МАЛОГАБАРИТНАЯ АВТОЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА Российский патент 2016 года по МПК H01J1/304 H01J29/04 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронно-лучевых приборах с автоэлектронной эмиссией, а именно: в зондовых приборах, экранах, растровых электронных микроскопах, а также в исследовательских и аналитических установках.

Известна малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка, содержащая автокатод, выполненный из наноструктурированного углеродного материала, заключенный в диэлектрическую оболочку, включающую первую часть и вторую часть, модулятор, расположенный на отдельных изолирующих конструкциях, и контактный электрод [1].

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Недостатки этого устройства заключаются в низкой надежности и долговечности, связанных с тем, что модулятор расположен на отдельных изолирующих конструкциях. Такая компоновка снижает жесткость и увеличивает габариты автоэмиссионной пушки. При этом может происходить уход геометрических параметров крепления модулятора, что со временем может вызывать выход из строя автоэмиссионной пушки в целом.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик устройства.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности и долговечности работы устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в малогабаритной автоэмиссионной электронной пушке, содержащей автокатод, выполненный из наноструктурированного углеродного материала, заключенный в диэлектрическую оболочку, включающую первую часть и вторую часть, модулятор и контактный электрод, модулятор выполнен в виде первой обечайки, которая плотно насажена на первую часть диэлектрической оболочки, причем свободная часть первой обечайки и первый свободный конец автокатода выступают над первым торцом первой части диэлектрической оболочки, а в качестве контактного электрода используют вторую обечайку, соединенную со второй частью диэлектрической оболочки и имеющую электрический контакт с автокатодом.

В одном из вариантов первый свободный конец автокатода выступает над первым торцом диэлектрической оболочки на высоту h1, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.

В одном из вариантов свободная часть первой обечайки выступает над первым свободным концом автокатода на величину h2, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.

В одном из вариантов первый свободный конец автокатода выступает над свободной частью первой обечайки на величину h3, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.

В одном из вариантов размер h4 свободной части первой обечайки больше размера h5 остальной части первой обечайки в 1,2-1,6 раза.

В одном из вариантов h4 свободной части первой обечайки составляет величину 0,6-0,9 от размера h5 остальной части первой обечайки.

В одном из вариантов автокатод включает второй свободный конец, который выступает из второго торца диэлектрической оболочки на величину h6, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм, при этом пространство на эту величину внутри второй обечайки заполнено проводящим составом.

В одном из вариантов диэлектрическая оболочка выполнена из стекла или керамики.

В одном из вариантов первая и вторая обечайки посажены на диэлектрическую оболочку неразъемным соединением.

В одном из вариантов обечайки закреплены на диэлектрической оболочке с помощью клеевого шва, причем на краях обечаек, направленных друг к другу, выполнены диэлектрические бортики.

В одном из вариантов расстояние между первым краем первой обечайки и вторым краем второй обечайки, направленных друг к другу, составляет величину h7, находящуюся в диапазоне 5-20 мм.

В одном из вариантов диэлектрическая оболочка имеет цилиндрическую форму.

В одном из вариантов автокатод выполнен из пучка углеродных волокон.

В одном из вариантов первый свободный конец автокатода имеет округлую форму.

В одном из вариантов автокатод выполнен в виде фольги из терморасширенного графита.

В одном из вариантов первая часть диэлектрической оболочки, расположенная внутри первой обечайки, представляет собой усеченный конус с углом αl при вершине, находящийся в диапазоне 160-10°.

В одном из вариантов размер h8 свободной части первой обечайки составляет величину 0,6-0,9 от размера h9 остальной части первой обечайки, но угол α2 схождения обечайки всегда больше угла αl при вершине усеченного конуса диэлектрической оболочки минимум на 10°.

На фиг. 1 изображена малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка в разрезе.

На фиг. 2 изображен вариант выполнения автокатода.

На фиг. 3 и 4 изображены варианты выполнения торца диэлектрической оболочки и первой обечайки.

Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка, содержит автокатод 1 (фиг. 1), выполненный из наноструктурированного углеродного материала и заключенный в диэлектрическую оболочку 2, включающую первую часть 3 и вторую часть 4. Кроме этого, электронная пушка включает модулятор и контактный электрод 6.

Модулятор выполнен в виде первой обечайки 7, которая плотно насажена на первую часть 3 диэлектрической оболочки 2. Плотность посадки должна обеспечить какое-либо отсутствие перемещения первой обечайки 7 относительно диэлектрической оболочки 2 при монтаже в электронном приборе, а также при его эксплуатации. Это включает как ударные, так и термические нагрузки. При этом материалы первой обечайки 7 и диэлектрической оболочки 2 должны иметь очень близкие коэффициенты линейного и объемного расширения (подробно см. ниже).

Свободная часть 8 первой обечайки 7 и первый свободный конец 9 автокатода 1 выступают над первым торцом 10 первой части 3 диэлектрической оболочки 2. В качестве контактного электрода 6 используют вторую обечайку 11, соединенную со второй частью 4 диэлектрической оболочки 2 и имеющую электрический контакт с автокатодом 1. Соединение второй обечайки 11 со второй частью 4 диэлектрической оболочки 2 должно быть также осуществлено по плотной посадке, которая должна обеспечить какое-либо отсутствие перемещения второй обечайки 11 относительно диэлектрической оболочки 2 при монтаже в электронном приборе, а также при его эксплуатации. Материалы второй обечайки 8 и диэлектрической оболочки 2 должны иметь очень близкие коэффициенты линейного и объемного расширения (подробно см. ниже).

В данной конфигурации происходит уменьшение запыления материалом автокатода 1 первой части 3 (первого торца 10) диэлектрической оболочки 2 и, как следствие, повышение надежности и долговечности электронной пушки.

В первом варианте первый свободный конец 9 автокатода 1 выступает над первым торцом 10 диэлектрической оболочки 2 на высоту h1, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм. Эта величина определяет максимальную величину угла расхождения электронного пучка и степень экранирования электронного пучка, эмитированного со свободного конца 9 автокатода 1, первым торцом 10 диэлектрической оболочки 2.

Такой диапазон высоты h1 дает уменьшение экранирующего эффекта автокатода, тем самым уменьшается рабочее напряжение электронной пушки и повышается ее надежность и долговечность, а также увеличивается мощность пучка.

Величина h1 определяет также влияние первого торца 10 диэлектрической оболочки 2 на величину электронного пучка в зависимости от диаметра автокатода 1. Нижний размер (0,1 мм) относится к диаметру автокатода 1 около 50 мкм, а верхний (2 мм) к величине диаметра автокатода 0,5-1 мм. Большие диаметры автокатода 1 использовать нецелесообразно из-за внутренней экранировки эмиссионных центров и, соответственно, уменьшения автоэмиссионного тока.

Во втором варианте свободная часть 8 первой обечайки 7 выступает первым свободным концом 9 автокатода 1 на величину h2, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм. Чем больше величина h2, тем более узкий электронный пучок может быть сформирован, что дает возможность изменять форму пучка и приводит к улучшению эксплуатационных свойств электронной пушки.

В третьем варианте для получения расходящегося электронного пучка в конструкции электронной пушки первый свободный конец 9 (фиг. 2) автокатода 1 выступает над свободной частью 8 первой обечайки 7 на величину h3, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм. Это позволяет получить более широкий пучок электронов и, кроме того, уменьшает практически до нуля токоперехват электронов на модулятор, что повышает экономичность и долговечность работы электронной пушки.

При этом размер h4 свободной части 8 первой обечайки 7 может быть больше размера h5 остальной части 12 первой обечайки 7 в 1,2-1,6 раза.

Данный вариант расширяет угол разлета электронов и увеличивает ширину пучка электронов, а также повышает надежность и долговечность электронной пушки за счет уменьшения запыления материалом автокатода 1 первой части 3 (первого торца 10) диэлектрической оболочки 2.

Размер h4 может также составлять величину 0,6-0,9 от размера h5 остальной части 12 первой обечайки 7. В этом случае можно сузить электронный пучок.

Надежный электрический контакт автокатода 1 (фиг. 1) с внешними устройствами, обеспечивается тем, что автокатод 1 включает второй свободный конец 13, который выступает из второго торца 14 диэлектрической оболочки 2 на величину h6, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм, при этом пространство на эту величину внутри второй обечайки 11 заполнено проводящим составом 15, в качестве которого можно использовать аквадак, т.е. суспензию графитового порошка в воде с добавлением жидкого стекла. Электрическое сопротивление проводящего состава 15 может варьироваться в широких пределах: от долей Ом до нескольких десятков МОм. В последнем случае проводящий состав работает как резистор отрицательной обратной связи, это существенно повышает стабильность автоэмиссионного тока.

Надежный электрический контакт автокатода 1 с контактным электродом 6 повышает надежность и долговечность электронной пушки.

Материал диэлектрической оболочки 2 должен обладать хорошими вакуумными свойствами, т.е. температурной устойчивостью вплоть до 500°С, и малым газоотделением. В зависимости от назначения автоэмиссионной электронной пушки диэлектрическая оболочка 2 может быть выполнена из либо из стекла (Ст 52), либо из керамики (22ХС).

Стекло наиболее дешевый и технологичный материал, в то время как керамика обладает большим удельным электрическим сопротивлением и прочностью. При выполнении диэлектрической оболочки из керамики повышается надежность и долговечность электронной пушки. Как уже отмечалось, в зависимости от материала диэлектрической оболочки 2 следует подбирать материал первой обечайки 7 и контактного электрода 6 (второй обечайки 11), для обеспечения равенства коэффициентов линейного расширения. В качестве материалов первой 7 и второй 11 обечаек можно использовать ковар, нержавеющую сталь, молибден.

Возможен вариант, в котором соединение диэлектрической оболочки 2 с первой обечайкой 7 и второй обечайкой 11 выполнено неразъемным. Это необходимо, чтобы при высокотемпературной обработке (например, при откачке прибор прогревается до 400-500°С) обеспечивалась плотная неразъемная посадка первой 7 и второй 11 обечаек на диэлектрическую оболочку 2.

Неразъемное соединение означает, что при температурных изменениях (например, технологических), а также монтажных и ударных нагрузках не происходят смещения первой 7 и второй 11 обечаек относительно диэлектрической оболочки 2.

Такое неразъемное соединение может быть осуществлено разными способами, например горячей посадкой первой 7 и второй 11 обечаек на диэлектрическую оболочку 2. Другой вариант неразъемного соединения - монтаж обечаек 7, 11 на диэлектрической оболочке 2 с помощью точечной сварки. То, что соединение диэлектрической оболочки 2 с первой обечайкой 7 и второй обечайкой 11 выполнено неразъемным, повышает надежность и долговечность электронной пушки.

Также существует более простой и эффективный способ, когда обечайки 7 и 11 закреплены на диэлектрической оболочке 2 с помощью клеевого шва 16, причем на краях обечаек, направленных друг к другу, выполнены диэлектрические бортики 17.

В данном случае можно использовать вакуумные стеклоцементы соответствующего состава, совместимого с коэффициентом термического расширения обечаек 7, 11 и диэлектрической оболочки 2, например стеклоцемент СЦ-317.

Использование клея позволяет корректировать положение обечаек 7 и 11 на диэлектрической оболочке 2, увеличивает электрическую прочность конструкции и повышает надежность и долговечность электронной пушки.

Бортики 17 увеличивают электрическую прочность промежутка автокатод 1 - модулятор (первая обечайка 7) по диэлектрической оболочке 2 за счет исключения электрических пробоев между первым краем 18 первой обечайки 7 и вторым краем 19 второй обечайки 11, и, тем самым, позволяют уменьшить длину автоэмиссионной электронной пушки.

При приемлемых для практики напряжениях между автокатодом 1 и первой обечайки 7 (0,1-1,5 кВ) расстояние между первым краем 18 первой обечайки 7 и вторым краем 19 второй обечайки 11, направленных друг к другу, составляет величину h7, находящуюся в диапазоне 5-20 мм. Этот вариант следует соблюдать и в варианте, изображенном на фиг. 1.

Наиболее технологичной и дешевой формой диэлектрической оболочки 2 является цилиндр, хотя в некоторых случаях, могут быть использованы и другие формы, например шестигранник или квадрат (не показаны). Такие формы целесообразны в случае использования электронной пушки в специальных электронных приборов, например многолучевых клистронов.

На сегодняшний день наилучшим углеродным материалом автокатодов для электронных пушек являются пучки углеродных волокон с радиусом острий 10-100 нм.

Этот материал наиболее удобен для электронных пушек, т.к. обладает большой (более 10 000 часов) долговечностью в условиях высокого технического вакуума (10^{-6 -} 10^-7мм рт. ст.), который может быть достигнут в большинстве отпаянных электронных приборов.

Для улучшения равномерности автоэмиссии с первого свободного конца 9 (фиг. 3, фиг. 4) автокатода 1 он может иметь округлую форму 25. Такая форма достигается специальной обработкой в тлеющем разряде.

Для увеличения автоэмиссионного тока и возможности изменения формы электронного пучка автокатод 1 может быть выполнен в виде фольги из терморасширенного графита, что приводит к улучшению эксплуатационных свойств.

Увеличение долговечности автоэмиссионной электронной пушки можно достичь, если первая часть 3 (фиг. 3) диэлектрической оболочки 2, расположенная внутри первой обечайки 7, представляет собой усеченный конус 20 с углом αl при вершине, находящийся в диапазоне 160-10°. Это достигается за счет большего времени запыления материалом автокатода 1 поверхности конуса 20 и, соответственно, увеличивает долговечность электронной пушки. Такая конструкция наиболее удобна для пучков электронов с широким углом распределения электронов.

Для узкого пучка электронов необходимо, чтобы размер h8 свободной части 23 (фиг. 4) первой обечайки 7 составлял величину 0,6-0,9 от размера h9 остальной части 24 первой обечайки 7. При этом угол α2 схождения обечайки должен быть всегда больше угла αl при вершине усеченного конуса 20 диэлектрической оболочки 2 минимум на 10°. Эта конструкция может не только существенно сузить электронный пучок, но и повысить надежность и долговечность электронной пушки за счет уменьшения запыления материалом автокатода 1 поверхности конуса 20 диэлектрической оболочки 2. Подробнее принципы автоэлектронной эмиссии, в том числе углеродных материалов, изложены в [2-4].

Устройство работает следующим образом. На модулятор, выполненный в виде первой обечайки 7, подают положительный потенциал относительно автокатода 1 величиной порядка 100-2000 В. Приложенное напряжение понижает потенциальный барьер у свободного конца 9 автокатода 1, что приводит к туннелированию электронов через конец 9. Угол разлета эмиттированных электронов зависит от соотношения между величинами h1, h2, h3. Выбирая их соответствующим образом, можно получить как расходящийся, так и остросфокусированный электронный пучок. При величине h3 больше 0,1 мм будет расходящийся электронный пучок и чем h₃ больше, тем угол расхождения тоже больше. При h2>h1 происходит сужение электронного пучка. Чем больше соотношение h2/h1, тем этот эффект больше.

Механизм долговечности катода 1 приведенной электронной пушки следующий. Ионы остаточных газов, образующиеся в межэлектродном пространстве работающей электронной пушки, бомбардируют кончики микроострий наноструктурированного углеродного материала катода 1. Под действием ионной бомбардировки они, затупляясь и уменьшаясь по высоте, уменьшают свой вклад в автоэмиссионный ток. Однако при этом "выдвигаются" другие микроострия, которые вступают в работу из-за увеличения напряженности электрического поля на них. В результате средний автоэмиссионный ток автокатода 1 остается постоянным.

Литература

1. Патент RU 2180145. Автоэмиссионное устройство. 27.02.2002.

2. Елинсон М.И., Васильев Г.В. Автоэлектронная эмиссия. - М.: ГИФМЛ, 1958.

3. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. - М.: ФИЗМАТГИЗ, 2001.

4. Егоров Н.В., Шешин Е.П. Автоэлектронная эмиссия. Принципы и применение. - Долгопрудный: Интеллект, 2011.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронно-лучевых приборах с автоэлектронной эмиссией, а именно: в зондовых приборах, экранах, растровых электронных микроскопах, а также в исследовательских и аналитических установках. В малогабаритной автоэмиссионной электронной пушке, содержащей автокатод (1), выполненный из наноструктурированного углеродного материала, заключенный в диэлектрическую оболочку (2), включающую первую часть (3) и вторую часть (4), модулятор и контактный электрод (6), модулятор выполнен в виде первой обечайки (7), которая плотно насажена на первую часть (3) диэлектрической оболочки (2), причем свободная часть (8) первой обечайки (7) и первый свободный конец (9) автокатода (1) выступают над первым торцом (10) первой части (3) диэлектрической оболочки (2), а в качестве контактного электрода (6) используют вторую обечайку (11), соединенную со второй частью (4) диэлектрической оболочки (2) и имеющую электрический контакт с автокатодом (1) . Технический результат изобретения - повышение надежности и долговечности устройства. 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка, содержащая автокатод (1), выполненный из наноструктурированного углеродного материала, заключенный в диэлектрическую оболочку (2), включающую первую часть (3) и вторую часть (4), модулятор и контактный электрод (6), отличающаяся тем, что модулятор выполнен в виде первой обечайки (7), которая плотно насажена на первую часть (3) диэлектрической оболочки (2), причем свободная часть (8) первой обечайки (7) и первый свободный конец (9) автокатода (1) выступают над первым торцом (10) первой части (3) диэлектрической оболочки (2), а в качестве контактного электрода (6) используют вторую обечайку (11), соединенную со второй частью (4) диэлектрической оболочки (2) и имеющую электрический контакт с автокатодом (1).

2. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что первый свободный конец (9) автокатода (1) выступает над первым торцом (10) диэлектрической оболочки (2) на высоту h1, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.

3. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что свободная часть (8) первой обечайки (7) выступает над первым свободным концом (9) автокатода (1) на величину h2, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.

4. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что первый свободный конец (9) автокатода (1) выступает над свободной частью (8) первой обечайки (7) на величину h3, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.

5. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 4, отличающаяся тем, что размер h4 свободной части (8) первой обечайки (7) больше размера h5 остальной части (12) первой обечайки (7) в 1,2-1,6 раза.

6. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 4, отличающаяся тем, что размер h4 свободной части (8) первой обечайки (7) составляет величину 0,6-0,9 от размера h5 остальной части (12) первой обечайки (7).

7. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что автокатод (1) включает второй свободный конец (13), который выступает из второго торца (14) диэлектрической оболочки (2) на величину h6, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм, при этом пространство на эту величину внутри второй обечайки (11) заполнено проводящим составом (15).

8. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что диэлектрическая оболочка (2) выполнена из стекла.

9. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что диэлектрическая оболочка (2) выполнена из керамики.

10. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что первая (7) и вторая (11) обечайки посажены на диэлектрическую оболочку (2) неразъемным соединением.

11. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 10, отличающаяся тем, что обечайки (7) и (11) закреплены на диэлектрической оболочке (2) с помощью клеевого шва (16), причем на краях обечаек, направленных друг к другу, выполнены диэлектрические бортики (17).

12. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние между первым краем (18) первой обечайки (7) и вторым краем (19) второй обечайки (11), направленных друг к другу, составляет величину h7, находящуюся в диапазоне 5-20 мм.

13. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что диэлектрическая оболочка (2) имеет цилиндрическую форму.

14. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что автокатод (1) выполнен из пучка углеродных волокон.

15. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 14, отличающаяся тем, что первый свободный конец (9) автокатода (1) имеет округлую форму (25).

16. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что автокатод (1) выполнен в виде фольги из терморасширенного графита.

17. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что первая часть (3) диэлектрической оболочки (2), расположенная внутри первой обечайки (7), представляет собой усеченный конус (20) с углом α1 при вершине, находящийся в диапазоне 160 - 10°.

18. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 17, отличающаяся тем, что размер h8 свободной части (23) первой обечайки (7) составляет величину 0,6-0,9 от размера h9 остальной части (24) первой обечайки (7), но угол α2 схождения обечайки всегда больше угла α1 при вершине усеченного конуса (20) диэлектрической оболочки (2) минимум на 10°.