладкой проволоки, поскольку резьба шурупа, или ребра проволоки, или нити усиливают соединение контакта с СПУ катодом.

Испытания при напряжениях от низких до средних
Были проведены тесты на работу СПУ катодов при напряжениях от низких до средних в диапазоне от 500 до 6000 В. Тестируемые СПУ катоды были изготовлены из кусковых СПУ материалов и имели пористость в 50, 60, 80 и 100 ppi, или были выполнены из СПУ материала пористостью 100 ppi, который затем был сжат с коэффициентом от двух до 10. Каждый СПУ катод помещали в вакуумную камеру из нержавеющей стали. Для инкапсулирования СПУ катода не использовали никакой изоляционный материал во избежание риска поверхностной утечки электричества с катода на изоляционный материал. Каждая вакуумная камера из нержавеющей стали была оснащена ионным насосом или турбонасосом, способным понижать давление внутри вакуумной камеры до 10^-9 Торр.

СПУ катоды тестировались и в диодной, и в триодной конфигурации. В диодной конфигурации анод располагали в вакуумной камере на расстоянии от двух до пяти миллиметров от катода. В качестве анодов испытывались три типа фосфорных экранов. Первый тип фосфорного экрана изготовляли осаждением автоэмиссионного люминофора Р-22 на металлический диск. Второй тип фосфорного экрана изготовляли осаждением автоэмиссионного люминофора Р-22 на стеклянный диск, покрытый оксидом олова и индия (ИОО). Третий тип фосфорного экрана изготовляли осаждением автоэмиссионного люминофора Р-22 на стеклянный диск с последующим алитированием задней стороны стеклянного диска поверх осажденного люминофора. Автоэмиссионный люминофор Р-22 можно приобрести у Осрэм Сильвания в Тауанде, Пенсильвания.

В триодной конфигурации анод располагали в вакуумной камере на расстоянии от двух до пяти сантиметров от катода, а решетку модулятора из нержавеющей стали размещали между СПУ катодом и анодом. Решетка модулятора служила для тех же целей, что и управляющий электрод 30, о котором говорится в описании автоэмиссионного устройства 20 на фиг. 2. При уменьшении расстояния между СПУ катодом и решеткой модулятора уменьшался уровень напряжения, которое требуется приложить к управляющему электроду для стимулирования эмиссии на СПУ катоде, а размещение управляющего электрода слишком близко к катоду может закоротить катод из-за гибкости решетки модулятора. Тестирование показало, что размещение решетки модулятора из нержавеющей стали на расстоянии от одной десятой миллиметра до одного миллиметра от СПУ катода дает хороший результат.

При испытаниях и диодной, и триодной конфигураций в вакуумной камере создавали давление от 10^-6 до 10^-9 Торр. Использовали две схемы подачи напряжений. По первой схеме СПУ катоды заземляли, а на анод, при диодной конфигурации, или на решетку модулятора, при триодной конфигурации, подавали высокое положительное напряжение. По второй схеме высокое отрицательное напряжение подавалось на СПУ катоды, а анод, при диодной конфигурации, или решетка модулятора, при триодной конфигурации, заземлялись. При испытаниях в диапазоне от низких до средних значений напряжения подавалось напряжение постоянного тока.

На фиг. 5 показаны зависимости тока эмиссии от приложенного напряжения на СПУ катодах, испытанных в диапазоне от низких до средних значений напряжения постоянного тока в диодной конфигурации. Линия А демонстрирует выработку тока эмиссии в зависимости от приложенного в начальный момент напряжения, в то время как линия В демонстрирует выработку тока эмиссии в зависимости от приложенного напряжения, если напряжение прилагалось более 30 мин.

При испытаниях большинство СПУ катодов вырабатывали нестабильный ток эмиссии после начального приложения напряжения, который характеризовался серией пиков тока эмиссии, как показано на линии А фиг. 5. Автоэмиссионная картина, видимая на фосфорном экране (аноде), соответствовала вариациям тока эмиссии. Период нестабильности тока эмиссии варьировал на тестируемых СПУ катодах от нескольких минут до приблизительно двух часов. После периода нестабильности ток эмиссии стабилизировался так, что колебания составляли от десяти до двадцати процентов от среднего значения. Эти колебания сохранялись в течение всего оставшегося тестируемого срока действия катода. В цепь катода и/или анода для уменьшения магнитуды колебаний во время испытаний последовательно включались балластные резисторы, имеющие сопротивление в диапазоне от 10 до 500 МОм.

Считают, что период нестабильности, который обозначили как "формирование" тока эмиссии, возникает из-за (i) десорбции загрязняющих веществ, изначально присутствующих на эмиссионной поверхности СПУ катода и (ii) из-за разрушения самых острых эмиссионных ребер СПУ материала. После того как загрязняющие вещества десорбируются и самые острые эмиссионные ребра разрушатся, ток распределяется более равномерно на множестве эмиссионных участков, находящихся на эмиссионной поверхности катода. Колебания тока эмиссии в диапазоне от десяти до двадцати процентов, присутствующие после периода формирования, могут возникать из-за статистического уравновешивания разрушения эмиссионных участков на эмиссионной поверхности и возникновения новых эмиссионных участков, поскольку разрушение приводит к образованию новых эмиссионных ребер, что ведет к постоянному перераспределению тока эмиссии среди множества эмиссионных участков.

СПУ катоды могут быть вырезаны из кускового СПУ материала при помощи лазера. СПУ катоды, изготовленные при помощи лазерного разрезания, могут иметь более короткий период формирования до стабилизации тока эмиссии, поскольку лазерное разрезание оставляет меньше загрязняющих веществ на эмиссионной поверхности и образует эмиссионную поверхность, имеющую эмиссионные ребра, которые более однородны, чем сформированные при ручной или машинной обработке.

Высоковольтные испытания и фокусирование пучка
Шесть СПУ катодов были испытаны при высоком напряжении. Эти катоды были изготовлены из кусковых СПУ материалов и имели пористость от 50 до 100 ppi, или были изготовлены из СПУ материала с пористостью 100 ppi, который затем был сжат с коэффициентом от 10 до 20. Каждый СПУ катод был помещен в высоковакуумную камеру из нержавеющей стали с ионным или турбонасосом, способным понижать давление в вакуумной камере до 10^-9 Торр. Для инкапсулирования СПУ катода не использовали никакой изоляционный материал. Анод располагали на расстоянии от 8 до 15 см от СПУ катода. Анод был выполнен из круглой металлической пластины с диаметром в пятнадцать сантиметров, которая покрывалась автоэмиссионным люминофором Р-22.

Во время испытаний в вакуумную камеру подавали базовое давление в приблизительно 5•10^-8 Торр. К СПУ катоду прикладывали отрицательное напряжение до 55 кВ, а анод заземляли. Отрицательное напряжение прикладывали и в импульсном режиме, и в режиме постоянного тока. Выработка тока эмиссии привела к значительной дегазации анода и в результате к общему давлению в вакуумной камере в приблизительно 10^-6 Торр. Во время работы вакуумная камера из нержавеющей стали была окружена свинцовыми пластинами из-за риска возникновения рентгеновского излучения и использовался портативный датчик рентгеновских лучей для постоянного контроля за уровнем рентгеновских лучей снаружи свинцовых пластин.

Все шесть образцов вырабатывали токи эмиссии до 10 мА, которые оставались стабильными (колебания в пределах 10-20% от среднего значения) в течение периода наблюдения от двух до четырех часов. Однако уширение пучка испускаемых электронов было существенно большим, так что электронное пятно превысило диаметр анода, и часть электронного пучка улавливалась стенками вакуумной камеры.

На фиг. 6 представлены результаты проведенных тестов, при которых уширение пучка было значительно уменьшено расположением СПУ катода внутри колпачка 110. Были испытаны колпачки 110, изготовленные из никеля, и колпачки, изготовленные из нержавеющей стали. Эмиссионная поверхность 100 СПУ катода была размещена в углублении колпачка 110 на расстоянии от переднего края 112 колпачка 110 приблизительно в 4 миллиметра. Однако использование колпачка 110 сделало необходимым увеличение отрицательного напряжения, приложенного к катоду для выработки такого же среднего тока эмиссии. Например, напряжение в -55 кВ, приложенное к СПУ катодам, помещенным в колпачок 110 на расстоянии в 4 миллиметра от наружного края колпачка, вырабатывало такой же средний ток эмиссии, как и напряжение в -37 кВ, приложенное к СПУ катодам без колпачка 110.

Хотя вышеупомянутое изобретение подробно описано иллюстративно для целей наилучшего понимания, совершенно очевидно для специалистов, что определенные изменения и модификации могут быть внесены в изобретение, не выходя за рамки заявленной формулы изобретения.

Изобретение относится к холодным катодам и устройствам с их использованием. Описывается холодный катод, включающий эмиссионный элемент, выполненный из пористого пеноуглеродного материала. Эмиссионный элемент имеет эмиссионную поверхность, характеризующуюся множеством эмиссионных ребер. Описано также автоэмиссионное устройство, включающее указанный катод, анод, окружающую их вакуумную среду и средство для поддержания перепада напряжений между катодом и анодом. Достигается повышение эффективности и надежности холодного катода при упрощении его изготовления, а также повышение стабильности эмиссии. 2 с. и 13 з.п.ф-лы, 1 табл., 6 ил.

1. Холодный катод, включающий эмиссионный элемент, выполненный из пористого пеноуглеродного материала, причем указанный эмиссионный элемент имеет эмиссионную поверхность, характеризующуюся множеством эмиссионных ребер. 2. Холодный катод по п.1, отличающийся тем, что указанный эмиссионный элемент содержит множество пор, а указанные эмиссионные ребра выдаются из указанных пор на указанную эмиссионную поверхность. 3. Холодный катод по п.2, отличающийся тем, что указанный пористый пеноуглеродный материал обладает пористостью, причем указанная пористость больше или равна 50 порам на дюйм. 4. Холодный катод по п.3, отличающийся тем, что указанная пористость указанного пористого пеноуглеродного материала меньше или равна 1000 порам на дюйм. 5. Холодный катод по п.4, отличающийся тем, что указанный пористый пеноуглеродный материал имеет объем пустот в диапазоне от 90 до 97%. 6. Холодный катод по п.5, отличающийся тем, что указанный пористый пеноуглеродный материал обладает сопротивлением сжатию, по меньшей мере, 40 фунтов на квадратный дюйм. 7. Холодный катод по п.6, отличающийся тем, что указанный пористый пеноуглеродный материал обладает сопротивлением растяжению, по меньшей мере, 25 фунтов на квадратный дюйм. 8. Холодный катод по п.7, отличающийся тем, что указанный пористый пеноуглеродный материал обладает твердостью, по меньшей мере, 6 по Моосу. 9. Холодный катод по п.8, отличающийся тем, что указанный пористый пеноуглеродный материал обладает удельным сопротивлением в диапазоне от 0,18 до 0,27 Ом•дюйм. 10. Холодный катод по п.9, отличающийся тем, что указанный пористый пеноуглеродный материал является Сетчатым Прозрачным Углеродом^ТМ. 11. Автоэмиссионное устройство, включающее катод, выполненный из пористого пеноуглеродного материала, причем указанный катод имеет эмиссионную поверхность, характеризующуюся множеством эмиссионных ребер, анод, вакуумную среду, окружающую указанный катод и указанный анод, и средства для поддерживания перепада напряжений на указанном катоде и указанном аноде так, что множество электронов испускается с указанных эмиссионных ребер указанного катода в направлении указанного анода. 12. Автоэмиссионное устройство по п.11, дополнительно включающее колпачок внутри указанной вакуумной среды, причем указанный колпачок имеет передний край, а указанный катод располагается внутри колпачка так, что указанная эмиссионная поверхность указанного катода отодвинута вглубь от указанного переднего края указанного колпачка. 13. Автоэмиссионное устройство по п.12, отличающееся тем, что указанный колпачок изготовлен из никеля. 14. Автоэмиссионное устройство по п.12, отличающееся тем, что указанный колпачок изготовлен из нержавеющей стали. 15. Автоэмиссионное устройство по п.12, отличающееся тем, что указанная эмиссионная поверхность указанного катода характеризуется серией параллельных прямоугольных пазов в указанном пористом пеноуглеродном материале.

Приоритеты по пунктам:
27.02.1998 по пп.1-10;
08.07.1998 по пп.11-15.