ОСТРИЙНО-ЛЕЗВИЙНЫЙ АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД ТИПА "КАНЦЕЛЯРСКАЯ КНОПКА" Российский патент 2024 года по МПК H01J9/02 H01J1/30 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции одноострийных и многоострийных автоэмиссионных катодов для электровакуумных приборов, в том числе СВЧ-диапазона длин волн.

Принцип работы автоэмиссионных катодов (АЭК) основан на квантово-механическом туннелировании электронов в вакуум сквозь потенциальный барьер, высота и ширина которого уменьшены внешней напряженностью электрического поля Е=(1÷7)×10⁷ В/см вблизи эмитирующей поверхности [Г.Н. Фурсей Автоэлектронная эмиссия // Санкт-Петербург - Москва - Краснодар, изд-во «Лань». 2012. 319 с.]. В отличие от термоэмиссионных катодов АЭК не требуют затрат энергии на эмиссию электронов, что позволяет увеличить КПД приборов и избавить электровакуумные приборы (ЭВП) от нежелательных эффектов (пробои и утечки между электродами пушки), связанных с высокой температурой пушечного узла, повысить их долговечность и надежность, что определяет перспективность использования АЭК.

Известны конструкции АЭК, например, для полевых микроскопов, представляющие собой одиночный автоэмиттер в форме иглы или конуса с заостренной вершиной с радиусом кривизны порядка 0.1-1 мкм, изготовленные из отрезков проволоки из тугоплавкого металла. Заострение вершин осуществляют методом химического или электролитического травления. В конструкции катода автоэмиттеры прикрепляются к держателю из металлической проволоки («дужке»), либо к металлической подложке контактной сваркой [М.И. Елинсон, Г.Ф. Васильев Автоэлектронная эмиссия // Государственное издательство физико-математической литературы. 1958. 272 с., стр. 63-66]. Максимальное значение тока не превышает единиц микроампер. Недостатками конструкции АЭК с одиночными металлическими автоэмиттерами являются сложность конструкции, реализация которой требует дополнительных технологических операций (травление, крепление) и низкое значение эмиссионного тока.

Известны конструкции АЭК из углеродных нанотрубок (УНТ) каждая из которых представляет собой полую цилиндрическую трубку из атомов углерода. Диаметр нанотрубки составляет несколько десятков нанометров, длина может достигать нескольких десятков микрометров. Нанотрубки формируют методом химического осаждения углерода из газовой фазы на плоских кремниевых пластинах. Между основанием нанотрубки и пластиной заранее формируют с помощью магнетронного распыления и фотолитографии никелевый слой в форме островков, которые служат катализатором при осаждении нанотрубок [Y. Iwai, Т. Koike, A. Jyouzuka et all // Technical Digest. 2014. Field emission Characteristics of graphite field emitter. 27^th International Vacuum Nanoelectronics Conference. 6-10 July. 2014. Engelberg. Switzerland. 44-45]. Значения эмиссионных токов из УНТ, по разным данным, колеблются от единиц до десятков микроампер. При протекании электрического тока УНТ разогреваются Джоулевым теплом неравномерно по их длине. Максимальный разогрев наблюдается на расстоянии 1/5 длины УНТ от ее вершины. В данной точке наблюдается максимальная механическая неустойчивость, в которой УНТ разрушается под действием пондеромоторных сил [Huang N.Y., She J.C., Chen J., et аl. Mechanism Responsible for Initiating carbon nanotube // Phys. Rev. Lett. 93 075501 (2004)].

Недостатками АЭК из УНТ являются их низкая механическая прочность, которая препятствует получению устойчивых и предсказуемых токов эмиссии, а также низкое значение эмиссионного тока.

Наиболее близкой к заявляемому решению является конструкция многоострийного автоэмиссионного катода, содержащего множество автоэмиттеров в форме конусов из молибдена высотой ~1 мкм и радиусом кривизны вершины в несколько десятков нанометров, сформированных на плоской подложке из кремния в углах квадратов со стороной 10 мкм [Spindt С.A. Thin-Film Field-Emission Cathode // Journal of Applied Physics. 1968. No 7. PP. 3504-3505. Стр. 63-64]. Автоэмиттеры формируют с помощью тонкопленочной технологии напыления и фотолитографии. Такие катоды в литературе получили название - матричные катоды Спиндта. Для данной конструкции величина полного тока катода I_k пропорциональна максимально допустимому значению тока с одиночного автоэмиттера i_max и количеству автоэмиттеров N: I_k=i_max×N, где K<1 вследствие того, что с помощью данной технологии сложно обеспечить идентичность столь малых размеров радиуса кривизны вершины для всех автоэмиттеров на катодной подложке. Максимально допустимое значение тока с одиночного острия в катодах Спиндта составляет 1…2 мкА [Шестеркин В.И. Эмиссионно-эксплуатационные характеристики различных типов автоэмиссионных катодов // Радиотехника и электроника. 2020. Том 65. №1. С. 1-30, стр. 5]. Адгезия оснований автоэмиттеров в форме конуса к подложке определяется межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса. При высоких напряженностях электрического поля они могут оказаться недостаточными, и под действием пондеромоторных сил автоэмиттеры могут отделиться от подложки. При токах, превышающих указанное выше значение, вершины автоэмиттеров разрушаются за счет разогрева Джоулевым теплом до температуры плавления за счет высокой плотности протекающего через них тока.

Недостатком конструкции является недостаточно высокая прочность сцепления (адгезия) основания автоэмиттеров с подложкой, низкое значение эмитируемого ими тока вследствие малой площади эмитирующей поверхности, ограниченной ее малым радиусом кривизны. Вероятность разрушения вершин автоэмиттеров ионами остаточных газов возрастает при уменьшении их радиуса кривизны, что ухудшает стабильность эмиссии и снижает их долговечность в условиях технического вакуума [М.И. Елинсон, Г.Ф. Васильев Автоэлектронная эмиссия // Государственное издательство физико-математической литературы. 1958. 272 с., стр. 140]. Планарная форма катода затрудняет их использование в ЛБВ и клистронах с компрессией электронного пучка по площади.

Величина отбираемого тока с АЭК прямо пропорциональна площади эмитирующей поверхности, на которой напряженность электрического поля достаточна для туннелирования электронов с поверхности катода в вакуум [М.И. Елинсон, Г.Ф. Васильев. Автоэлектронная эмиссия // Государственное издательство физико-математической литературы. 1958. 272 с.]. Увеличение площади эмитирующей поверхности возможно путем размещения одиночных автоэмиттеров вдоль одной линии. В пределе, когда расстояние между соседними вершинами одиночных автоэмиттеров будет меньше их радиуса кривизны, формируется автоэмиссионный катод в форме лезвия. Катод с большим отношением длины лезвия к радиусу кривизны его вершины получил название лезвийный автоэмиссионный катод.

Результаты расчетов показывают, что при соотношении длины лезвия L и радиуса кривизны его вершины R: L≥(5÷10)R напряженность электрического поля уменьшается до 5 раз, что приводит к снижению плотности автоэмиссионного тока по экспоненте на двадцать порядков величины. При соотношении L<(5÷10)R максимальное снижение напряженности электрического поля на вершине лезвия составляет не более чем в 1,5 раза и снижение эмиссионного тока компенсируется увеличением площади эмиссии. Заявляемый АЭК «острийно-лезвийного» типа по величине отбираемого тока автоэлектронной эмиссии и напряжению между вершиной автоэмиттера и вытягивающим электродом (анодом или сеткой) занимает промежуточное значение между одноострийными и лезвийными автоэмиссионными катодами.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение механической прочности, увеличение автоэмиссионного тока на несколько порядков величины по сравнению с одноострийным автоэмиссионным катодом, а также повышение устойчивости к ионной бомбардировке за счет увеличенной площади эмиссии.

Механическая прочность сцепления автоэмиттера с подложкой обеспечивается тем, что автоэмиттер является продолжением подложки в перпендикулярном к ее поверхности направлении и представляет с подложкой единую конструкцию. Соотношение длины лезвия одиночного «острийно-лезвийного» автоэмиссионного катода L и радиуса его кривизны R

L≤(5÷10)R

обеспечивает увеличение автоэмиссионного тока и его стабильность в процессе ионной бомбардировки за счет увеличения площади эмитирующей поверхности при незначительном (до 1,5 раз) снижении напряженности электрического поля на вершине. Более развитая по сравнению с одиночным автоэмиттером эмитирующая поверхность более устойчива к ионной бомбардировке.

«Острийно-лезвийный» автоэмиссионный катод по форме представляет собой «канцелярскую кнопку», изготовленную из металлической фольги толщиной Δ, а вертикально ориентированный к подложке автоэмиттер является ее продолжением (фиг. 1а). Причем длина автоэмиттера равна толщине фольги:

L=Δ.

Непосредственно автоэмиттер имеет форму четырехгранной пирамиды. Его противоположные грани, две в форме треугольника и две в форме четырехугольника, сходятся на его вершине, образуя лезвие в форме клина длиной L и радиусом кривизны вершины R (фиг. 1а).

Для увеличения напряженности электрического поля на вершине «острийно-лезвийного» АЭК плоскости прямоугольных граней могут быть изогнуты внутрь пирамиды в сторону биссектрисы из угла при вершине пирамиды (фиг. 1б).

«Острийно-лезвийные» АЭК могут быть размещены в один или несколько рядов (фиг. 2) или на концентрических окружностях (фиг. 3).

Фиг. 2 - многоострийный АЭК с размещением эмиттеров в один ряд (а) или в несколько рядов (б) на плоской подложке.

Фиг. - 3 многоострийный АЭК с эмиттерами треугольной формы (а) и с вогнутыми гранями (б), размещенными на концентрических окружностях плоской подложки.

Фиг. 4 - многоострийный АЭК с размещением эмиттеров треугольной формы на концентрических окружностях вогнутой сферической подложки: а) вид сверху; б) вид снизу.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции одноострийных и многоострийных автоэмиссионных катодов для электровакуумных приборов, в том числе СВЧ-диапазона длин волн. Технический результат - повышение механической прочности, увеличение автоэмиссионного тока на несколько порядков величины по сравнению с одноострийным автоэмиссионным катодом, а также повышение устойчивости к ионной бомбардировке за счет увеличенной площади эмиссии. Механическая прочность сцепления автоэмиттера с подложкой обеспечивается тем, что автоэмиттер является продолжением подложки в перпендикулярном направлении к ней и представляет с ней единое целое, а соотношение длины лезвия единичного «острийно-лезвийного» автоэмиссионного катода L и радиуса его кривизны R L≤(5÷10)R обеспечивает увеличение автоэмиссионного тока и его стабильность в процессе ионной бомбардировки за счет увеличения площади эмитирующей поверхности. «Острийно-лезвийный» автоэмиссионный катод по форме представляет собой «канцелярскую кнопку», изготовленную из металлической фольги толщиной Δ, а вертикально ориентированный к подложке автоэмиттер является ее продолжением, причем длина автоэмиттера равна толщине фольги. Автоэмиттер имеет форму четырехгранной пирамиды. Его противоположные грани, две в форме треугольника и две в форме четырехугольника сходятся на его вершине, образуя лезвие в форме треугольного клина на его вершине длиной L и радиусом кривизны вершины R. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Автоэмиссионный катод, содержащий один или множество автоэмиттеров в форме вертикально ориентированных к подложке выступов с заостренной вершиной, отличающийся тем, что одиночный автоэмиттер является продолжением подложки из фольги толщиной Δ в перпендикулярном направлении к ней и имеет форму четырехгранной пирамиды со сходящимися при ее вершине в форме клина боковыми гранями, две из которых параллельны друг другу и имеют форму треугольника с радиусом закругления вершины R, а две другие грани имеют форму прямоугольника со стороной при вершине длиной L, равной толщине подложки.

2. Автоэмиссионный катод по п. 1, отличающийся тем, что параллельные друг другу грани имеют форму треугольника с вогнутыми внутрь пирамиды сторонами.

3. Автоэмиссионный катод по п. 2, отличающийся тем, что множество автоэмиттеров в форме вертикально ориентированных к подложке четырехгранных пирамид размещены в один ряд, в несколько рядов или на концентрических окружностях.

4. Автоэмиссионный катод по п. 3, отличающийся тем, что множество автоэмиттеров в форме четырехгранных пирамид размещены на вогнутой поверхности в виде сферы, тора и др. на концентрических окружностях и ориентированы по направлению радиуса кривизны поверхности подложки.