ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА Российский патент 2004 года по МПК H01J29/48 

Изобретение относится к области создания электронных пушек, используемых в телевизионных кинескопах, компактных рентгеновских трубках, электронных ускорителях.

Одним из важнейших требований к электронной пушке, используемой для любого из вышеперечисленных применений, является требование возможности осуществления достаточно низковольтного управления электронным током. В частности, в кинескопах электронный ток должен изменяться от нулевого до максимального при изменении напряжения на модуляционном электроде на 130-150 В при полной энергии электронов порядка 30-35 кВ. По возможности величина управляющего напряжения должна быть еще снижена, что обеспечит использование более дешевых электронных компонент в системах управления током пушки. Такое низковольтное управление возможно только при использовании дополнительных сеточных электродов.

В электронных пушках с термокатодом возможность достаточно низковольтного управления обеспечивает создание области объемного заряда электронов путем подачи запирающего напряжения на ближайший к катоду сеточный электрод [1].

В электронных пушках с автокатодом обычно используют модуляцию тока по вытягивающему напряжению на ближайшем к катоду сеточном электроде [2].

Применение в электронных пушках традиционных острийных (Шпинтовских) катодов нецелесообразно, т.к. сеточный узел формируется одновременно с катодом, при этом каждое эмиттирующее острие имеет управляющий катод, что требует использования методов микронной и даже субмикронной литографии. Это резко удорожает их производство.

Применение автоэмиссионных катодов в электронных пушках может найти широкое применение в качестве замены термокатоду. Основным преимуществом автоэмиссионных катодов по сравнению с термокатодами является отсутствие внешнего нагревателя, более высокая токоотдача, высокая стабильность, низкая угловая расходимость эмиттированных электронов.

Известна электронная пушка, содержащая плоский автоэмиссионный катод и расположенную над ним висящую плоскую управляющую проводящую сетку с равномерно расположенными на поверхности сетки сквозными отверстиями [3]. Для плоских углеродных катодов, эмиттирующая поверхность которых выполнена в виде наноструктурных пленок наиболее приемлемым с технологической и экономической точки зрения является формирование общего для нескольких эмиссионных центров или всего катода сеточного узла. Такой узел может быть выполнен в виде сетки с диаметром отверстий R, расположенных с шагом h, помещенной на расстоянии d от катода. Для минимизации управляющего напряжения расстояние сетка - катод должны быть как можно меньше. Однако в случае подачи вытягивающего напряжения расстояние d должно быть существенно больше R, иначе ток на сетку будет существенно больше тока пушки. Последнее приведет к перегреву сетки, ее провисанию под действием электрического поля и разрушению как сетки, так и катода. Проблемы теплоотвода и механической прочности не позволяют использовать сетку с R менее 10-20 мкм и прозрачностью более 70 - 80%. Это требует установления d порядка 30-40 мкм, что в свою очередь приведет к росту управляющих напряжений (при использовании углеродных катодов, эмиттирующая поверхность которых выполнена в виде наноструктурных пленок) до 400-600 В.

В случае работы сетки в запирающем режиме, т.е. когда напряженность электрического поля на поверхности катода, необходимая для эмиссии электронов, обеспечивается подачей необходимого напряжения на анод или дополнительный электрод, а на сетку подается потенциал, снижающий напряженность поля у катода, паразитный ток на сетку может быть существенно меньше, однако в этом случае формируется высокая напряженность поля в области управляющая сетка - анод (дополнительный электрод), что может привести к пробою или паразитной эмиссии с сетки.

Основным недостатком такой электронной пушки с плоским автоэмиссионным катодом является высокий сеточный ток и низкий ресурс работы.

Целью настоящего изобретение является решение проблемы снижения высокого сеточного тока при сохранении основных преимуществ электронных пушек с автоэмиссионным катодом.

Поставленная задача решается в конструкции электронной пушки, содержащей плоский автоэмиссионный катод и расположенную над ним висящую плоскую управляющую проводящую сетку с равномерно расположенными на поверхности сетки сквозными отверстиями, за счет выполнения висящей плоской управляющей проводящей сетки в виде проводящего слоя и слоя диэлектрика. Висящая плоская управляющая проводящая сетка расположена от автоэмиссионного катода на расстоянии от 5 до 100 мкм и толщина ее составляет от 10 до 100 мкм. Диаметр отверстий составляет от 1 до 40 мкм, шаг отверстий составляет от 2 до 100 мкм. Форма отверстий висящей плоской управляющей проводящей сетки может быть произвольной, но предпочтительнее круглая или в форме многогранников.

Висящая плоская управляющая проводящая сетка в электронной пушке может работать в вытягивающем и запирающем режимах.

При работе висящей плоской управляющей проводящей сетки в вытягивающем режиме слой диэлектрика расположен со стороны автоэмиссионного катода. При выполнении висящей плоской управляющей проводящей сетки в качестве основы может быть взят проводящий слой, тогда слой диэлектрика выполняется в виде покрытия от 0.01 до 10 мкм, покрывающего проводящий слой от 80 до 100%, при этом непокрытые области проводящего слоя расположены вокруг отверстий. При выполнении висящей плоской управляющей проводящей сетки в качестве основы может быть взят также и слой диэлектрика, а проводящий слой выполнен в виде покрытия толщиной от 0.1 до 5 мкм и покрывает слой диэлектрика полностью.

При работе висящей плоской управляющей проводящей сетки в запирающем режиме слой диэлектрика расположен со стороны, противоположной автоэмиссионному катоду, при этом проводящий слой покрыт слоем диэлектрика полностью.

При работе висящей плоской управляющей проводящей сетки в запирающем режиме, когда слой диэлектрика расположен со стороны, противоположной автоэмиссионному катоду, в качестве основы может быть взят проводящий слой, при этом слой диэлектрика выполнен в виде покрытия от 0.01 до 10 мкм и полностью покрывает проводящий слой, а если в качестве основы взят слой диэлектрика, то проводящий слой выполнен в виде покрытия толщиной от 0.1 до 5 мкм и покрывает слой диэлектрика полностью.

Возможно выполнение висящей плоской управляющей проводящей сетки, когда на проводящем слое со стороны, противоположной расположению первого слоя диэлектрика, дополнительно расположен второй слой диэлектрика.

При выполнении висящей плоской управляющей проводящей сетки трехслойной в качестве основы может быть взят дополнительный второй слой диэлектрика, расположенный на проводящем слое со стороны, противоположной автоэмиссионному катоду, проводящий слой может быть выполнен в виде покрытия толщиной от 0.1 до 5 мкм и полностью покрывающим этот слой диэлектрика, а первый слой диэлектрика, расположенный со стороны автоэмиссионного катода выполнен в виде покрытия от 0.01 до 10 мкм, покрывающего проводящий слой от 80 до 100%, при этом непокрытые области проводящего слоя расположены вокруг отверстий.

Проводящий слой и слои диэлектрика могут быть выполнены из материалов, имеющих коэффициенты теплового расширения одного порядка.

Плоский автоэмиссионный катод может быть выполнен в виде плоского углеродного катода, пленочный эмиттер которого, расположенный на диэлектрической подложке, выполнен в виде наноструктурной пленки, например, в виде нанокристаллической или нанотрубчатой структуры.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема электронной пушки для случая работы висящей плоской управляющей проводящей сетки в вытягивающем режиме, на фиг.2 представлена схема электронной пушки для случая работы висящей плоской управляющей проводящей сетки в запирающем режиме, а на фиг.3 представлена схема электронной пушки, когда на плоскую управляющую проводящую сетку нанесен второй слой диэлектрика.

На фиг.1 представлена схема с автоэмиссионным катодом, содержащим пленочный эмиттер 1, нанесенный на диэлектрическую подложку 2, висящая плоская управляющая проводящая сетка, состоящая из проводящего слоя 3 и диэлектрического слоя 4. Диэлектрический слой 4 расположен со стороны пленочного эмиттера 1.

На фиг.2 представлена схема с автоэмиссионным катодом, содержащим пленочный эмиттер 1, нанесенный на диэлектрическую подложку 2, висящая плоская управляющая проводящая сетка, состоящая из проводящего слоя 3 и диэлектрического слоя 4. Диэлектрический слой 4 расположен на проводящем слое 3 со стороны, противоположной пленочному эмиттеру 1.

На фиг.3 представлена схема с автоэмиссионным катодом, содержащим пленочный эмиттер 1, нанесенный на диэлектрическую подложку 2, висящая плоская управляющая проводящая сетка, состоящая из проводящего слоя 3, расположенного между первым слоем диэлектрика 4 и вторым слоем диэлектрика 5.

Работа электронной пушки осуществляется следующим образом.

В случае работы висящей плоской управляющей проводящей сетки в вытягивающем режиме на проводящий слой 3 подается положительный по отношению к пленочному эмиттеру 1 потенциал, создающий вблизи его поверхности напряженность поля, достаточную для появления требуемого тока эмиссии. Первоначально эмиссионный ток будет распределен либо равномерно по пленочному эмиттеру 1 (в случае d>>R), либо существенно большая часть тока будет эмиттироваться непосредственно под открытыми участками проводящего слоя 3 висящей плоской управляющей проводящей сетки. Во всех случаях часть электронов попадет на диэлектрический слой 4, что приведет к его зарядке и падению напряженности поля на пленочном эмиттере 1 в областях под диэлектрическим слоем 4, а значит к уменьшению паразитного тока на сетку.

В случае работы плоской управляющей проводящей сетки в запирающем режиме диэлектрический слой 4 препятствует появлению паразитной эмиссии с поверхности проводящего слоя 3.

При выполнении висящей плоской управляющей проводящей сетки со вторым слоем диэлектрика, когда проводящий слой 3 расположен между слоями диэлектрика 4 и 5, возможна работа в любом режиме, как вытягивающем, так и запирающем.

Висящая плоская управляющая проводящая сетка выполняется толщиной от 10 до 100 мкм. При толщине сетки менее 10 мкм возникают проблемы с ее прочностью, а при толщине более 100 мкм неприемлемо возрастает перехват тока внутри отверстия.

Когда слои диэлектрика выполняются в виде покрытия, то толщина покрытия выбирается от 0.01 до 10 мкм, т.к. при меньшей толщине слоя диэлектрика возникают проблемы с его электрической прочностью, а большая толщина может привести к проблемам с адгезией (из-за внутренних напряжений).

Когда проводящий слой выполняется в виде покрытия, то толщина покрытия выбирается от 0.1 до 5 мкм. Проводящий слой меньшей толщины не обеспечит необходимой проводимости, а нанесение слоев большей толщины требует больших затрат.

Диаметр отверстий плоской управляющей проводящей сетки составляет от 1 до 40 мкм, а шаг отверстий составляет от 2 до 100 мкм. При меньшем размере отверстий возникают проблемы механической прочности или прозрачности. При большем размере отверстий потребуется использовать расстояние d того же порядка, что приведет к неприемлемому росту управляющего напряжении. При использовании плоского автоэмиссионного катода висящая плоская управляющая проводящая сетка расположена от него на расстоянии от 5 до 100 мкм. Расположение висящей плоской управляющей проводящей сетки на расстоянии, меньшем 5 мкм, технологически невыполнимо, а на расстоянии, большем 100 мкм, потребуется подача на сетку больших напряжений. Оптимальное расстояние от 10 до 30 мкм.

Выбор площади покрытия проводящего слоя от 80 до 100% и расположение непокрытых областей проводящего слоя вокруг отверстий при выполнении слоя диэлектрика, расположенного со стороны автоэмиссионного катода, обусловлен с одной стороны требованиями сохранения возможности низковольтного управления, а с другой стороны требованием уменьшения сеточного тока.

Материалом проводящего слоя 3 может быть любой проводник, используемый в вакуумной электронике и подходящий для получения сеток с микронными ячейками. В качестве таких материалов могут быть использованы ковар, никель, нержавеющая сталь, различные хром-никелевые сплавы, и т.д.

В качестве материала слоев диэлектрика могут быть использованы любые диэлектрики, имеющие коэффициенты теплового расширения (КТР) не сильно отличающиеся от КТР материала сетки. Основным требованием к покрытию является сохранение электрической прочности после прохождения всех технологических процессов создания всего изделия, в котором электронная пушка будет использоваться.

Выбор в качестве основы висящей плоской управляющей проводящей сетки проводящего слоя 3 или диэлектрических слоев 4 или 5 диктуется способом изготовления. В случае использования в качестве основы сетки проводящего слоя 3 слой диэлектрика 4 наносится в виде покрытия. В случае использования в качестве основы слоя диэлектрика 4 проводящий слой 3 наносится в виде проводящего покрытия методами металлизации.

В качестве дополнительного положительного эффекта применения плоской управляющей проводящей сетки с диэлектрическим слоем следует отметить обеспечение дополнительной жесткости сетки и обеспечение дополнительного теплоотвода.

Использование предлагаемой электронной пушки в телевизионных кинескопах, компактных рентгеновских трубках, электронных ускорителях позволяет снизить энергопотребление, повысить ресурс, снизить трудоемкость при изготовлении.

Источники информации

1. С.А.Ельяшкевич. Цветные стандартные телевизоры и их ремонт. М.: Радио и связь, с.18.

2. Патент US №63297, H 01 J 1/02, 11.12.2001.

3. Yahachi Saito, Sashiro Uemura. Field emission from carbon nanotubes and its application to electron sources. Carbon 38 (2000), p.178.

Изобретение относится к области создания электронных пушек для телевизионных кинескопов, компактных рентгеновских трубок, электронных ускорителей. В электронной пушке, содержащей плоский автоэмиссионный катод, висящая плоская управляющая проводящая сетка выполнена в виде проводящего слоя и слоя диэлектрика. При работе сетки в вытягивающем режиме слой диэлектрика расположен со стороны автоэмиссионного катода и покрывает проводящий слой от 80 до 100%, при этом непокрытые области проводящего слоя расположены вокруг отверстий, а при работе сетки в запирающем режиме слой диэлектрика расположен со стороны, противоположной автоэмиссионному катоду, при этом проводящий слой покрыт слоем диэлектрика полностью. На проводящем слое со стороны, противоположной расположению первого слоя диэлектрика, расположен второй слой диэлектрика, при этом сетка может работать как в вытягивающем, так и запирающем режимах. Плоский автоэмиссионный катод может быть выполнен в виде плоского углеродного катода, эмиттер которого выполнен в виде наноструктурной пленки. Отверстия могут быть, например, круглыми или многогранными. Использование предлагаемой электронной пушки в телевизионных кинескопах, компактных рентгеновских трубках, электронных ускорителях позволяет снизить энергопотребление, повысить ресурс, снизить трудоемкость при изготовлении. 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электронная пушка, содержащая плоский автоэмиссионный катод и расположенную над ним висящую плоскую управляющую проводящую сетку с равномерно расположенными на поверхности сетки сквозными отверстиями, отличающаяся тем, что висящая плоская управляющая сетка выполнена в виде проводящего слоя и слоя диэлектрика.2. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что проводящий слой и слой диэлектрика выполнены из материалов, имеющих коэффициенты теплового расширения одного порядка.3. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что толщина висящей плоской управляющей проводящей сетки составляет от 10 до 100 мкм, диаметр отверстий составляет от 1 до 40 мкм, а шаг отверстий составляет от 2 до 100 мкм.4. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что отверстия висящей плоской управляющей проводящей сетки выполнены круглой формы.5. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что отверстия висящей плоской управляющей проводящей сетки выполнены в форме многогранников.6. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что висящая плоская управляющая проводящая сетка расположена от автоэмиссионного катода на расстоянии от 5 до 100 мкм.7. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что при работе висящей плоской управляющей проводящей сетки в вытягивающем режиме слой диэлектрика расположен со стороны автоэмиссионного катода.8. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что при работе висящей плоской управляющей проводящей сетки в вытягивающем режиме, когда слой диэлектрика расположен со стороны автоэмиссионного катода, проводящий слой выполнен в качестве основы висящей плоской управляющей проводящей сетки, а слой диэлектрика выполнен в виде покрытия толщиной от 0,01 до 10 мкм, покрывающего проводящий слой от 80 до 100%, при этом непокрытые области проводящего слоя расположены вокруг отверстий.9. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что при работе висящей плоской управляющей проводящей сетки в вытягивающем режиме, когда слой диэлектрика расположен со стороны автоэмиссионного катода, слой диэлектрика выполнен в качестве основы висящей плоской управляющей проводящей сетки, а проводящий слой выполнен в виде покрытия толщиной от 0,1 до 5 мкм и покрывает слой диэлектрика полностью.10. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что при работе висящей плоской управляющей проводящей сетки в запирающем режиме слой диэлектрика расположен со стороны, противоположной автоэмиссионному катоду, при этом проводящий слой покрыт слоем диэлектрика полностью.11. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что при работе висящей плоской управляющей проводящей сетки в запирающем режиме, когда слой диэлектрика расположен со стороны, противоположной автоэмиссионному катоду, проводящий слой выполнен в качестве основы висящей плоской управляющей проводящей сетки, а слой диэлектрика выполнен в виде покрытия толщиной от 0,01 до 10 мкм и полностью покрывает проводящий слой.12. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что при работе висящей плоской управляющей проводящей сетки в запирающем режиме, когда слой диэлектрика расположен со стороны, противоположной автоэмиссионному катоду, слой диэлектрика выполнен в качестве основы висящей плоской управляющей проводящей сетки, а проводящий слой выполнен в виде покрытия толщиной от 0,1 до 5 мкм и полностью покрывает проводящий слой.13. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что на проводящем слое со стороны, противоположной расположению первого слоя диэлектрика, расположен второй слой диэлектрика.14. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что второй слой диэлектрика выполнен из материала, имеющего коэффициент теплового расширения одного порядка с коэффициентами теплового расширения проводящего слоя и первого слоя диэлектрика.15. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что второй слой диэлектрика расположен на проводящем слое со стороны, противоположной автоэмиссионному катоду и выполнен в качестве основы, при этом проводящий слой выполнен в виде покрытия толщиной от 0,1 до 5 мкм и покрывает второй слой диэлектрика полностью, а первый слой диэлектрика расположен со стороны автоэмиссионного катода и выполнен в виде покрытия от 0,01 до 10 мкм, покрывающего проводящий слой от 80 до 100%, при этом непокрытые области проводящего слоя расположены вокруг отверстий.16. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что плоский автоэмиссионный катод выполнен в виде плоского углеродного катода, пленочный эмиттер которого, расположенный на диэлектрической подложке, выполнен в виде наноструктурной пленки.