СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АВТОЭМИССИОННЫМ ТОКОМ ЛАМПЫ И АВТОЭМИССИОННАЯ ЛАМПА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H01J21/24 H01J1/304 

Изобретение относится к области электроники, а именно к вакуумным триодам, позволяющим коммутировать большие токи малыми напряжениями и использующим полевые (холодные) катоды. Оно может применяться в элементах функциональной электроники: усилителях, генераторах, формирователях коротких высоковольтных импульсов и т.д. Элементы функциональной электроники на основе этого устройства найдут применение в бытовой технике, автомобилестроении, плазмохимии, энергетике, авиационной, ракетной технике и т.д.

Известен способ управления автоэмиссионным током лампы с помощью управляющей сетки. Известен вакуумный триод [1], управляемый на основе этого способа, который содержит анод, микроострийный автоэмиссионный катод и управляющую сетку. Использование управляющей сетки для коммутации автоэлектронной эмиссии имеет такие недостатки как паразитный сеточный ток, невозможность использования запирающего напряжения, что приводит к паразитной эмиссии электронов с поверхности сетки.

В автоэмиссионном триоде [2] используют катод, выполненный в виде нанокристаллического алмазного эмиттера, имеющего порог эмиссии порядка 2-6 В/мкм, вследствие чего получают запирающее напряжение белее чем на порядок меньше, чем в [1]; меньше и отпирающее напряжение. Поэтому паразитный ток автоэмиссии между сеткой и анодом при запирающем напряжении значительно уменьшается. Уменьшается и перехват электронов при отпирающем напряжении. Необходимо отметить, что обычные электронные лампы могут работать в усилительном режиме при отрицательных напряжениях на управляющей сетке; при этом их входное сопротивление очень велико - порядка сотен кОм и более. Автоэмиссионные лампы при отрицательных напряжениях запираются. В усилительном режиме автоэмиссионные лампы имеют положительный потенциал на управляющей сетке и, следовательно, имеют сеточный ток. Поэтому их входное сопротивление меньше, чем у обычной лампы, что является недостатком. Другой недостаток автоэмиссионных ламп связан с тем, что расстояние между катодом и управляющей сеткой на порядки меньше, чем у обычных ламп, при сопоставимых напряжениях, а их входная емкость значительно больше, что ухудшает их частотные свойства. Недостатком также является отсутствие гальванической развязки между входом и выходом, что приводит к возникновению паразитных обратных связей.

Указанные недостатки усложняют управление автоэмиссионной лампой и уменьшают надежность ее работы, увеличивают входную мощность и соответственно уменьшают КПД.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - создание способа управления автоэмиссионным током лампы и лампы, сочетающей в себе достоинства как транзистора, так и традиционной электронной лампы, а именно: высокое входное и низкое выходное сопротивление, широкий диапазон частот, высокий коэффициент усиления, широкий диапазон мощностей, широкий диапазон напряжений и токов, отсутствие накала, небольшие габариты.

Технический результат заключается в повышении надежности управления работой лампы за счет гальванической развязки входных цепей управления и выходных цепей автоэмиссионной лампы, повышении коэффициентов усиления по мощности, напряжению и току, увеличении допустимого диапазона напряжений, токов и мощностей.

Указанный результат достигается тем, что в предложенном способе управления автоэмиссионным током лампы изменяют величину поля около катода путем изменения расстояния между катодом и анодом.

Указанный результат достигается также тем, что в автоэмиссионной лампе, содержащей анод и автоэмиссионный катод, расположенные друг относительно друга на небольшом расстоянии, автоэмиссионный катод выполнен в виде многоострийного источника электронов, представляющего собой поверхность с регулярными микронными выступами, имеющими удельное омическое сопротивление на несколько порядков выше удельного сопротивления металлов, и установлен на элементе, изменяющем геометрические размеры под действием подведенной энергии.

Таким элементом может быть пьезоэлемент, электрострикционный или магнитострикционный элемент.

Управление током лампы основано на изменении расстояния между катодом и анодом, которое осуществляется посредством обратного пьезоэффекта, электрострикции или магнитострикции. В соответствии с функциональным назначением лампы меняется изначальное расстояние между анодом и катодом, материал и геометрия стрикционного элемента, удельное сопротивление и работа выхода микронных выступов. Источником энергии является промышленная сеть 220...380 В как переменного, так и постоянного тока. Возможна работа предлагаемого устройства при более низком и более высоком питающем напряжении.

Учитывая экспоненциальную зависимость тока автоэлектронной эмиссии катода от поля, а следовательно, и от расстояния между катодом и анодом, стрикционное управление может быть очень эффективным. На фиг.1, 2, 3, 4 показана зависимость автоэмиссионного тока лампы от расстояния между анодом и катодом при напряжении 300 В и 30000 В и двух значениях работы выхода - 1 эВ и 4.8 эВ, рассчитанная по формуле:

где Е - поле между катодом и анодом в В/см,

U_пит - напряжение между анодом и катодом,

d - расстояние между катодом и анодом в см,

ϕ - работа выхода в эВ.

На фиг.1 приведена зависимость плотности тока автоэлектронной эмиссии катода с работой выхода 1 эВ от расстояния анод-катод при напряжении питания 300 В, площадь катода 1 см².

На фиг.2 приведена зависимость плотности тока автоэлектронной эмиссии катода с работой выхода 4.8 эВ от расстояния анод-катод при напряжении питания 300 В, площадь катода 1 см².

На фиг.3 приведена зависимость плотности тока автоэлектронной эмиссии катода с работой выхода 1 эВ от расстояния анод-катод при напряжении питания 30000 В, площадь катода 1 см².

На фиг.4 приведена зависимость плотности тока автоэлектронной эмиссии катода с работой выхода 4.8 эВ от расстояния анод-катод при напряжении питания 30000 В, площадь катода 1 см².

Расчет кривых на фиг.1,..., 4 производился при коэффициенте увеличения поля на остриях выступов μ=1.5. Столь низкое увеличение поля на остриях происходит при регулярной структуре выступов из-за влияния взаимной экранировки [3, 4]. Этому же способствует расстояние между катодом и анодом, сравнимое с расстоянием между выступами [4].

Высокое удельное сопротивление и относительно низкая плотность тока выступов работает как обратная связь, защищающая лампу от взрывной эмиссии. Известно, что взрывная эмиссия (и соответственно пробой) наступает при плотности тока [4]. Расчетная рабочая плотность тока .

При нарушении расчетных условий работы для какого-либо выступа, определяемых выражением (1), например, при хемосорбции или усилении флюктуации в ионной бомбардировке, выступ плавится, под действием поля растет острие. При этом плотность тока через выступ резко увеличивается. В результате увеличивается падение напряжения на выступе, а на вакуумном промежутке падение напряжения для данного выступа уменьшается, что при экспоненциальной зависимости плотности тока от поля приводит к стабилизации плотности тока для данного выступа. Из этого условия находится удельное сопротивление и соответственно материал выступа в соответствии с формулой:

Здесь U_пит - напряжение катод-анод, ρ - удельное сопротивление выступа, h - высота выступа, S - площадь катода, j - плотность эмиссионного тока. Выступы с высоким удельным сопротивлением создаются на проводящей подложке термодиффузией и последующей электроэрозивной или лазерной обработкой. Сопротивление всех выступов складывается из параллельного их соединения, что при их микронной толщине и количестве 10^5-6 на см² выражается величиной на несколько порядков меньше 1 Ома.

На фиг.5 показана вольтамперная характеристика лампы с автоэмиссионным катодом, у которого работа выхода 2.49 эВ, площадь катода 1 см², коэффициент увеличения поля на остриях 1.5, и рабочая точка 80 А и 410 В.

На фиг.6 показана вольтамперная характеристика лампы с автоэмиссионным катодом, у которого работа выхода 2.49 эВ, площадь катода 1 см², коэффициент увеличения поля на остриях 1.5, и рабочая точка 7.5 А и 1500 В.

Из характеристик видно, что можно значительно менять как ток, так и напряжение с линейностью в несколько процентов.

В нелинейном режиме эффективно использование лампы по формированию более коротких фронтов импульсов.

На фиг.7, 8, 9, 10 схематично показаны автоэмиссионные лампы, имеющие разные элементы, меняющие свои геометрические размеры под действием подведенной энергии. Площадь автоэмиссионного катода 1 см².

На фиг.7 показана схема широкополосной автоэмиссионной лампы с пьезоэлементами или электрострикционными управляющими элементами.

Лампа содержит металлический корпус 1, имеющий деформируемую проводящую часть 2 с закрепленным на ней автоэмиссионным катодом 3. В корпус для изоляции анода 4 и управляющего электрода 5, впрессованы изоляторы 6, 7; анод расположен напротив катода, между ними подано напряжение питания. Изоляция обеспечивает необходимый вакуум между катодом и анодом. Управляющий электрод расположен между пьезоэлементами 8 и отделен от корпуса 1 изолятором 7. Зажимаются пьезоэлементы пробкой 9. Автоэмиссионный катод 3 выполнен в виде многоострийного источника электронов. Он представляет собой поверхность с регулярными микронными выступами, имеющими удельное омическое сопротивление, рассчитанное по формуле (2) и которое на 2-4 порядка выше удельного сопротивления металлов. Поверхность установлена на деформируемой проводящей части 2 корпуса 1, который может изменять ее геометрическое положение.

Количество пьезоэлементов 8 и их толщина определяются допустимыми пробойными полями, частотными свойствами, допустимыми управляющими напряжениями и напряжением питания лампы.

Лампа работает следующим образом. На управляющий электрод 5 относительно заземленного корпуса 1 подается входной сигнал управления, который изменяет геометрические размеры пьезоэлементов 8 в соответствии выражением

Здесь l - длина пьезоэлементов,

d₃₃ - пьезоэлектрический модуль для продольного пьезоэффекта,

Е_пьезо - величина поля внутри пьезоэлемента.

С учетом того, что Δl<<l, поле внутри пьезоэлемента определится входным напряжением.

В результате изменения геометрических размеров пьезоэлементов, в зависимости от величины входного напряжения сместится деформируемая часть 2 корпуса 1, изменяя расстояние между катодом 3 и анодом 4. В соответствии с формулой (1) будет изменяться ток через лампу. Рабочая точка А (фиг.5, 6) на нагрузочной прямой при заданном питании определяется начальным расстоянием между катодом 3 и анодом 4. Из фиг.5, 6 видно, что при условии, когда изменения расстояния между катодом и анодом малы по сравнению с первоначальным расстоянием между ними, зависимость между выходным током и входным напряжением близка к линейной.

Лампы на пьезоэлементах или стрикционных элементах характеризуются большим коэффициентом усиления по току и мощности.

Ширина полосы определяется пьезоэлементами 8. Как правило, они линейны, т.е. воспроизводят по форме управляющий электрический сигнал. Однако при решении некоторых задач выгоднее использовать электрострикционные элементы, у которых зависимость изменения геометрических размеров пропорциональна квадрату поля.

На фиг.8 изображена резонансная автоэмиссионная лампа.

Конструктивное отличие этой лампы заключается в наличии дополнительного элемента конструкции - концентратора 10, рассчитываемого по стандартной методике и расположенного между деформируемой проводящей частью 2 корпуса 1 и пьезоэлементами 8.

Лампа работает на резонансной частоте, которая определяется геометрическими размерами пьезоэлементов 8 и концентратора 10. На вход лампы (управляющий электрод 5 относительно корпуса 1) подается напряжение переменной частоты (равной резонансной или близкой к ней) в зависимости от добротности системы из пьезоэлементов 8 и концентратора 10. Деформируемая проводящая часть 2 корпуса 1 под действием концентратора 10 будет колебаться с подаваемой на вход частотой, приближая и удаляя катод 3 к аноду 4. В резонансном режиме перемещения катода 3 являются максимальными, что позволит в нелинейном режиме формировать крутые фронты выходных импульсов.

Из формулы (1) видно, что через лампу будет проходить резонансный ток в линейном режиме, т.е. при малых перемещениях, или импульсный ток в нелинейном режиме, т.е. при больших перемещениях управляющего электрода. Резонансная лампа имеет большой коэффициент усиления по току, напряжению и мощности.

На фиг.9 изображена магнитострикционная лампа, в которой вместо электрострикционного элемента или пьезоэлемента используют магнитострикционный элемент. Лампы на магнитострикционных элементах имеют большой коэффициент усиления по напряжению.

Конструктивно лампа содержит металлический корпус 1, имеющий деформируемую часть 2 с закрепленным на ней автоэмиссионным катодом 3. В корпус 1 для изоляции анода 4 и управляющего электрода 5 впрессованы изоляторы 6, 7; анод 4 расположен напротив катода 3. Между катодом 3 и анодом 4 подается напряжение питания. Изолятор 6 обеспечивает необходимый вакуум между катодом 3 и анодом 4. Управляющий электрод 5 соединен с витками 8 управляющей катушки 9, в которой находится магнитострикционный элемент 10. Один из управляющих электродов может быть заземлен. Катушка 9 с магнитострикционным элементом 10 зажимается пробкой 11.

Лампа работает следующим образом. На управляющие электроды 5 управляющей катушки 9 подается входное напряжение. Протекающий по ней ток создает магнитное поле, под действием которого размеры магнитострикционного элемента 10 увеличиваются, смещая деформируемую часть 2 корпуса 1. Тем самым изменяется расстояние между катодом 3 и анодом 4, вызывая согласно с (1) изменение тока.

Для работы с напряжением в десятки и сотни киловольт предполагается использовать несколько расстояний (зазоров) между катодом и анодом.

Последовательное соединение нескольких зазоров, например двух (фиг.10), на деформируемой части 2 корпуса 1, позволит, не ухудшая параметров лампы, повышать напряжение.

Лампа на фиг.10 с большим количеством зазоров содержит корпус 1, в который запрессованы изоляторы 2, 3. В изоляторе 2 закреплен анод 4. Соосно аноду расположен автоэмиссионный катод 5, который является частью корпуса 1 и на котором расположен многоострийный источник электронов 6. В изоляторе 3 закреплен управляющий электрод 7, расположенный между пьезоэлементами 8. Деформируемая часть 9 корпуса 1 изолирована изолятором 10 от проводящей подложки 11, параллельной катоду 5, на которой создан диффузией с последующей лазерной или электроэрозионной обработкой вспомогательный автоэмиссионный катод 12, представляющий собой многоострийный источник электронов, расположенный параллельно аноду 4.

Концентратор 13, расположенный между деформируемой частью 9 корпуса 1 и пьезоэлементом 8, служит для увеличения колебаний деформируемой части 9 корпуса 1 при возникновении резонанса между частотой входного напряжения и резонансной частотой концентратора 13 и пьезоэлементов 8. Пьезоэлементы 8, концентратор 13 прижаты к деформируемой части 9 корпуса 1 пробкой 14. Напряжение питания подается на анод 4 относительно автоэмиссионного катода 5.

Работает лампа следующим образом. При поступлении на управляющий электрод 7 входного напряжения возникающее электрическое поле изменяет геометрические размеры пьезоэлементов 8. При этом расстояние между автоэмиссионным катодом 5, вспомогательным катодом 12 и анодом 4 изменяется, что в соответствии с выражением (1) изменяет ток. В данном случае расстояние (зазор) между автоэмиссионным катодом 5 и анодом 4 в два раза больше, что позволяет в два раза увеличить напряжение между ними, чтобы автоэмиссионное поле осталось тем же. Концентратор 13 позволяет при частоте входного напряжения, совпадающего с резонансной частотой пьезоэлементов и концентратора, увеличить амплитуду колебаний вспомогательного автоэмиссионного катода 12 и, следовательно, согласно (1), увеличить ток через лампу. Проводящая подложка 11 является дополнительным анодом для катода 5 и обеспечивает гальваническую связь с автоэмиссионным катодом 12. Количество зазоров и соответственно напряжение питания можно увеличить, увеличивая количество вспомогательных автоэмиссионных катодов и дополнительных анодов, которые вводятся через изолятор. Пробка 14 обеспечивает первоначальную деформацию деформируемой части 9.

Входные характеристики ламп определяются характеристиками элементов, которые изменяют свои размеры под действием подводимой энергии (поля). Оценки показывают, что коэффициент усиления лампы на резонансной частоте по току может быть равен 10⁶, а по напряжению 100.

В случае магнитострикционного элемента с постоянным смещением на резонансной частоте коэффициент усиления по напряжению может быть более 10⁴.

В качестве многоострийного источника электронов автоэмиссионного катода используют окислы или карбиды элементов, например никеля. Для анода используют, например, медь, вольфрам или другие материалы в зависимости от назначения лампы. Пьезоэлементами, например, могут быть промышленно выпускаемые марки ПКВ-460. Магнитострикционным элементом может быть, например, никель.

Таким образом, предлагаемый способ управления автоэмиссионным током лампы имеет следующие преимущества:

- позволяет повысить надежность управления работой лампы за счет гальванической развязки между катодом и анодом;

- позволяет повысить коэффициенты усиления по мощности, напряжению и току;

- позволяет увеличить входное сопротивление и уменьшить выходное;

- позволяет расширить диапазоны рабочих напряжений, токов, мощностей;

- позволяет совместить в лампе достоинства ламп и транзисторов;

- позволяет приобрести за счет вышеперечисленного такие свойства, которые не могут дать отдельно ни лампы, ни транзисторы, например, получить при напряжении питания 380 вольт выходное напряжение в десятки киловольт.

Источники информации

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

2. Патент РФ №2161840, кл. Н01J 21/20, кл. Н01J 21/12, 2001.

3. И.Н.Сливков, В.И.Михайлов, Н.И.Сидоров, А.И.Настюха. Электрический пробой и разряд в вакууме, Атомиздат, 1966.

4. Ненакаливаемые катоды. Под редакцией профессора М.И.Елинсона. Москва: Советское радио, 1974.

Изобретение относится к области электроники, а именно к вакуумным триодам, позволяющим коммутировать большие токи малыми напряжениями и использующим полевые (холодные) катоды. Оно может применяться в элементах функциональной электроники: усилителях, генераторах, формирователях коротких высоковольтных импульсов и т.д. В предложенном способе управления автоэмиссионным током лампы изменяют величину поля около катода путем изменения расстояния между катодом и анодом. В автоэмиссионной лампе, содержащей анод и автоэмиссионный катод, расположенные друг относительно друга на небольшом расстоянии, автоэмиссионный катод выполнен в виде многоострийного источника электронов, представляющего собой поверхность с регулярными микронными выступами, имеющими удельное омическое сопротивление на несколько порядков выше удельного сопротивления металлов, и установлен на элементе, изменяющем геометрические размеры под действием подведенной энергии. Технический результат заключается в повышении надежности управления работой лампы за счет гальванической развязки входных цепей управления и выходных цепей автоэмиссионной лампы, повышении коэффициентов усиления по мощности, напряжению и току, увеличении допустимого диапазона напряжений, токов и мощностей. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ управления автоэмиссионным током лампы, заключающийся в изменении поля около катода, отличающийся тем, что изменяют величину поля около катода путем изменения расстояния между катодом и анодом.2. Автоэмиссионная лампа, содержащая анод, автоэмиссионный катод, расположенные с зазором относительно друг друга, отличающаяся тем, что автоэмиссионный катод выполнен в виде многоострийного источника электронов, представляющего собой поверхность с регулярными микронными выступами, имеющими удельное омическое сопротивление на несколько порядков выше удельного сопротивления металлов, и установлен на элементе, изменяющем геометрические размеры под действием подведенной энергии.3. Автоэмиссионная лампа по п.2, отличающаяся тем, что элемент с возможностью изменения геометрических размеров под действием подведенной энергии представляет собой пьезоэлемент.4. Автоэмиссионная лампа по п.2, отличающаяся тем, что элемент с возможностью изменения геометрических размеров под действием подведенной энергии представляет собой электрострикционный элемент.5. Автоэмиссионная лампа по п.2, отличающаяся тем, что элемент с возможностью изменения геометрических размеров под действием подведенной энергии представляет собой магнитострикционный элемент.