ХОЛОДНЫЙ КАТОД Российский патент 2011 года по МПК H01J1/30 B82B3/00 

Настоящее изобретение относится к источникам свободных электронов. Холодный катод может применяться в люминесцентных источниках света, в электронных лампах (вакуумных и газонаполненных), в ускорителях электронов, при обработке электронными пучками деталей машин и механизмов и других изделий, а также в фильтрах очистки газов от токсичных радикалов и молекул, обладающих сродством к электрону.

Известен холодный катод. Он представляет собой металлическое острие, к которому приложено электрическое напряжение. Его недостатком является необходимость использования больших электрических напряжений.

Наиболее близким техническим решением можно считать холодный катод, состоящий из металлической подложки, пленки диэлектрика на ее поверхности с электрической прочностью 10⁹ В/м, металлической пленки, нанесенной на пленку диэлектрика, и электрических вводов, присоединенных к металлической подложке и металлической пленке /а.с. №1802632 от 09.11.1992 г. Способ изготовления холодного МДМ-катода. С.А.Гынгазов, П.Е.Троян./.

Его недостатками являются малая плотность тока эмиссии электронов (до 1 А/см²), небольшой срок службы, а также необходимость предварительной подготовки (формовки) катода, в результате которой вследствие электрического пробоя диэлектрической пленки возникают формовочные эмиссионные каналы диаметром 10 нм и плотностью (10÷1000) 1/мм². Эффективность катода (отношение эмиссионного тока к сквозному току через диэлектрическую пленку в промежутке металлическая подложка - металлическая пленка) равна 0,1 и мала из-за малой площади эмиссионных каналов, в которых происходит ускорение электронов электрическим полем /Троян П.Е. Электрическая формовка тонкопленочных структур металл-диэлектрик-металл в сильных электрических полях. Томск: Изд-во ТГУ, 2003. 178 с./.

Известен метод химического осаждения паров на поверхность твердых тел (chemical vapor deposition, CVD) для получения пленок графена шириной и длиной более 1 см. Пленки графена обладают высокой электропроводностью, прозрачны, непроницаемы для жидкостей и газов и не реагируют с кислотами и другими растворителями /http://www.nanonewsnet.ru /.

Целью изобретения является увеличение плотности и силы тока эмиссии электронов, увеличение эффективности холодного катода и срока его службы, а также устранение необходимости предварительной формовки катода.

Для этого параллельно поверхности проводящего электрический ток твердого тела на расстоянии менее 0,1 мм от нее установлена пленка графита толщиной от одного до шести атомных слоев, пленка графита держится на расположенных на поверхности твердого тела или частично внедренных в объем твердого тела частицах диэлектрика с электрической прочностью 10⁸÷10⁹ В/м. Параллельно пленке графита над ее внешней поверхностью установлена металлическая сетка на непроводящем электрический ток держателе, к твердому телу, пленке графита и сетке присоединены электрические вводы.

На фиг.1 приведена схема устройства. Холодный катод состоит из твердого тела 1, пленки графита 2, частиц диэлектрика 3, металлической сетки 4, держателя сетки 5 и электрических вводов 6. Элементы 4 и 5 могут отсутствовать, если это обусловлено условиями применения холодного катода.

Между пленкой 2 и твердым телом 1 прикладывают электрическое напряжение, при этом под действием электрического поля со средней напряженностью более 10⁸ В/м возникает ток автоэлектронной эмиссии с поверхности твердого тела 1. Длина релаксации энергии горячих электронов в твердых телах составляет 10 нм /Харламов В.Ф., Харламов Ф.В. Физика и техника полупроводников. 2009. Т.43. №1. С.48-52/. Она намного превышает толщину пленки, поэтому большая часть электронов, испущенных твердым телом и ускоренных электрическим полем, проходит сквозь пленку графита. Между пленкой 2 и сеткой 4 прикладывают ускоряющее электроны напряжение, что увеличивает поток электронов, прошедших сквозь пленку графита. В этом случае в промежутках пленка-сетка и сетка-анод (анод на фиг.1 не показан) формируется поток свободных электронов, плотность тока которых равна где j_t - плотность тока автоэлектронной эмиссии с поверхности твердого тела 1, зависящая от приложенного напряжения, расстояния между твердым телом 1 и пленкой 2 и работы выхода поверхности твердого тела 1; d - толщина пленки 2; l - длина релаксации энергии горячих электронов в материале пленки.

На пленку графита со стороны твердого тела действует кулоновская сила притяжения (если напряженность поля равна 10⁸ В/м, тогда эта сила равна 9 Н/см²). Под действием этой силы происходит деформирование пленки. Величина этой деформации зависит от упругости пленки и от среднего расстояния между частицами 3. В случае применения графена в качестве пленки величина этой деформации мала из-за большой механической жесткости графена, равной 1 ТПа. Частицы 3 расположены на поверхности таким образом, чтобы изменение микрорельефа поверхности и деформирование пленки под действием кулоновской силы не влияли существенным образом на расстояние между пленкой и твердым телом. Для этого среднее расстояние между частицами 3 равняется от 0,3 до 7 диаметров этих частиц. В качестве частиц 3 могут быть использованы частицы выпускаемых промышленностью керамических ультрадисперсных порошков (SiO₂ и др.).

На поверхность твердого тела между частицами диэлектрика могут быть нанесены сплавленные с этой поверхностью частицы металла, диаметр которых меньше расстояния между поверхностью твердого тела и пленкой графита, при этом среднее расстояние между всеми расположенными на поверхности твердого тела частицами равно от нуля до двух диаметров частиц металла. В этом случае в связи с уменьшением расстояния между пленкой графита и поверхностью твердого тела увеличивается напряженность электрического поля и, соответственно, увеличивается плотность тока автоэлектронной эмиссии электронов. Частицы металла сплавлены с поверхностью твердого тела для устранения их движения между пленкой графита и поверхностью твердого тела под действием электрического поля.

Между частицами диэлектрика к поверхности твердого тела могут быть прикреплены проводящие электрический ток нанотрубки, ось которых перпендикулярна этой поверхности, а длина меньше расстояния между поверхностью твердого тела и пленкой графита. В этом случае в связи с увеличением напряженности электрического поля возле концов нанотрубок увеличивается сила тока автоэлектронной эмиссии.

Эффективность холодного катода равна 0,90-0,99, а плотность эмиссионного тока достигает 100 кА/см². Эффект улучшения характеристик холодного катода по сравнению с прототипом достигается благодаря тому, что на семь порядков увеличивается площадь поверхности твердого тела, испускающей электроны (по сравнению с площадью эмиссионных каналов), и уменьшается сквозной ток через пленку диэлектрика из-за значительного уменьшения ее площади. Отпадает необходимость в формовке катода. Холодный катод может функционировать в вакууме и в среде газов, не взаимодействующих с материалами, из которых изготовлен катод.

Изобретение относится к источникам свободных электронов. Холодный катод, состоит из проводящего электрический ток твердого тела, параллельно поверхности которого на расстоянии менее 0,1 мм от нее установлена пленка графита толщиной от одного до шести атомных слоев, пленка графита держится на расположенных на поверхности твердого тела частицах диэлектрика с электрической прочностью 10⁸÷10⁹ В/м. Параллельно пленке графита над ее внешней поверхностью установлена металлическая сетка на непроводящем электрический ток держателе, к твердому телу, пленке и сетке присоединены электрические вводы. Между пленкой графита и твердым телом прикладывают электрическое напряжение, при этом под действием электрического поля со средней напряженностью более 10⁸ В/м возникает ток автоэлектронной эмиссии с поверхности твердого тела. Технический результат: получение потока свободных электронов с плотностью эмиссионного тока до 100 кА/см². Эффективность холодного катода (отношение эмиссионного тока к току в промежутке твердое тело - пленка графита) равна 0,90-0,99. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Холодный катод, состоящий из проводящего электрический ток твердого тела, отличающийся тем, что, с целью увеличения силы тока эмиссии электронов, параллельно поверхности твердого тела на расстоянии менее 0,1 мм от нее установлена пленка графита толщиной от одного до шести атомных слоев, пленка графита держится на расположенных на поверхности твердого тела частицах диэлектрика с электрической прочностью 10⁸÷10⁹ В/м, к твердому телу и к пленке графита присоединены электрические вводы.

2. Холодный катод по п.1, отличающийся тем, что частицы диэлектрика частично внедрены в объем твердого тела, частично выступают над поверхностью твердого тела.

3. Холодный катод по п.1, отличающийся тем, что между частицами диэлектрика на поверхность твердого тела нанесены сплавленные с этой поверхностью частицы металла, диаметр которых меньше расстояния между поверхностью твердого тела и пленкой графита, при этом среднее расстояние между всеми расположенными на поверхности твердого тела частицами равно от нуля до двух диаметров частиц металла.

4. Холодный катод по п.1, отличающийся тем, что между частицами диэлектрика к поверхности твердого тела прикреплены проводящие электрический ток нанотрубки, ось которых перпендикулярна этой поверхности, а длина меньше расстояния между поверхностью твердого тела и пленкой графита.

5. Холодный катод по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что параллельно пленке графита над ее внешней поверхностью установлена металлическая сетка на не проводящем электрический ток держателе, к сетке присоединен электрический ввод.