СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГООСТРИЙНОГО АВТОЭМИССИОННОГО КАТОДА ИЗ УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА НА КРИВОЛИНЕЙНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2016 года по МПК H01J1/304 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к способу изготовления углеродных многоострийных автоэмиссионных катодов, используемых в электровакуумных приборах с микросекундным временем готовности.

Существует способ формирования многоострийного автоэмиссионного катода на плоской подложке, с использованием тонкопленочной технологии, фотолитографии, термохимического травления и группового заострения микроострий в низкотемпературной кислородной плазме (Патент РФ №2486625, МПК H01J 1/30, опубл. 27.06.2013 г.). Недостатком данного способа является то, что применяемая технология формирует микроострия исключительно на плоской поверхности катодного диска. Автоэмиссионные катоды, изготовленные по данному способу, не позволяют осуществить компрессию электронного пучка без нарушения его ламинарности. Кроме того, множественные технологии, применяемые в способе, усложняют и удлиняют процесс изготовления катода.

Способ изготовления АЭК (Заявка на изобретение РФ №2002126716, МПК H01J 1/304, опубл. 27.04.2004 г.) основан на формировании эмиттеров на заготовке катодного диска из терморасширенного катода путем воздействия на отдельные участки диска локальным лазерным импульсным излучением по заданной компьютером программе, обеспечивающей формирование микроострий с заданной топологией их размещения. Под действием лазерного излучения происходит образование углублений в форме кратеров с острыми вертикальными кромками. До воздействия лазерного излучения пластина легируется щелочноземельными металлами. Недостатком описанного способа является применение легирования при изготовлении эмиттеров, что усложняет технологию изготовления, привносит нежелательные примеси и затрудняет промышленное освоение автоэмиссионных катодов. Кроме того, катод из терморасширенного (или гибкого) графита преимущественно рассчитан на применение в приборах с малым током эмиссии и низкой плотностью токоотбора. К недостаткам данного способа, как и в предыдущих описанных способах, относится и то, что эмиттеры выполнены на плоской поверхности катодного диска.

Способ изготовления автоэмиссионного катода (патент РФ №2526240, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, опубл. 20.08.14 г.) основан на нанесении эмитирующей структуры на поверхность эмиттеров катода методом лазерной микрогравировки с образованием поля микроострий пирамидальной формы с последующей вырезкой основания катода сфокусированным лазерным излучением и лазерной очисткой эмитирующих структур. К недостаткам данного способа относится то, что эмиттеры выполнены на плоской поверхности катодного диска.

Задачей изобретения является получение автоэмиссионного катода, который позволяет за счет компрессии электронного пучка по площади сечения пучка повысить плотность тока электронного пучка, формируемого электронной пушкой с таким катодом.

Решение данной задачи достигается тем, что способ изготовления включает в себя:

1) формирование на рабочей поверхности катодного диска криволинейной поверхности (например, сферической - для формирования аксиально-симметричного электронного пучка, либо цилиндрической - для формирования сходящегося ленточного электронного пучка);

2) формирование на криволинейной поверхности катодного диска поля конусообразных микроострий, оси симметрии каждого из которых направлены по радиусу кривизны поверхности.

Для обеспечения идентичности по форме и размерам формируемых на криволинейной поверхности микроострий фокус луча лазера в процессе микроразмерной лазерной гравировки всегда находится на криволинейной поверхности катодного диска в любой его точке.

Для выполнения данного принципиального условия оптическая ось лазерного луча совпадает с радиусом кривизны поверхности катодного диска в любой его точке, а перемещение фокуса лазерного луча по криволинейной поверхности катодного диска осуществляется путем перемещения катодного диска вокруг центра его кривизны.

Способы формирования поля микроострий для сферического и цилиндрического катодных дисков осуществляется следующим образом.

A. Для сферических катодных дисков (Фиг. 1)

Монолитную пластину стеклоуглерода разделяют на заготовки катодного диска 1 со стороной требуемого размера (например, на квадраты со стороной a=5 мм). На поверхности каждой из заготовок катодного диска 1 фрезеруют полость в виде вогнутой сферической поверхности 2 с требуемым радиусом кривизны R_кр (например, 50 мм) с центром кривизны O, лежащим в плоскости, перпендикулярной плоскости заготовки, и радиусом среза 0,5a (2,5 мм) с центром окружности O′, лежащим в центре заготовки.

Далее проводят лазерную гравировку поверхности катода твердотельным YAG-лазером с длиной волны 1,06 мкм с параметрами: мощность 10-20 Вт, частота следования импульсов 1-10 кГц. При этом заготовка катодного диска 1 осуществляет качание по дуге относительно центра кривизны O с последовательным круговым смещением по окружности относительно центра O′ на угол , где d - диаметр основания острия 3 (~20 мкм). Каждое смещение на угол α в плоскости заготовки катодного диска 1 происходит после однократного прохождения дуги сферической поверхности 2 относительно центра O. При этом в момент прохождения центра вогнутой сферы с радиусом 0,5a подача излучения лазера прерывается на время t=d/v, где d - диаметр основания острия, v - скорость перемещения заготовки.

Начальной точкой при качании относительно центра О принимается внешний край заготовки катодного диска 1; конечной - противоположный край по диаметру а вогнутой сферы заготовки. Линейная скорость качания вокруг центра О составляет 3 м/с. В результате гравировки на криволинейной поверхности формируются микроострия 3 конусообразной формы высотой 20 мкм, радиусом кривизны острия r_кр=1 мкм и плотностью упаковки 5×10⁵÷10⁶ см^-2. На поверхности каждого микроострия 3 при этом формируется самоорганизующаяся система наноострий.

В. Для цилиндрических катодных дисков (Фиг. 2)

Монолитную пластину стеклоуглерода разделяют на заготовки катодного диска 1 со сторонами требуемого размера (например, на прямоугольники со сторонами b=5 мм и c=10 мм). На поверхности каждой из заготовок катодного диска фрезеруют полость в виде вогнутой цилиндрической поверхности 2 с требуемым радиусом кривизны R_кр (например, 50 мм), длиной хорды среза b (5 мм).

Далее проводят микроразмерную лазерную гравировку поверхности катода твердотельным YAG-лазером с длиной волны 1,06 мкм с параметрами: мощность 10-20 Вт, частота следования импульсов 1-10 кГц. При этом заготовка катодного диска 1 осуществляет качание по дуге относительно центра кривизны O с последовательным линейным смещением вдоль стороны c с шагом D. Каждое линейное смещение в плоскости заготовки катодного диска 1 с шагом D (~20 мкм) происходит после однократного прохождения дуги цилиндрической поверхности относительно центра O.

Начальной точкой при качании относительно центра O принимается внешний край заготовки катодного диска; конечной - противоположный край по длине хорды среза b вогнутой цилиндрической поверхности 2 заготовки. Линейная скорость качания вокруг центра О составляет 3 м/с. На поверхности каждого микроострия 3 при этом формируется самоорганизующаяся система наноострий.

Полученная структура представляет собой поле микроострий 3 конусообразной формы с размерами основания одного острия от 10×10 мкм и высотой от 15 мкм, плотность упаковки микроострийной эмитирующей структуры составила порядка 5×10⁵-1×10⁶ см^-2. В дальнейшем эмитирующая структура катода подвергается катодно-плазменному заострению в среде кислорода (Патент РФ №2486625, МПК H01J 1/30, опубл. 27.06.2013 г.).

Полученный таким способом автоэмиссионный катод из углеродного материала с криволинейной эмитирующей поверхностью за счет компрессии электронного пучка по площади позволяет увеличить плотность тока в сечении пучка и ламинарность электронного пучка в 10 и более раз по сравнению с плотностью тока непосредственно на поверхности автоэмиссионного катода. Такая конструкция АЭК позволяет изготовить вакуумные СВЧ приборы с микросекундным временем готовности (ЛБВО, клистроны и др.) с холодным (безнакальным) катодом, что позволяет увеличить их КПД на 4-5% и повысить их долговечность (более 150000 часов).

Способ формирования поля микроострий на криволинейной поверхности методом микроразмерной лазерной гравировки позволит существенно упростить технологию их изготовления, отказавшись от многоэтапной технологической цепочки, характерной для тонкопленочной технологии. Отпадает необходимость в использовании дорогостоящего оборудования для осаждения тонких пленок, фотолитографии и т.д. Время изготовления единичного образца АЭК сокращается в 10-12 раз.

Источники информации

1. Патент РФ №2486625, МПК H01J 1/30, опубл. 27.06.2013 г.

2. Заявка на изобретение РФ №2002126716, МПК H01J 1/304, опубл. 27.04.2004 г.

3. Патент РФ №2526240, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, опубл. 20.08.14 г.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к изготовлению углеродных многоострийных автоэмиссионных катодов, используемых в электровакуумных приборах с микросекундным временем готовности. Технический результат - увеличение плотности тока в сечении пучка и ламинарности электронного пучка в 10 и более раз по сравнению с плотностью тока непосредственно на поверхности автоэмиссионного катода. C помощью лазерного излучения на криволинейной поверхности катодного диска формируется матрица микроострий, где перемещение фокуса лазерного луча по поверхности катодного диска в процессе гравировки осуществляется за счет вращения катодного диска вокруг центра кривизны его поверхности, то есть фокус лазерного луча в процессе гравировки всегда находится на криволинейной поверхности катодного диска, а оптическая ось лазерного луча совпадает с радиусом кривизны поверхности диска в любой ее точке. При этом формируются конусообразные микроострия, оси симметрии каждого из которых направлены по радиусу кривизны поверхности. Способ изготовления многоострийного катода из углеродного материала позволяет создать электронную пушку для СВЧ усилителей O-типа (ЛБВО, клистроны и др.) с холодным катодом, микросекундным временем готовности, повышенным на 4÷5% КПД и сроком эксплуатации приборов более 150000 часов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода из углеродного материала, включающий формирование криволинейной поверхности катодного диска и дальнейшее формирование на этой поверхности матрицы микроострий путем микроразмерной лазерной гравировки, отличающийся тем, что в процессе гравировки перемещение фокуса луча лазера по поверхности осуществляется за счет перемещения катодного диска вокруг центра его кривизны, то есть фокус лазерного луча в процессе гравировки всегда находится на криволинейной поверхности катодного диска, а оптическая ось лазерного луча совпадает с радиусом кривизны поверхности диска в любой ее точке.

2. Способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода из углеродного материала по п. 1, отличающийся тем, что формируются конусообразные микроострия, оси симметрии каждого из которых направлены по радиусу кривизны поверхности