СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АВТОЭМИССИОННОГО КАТОДА Российский патент 2023 года по МПК H01J9/02 H01J1/308 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии многоострийных структур, а также при изготовлении электродных узлов для лазерных и плазменных систем.

Существует способ изготовления многоострийных автоэмиссионных катодов (пат РФ № 2486625), в котором способ изготовления автоэмиссионных катодов в виде периодической многоострийной структуры включает очистку и полировку поверхности монолитной углеродной пластины, создание с помощью метода фотолитографии микро-, наноразмерных дисков, окруженных каталитической пленкой металлов переходной группы, термохимическое травление углеродной пластины в среде водорода с образованием столбчатой структуры, которые затем подвергают групповому микро-, наноразмерному заострению в низкотемпературной плазме ВЧ разряда в кислородной или в кислородно-инертной газовых средах.

Недостатком описанного способа является то, что применение термохимического травления и фотолитографии при изготовлении эмиттеров усложняет технологию изготовления и затрудняет возможность воспроизводства геометрических параметров многоострийной структуры.

Существует способ изготовления катодно-сеточного узла с углеродными автоэмиттерами (пат РФ № 2703292), который включает формирование на катодной подложке матрицы острийных автоэмиттеров, управляющей сетки с отверстиями для каждого автоэмиттера, отделенной от катода пленкой диэлектрика, при этом на катодной подложке из углеродного материала формируется матрица острийных автоэмиттеров, являющихся продолжением катодной подложки, на которую из бор-нитридной газовой среды высаживается пленка из нитрида бора толщиной Н≤h, где: h - высота острийных автоэмиттеров, далее над вершинами острийных автоэмиттеров формируются диски в форме цилиндра из фоторезиста, а на свободную от дисков поверхность из нитрида бора напыляются пленки из хрома, а затем из алюминия толщиной не более 0.4 мкм, в которых формируются отверстия путем взрывного травления дисков фоторезиста, затем вокруг острийных автоэмиттеров в воздушной среде тетрафторметана вытравливаются полости на всю глубину пленки из нитрида бора. В качестве углеродного материала для формирования автоэмиттеров может быть использован изотропный пиролитический графит.

Недостатком описанного способа является то, что применение взрывного травления при изготовлении эмиттеров усложняет технологию изготовления и затрудняет возможность воспроизводства геометрических параметров многоострийной структуры.

Наиболее близким является способ изготовления автоэмиссионного катода (пат РФ № 2526240), основанный на формировании катодной структуры из углеродного материала, путем воздействия импульсного лазерного излучения по заданной геометрии с формированием эмиттеров и эмитирующей структуры на их поверхности, при этом в качестве углеродного материала используют стеклоуглерод, формирование эмиттеров производят фрезеровкой сфокусированным лазерным излучением и последующей лазерной очисткой поверхности катодной структуры, а нанесение эмитирующей структуры на поверхности эмиттеров катода производят лазерной микрогравировкой с образованием поля микроострий пирамидальной формы с последующей вырезкой основания катода сфокусированным лазерным излучением и лазерной очисткой эмитирующих структур.

Недостатком описанного способа является то, что применение импульсного лазерного излучения, лазерной очистки и лазерной микрогравировки при изготовлении эмиттеров усложняет технологию изготовления и затрудняет возможность воспроизводства геометрических параметров многоострийной структуры.

Задачей изобретения является разработка доступного способа изготовления автоэмиссионного катода с многоострийной структурой с высокими техническими характеристиками.

Технический результат - обеспечить высокую воспроизводимость геометрических параметров многоострийной структуры за счет использования внешнего магнитного поля, что позволяет упростить технологию изготовления.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления автоэмиссионных катодов в виде периодической многоострийной структуры, который включает формирование на катодной подложке острийных автоэмиттеров, являющихся продолжением катодной подложки и фиксацию многоострийной структуры. При этом что формирование катодной структуры происходит из порошкового материала на катодной токопроводящей подложке, а формирование эмиттеров и эмитирующей структуры происходит за счет воздействия внешнего магнитного поля постоянного магнита с магнитной индукцией 0,5-1,5 Тл, находящегося в осевом вращении при частоте 1-5 об/мин и расположенного так, что силовые линии магнитного поля перпендикулярны катодной подложке, при этом в качестве порошкового материала используют металлические частицы размером 10-100 мкм. Катодная подложка может быть выполнена из магнитного и немагнитного токопроводящего материала.

При нанесении порошкового материала на поверхность катодной подложки из немагнитного материала с постоянным магнитом образуется периодическая структура из частиц порошка, выстроенных вдоль силовых линий магнитного поля. Особенность этой структуры состоит в том, что она состоит из множества острых окончаний, формируемая и удерживаемая внешним магнитным полем. Вариацию многоострийной структуры можно регулировать с помощью количества частиц порошка. С увеличением количества порошка, в центре структуры начинает образовываться эллипс, на вершине которого возникает максимальное распределение электрического поля. С уменьшением количества порошка, вплоть по монослоя частиц формируется периодическая структура в виде единичных выступов высотой h≥d, где d- диаметр микрочастицы.

При нанесении порошкового материала на поверхность катодной подложки из магнитного материала с постоянным магнитом образуется периодическая структура из частиц порошка, выстроенных вдоль силовых линий магнитного поля. Особенность этой структуры состоит в том, что она по своей геометрии формирует полый катод в виде многоострийной структуры частиц.

Воспроизводимость геометрической структуры многоострийного катода обеспечивается с помощью осевого вращения постоянного магнита с магнитной индукцией 0,5-1,5 Тл и угловой скоростью 1-5 об/мин. При этом перпендикулярное расположение постоянного магнита относительно катодной подложки обеспечивает воспроизводимость многоострийной структуры вдоль силовой линии магнитного поля.

Сущность предлагаемого устройства поясняется графическим материалом, на котором изображено:

На фиг.1 - Способ изготовления автоэмиссионных катодов в виде периодической многоострийной структуры: исходная подложка (а), нанесение острийных автоэмиттеров (б), осевое вращение постоянного магнита (в), остановка осевого вращения постоянного магнита (г), фиг.2 - фотография микроострийной структуры катода на катодной подложке из немагнитного материала, представленной порошковыми частицами формата «ядро-оболочка», где в качестве ядра выступают частицы Fe₃O₄, в качестве оболочки - наночастицы Al, фиг.3 - фотография микроострийной структуры катода на катодной подложке из магнитного материала, представленной порошковыми частицами железа.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется примерами.

Пример 1. На катодную подложку, в качестве которой выступает токопроводящий немагнитный материала, наносят острийные автоэмиттеры, в качестве которых выступает порошковый материал формата «ядро-оболочка» размером 60 мкм, где в качестве ядра выступают частицы Fe₃O₄, а в качестве оболочки - наночастицы Al. Катодную подложку фиксируют, а с обратной стороны воздействуют постоянным магнитом с магнитной индукцией 0,5 Тл находящегося в осевом вращении при частоте 1 об/мин и расположенного так, что силовые линии магнитного поля перпендикулярны катодной подложке и проворачивают его по оси. При вращении магнита частицы двигаются вслед за силовыми линиями магнитного поля, создавая многоострийную структуру. В результате формируется автоэмиссионный катод с многоострийной структурой в форме эллипса (фиг. 2).

Пример 2. На катодную подложку, в качестве которой выступает токопроводящий магнитный материала, наносят острийные автоэмиттеры, в качестве которых выступает порошковый материал железа размером 100 мкм. Катодную подложку фиксируют, а с обратной стороны воздействуют постоянным магнитом с магнитной индукцией 1,5 Тл находящегося в осевом вращении при частоте 5 об/мин и расположенного так, что силовые линии магнитного поля перпендикулярны катодной подложке и проворачивают его по оси. При вращении магнита частицы двигаются вслед за силовыми линиями магнитного поля, создавая многоострийную структуру полого катода (фиг. 3).

Из примеров видно, что наличие внешнего магнитного поля постоянного магнита, находящегося в осевом вращении, позволяет получать автоэмиссионные катоды с высокой воспроизводимостью геометрических параметров.

Проведенные патентно-информационные исследования показали, что заявляемый способ неизвестен из доступных источников информации. Таким образом, предлагаемое техническое решение удовлетворяет критериям патентоспособности изобретения.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии многоострийных структур, а также при изготовлении электродных узлов для лазерных и плазменных систем. Технический результат – возможность обеспечить высокую воспроизводимость геометрических параметров многоострийной структуры за счет использования внешнего магнитного поля, что позволяет упростить технологию изготовления. Способ изготовления автоэмиссионных катодов в виде периодической многоострийной структуры включает формирование на катодной подложке острийных автоэмиттеров, являющихся продолжением катодной подложки и фиксацию многоострийной структуры. При этом формирование катодной структуры происходит из порошкового материала на катодной токопроводящей подложке, а формирование эмиттеров и эмитирующей структуры происходит за счет воздействия внешнего магнитного поля постоянного магнита с магнитной индукцией 0,5-1,5 Тл, находящегося в осевом вращении при частоте 1-5 об/мин и расположенного так, что силовые линии магнитного поля перпендикулярны катодной подложке, при этом в качестве порошкового материала используют металлические частицы размером 10-100 мкм. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления автоэмиссионного катода, основанный на формировании катодной структуры из токопроводящего материала с формированием эмиттеров и эмитирующей структуры на их поверхности, отличающийся тем, что формирование катодной структуры происходит из порошкового материала на катодной токопроводящей подложке, а формирование эмиттеров и эмитирующей структуры происходит за счет воздействия внешнего магнитного поля постоянного магнита с магнитной индукцией 0,5-1,5 Тл, находящегося в осевом вращении при частоте 1-5 об/мин и расположенного так, что силовые линии магнитного поля перпендикулярны катодной подложке, при этом в качестве порошкового материала используют металлические частицы размером 10-100 мкм.

2. Способ изготовления автоэмиссионного катода по п.1, отличающийся тем, что катодная подложка может быть выполнена из магнитного и немагнитного токопроводящего материала.