ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ С АВТОЭЛЕКТРОННЫМ ЭМИТТЕРОМ И РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА С ТАКИМ ИСТОЧНИКОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2016 года по МПК H01J21/00 H01J35/02 

Изобретения относятся к электронной технике и рентгеновской технике, более конкретно - к автоэмиссионным приборам и источникам рентгеновского излучения, а именно к источнику электронов с автоэлектронным эмиттером рентгеновской трубке, содержащей предлагаемый источник электронов.

Известны источники электронов, содержащие катодный электрод с автоэлектронным эмиттером и расположенный на пути эмитируемых им электронов прозрачный для них управляющий электрод. Такие источники электронов используются в составе различных электронных приборов (см., например: патент РФ №2161840, опубл. 10.01.2001 [1]; авторское свидетельство СССР №1079096, опубл. 15.07.1991 [2]; патент РФ №2231859, опубл. 27.06.2004 [3]; патент США №6553096, опубл. 22.04.2003 [4]; патент США №6850595, опубл. 01.02.2005 [5]; патент США №8300769 (опубл. 30.10.2012) [6]; патентная заявка США №2013/0336459, опубл. 19.12.2013 [7]). Первый из этих документов относится к автоэмиссионному триоду, второй и третий - к электронной пушке, а остальные - к рентгеновским трубкам. Рентгеновские трубки наряду с источником электронов указанного типа содержат в общем с этим источником вакуумированном корпусе анодный электрод, бомбардируемый эмитируемыми электронами. Возбуждаемое в результате этой бомбардировки рентгеновское излучение выводится через рентгенопрозрачное окно.

Наличие во всех этих и других приборах источников электронов с автоэлектронным эмиттером позволяет получить практически безынерционное управление током при большой плотности съема последнего с эмитирующей поверхности и малой угловой расходимости эмитируемых электронов в сочетании с отсутствием характерного для устройств с термокатодом расхода энергии на его подогрев и связанного с этим выделения тепла прибором. Благодаря таким показателям электронные приборы, содержащие источники электронов с автоэлектронным эмиттером, являются весьма перспективными. В частности, в рентгеновских трубках с таким источником электронов возможно раздельное безынерционное управление интенсивностью и спектральным составом излучения. Такие трубки могут быть миниатюризированы до размеров, позволяющих использовать их в брахитерапии. Использованию в этой области способствует и меньший нагрев таких трубок в процессе работы.

Вместе с тем опыт эксплуатации электронных приборов с подобными источниками электронов свидетельствует о том, что им присуща заметная вероятность электрического пробоя, в связи с чем существует проблема предотвращения таких пробоев. Особенно актуальна эта проблема для рентгеновских трубок, использующих высокие рабочие напряжения.

Специалистами высказывались различные соображения относительно причин пробоя и предложения о путях его предотвращения. Так, в работе: Jun-Tae Kang at al. Analysis of Failure in Miniature X-ray Tubes with Gated Carbon Nanotube Field Emitters, ETRI Journal, Volume 35, Number 6, December 2013, pp. 1164-1167 [8] возникновение пробоев связывается с наличием тока утечки управляющего электрода, приводящего к неконтролируемому изменению потенциала этого электрода. Рассматриваемая в [8] рентгеновская трубка является трубкой триодного типа с управляющим электродом в виде диска с центральным отверстием. Этот электрод объединен с цилиндрическим фокусирующим электродом, обращенным в сторону, противоположную эмиттеру. Эксперименты показали, что необходимо иметь эмитирующую часть катода, размер которой не превышает размера отверстия в управляющем электроде, и обеспечивать максимально точное расположение центра эмитирующей части напротив центра отверстия управляющего электрода, что минимизирует ток утечки через этот электрод.

В патентной заявке [7] возникновение пробоев связывается с накоплением зарядов на внутренней поверхности боковой стенки прибора в промежутке управляющий электрод - анод и образованием проводящих путей, а возможность предотвращения пробоев видится в улучшении фокусировки электронного пучка, выходящего из эмиттера и проходящего через отверстие управляющего электрода. Для этого предлагается конструкция с управляющим электродом, соединенным с фокусирующим электродом, аналогичная исследованной в [8], но акцент делается на роли фокусирующего электрода, для которого предлагаются варианты выполнения в виде боковой поверхности кругового или эллиптического цилиндра, призмы и т.п.

В патенте РФ на изобретение №2248643 (опубл. 20.03.2005) [9], относящемся к рентгеновской трубке, отмечается, что нарушение работы может быть связано с попаданием на стенки корпуса эмитируемых электронов, а также запылением их веществом автоэлектронного эмиттера, что может приводить к возникновению проводящих путей. Для борьбы с этим явлением в патенте [9] предлагается выполнение управляющего электрода в виде цилиндра (′′колпачка′′), внутри которого размещен катодный электрод с эмиттером, имеющего в обращенном к аноду основании отверстие для выхода эмитируемых электронов. ′′Колпачок′′ фактически механическим путем защищает внутреннюю поверхность корпуса прибора от попадания на нее вещества эмиттера. В патенте США №8295440 (опубл. 23.10.2012) [10] имеется аналогичный цилиндр, охватывающий катодный электрод с эмиттером, переходящий в расширяющийся конус, меньшее основание которого совпадает с отверстием в цилиндре.

Авторами предлагаемого изобретения была выявлена иная причина пробоев, заключающаяся в возникновении эмиссии из отрывающихся от автоэлектронного эмиттера способных к самостоятельной эмиссии частиц, неизбежно оседающих на управляющем электроде (проводниках сетки, как в устройствах по патентам [1, 3-6], или кромке единственного отверстия в проводящем материале управляющего электрода, как в устройствах по авторскому свидетельству [2], заявке [7] и патенту [9]). Возникновению путей пробоя способствуют также отрывающиеся от управляющего электрода частицы материала эмиттера, перед этим осевшие на управляющем электроде.

В качестве меры для устранения выявленной причины пробоев предлагаются описываемые ниже технические решения, связанные с изменением конструкции управляющего электрода, размещаемого на пути эмитируемых электронов в источнике электронов, являющемся объектом первого изобретения предлагаемой группы, и источнике электронов, входящем в состав рентгеновской трубки, которая является объектом второго изобретения предлагаемой группы.

Технические решения по обоим предлагаемым изобретениям направлены на достижение технического результата, заключающегося в уменьшении интенсивности нежелательной эмиссии из способных к эмиссии частиц материала автоэлектронного эмиттера, отрывающихся от него и оседающих на управляющем электроде, а также в затруднении отрыва от управляющего электрода осевших на нем частиц материала эмиттера.

В дальнейшем при рассмотрении частных случаев выполнения и примеров использования предлагаемых изобретений могут быть названы и другие виды технического результата, достигаемые наряду с указанным выше.

Наиболее близким к техническому решению по первому предлагаемому изобретению, относящемуся к источнику электронов, является известный источник электронов с автоэлектронным эмиттером, входящий в состав прибора по патентной заявке [7].

Источник электронов по предлагаемому изобретению, как и наиболее близкий к нему известный, содержит катодный электрод с автоэлектронной эмитирующей частью и управляющий электрод, обладающий прозрачностью для потока электронов, эмитируемых указанной частью катодного электрода.

Для достижения названного выше технического результата в предлагаемом источнике электронов, в отличие от наиболее близкого к нему известного, управляющий электрод выполнен в виде прямого пустотелого проводящего цилиндра, имеющего боковую стенку и два основания, одно из которых обращено к катодному электроду. Прозрачность управляющего электрода для потока электронов, эмитируемых автоэлектронной эмитирующей частью катодного электрода, обеспечена наличием в каждом из указанных оснований центрального отверстия (коаксиального с указанным цилиндром и отверстием в другом основании). При этом отверстие в основании, обращенном к катодному электроду (т.е. более близком к нему), расположено напротив автоэлектронной эмитирующей части этого электрода и имеет меньший диаметр, чем отверстие в другом основании.

Наиболее близким ко второму предлагаемому изобретению, относящемуся к рентгеновской трубке, является известное техническое решение по патентной заявке [7].

Рентгеновская трубка по предлагаемому изобретению, как и наиболее близкая к нему известная, содержит источник электронов и анодный электрод, размещенные в вакуумированном корпусе, выполненном с возможностью выведения рентгеновского излучения, возбуждаемого в анодном электроде при бомбардировке его эмитируемыми электронами, при этом источник электронов содержит катодный электрод, имеющий автоэлектронную эмитирующей часть, и управляющий электрод, обладающий прозрачностью для потока электронов, эмитируемых указанной частью катодного электрода.

Для достижения названного выше технического результата в предлагаемой рентгеновской трубке, в отличие от наиболее близкой к ней известной, управляющий электрод выполнен в виде прямого пустотелого проводящего цилиндра, имеющего боковую стенку и два основания, одно из которых обращено к катодному электроду. Прозрачность его для потока электронов, эмитируемых автоэлектронной эмитирующей частью катодного электрода, обеспечена наличием в каждом из указанных оснований центрального отверстия (коаксиального с указанным цилиндром и отверстием в другом основании). При этом отверстие в основании, обращенном к катодному электроду (т.е. более близком к нему), расположено напротив автоэлектронной эмитирующей части этого электрода и имеет меньший диаметр, чем отверстие в другом основании. Последнее обращено к анодному электроду.

В процессе работы электронных приборов, использующих выполненный описанным образом цилиндрический управляющий электрод, включая и предлагаемую рентгеновскую трубку, оторвавшиеся от эмитирующей части катодного электрода частицы его материала, способные к эмиссии, оседают преимущественно на кромке отверстия в основании упомянутого цилиндра, расположенного напротив эмитирующей части катодного электрода. При этом электрическое поле, создаваемое в работающем приборе анодом, находящимся под высоким потенциалом, корректируется благодаря описанной форме управляющего электрода таким образом, что его напряженность вблизи указанной кромки уменьшается и становится недостаточной для возникновения паразитной эмиссии из осевших на этой кромке частиц, а также для их отрыва.

Целесообразно выполнение в предлагаемом источнике электронов, в том числе в составе предлагаемой рентгеновской трубки, эмитирующей части катодного электрода в виде подложки с нанесенной на нее углеродной пленкой, образованной нерегулярно расположенными углеродными микро- и наноребрами и (или) микро- и нанонитями, ориентированными перпендикулярно поверхности подложки. Такая эмитирующая часть обладает хорошими эмиссионными характеристиками и увеличенной стойкостью в электрических полях с высокой напряженностью (см. патент РФ №2194328, опубл. 20.03.2000 [11]).

Предпочтительно также выполнение предлагаемого источника электронов, в том числе в составе предлагаемой рентгеновской трубки, с соблюдением наряду с указанным выше соотношением между диаметрами отверстий, также следующего соотношения между диаметрами d₁ и d₂ соответственно меньшего и большего из указанных отверстий и внутренними высотой h и диаметром D указанного цилиндра: d₁<h≤d₂<D. Выполнение этого соотношения способствует дополнительной минимизации напряженности электрического вблизи кромки отверстия в основании упомянутого цилиндра, обращенном к катодному электроду.

В частном случае предлагаемая рентгеновская трубка может быть выполнена таким образом, что боковая стенка указанного цилиндра является частью корпуса рентгеновской трубки. Благодаря такому выполнению может быть уменьшен поперечный размер рентгеновской трубки.

Рентгеновская трубка может быть выполнена как с прострельным анодом, размещенным перед рентгенопрозрачным окном в наиболее удаленном от управляющего электрода торце корпуса, так и с отражательным анодным электродом, для получения возможности формирования пучка рентгеновского излучения, направленного вперед по продольной оси трубки или вбок через рентгенопрозрачное окно, выполненное в боковой стенке корпуса. В последнем случае для формирования пучка, распространяющегося во все стороны вокруг продольной оси трубки, анодный электрод выполнен конусообразным с вершиной конуса, обращенной к управляющему электроду, а рентгенопрозрачное окно выполнено в виде пояса в боковой стенке корпуса.

Изобретения поясняются чертежами, на которых в качестве примеров схематически представлены:

- на фиг. 1 - выполнение предлагаемого источника электронов и использование его в составе триода;

- на фиг. 2 - выполнение предлагаемого источника электронов и использование его в составе электронной пушки;

- на фиг. 3-5 - выполнение предлагаемой рентгеновской трубки, содержащей предлагаемый источник электронов, в различных частных случаях.

Кроме того, на фиг. 6 приведены графики, иллюстрирующие изменение напряженности электрического поля вблизи обращенного к катодному электроду основания пустотелого цилиндра, являющегося управляющим электродом.

К предлагаемому источнику электронов относятся позиции 1-7, 20 на фиг. 1; 21-27, 40 на фиг. 2; 41-47, 60 на фиг. 3; 61-67, 80 на фиг. 4 и 81-87, 100 на фиг. 5.

В электронном приборе, являющемся триодом (фиг. 1), источник электронов содержит катодный электрод 1 с автоэлектронной эмитирующей частью 2 и управляющий электрод 20. Последний выполнен в виде пустотелого проводящего цилиндра, имеющего боковую стенку 3 и основания 6, 7 (по чертежу - нижнее и верхнее). Использованные на чертеже буквенные обозначения имеют следующий смысл: d₁ и d₂ -диаметры отверстий 4 и 5 соответственно нижнего 6 и верхнего 7 оснований, h - внутренняя высота цилиндра (расстояние между его основаниями), D - внутренний диаметр цилиндра. Цилиндр обращен нижним основанием 6 к эмитирующей части 2 катодного электрода 1. Выполненные в основаниях 6 и 7 цилиндра центральные отверстия (коаксиальные с цилиндром и друг с другом) 4 и 5 обеспечивают прозрачность управляющего электрода 20 для эмитируемых электронов. Устройство содержит также анодный электрод 8, значительно более удаленный от управляющего электрода 20, чем катодный электрод 1. Катодный 1 и управляющий 20 электроды источника электронов вместе с анодным электродом 8 заключены в вакуумированный корпус 9 и имеют внешние выводы 10, 11, 12 соответственно. Отверстие 5 в верхнем (более удаленном от катодного электрода) основании 7 цилиндра имеет диаметр d₂, который больше диаметра d₁ отверстия 4 в нижнем основании 6, ближайшем к катодному электроду.

При подаче на управляющий электрод 20 напряжения положительной полярности относительно катодного электрода 1 в промежутке: эмитирующая часть 2 катодного электрода - нижнее (более близкое к катодному электроду) основание 6 цилиндра управляющего электрода 20 возникает электрическое поле. Если поданное напряжение таково, что напряженность возникающего поля превышает пороговую, начинается автоэлектронная эмиссия. Эмитированные электроны ускоряются полем, созданным в указанном промежутке, проходят через промежуток между основаниями 6 и 7 цилиндра управляющего электрода 20, прозрачного для электронов благодаря наличию отверстий 4 и 5 в этих основаниях, и продолжают движение в направлении анодного электрода 8, получая при этом дополнительное ускорение.

В зависимости от соотношения свойств материала эмитирующей части катодного электрода и расстояний между электродами, а также от напряжения между ними устройство может работать в режиме регулируемого усиления или ключа. В последнем случае управляющий электрод 20 выполняет только вытягивающую функцию, обеспечивая лишь возможность эмиссии и проникновения электронов в промежуток: верхнее основание 7 цилиндра - анодный электрод 8, а в первом случае способен выполнять модулирующую роль, т.е. плавно влиять на величину анодного тока в зависимости от управляющего напряжения.

На фиг. 2 показано использование предлагаемого источника электронов в составе электронной пушки. Элементами источника электронов электронной пушки являются катодный электрод 21, его автоэлектронная часть 22 и управляющий электрод 40, имеющий выполнение, аналогичное выполнению электрода 20 в описанном выше устройстве по фиг. 1, т.е. в виде прямого пустотелого проводящего цилиндра с боковой стенкой 23, основаниями 26, 27 и центральными отверстиями 24, 25 в них. Перечисленные элементы вместе с анодным электродом 28 заключены в общий корпус 29. Последний имеет отверстие 34 в правом по чертежу торце, более удаленном от управляющего электрода 40. Анодный электрод 28 выполнен в виде диска с центральным отверстием 33. Электроды 21, 40, 28 имеют внешние выводы соответственно 30, 31, 32.

При работе электронной пушки электроны, эмитируемые катодным электродом, движутся в направлении к анодному электроду через отверстия 24, 25 управляющего электрода и выводятся из устройства через отверстие 33 в анодном электроде 28 и отверстие 34 в торце корпуса 29 преимущественно в направлении, показанном стрелкой е. Устройство используется в условиях технического вакуума внутри корпуса 29 и в окружающем его пространстве.

Фиг. 3-5 относятся к предлагаемой рентгеновской трубке, использующей предлагаемый источник электронов.

На фиг. 3 показана трубка с прострельным анодом. Включенный в состав этой рентгеновской трубки источник электронов содержит катодный электрод 41, его автоэлектронную эмитирующую часть 42 и управляющий электрод 60, имеющий Т-образное выполнение в виде прямого пустотелого проводящего цилиндра с боковой стенкой 43 и центральными отверстиями 44, 45 в основаниях 46, 47, аналогичное выполнению электрода 20 в описанном выше устройстве по фиг. 1. Параллельно основаниям 47, 46 цилиндра управляющего электрода 60 установлен плоский анодный электрод 48, имеющий удаление от управляющего электрода 60, значительно большее, чем катодный электрод 41. Анодный электрод 48 представляет собой тонкую мишень, выполненную из материала, обладающего требуемыми свойствами характеристического излучения. Перечисленные элементы заключены в вакуумированный корпус 49. Электроны, вышедшие из отверстия 45 верхнего по чертежу основания 47 цилиндра, ускоряются в поле между управляющим 60 и анодным 48 электродами и бомбардируют последний, возбуждая в нем рентгеновское излучение. Это излучение выводится через рентгенопрозрачное окно 53 в верхнем по чертежу торце корпуса 49 преимущественно в направлении, показанном стрелкой R. Окно 53 может быть либо просто торцевой частью корпуса, если его материал является рентгенопрозрачным (например, стеклянным; при этом, в частном случае, для уменьшения ослабления излучения торец корпуса может быть выполнен более тонким, чем остальные части корпуса), либо выполнено из более прозрачного, чем прочие части корпуса, материала, например, из бериллия.

На фиг. 4 показана рентгеновская трубка с отражательным анодом 68. К источнику электронов относятся позиции: 61 - катодный электрод, 62 - его автоэлектронная эмитирующая часть, 80 - управляющий электрод, имеющий выполнение, аналогичное выполнению электрода 20 в описанном выше устройстве по фиг. 1, т.е. в виде прямого пустотелого проводящего цилиндра с боковой стенкой 63 и основаниями 66, 67 с центральными отверстиями 64, 65 в них. Перечисленные элементы вместе с анодным электродом 68 заключены в вакуумированный корпус 69. Электроды 61, 80, 68 имеют внешние выводы соответственно 70, 71, 72. Плоский анодный электрод 68 расположен наклонно по отношению к продольной (вертикальной по чертежу) оси корпуса 69 и выполнен либо непосредственно из материала, обладающего требуемыми свойствами характеристического излучения, либо в виде мишени из такого материала, нанесенной на другой проводящий материал, образующий тело катодного электрода. Излучение выводится через рентгенопрозрачное окно 73 в боковой стенке корпуса 69 преимущественно в направлении, показанном стрелкой R. Окно 73 может быть либо просто частью корпуса, расположенной напротив обращенной к управляющему электроду стороны анодного электрода, если материал корпуса является рентгенопрозрачным (например, стеклянным; в частном случае, для уменьшения ослабления излучения корпус в указанной части может быть выполнен более тонким, чем в других частях), либо выполнено из более прозрачного, чем прочие части корпуса, материала, например, из бериллия.

Рентгеновской трубке по фиг. 4 присуща особенность, заключающаяся в том, что боковая стенка 63 цилиндра, в виде которого выполнен управляющий электрод 80, является частью боковой стенки корпуса 69. Благодаря этому поперечный размер трубки меньше, чем при выполнении, показанном на фиг. 3. Такую трубку используют с заземленным управляющим электродом.

На фиг. 5 показана рентгеновская трубка с конусообразным отражательным анодом 88. К источнику электронов относятся позиции: 81 - катодный электрод, 82 - его автоэлектронная эмитирующая часть, 100 - управляющий электрод, имеющий выполнение, аналогичное выполнению электрода 20 в описанном выше устройстве по фиг. 1, т.е. в виде прямого пустотелого проводящего цилиндра с боковой стенкой 83, основаниями 86, 87 и центральными отверстиями 84, 85 в них. Перечисленные элементы вместе с анодным электродом 88 заключены в вакуумированный корпус 89. Конусообразный анодный электрод 88 расположен так, что ось конуса ориентирована по продольной оси корпуса 89, а вершина его обращена в сторону управляющего электрода 100. Анодный электрод 88 выполнен либо непосредственно из материала, обладающего требуемыми свойствами характеристического излучения, либо в виде мишени из такого материала, нанесенной на другой проводящий материал, образующий тело анодного электрода. Излучение выводится через выполненное в виде пояса рентгенопрозрачное окно 93 в боковой стенке корпуса 89 преимущественно в направлениях, показанных стрелками R. К материалу окна 93 относится сказанное выше при рассмотрении трубки по фиг. 4. В трубке по фиг. 5, как и в трубке по фиг. 4, боковая стенка 83 цилиндра, в виде которого выполнен управляющий электрод 100, является частью боковой стенки корпуса 89, что позволяет уменьшить поперечный размер трубки. Данную трубку, как и трубку по фиг. 4, используют с заземленным управляющим электродом.

В совокупности наличие рассмотренных частных случаев выполнения предлагаемой рентгеновской трубки с использованием в ее составе предлагаемого источника электронов позволяет получить излучение преимущественно в выбранном направлении: пучком, направленным вперед (трубка по фиг. 3), пучком, направленным вбок в одну сторону (трубка по фиг. 4), или пучком в угле 360° вокруг продольной оси корпуса (трубка по фиг. 5), например, в зависимости от применяемой методики диагностики или тактики лечения при брахитерапии.

В любом из рассмотренных и других частных случаях выполнения предлагаемой рентгеновской трубки с предлагаемым источником электронов можно осуществлять раздельное регулирование интенсивности излучения - изменением напряжения на управляющем электроде относительно катодного электрода и спектрального состава излучения - изменением анодного напряжения.

В предлагаемом источнике электронов, а также в любом электронном устройстве, использующем источник, включая рассмотренные выше в качестве примеров триод, электронную пушку и рентгеновские трубки, наиболее целесообразным является выполнение автоэлектронной эмитирующей части 2, 22, 42, 62, 82 катодного электрода 1, 21, 41, 61, 81 (соответственно по фиг. 1, 2, 3, 4, 5) в виде подложки с нанесенной на нее углеродной пленкой, образованной нерегулярно расположенными углеродными микро- и наноребрами и (или) микро- и нанонитями, ориентированными перпендикулярно поверхности подложки. Это обеспечивает хорошие эмиссионные характеристики и увеличенную стойкость автоэлектронной эмитирующей части в электрических полях с высокой напряженностью. Технология получения такой эмитирующей части описана в патенте [11].

При работе предлагаемого источника электронов в любом использующем его электронном устройстве, включая рассмотренные выше в качестве примеров триод и электронную пушку, а также рентгеновские трубки, возможен перенос материала (углеродного при указанном выше предпочтительном выполнении) автоэлектронной эмитирующей части катодного электрода на другие поверхности внутри вакуумированного корпуса электронного прибора, в том числе на кромки отверстий в управляющем электроде, преимущественно на кромку ближнего к катодному электроду отверстия (4, 24, 44, 64 или 84 соответственно по фиг. 1, 2, 3, 4 или 5). Такие осажденные частицы способны выступать в роли вторичных (паразитных) эмиссионных центров. Если бы в источнике электронов и использующих его устройствах не было реализовано выполнение управляющего электрода в соответствии с предлагаемыми изобретениями, эта способность могла быть реализована. При этом ввиду малой адгезии осажденных частиц велика вероятность их перегрева и испарения с образованием облака углеродного пара, что чревато возникновением электрического пробоя. Происходящая при этом ионизация молекул остаточного газа в техническом вакууме внутри корпуса прибора приводила бы к бомбардировке эмитирующей части катодного электрода положительными ионами с практически неизбежным ее повреждением.

При использовании источника электронов в составе рентгеновских трубок дополнительно могут иметь место особенности, связанные со стремлением получить более высокую энергию электронов при регулировании спектрального состава излучения, что требует увеличения анодного напряжения. Это приводит к необходимости использовать импульсный режим, так как в таком режиме увеличение анодного напряжения в определенных пределах не приводит к повышению вероятности пробоя, вызываемого обычными для рентгеновских трубок факторами. Однако в рентгеновской трубке с автоэлектронной эмиссией, работающей в импульсном режиме, в паузах между импульсами электрическое поле резко переключается со всей рабочей поверхности автоэлектронной эмитирующей части катодного электрода на отдельные паразитные центры на управляющем электроде, преимущественно на те, которые находятся на кромке отверстия этого электрода, когда он выполнен в виде пластины с отверстием, или на проводниках сетки, когда этот электрод имеет соответствующее выполнение.

В устройствах по предлагаемым изобретениям, имеющих управляющий электрод, выполненный описанным выше образом (позиции 20, 40, 60, 80, 100 соответственно на фиг. 1, 2, 3, 4, 5), оторвавшиеся от эмитирующей части катодного электрода (позиции 2, 22, 42, 62, 82) частицы его материала, способные к эмиссии, оседают преимущественно на кромке отверстия (4, 24, 44, 64, 84) в основании цилиндра, расположенном вблизи катодного электрода. При этом электрическое поле, создаваемое в работающем приборе анодным электродом, находящимся под высоким потенциалом, корректируется благодаря описанной форме управляющего электрода таким образом, что напряженность поля вблизи указанной кромки оказывается невысокой и недостаточной для возникновения паразитной эмиссии из осевших на этой кромке частиц. Одновременно становится менее вероятным преодоление адгезии частиц материала эмиттера, осевших на управляющем электроде, и отрыв их от этого электрода.

Выше был назван признак предлагаемого источника электронов и содержащей его рентгеновской трубки, заключающийся в том, что отверстие в обращенном к катодному электроду основании цилиндра, в виде которого выполнен управляющий электрод, имеет меньший диаметр по сравнению с отверстием в более удаленном от катодного электрода основании, т.е. d₁<d₂ (см. фиг. 1, где приведены эти обозначения, а также обозначения h и D соответственно для внутренних высоты и диаметра цилиндра). Наряду с соотношением d₁<d₂ целесообразно также соблюдение условия для высоты h цилиндра: d₁<h≤d₂, позволяющего дополнительно минимизировать напряженность электрического поля вблизи кромки отверстия в основании цилиндра, более близком к катодному электроду. Очевидно также, что всегда d₂<D, поэтому d₁<h≤d₂<D.

На фиг. 6 в качестве примера приведены расчетные зависимости направленной вдоль оси корпуса составляющей Е напряженности электрического поля (в относительных безразмерных единицах) вблизи обращенного к катодному электроду основания цилиндра от расстояния r вдоль радиуса этого основания, отсчитываемого от его центра.

Участок 101 соответствует отверстию (4, 24, 44, 64 или 84), а участок 102 - металлической части основания цилиндра. Кривая 104 получена для устройств с управляющим электродом, выполненным в соответствии с предлагаемыми изобретениями, а кривая 103 получена в предположении, что управляющий электрод выполнен просто в виде пластины с отверстием (когда, в отличие от управляющего электрода по предлагаемым изобретениям, отсутствуют боковая стенка и более удаленное от катодного электрода основание цилиндра). Из сравнения кривых 103 и 104 видно существенное снижение напряженности Е на кромке упомянутого отверстия, что подтверждает эффективность предлагаемой конструкции устройств. Конструктивные размеры (см. фиг. 1), при которых получены кривые фиг. 6, соответствуют следующим: d₁=0,2 мм, d₂=1,0 мм, h=0,5 мм, D=1,2 мм; расстояние между катодным электродом и обращенным к нему основанием цилиндра - 0,1 мм, расстояние между катодным и анодным электродами - 5,1 мм.

Согласно приведенному выше описанию управляющий электрод в предлагаемых устройствах и отверстия в его основаниях имеют круглую форму. Однако с точки зрения способности функционирования и возможности достижения названных выше видов технического результата такой конструкции эквивалентно выполнение указанного электрода в виде правильной призмы, а центральных отверстий в основаниях - в виде правильных многоугольников, причем не обязательно с одинаковыми количествами сторон у этих многоугольников и количеством боковых граней призмы, а при одинаковых количествах - стороны двух многоугольников не обязательно должны быть параллельны между собой и боковыми гранями призмы.

В заключение следует заметить, что приведенное выше описание предлагаемых изобретений следует воспринимать с учетом особенностей терминологии в данной области техники. Содержащийся в электронных приборах рассматриваемого типа эмитирующий электроны электрод, вышепредставленный как катодный электрод с автоэлектронной эмитирующей частью, часто называют просто эмиттером или (в соответствующем контексте) просто катодом. Применяются также названия: автоэлектронный эмиттер, автоэмиттер, холодный катод, автокатод, полевой эмиттер, а для используемого в таких приборах явления эмиссии электронов - названия: автоэмиссия, автоэлектронная эмиссия, холодная эмиссия, полевая эмиссия. Управляющий электрод называют также вытягивающим электродом, вытягивающей сеткой, управляющей сеткой или просто сеткой, в том числе даже в случаях, когда конструктивное выполнение этого электрода не ассоциируется с сеткой. Источник электронов в целом, являющийся объектом первого из предлагаемых изобретений и частью второго, может называться управляемым источником электронов, управляемым эмитирующим узлом, а также катодно-сеточным узлом.

Источники информации

1. Патент РФ №2161840, опубл. 10.01.2001.

2. Авторское свидетельство СССР №1079096, опубл. 15.07.1991.

3. Патент РФ №2231859, опубл. 27.06.2004.

4. Патент США №6553096, опубл. 22.04.2003.

5. Патент США №6850595, опубл. 01.02.2005.

6. Патент США №8300769, опубл. 30.10.2012.

7. Патентная заявка США №2013/0336459, опубл. 19.12.2013.

8. Jun-Tae Kang at al. Analysis of Failure in Miniature X-ray Tubes with Gated Carbon Nanotube Field Emitters, ETRI Journal, Volume 35, Number 6, December 2013, pp. 1164-1167.

9. Патент РФ №2248643, опубл. 20.03.2005.

10. Патент США №8295440, опубл. 23.10.2012.

11. Патент РФ №2194328, опубл. 20.03.2000.

Изобретения относятся к электронной технике и рентгеновской технике, а именно к источнику электронов, предназначенному для использования в составе электронных приборов с автоэлектронной эмиссией, и одному из таких приборов - рентгеновской трубке. Источник содержит катодный электрод 1 с автоэлектронной эмитирующей частью 2 и управляющий электрод 20, прозрачный для эмитируемых электронов. Особенностью источника является то, что управляющий электрод 20 выполнен в виде прямого пустотелого проводящего цилиндра, имеющего боковую стенку 3 и два основания 6, 7 с центральными отверстиями 4, 5. Одно из оснований (6) обращено к катодному электроду 1 и расположено напротив его автоэлектронной эмитирующей части 2. Отверстие 4 в этом основании имеет меньший размер по сравнению с отверстием 5 в другом основании. Рентгеновская трубка содержит источник электронов и анод, размещенные в вакуумированном корпусе, имеющем рентгенопрозрачное выводное окно. Особенностью конструкции трубки является описанное выше выполнение источника электронов. Трубка может быть выполнена , таким образом, что боковая стенка упомянутого цилиндра является частью стенки корпуса трубки. Технический результат - предотвращение нежелательной эмиссии из способных к эмиссии частиц материала автоэлектронной эмитирующей части катодного электрода, отрывающихся от нее и оседающих на управляющем электроде, и уменьшение количества таких частиц, отрывающихся от управляющего электрода. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Источник электронов, содержащий катодный электрод с автоэлектронной эмитирующей частью и управляющий электрод, обладающий прозрачностью для электронов, эмитируемых указанной частью катодного электрода, отличающийся тем, что управляющий электрод выполнен в виде прямого пустотелого проводящего цилиндра, имеющего боковую стенку и два основания, одно из которых обращено к катодному электроду, прозрачность управляющего электрода для потока электронов, эмитируемых автоэлектронной эмитирующей частью катодного электрода, обеспечена наличием в каждом из указанных оснований центрального отверстия, при этом отверстие в основании, более близком к катодному электроду, расположено напротив автоэлектронной эмитирующей части этого электрода и имеет меньший диаметр, чем отверстие в удаленном от катодного электрода основании указанного цилиндра.

2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что автоэлектронная эмитирующая часть катодного электрода выполнена в виде подложки с нанесенной на нее углеродной пленкой, образованной нерегулярно расположенными углеродными микро- и наноребрами и (или) микро- и нанонитями, ориентированными перпендикулярно поверхности подложки.

3. Источник по п. 1 или 2, отличающийся тем, что между диаметром d₁ отверстия в обращенном к катодному электроду основании указанного цилиндра, диаметром d₂ отверстия в удаленном от катодного электрода основании указанного цилиндра, внутренней высотой h этого цилиндра и его внутренним диаметром D имеет место соотношение d₁<h≤d₂<D.

4. Рентгеновская трубка, содержащая источник электронов и анодный электрод, размещенные в вакуумированном корпусе, выполненном с возможностью выведения рентгеновского излучения, возбуждаемого в анодном электроде при бомбардировке его электронами, при этом источник электронов содержит катодный электрод, имеющий автоэлектронную эмитирующую часть, и управляющий электрод, обладающий прозрачностью для электронов, эмитируемых указанной частью катодного электрода, отличающаяся тем, что управляющий электрод выполнен в виде прямого пустотелого проводящего цилиндра, имеющего боковую стенку и два основания, одно из которых обращено к катодному электроду, а прозрачность управляющего электрода для электронов, эмитируемых автоэлектронной эмитирующей частью катодного электрода, обеспечена наличием в каждом из указанных оснований центрального отверстия, при этом отверстие в основании, обращенном к катодному электроду, расположено напротив автоэлектронной эмитирующей части этого электрода и имеет меньший диаметр, чем отверстие в другом основании, которое обращено к анодному электроду.

5. Трубка по п. 4, отличающаяся тем, что она выполнена с прострельным анодным электродом, размещенным перед рентгенопрозрачным окном в наиболее удаленном от управляющего электрода торце корпуса.

6. Трубка по п. 4, отличающаяся тем, что она выполнена с отражательным анодным электродом и рентгенопрозрачным окном, размещенным в боковой стенке корпуса.

7. Трубка по п. 6, отличающаяся тем, что отражательный анодный электрод выполнен конусообразным с вершиной, обращенной в сторону управляющего электрода, а рентгенопрозрачное окно, размещенное в боковой стенке корпуса, выполнено в виде пояса.

8. Трубка по любому из пп. 4-7, отличающаяся тем, что боковая стенка указанного цилиндра является частью корпуса рентгеновской трубки.

9. Трубка по любому из пп. 4-7, отличающаяся тем, что автоэлектронная эмитирующая часть катодного электрода выполнена в виде подложки с нанесенной на нее углеродной пленкой, образованной нерегулярно расположенными углеродными микро- и наноребрами и (или) микро- и нанонитями, ориентированными перпендикулярно поверхности подложки.

10. Трубка по п. 9, отличающаяся тем, что между диаметром d₁ отверстия в обращенном к катодному электроду основании указанного цилиндра, диаметром d₂ отверстия в удаленном от катодного электрода основании указанного цилиндра, внутренней высотой h этого цилиндра и его внутренним диаметром D имеет место соотношение d₁<h≤d₂<D.

11. Трубка по п. 9, отличающаяся тем, что боковая стенка указанного цилиндра является частью корпуса рентгеновской трубки.

12. Трубка по любому из пп. 4-7, 11, отличающаяся тем, что между диаметром d₁ отверстия в обращенном к катодному электроду основании указанного цилиндра, диаметром d₂ отверстия в удаленном от катодного электрода основании указанного цилиндра, внутренней высотой h этого цилиндра и его внутренним диаметром D имеет место соотношение d₁<h≤d₂<D.