ЭЛЕКТРОННАЯ ОТПАЯННАЯ ПУШКА ДЛЯ ВЫВОДА ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА ИЗ ВАКУУМНОЙ ОБЛАСТИ ПУШКИ В АТМОСФЕРУ ИЛИ ИНУЮ ГАЗОВУЮ СРЕДУ Российский патент 2018 года по МПК H01J23/06 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электронным отпаянным пушкам, предназначенным для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, и может быть использовано в полупроводниковой электронике для создания мощных миниатюрных структур, в квантовой электронике при изготовлении электроионизационных лазеров, в медицине для стерилизации инструментов и поверхности биологических объектов, в плазмохимии для полимеризации, ускорения медленно протекающих химических реакций, а также в других областях техники.

В большинстве существующих электронных отпаянных пушек вывод высокоскоростного потока электронов из вакуумной области пушки наружу осуществляется через тонкую металлическую фольгу, при прохождении которой электроны выделяют в ней часть своей энергии, что приводит к перегреву фольги, ограничивая плотность мощности пушки (Вт/см²). У металлов, используемых в качестве материала фольги, - титана, бериллия и др. коэффициент теплопроводности не превышает λ=2 Вт/см К, что требует импульсного режима работы и не позволяет поднять среднюю плотность мощности электронной отпаянной пушки более 10 Вт/см² при средней плотности тока 30-100 мкА/см² /Симонов К.Г. Электронные отпаянные пушки. М.: Радио и Связь, 1985, 125 с./.

Для повышения средней плотности мощности электронной отпаянной пушки применяют форсированные (принудительные) способы охлаждения фольги, например, используя каркас из металлических трубок, имеющих тепловой контакт с фольгой, по которым протекает вода /Там же/.

Недостатками устройств, использующих принудительное водяное охлаждение, является то, что поток тепла ограничен теплопроводностью материала фольги, а также громоздкостью и сложностью конструкции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, включающая корпус в виде металлической трубы, в торцевой части которой расположено окно вывода электронов, выполненное из теплопроводящего диэлектрика, в частности алмаза, переменной толщины по площади окна и вакуумно-плотно соединенное с опорным основанием окна, токопроводящее покрытие на обращенной к катоду поверхности окна и электрически связанное с опорным основанием и корпусом пушки, расположенные в корпусе соосно катод, продольная ось которого параллельна продольной оси окна вывода электронов, и фокусирующие электроды /Патент РФ №2590891/.

Это техническое решение при использовании алмаза позволяет увеличить пропускаемую среднюю плотность мощности в несколько раз (до 50 Вт/см²) и даже работать в непрерывном режиме.

Недостатками данной пушки являются сложность технологии изготовления алмазного выводного окна и его невысокая надежность при эксплуатации, так как алмаз - хрупкий материал и имеет низкий коэффициент температурного расширения, что приводит к возникновению больших термических напряжений в области спая алмаза с опорным основанием окна, выполняемого, как правило, из нержавеющей стали, коэффициент температурного расширения которой в 15 раз больше / Физические величины: Справочник /А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина и др. Под ред. И.С. Григорьева. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с./.

К недостаткам данной пушки следует также отнести ограничение ее интегральной мощности, обусловленное максимальным размером производимых современной промышленностью алмазных пластин, который в настоящее время не превышает 100 мм.

Кроме того, существенным недостатком использования алмазного выводного окна является увеличение стоимости пушки.

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Техническим результатом предложенного технического решения является повышение надежности и упрощение технологии при сохранении высокой средней плотности мощности на уровне прототипа.

Указанная задача решается, а технический эффект достигается за счет того, что в электронной отпаянной пушке для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, включающей корпус в виде металлической трубы, в торцевой части которой расположено сплошное окно вывода электронов, содержащее, по крайней мере, одну алмазную пластину и вакуумно-плотно соединенное с опорным основанием окна, токопроводящее покрытие на обращенной к катоду поверхности окна и электрически связанное с опорным основанием и корпусом пушки, расположенные в корпусе соосно катод, продольная ось которого параллельна продольной оси окна вывода электронов и фокусирующие электроды, окно вывода электронов также содержит пластину со сквозными отверстиями, выполненную из теплопроводящего материала с коэффициентом теплопроводности более 4 Вт/см К, и вакуумно-плотно соединенную с каждой алмазной пластиной, при этом толщина пластины со сквозными отверстиями больше толщины алмазной пластины.

Окно вывода электронного потока содержит одну или несколько алмазных пластин, которые закрывают все сквозные отверстия в теплопроводящей пластине.

Пластина со сквозными отверстиями выполнена из алмаз-карбидокремниевого композита.

Поверхность окна, обращенная наружу, имеет токопроводящее покрытие, электрически связанное с корпусом пушки.

Катод выполнен в виде ячеек, расположенных азимутально симметрично сквозным отверстиям пластины из теплопроводящего материала.

Окно вывода электронов имеет систему охлаждения, расположенную в опорном основании.

Сущность изобретения

В ходе проведенных исследований были установлены следующие факты.

Существуют теплопроводящие материалы с высокой теплопроводностью, большей теплопроводности металлов, например алмаз-карбидокремниевый композит, АКК - Скелетон (далее скелетон), у которого коэффициент теплопроводности λ=5-6 Вт/см К, а коэффициент температурного расширения α в 2,5 раза больше коэффициента температурного расширения алмаза /itp-forum.ru>conf2015/documents/section_… Алмаз - карбидокремниевые композиты «Скелетон»/. Следовательно, в области спая скелетона с опорным металлическим основанием возникающие деформации будут меньше, чем при использовании алмаза.

Величина отводимого тепла, выделяемого в окне электронами, пропорциональна ≈λh (h - толщина окна), поэтому пониженную по сравнению с алмазом теплопроводность скелетона можно компенсировать увеличением его толщины: h_ск=λ_ал/λ_ск h_ал.

В свою очередь, увеличение толщины окна за счет использования скелетона позволяет существенно повысить его механическую прочность и надежность к воздействию внешнего давления.

Пластины позволяют увеличить размеры выводного окна по сравнению с прототипом, а следовательно, повысить интегральную мощность пушки, используя несколько алмазных пластин в одном окне.

Кроме того, при равном диаметре стоимость алмазной пластины толщиной в 1-2 мм во много раз превышает стоимость пластины из скелетона.

Схожими свойствами со скелетоном обладает карбид кремния: λ=4,9 Вт/см К и α=4 10^-6К^-1 /ru.wikipedia.org> карбид кремния/.

Таким образом, все указанное выше позволяет создать на базе составного окна алмаз - материал с высокой теплопроводностью, например скелетон, надежную, технологически упрощенную и более дешевую конструкцию электронной отпаянной пушки со средней плотностью мощности, получаемой в прототипе, но большей интегральной мощностью.

На фиг. 1 схематично показана в разрезе электронная отпаянная пушка.

На фиг. 2 приведена в разрезе конструкция составного окна алмаз-скелетон с одной алмазной пластиной.

На фиг. 3 приведено составное окно, содержащее несколько алмазных пластин.

Электронная пушка состоит из катодного узла 1, включающего катод и фокусирующие электроды и закрепленного на катодном держателе 2 через высоковольтный изолятор 3 на торце корпуса 4. Соосно катодному узлу 1 на противоположном торце корпуса установлено составное окно 5 с тонкой алмазной пластиной 6 и толстой пластиной 7 со сквозными отверстиями 8 для вывода электронов, вакуумно-плотно соединенной с основанием 9. Основание 9 вакуумно-плотно соединено с корпусом пушки 4. На поверхность окна, обращенную внутрь пушки, нанесен тонкий слой токопроводящего покрытия 10.

Электронная пушка работает следующим образом.

На катод, например прямонакальный, и фокусирующие электроды, выполненные, например, из молибдена катодного узла 1 от высоковольтного источника(ов) питания (не показан) подается отрицательное относительно земли напряжение. Корпус пушки 4, выполненный, например, из стали, заземлен. Внутри пушки между катодным узлом 1 и корпусом 4 создано электрическое поле, которое формирует высокоскоростной поток электронов, эмитированных катодом, и направляет его на окно вывода электронов 5, выполненное, например, из алмаза и скелетона. Поток электронов проходит сквозь отверстия 8 и тонкую алмазную пластину 6 окна с малыми потерями, поскольку ее толщина в несколько раз меньше глубины проникновения электронов в алмаз. Электроны, перехваченные окном, после их накопления (см. ниже) проникают в токопроводящее покрытие 10, выполненное, например, из никеля толщиной 0,1-1 мкм, и стекают по нему на основание пушки 9, выполненное, например, из стали, и далее на землю.

Выделяемая электронами внутри алмазной пластины 6 энергия отводится через более толстую пластину скелетона, например, к основанию 9, фиг. 2. Толстая пластина позволяет отводить значительную мощность, так, при условии h_ск=λ_ал/λ_ск h_ал отводится мощность, как в прототипе.

Помимо теплоотвода, толстая пластина 7 окна 5 обеспечивает его механическую прочность, т.е. выполняет функцию каркаса, а токопроводящее покрытие 10, электрически соединенное с основанием и корпусом пушки, обеспечивает экранировку внутреннего пространства пушки от заряда диэлектрика.

При прохождении потока электронов сквозь тонкую алмазную пластину часть из них оседает в ней, часть потока электронов перехватывает скелетон, окно заряжается. Нанесенный на поверхность окна тонкий токопроводящий слой электрически замкнут с опорным основанием окна и стенками пушки, при этом они вместе образуют токопроводящую полость, практически полностью охватывающую катод, фиг. 1. В такой конструкции заряд окна полностью экранируется токопроводящей полостью и не оказывает влияние на траектории электронов внутри пушки. Более того, этот отрицательный заряд не повлияет на скорости электронов после прохождения ими окна, вследствие консервативности постоянного электрического поля: их торможение внутри окна скомпенсируется ровно таким же ускорением после его прохождения (закон сохранения энергии).

Накопление заряда в окне приведет к росту в нем напряженности электрического поля и, когда она достигнет пробойной величины Е_пр≈150 кВ/мм, произойдет пробой алмаза: заряд мгновенно стечет через тонкий токопроводящий слой на землю. Вся энергия, выделенная в диэлектрике при пробое, перейдет в тепло. Ее объемная плотность равна q=Е_пр²/8π≈0,1 Дж/см³, что приведет к росту температуры алмаза за один пробой ΔT=Е_пр²/8πсρ или ΔT=0,05 градуса, т.е. стекание тока при пробое произойдет без перегрева и разрушения.

Таким образом, использование составного окна вывода электронов из алмаза-скелетона с токопроводящим покрытием повышает надежность, упрощает технологию электронной отпаянной пушки по сравнению с прототипом, сохраняя его выходные параметры, и удешевляет ее.

Для окон небольшого диаметра выгоднее применение одной алмазной пластины, фиг. 2, а для окон большого диаметра - нескольких алмазных пластин, фиг. 3, поскольку произвести алмазную пластину большего диаметра технологически сложно и дорого.

Для повышения надежности окна только пластина с отверстиями вакуумно-плотно соединена с опорным основанием окна, а алмазная пластина не имеет этого соединения.

Для повышения стабильности работы пушки поверхность окна, обращенная наружу, имеет токопроводящее покрытие, электрически связанное с корпусом пушки.

Для надежного контакта обеих пластин пластина с отверстиями выполнена из алмаз-карбидокремниевого композита - скелетона, имеющего малый коэффициент температурного расширения, практически совпадающий с коэффициентом температурного расширения алмаза.

Для снижения потерь эмитированных катодом электронов в выводном окне катод выполняют в форме ячеек, расположенных азимутально симметрично сквозным отверстиям пластины, выполненной из теплопроводящего материала, и имеющих поперечные размеры, меньшие поперечных размеров сквозных отверстий. В такой конструкции большая часть электронов, эмитируемых ячейками катода, попадают в область сквозных отверстий пластины, выполненной из теплопроводящего материала, т.е. не перехватываются ею.

Для снижения температуры окна оно имеет систему охлаждения, расположенную в опорном основании.

Помимо электронной пушки, предложенное техническое решение может быть использовано в различных электровакуумных приборах (ЭВП). Дело в том, что электронная отпаянная пушка по своей сути - ЭВП, в котором выводное окно является анодом, т.е. теплонагруженным электродом ЭВП. Как правило, такой электрод в ЭВП выполнен из меди с λ<4 Вт/см К. Предложенное техническое решение - выполнить электрод ЭВП из алмаз-карбидокремниевого композита, внутренняя поверхность которого имеет токопроводящее покрытие толщиной более глубины проникновения электронов в него применительно к аноду и коллектору или более толщины скин-слоя применительно к резонатору, позволит повысить уровень отводимых тепловых нагрузок ЭВП, а следовательно, улучшить его характеристики.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электронным пушкам, предназначенным для вывода электронного потока из вакуумной области пушки наружу: в атмосферу или иную газовую среду, и может быть использовано в полупроводниковой электронике для создания мощных миниатюрных структур, в квантовой электронике при изготовлении электроионизационных лазеров, в медицине для стерилизации инструментов и поверхности биологических объектов, в плазмохимии для полимеризации и ускорения медленно протекающих химических реакций, а также в других областях техники. Технический результат - повышение надежности и упрощение технологии при сохранении высокой средней плотности мощности и увеличении интегральной мощности. Электронная отпаянная пушка включает металлический корпус, в торце которого расположено сплошное окно вывода электронов. Окно состоит из двух пластин: тонкой алмазной и толстой со сквозными отверстиями, выполненной из теплопроводящего материала с коэффициентом теплопроводности более 4 Вт/см К. Поверхность окна, обращенная к катоду, имеет токопроводящее покрытие, электрически соединенное с корпусом пушки. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, включающая корпус в виде металлической трубы, в торцевой части которой расположено сплошное окно вывода электронов, содержащее по крайней мере одну алмазную пластину и вакуумно-плотно соединенное с опорным основанием окна, токопроводящее покрытие на обращенной к катоду поверхности окна и электрически связанное с опорным основанием и корпусом пушки, расположенные в корпусе соосно катод, продольная ось которого параллельна продольной оси окна вывода электронов, и фокусирующие электроды, отличающаяся тем, что окно вывода электронов содержит пластину со сквозными отверстиями, выполненную из теплопроводящего материала с коэффициентом теплопроводности более 4 Вт/см К и вакуумно-плотно соединенную с каждой алмазной пластиной, при этом толщина пластины с отверстиями больше толщины алмазной пластины.

2. Электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока по п. 1, отличающаяся тем, что окно вывода электронов содержит одну алмазную пластину, закрывающую все сквозные отверстия пластины, выполненной из теплопроводящего материала.

3. Электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока по п. 1, отличающаяся тем, что окно вывода электронов содержит алмазные пластины, каждая из которых закрывает часть сквозных отверстий пластины, выполненной из теплопроводящего материала.

4. Электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока по п. 1, отличающаяся тем, что пластина со сквозными отверстиями выполнена из алмаз-карбидокремниевого композита.

5. Электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока по п. 1, отличающаяся тем, что поверхность окна, обращенная наружу, имеет токопроводящее покрытие, электрически связанное с корпусом пушки.

6. Электронная отпаянная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что катод выполнен в виде ячеек, расположенных азимутально симметрично сквозным отверстиям пластины, выполненной из теплопроводящего материала, и имеющих поперечные размеры, меньшие поперечных размеров сквозных отверстий.

7. Электронная отпаянная пушка по пп. 1-6, отличающаяся тем, что окно вывода электронов имеет систему охлаждения, расположенную по торцу окна.