Способ изготовления автоэмиссионного катода на основе микроканальных пластин Российский патент 2021 года по МПК H01J9/02 H01J1/30 B82Y30/00 

Изобретение относится к приборам вакуумной электроники, плоских дисплеев, портативных источников рентгеновского излучения и прочее, а также способу изготовления автоэмиссионных катодов на основе сборки из двух (шеврон) или трех (Z-сборка) микроканальных пластин (МКП).

Результаты исследований автоэмиссионных свойств различных проводников показывают перспективность их использования в СВЧ приборах, рентгеновских трубках и источниках света в качестве катодов. Автоэлектронная эмиссия описывается формулой Фаулера - Нордгейма, устанавливающей связь между плотностью автоэмиссионного тока, напряженностью электрического поля, приложенного к поверхности проводника, и работой выхода электрона. Однако для гладких поверхностей проводников с работой выхода приблизительно от 2 до 5 эВ электрическое поле, при котором появляется незначительная эмиссия, чрезвычайно высоко (около10⁷В/см), что создает определенные ограничения на методы формирования катодов. В связи с этим особо актуальным является создание катодов с низкими (<1кВ) рабочими напряжениями.

Углеродные наноматериалы (графен, углеродные нанотрубки, нанографиты) являются наиболее перспективными материалами для создания катодов благодаря низкой работе выхода электрона (<1 эВ) [см. Конакова Р.В., Охрименко О.Б., Светличный А.М., Агеев О.А., Волков У.Ю., Коломийцев А.С., Житяев И.Л., Спиридонов О.Б. Характеризация автоэмиссионных катодов на основе пленок графена на SiC// ФТП.- 2015. - Т. 49. - Вып. 9. - С. 1278 -1281].

Известно [см. Фурсей Г.Н., Поляков М.А., Кантонистов А.А., Яфасов А.М., Павлов Б.С., Божевольнов В.Б. Автоэлектронная и взрывная эмиссия из графеноподобных структур // ЖТФ.- 2013.-Т.83. -Вып.6. - С. 71 -77], что эмиссия электронов из нанокластеров углерода происходит при очень низких полях (10⁴-10⁵ В/см),

Недостатком приведенного способа является невозможность сформировать автоэмиссионный катод большой площади с однородными автоэмиссионными свойствами поверхности.

Известен способ изготовления матрицы автоэмиссионного катода [Патент RU №2183362] на основе углеродного материала, размещенного в отверстиях стеклянной пластины. Графитовые нити пропускают в стеклянную заготовку и методом перетяжки в подобии получают заготовки остеклованных волокон. Чередуя остеклованные волокна и заготовки из сплошного стекла, собирают стекловолоконный блок, который затем спекают и режут на матрицы автоэмиссионного катода.

Недостатком данного способа является то, что формирование графитовых эмиттеров проводится не в едином технологическом цикле, что приводит к разбросу эмиссионных параметров эмиттеров.

Известно плоское устройство для отображения информации [Патент RU №2126187], в котором для осуществления прохождения электронов от катода на основе алмазоподобной пленки к аноду в управляющих электродах и пленках диэлектриков имеются отверстия, образующие канал, в котором осуществляется управление электронным потоком.

Недостатком устройства является то, что алмазоподобные пленки имеют достаточно высокую работу выхода электронов, что не позволяет получить большую плотность автоэмиссионных токов.

Известна структура и способ изготовления полевых автоэмиссионных элементов с углеродными нанотрубками, используемыми в качестве катодов [Патент РФ №2391738]. Эмиссионный элемент включает подложку, катодную структуру, состоящую из одного или нескольких слоев электропроводящего материала, опорную структуру, содержащую сквозные отверстия, внутри которых происходит формирование углеродных нанотрубок на поверхности каталитического слоя при поступлении активной газовой среды к поверхности каталитического слоя через технологические отверстия в анодном слое, расположенного на поверхности опорной структуры.

Недостатком данного технического решения является нестабильность эмиссионных характеристик углеродных нанотрубок и непродолжительный ресурс службы катодов на их основе.

Близким техническим решением к заявленному изобретению является предложенное в патенте РФ №2455724 «Структура и способ изготовления интегральных автоэмиссионных элементов с эмиттерами на основе наноалмазных покрытий». Предлагаемый интегральный автоэмиссионный элемент включает диэлектрическую подложку, катодную структуру, состоящую из одного или нескольких слоев электропроводящего материала и расположенную на внешней поверхности упомянутой подложки, опорную структуру, состоящую из одного диэлектрического слоя или нескольких диэлектрических и электропроводящих слоев, расположенную на внешней поверхности катодной структуры, и содержащую сквозные отверстия для формирования эмиттеров на основе наноалмазных покрытий, расположенных в упомянутых отверстиях опорной структуры на внешней поверхности катодной структуры, анодный слой из электропроводящего материала, расположенный на внешней поверхности опорной структуры и содержащий технологические отверстия, совмещенные с упомянутыми отверстиями в опорной структуре.

Недостатком данного способа является то, что на изготовленных интегральных элементах с наноалмазными покрытиями получена неприемлемая для приборных применений амплитуда флуктуации тока (3.5%).

Известно, что МКП является электронным усилителем, содержащим большое число (несколько миллионов) цилиндрических каналов с идентичными геометрическими размерами и вторично-эмиссионными свойствами. Постоянное рабочее напряжение стандартной МКП составляет 400-1000 В и коэффициент усиления электронного потока 100-1000. Каналы МКП обладают уникальным свойством самонасыщения, т.е. при увеличении входного тока выходной ток растет и достигает предельной величины.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является предложенное в патенте РФ № 2640355 «Способ изготовления катода на основе массива автоэмиссионных эмиттеров». Предлагаемый способ изготовления катода на основе массива автоэмиссионных эмиттеров включает формирование катодной структуры нанесением каталитического, углеродного и контактного слоев на поверхность МКП с каналами, внутри которых электродуговым способом на поверхности каталитического слоя формируются регулярно расположенные эмиттеры на основе углеродных наноматериалов.

Недостатком этого метода является то, что изготовленные катоды на основе одной МКП имеют токи порядка нескольких десятков микроампер, что существенно меньше величин тока, позволяющих получить эмиссионные приборы с характеристиками, приемлемыми для технических приложений.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: внутри каналов МКП формируют катодную структуру на основе эмиттирующего углеродного материала; на противоположной стороне упомянутой МКП формируют анодный слой из электропроводящего материала

Задача, решаемая изобретением: увеличение тока и продолжительности работы катода, снижение рабочих напряжений, улучшение стабильности и равномерности автоэлектронной эмиссии, снижение стоимости изготовления катода.

Сущность изобретения: на первую МКП из сборки, состоящей из двух (шеврон) или трех (Z-сборка) МКП, методом аэрозольного распыления раствора с углеродными наноматериалами наносится с закрытием отверстий на поверхности МКП сплошной углеродный слой. На поверхность углеродного слоя, эффективно эмитирующие электроны за счет низкой работы выхода электронов, наносится контактный слой. В других МКП сборки происходит усиление электронного потока, образованного в первой МКП.

Отличием заявленного способа от прототипа является использование в конструкции катода сборки из двух или трех МКП. Методом аэрозольного распыления раствора на торцовую поверхность первой МКП осаждается автоэмиссионный углеродный слой. Электронный поток, образованный в первой МКП, затем усиливается в других МКП сборки

Вариант применения изобретения иллюстрируется следующими рисунками:

Фиг. 1 - схема автоэмиссионного катода на основе одной МКП с люминесцентным экраном.

Фиг. 2 - фотография углеродной пленки в центре МКП (а) и ее автоэмиссионное изображение (б).

Фиг. 3 - схема автоэмиссионного катода на основе сборки МКП типа шеврон (а) и Z – сборки (б).

Пример реализации предлагаемого технического решения.

Способ реализуется следующим образом. На первую МКП автоэмиссионного катода типа шеврон наносится методом аэрозольного распыления пленка графитового проводящего клея Graphit 33, состоящего из высокоочищенного коллоидного графита, специального растворителя и органического клеящего вещества. По окончании процесса распыления первую МКП прогревают при температуре 150°С в течение 1 часа. Затем на образованную эмиссионную углеродную пленку методом термического испарения наносится проводящая пленка из меди. Технологическая простота реализации способа обеспечивает возможность налаживания массового производства автоэмиссионных катодов с использованием серийно выпускаемых материалов и оборудования.

Изобретение относится к области электротехники, приборам вакуумной электроники, а именно к способу изготовления автоэмиссионных катодов на основе сборки из двух (шеврон) или трех (Z-сборка) микроканальных пластин (МКП). Способ изготовления катода на основе микроканальных пластин включает формирование катодной структуры нанесением углеродного слоя на поверхность первой МКП сборки, содержащей большое число микроструктур с каналами. Методом аэрозольного распыления раствора с углеродными наноматериалами внутри каналов формируются автоэмиссионные среды, эффективно эмитирующие электроны за счет низкой работы выхода электронов. В других МКП сборки происходит дополнительное усиление электронного потока, образованного в первой МКП. Повышение максимального тока, надежности и улучшение электрофизических параметров устройства является техническим результатом изобретения. 3 ил.

Способ изготовления катода на основе микроканальных пластин (МКП), преимущественно в составе сборок из двух или трех МКП, включающий формирование катодной структуры на поверхности МПК нанесением углеродного и контактного слоев с использованием наноматериалов, отличающийся тем, что на первую МКП сборки, состоящей из двух типа шеврон или из трех типа Z-сборок МКП, наносят методом аэрозольного распыления раствора сплошной углеродный слой из высокоочищенного коллоидного графита с последующим прогревом первой МКП при температуре 150°С в течение часа, после чего на образовавшуюся эмиссионную углеродную пленку методом термического испарения наносят контактный слой меди.