Способ управления автоэмиссионным током и устройство с автоэмиссионным источником тока Российский патент 2025 года по МПК H01J1/304 

Изобретение относится к области электроники, к устройствам и способам, позволяющим получать мегаваттную мощность на основе автоэмиссии. Имеется большое количество исследовательских работ, в которых пытаются использовать уникальные свойства автоэлектронной эмиссии. К ним относят высокую плотность тока эмиссии - порядка 10⁹ А/см², и следовательно, возможную мегаваттную мощность прибора, частотный диапазон, стойкость к радиации, отсутствие энергетических затрат на подогрев, безинерционность и другие.

Область применения приборов с использованием автоэлектронной эмиссии чрезвычайно широка: это и автомобилестроение, и авиастроение, и энергетика. Подобные приборы могут быть использованы в элементах функциональной электроники: усилителях, генераторах, формирователях коротких высоковольтных импульсов и т.д. Однако, несмотря на все преимущества, промышленные приборы, работающие на принципах автоэлектронной эмиссия еще не созданы [1].

Принцип работы автоэмиссионных приборов определяется полем между катодом и анодом, которое управляет автоэмиссионным током и сопротивлением прибора и, следовательно, током и напряжением на нагрузке.

В соответствии с теорией автоэлектронной эмиссии Фаулера-Нордгейма:

(1)

где Е_эм - это поле, которое вызывает эмиссию (В/см), - работа выхода в эВ, j - плотность автоэмиссионного тока. Плотность автоэмиссионного тока зависит от поля между катодом и анодом и работы выхода электронов. Таким образом, управлять автоэмиссионным током можно двумя способами: изменением поля между катодом и анодом и изменением работы выхода электронов.

Теория Фаулера-Нордгейма разработана для описания эмиссии из объемных плоских металлических катодов, но ее применяют для анализа экспериментальных данных по эмиссии из наноразмерных полевых катодов, хотя теория не справляется с описанием эффектов, связанных с геометрией наноразмерного эмиттера. Надо сказать, что эмитирующую поверхность наноэмиттера нельзя рассматривать как плоскую и гладкую, а локальное усиление поля не является равномерным по поверхности автоэмиттера. Тем не менее, для структур с отрицательным электронным сродством неровность поверхности должна влиять не так сильно. Согласно теоретическим расчетам [2], при плотности тока более J = 1 мА/см² ширина потенциального барьера, через который туннелирует электрон, равна 3 nm и становится меньше при большей плотности тока. Следовательно, для автоэмиттеров с радиусом кривизны окончания более 3 нм при решении задачи определения плотности автоэмиссионного тока может быть использовано упрощение однородного поля у поверхности автокатода при заметных величинах автоэмиссионного тока. Соответственно, для наноалмазов с характерным размером более 3 нм для расчетов можно пользоваться формулой (1).

Поле Е_эм зависит от напряжения катод анод и расстояния между ними, а также от обработки поверхности испускающей электроны (например, увеличение поля на остриях) и отсутствия на ней грязи в виде атомов с низкой работой выхода.

Если считать, что поверхность обработана достаточно хорошо, так что влиянием неровностей поверхности и наличием примесей с низкой работой выхода можно пренебречь, поле Е_эм можно записать:

(2)

U - напряжение анод - катод; x - расстояние между катодом и анодом; m - коэффициент увеличения поля.

Из уравнения (1) следует, что автоэлектронная эмиссия становится заметной при поле порядка 10⁷ В/см, более точное значение определяется работой выхода электронов из катода. Из уравнения (2) видно, что эмиссионное поле можно менять, меняя расстояние между анодом и катодом или меняя напряжение анод-катод.

Основной проблемой при использовании автоэмиссии является переход автоэмиссии во взрывную эмиссию, которая возникает из-за неровностей поверхности и больших значений напряжения между катодом и анодом.

С целью уменьшить напряжение между катодом и анодом, (катодом - сеткой), пытаются увеличить эмиссионное поле с помощью остроконечных выступов, на которых поле возрастает на порядки. Тем не менее, добиться приемлемых результатов не удается. Причина кроется во взрывной эмиссии и способе управления полем, который применяется в большинстве известных приборов. Изменяют поле и, следовательно, ток и сопротивление прибора, изменяя напряжение между катодом и анодом (катодом - сеткой). Дело в том, что выступы на катоде разной высоты и, следовательно, коэффициент увеличения поля у них разный, поэтому, на выступах с большим коэффициентом увеличения поля может начаться взрывная эмиссия. Но даже, если технология позволит создать выступы одинаковой высоты и размеров, то при повышении напряжения между катодом и анодом (катодом - сеткой) ток на выступе резко возрастает (экспоненциальная зависимость), что приводит к перегреву выступа, испарению молекул и созданию плазмы в промежутке катод - анод (катод - сетка). Скорость движения электронов и ионов в поле разная из-за разной массы, поэтому плазма увеличивает поле у катода, а далее следует взрывная эмиссия. Кроме того, количество используемых выступов ограничивает эффект взаимной экранировки, что снижает значение получаемого эмиссионного тока.

Так, в известной публикации [1] рассматриваются различные возможные конструкции эмиссионных катодов: это катоды Спиндта, катоды из углеродных нанотрубок (УНТ) и катоды из стеклоуглерода СУ-2000. Катоды Спиндта представляют собой матричные автоэмиссионные катоды на основе молибденовых остриев, с регулярной структурой одинаковых выступов. К сожалению, при увеличении количества остриев на единицу площади, коэффициент увеличения поля для острия, стремится к единице. Это приводит к увеличению напряжения и эмиссионным полям близким к пробойным. Поэтому уменьшают количество остриев до некоторого предела, что является одной из причин ограничивающих общую величину тока (~ нескольких кА/см²), что, соответственно, ограничивает область применения этих катодов. Это является существенным недостатком известных из публикации [1] автоэмиссонных катодов.

В известном из патента [3] автоэмиссионном триоде, содержащем анод, автоэмиссионный катод и расположенную между ними управляющую сетку, катод выполнен в виде нанокристаллического алмазного эмиттера, имеющего порог эмиссии порядка 2-6 В/мкм, а зазор между катодом и анодом и напряжение выбираются так, чтобы поле на катоде было достаточным для работы автоэмиссионного катода, что делает возможным выполнение управляющей сеткой функции запирающей сетки.

Необходимо отметить, что обычные электронные лампы могут работать в усилительном режиме при отрицательных напряжениях на управляющей сетке; при этом их входное сопротивление очень велико - порядка сотен кОм и более.

Автоэмиссионные лампы при отрицательных напряжениях на сетке запираются. В усилительном режиме автоэмиссионные лампы имеют положительный потенциал на управляющей сетке и, следовательно, имеют сеточный ток. Поэтому их входное сопротивление меньше, чем у обычной лампы, что является недостатком. Другой недостаток автоэмиссионных ламп связан с тем, что расстояние между катодом и управляющей сеткой на порядки меньше, чем у обычных ламп, при сопоставимых напряжениях, а их входная емкость значительно больше, что ухудшает их частотные свойства. Недостатком также является отсутствие гальванической развязки между входом и выходом, что приводит к возникновению паразитных обратных связей.

Указанные недостатки усложняют управление автоэмиссионной лампой и уменьшают надежность ее работы, увеличивают входную мощность и соответственно уменьшают КПД.

Наиболее близким к данному изобретению является патент [4]. Он выбран в качестве прототипа. В известной по прототипу автоэмиссионной лампе, содержащей анод и автоэмиссионный катод, расположенные друг относительно друга на небольшом расстоянии, для управления автоэмиссионным током лампы изменяют величину поля около катода путем изменения расстояния между катодом и анодом. Можно подобрать такое минимальное расстояние, чтобы приложенное напряжение не вызывало взрывную эмиссию. Автоэмиссионный катод выполнен в виде многоострийного источника электронов, представляющего собой поверхность с регулярными микронными выступами, имеющими удельное омическое сопротивление на несколько порядков выше удельного сопротивления металлов, и установлен на элементе, изменяющем геометрические размеры под действием подведенной энергии.

Однако известное устройство имеет существенный недостаток. Используемая в устройстве поверхность катода выполнена в виде многоострийного источника электронов и представляет собой поверхность с регулярными микронными выступами, что не позволяют получить большую плотность тока. Количество выступов из-за взаимной экранировки ограничено (даже при одинаковой их высоте и ширине). А ток с одного выступа большим быть не должен из-за эффекта Ноттингема [5] (перегрев выступа). Таким образом, плотность тока, получаемая в данном приборе, и, соответственно КПД и мощность прибора являются невысокими.

Технической задачей, решаемой данным изобретением является создание приборов мегаваттной мощности и с КПД более 90%.

Технический результат обеспечивается тем, что, как и в прототипе, способ управления автоэмиссионным током, заключается в изменении поля около катода путем изменения расстояния между катодом и анодом.

Новым в изобретении является то, что в качестве катода используют структуры с отрицательным электронным сродством, что позволяет получить мегаватные мощности и высокий КПД устройства.

В качестве структуры с отрицательным электронным сродством в изобретении используют структуру ультрадисперсных, то есть, нанометрового порядка наноалмазов.

Алмаз является структурой с отрицательным электронным сродством. Он обладает рекордной теплопроводностью и высокой рабочей температурой, а, следовательно, потери, связанные с выделением тепла через него могут быть меньше. Алмаз является хорошим изолятором с шириной запрещенной зоны ~ 6.4 эВ, но как, показал Тамм [6] и экспериментально подтвердили многие авторы, если поверхность алмаза развитая (размеры малы) то в запрещенной зоне появляются разрешенные уровни энергии. При нанометровых размерах их число достигает величины более 10¹⁴. Согласно работе [7], с наноалмаза размером 5 нм, получен автоэмиссионный ток порядка 10 микроампер, при напряжении 400 вольт и расстоянии 1 сантиметр или при напряжении 4 ⋅ 10^-3 вольт и расстоянии 100 нм.

Автоэмиссионное поле для наночастицы связано с ее внутренним полем, и вне частицы не распространяется как, в случае с острием. Поэтому влияние одной частицы на другую будет значительно меньше, чем одно металлическое острие влияет на близлежащее. Следовательно, плотность частиц участвующих в эмиссии может быть значительно больше, чем в случае с остриями, следовательно, больше будет и возможный общий эмиссионный ток.

По данным Яфарова [8] и других коэффициент увеличения поля для алмазных частиц достигает тысяч, что позволяет получать автоэлектронную эмиссию при небольших полях. Необходимо отметить, что рекордную плотность тока эмиссии в большинстве работ с алмазными наночастицами не получали по причине низкой плотности алмазных частиц в экспериментах.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого в изобретении параметрического автоэмиссионного устройства на двух пьезоэлементах, размеры которых меняются под действием приложенного напряжения, соотвественно, меняя расстояние между катодом и анодом.

Устройство (фиг. 1) содержит заземленный металлический корпус 1, и, как минимум два заземленных пьезоэлемента (2, 3) с наноалмазами на верхней плоскости 4 катода 5. Анод 6 расположен напротив катода 5, между ними с нагрузкой R подано постоянное напряжение питания E. На базу 7 приложено постоянное напряжение U1, определяющее начальное расстояние анод 6 - катод 5 и переменное напряжение U2, управляющее расстоянием между анодом 6 и катодом 5. В качестве пьезоэлементов можно использовать ЦТС керамику, меняющую размеры из-за обратного пьезоэлектрического эффекта. Напряжение подаваемое на керамику U1 порядка 100 В, добротность от 80-1000, в зависимости от конструкции, размеров и типа керамики. В частном случае применения изобретения предполагается использовать керамику с площадью поверхности S=1 см², толщиной L=1 мм, с сопротивлением 100 ом и добротностью порядка 80-100.

На фиг. 2 представлено устройство катода 5. Наноалмазы 8 (3-5 нм), согласно работе [6] являются источниками электронов. Наноалмазы 9 (100 нм) обеспечивают защиту от взрывной эмиссии катода из-за шероховатости поверхности, так как этот размер приблизительно в 3-10 раз превышает характерный размер шероховатости поверхности, и ограничивает расстояние между катодом и анодом, не позволяя достигнуть такого значения, при котором возможна взрывная эмиссия.

Способ осуществляют следующим образом: На нижнюю плоскость пьезоэлемента 10 (нижняя часть катода) подают нулевой потенциал. Между пьезоэлементами 2, 3 на базу 7, (затвор) прикладывают напряжение U1, определяющие их первоначальные размеры. Через емкость, на базу 7 подают переменное напряжение U2, меняющее их размер и, следовательно, расстояние между катодом и анодом.

Под действием переменного напряжения U2, меняются размеры пьезоэлементов 2, 3, соответственно, меняется расстояние между анодом 6 и катодом 5. Расстояние между катодом и анодом при этом изменяется от 100 нм до нескольких микрон.

При уменьшении расстояния анод-катод поле, управляющее эмиссией с учетом используемой структуры с отрицательным электронным сродством (а, значит, с меньшей работой выхода) достигает величин, при которых становится возможным автоэмиссия, при этом использование структуры с алмазами порядка 100 нм предотвращает возникновение взрывной эмиссии, ограничивая расстояние между катодом и анодом.

Рабочий режим устройства - ключевой, т.е. оно находится либо в режиме отсечки (когда ток через него не протекает и соответственно потери практически равны нулю), либо в режиме насыщения (когда максимальный ток через устройство протекает при минимально возможном напряжении на нем и наименьших потерях внутри устройства). Это режим близкий к режиму идеального ключа.

Ключевой режим достигается благодаря прямоугольной форме импульсов управления (переменное напряжение U2). Большой коэффициент увеличения поля за счет использования структуры с отрицательным электронным сродством позволит резко увеличить крутизну, и следовательно, фронты зависимости тока на нагрузке от времени. Таким образом, ток на нагрузке в этом режиме тоже будет иметь вид прямоугольных импульсов.

На фиг. 3 представлена конструкция устройства в режиме насыщения, когда расстояние между катодом 5 и анодом 6 минимально. По оценкам по формуле (1) сопротивление устройства при этом тоже минимально, порядка 10^-6 ом (см. фиг. 4, на котором представлена зависимость сопротивления устройства r от расстояния анод-катод х в режиме насыщения). Наноалмазы размером 3-5 нм обеспечивают ток 10000 ампер с см². Число наноалмазов 10⁹ - 10¹⁰. Напряжение питания E = 1000 В, сопротивление нагрузки R = 0,1 ом.

На фиг. 5 представлена конструкция устройства в режиме отсечки. В этом режиме размеры пьезоэлементов 1, 2 минимальны, а расстояние между катодом 5 и анодом 6 максимально. Соответственно, ток равен нулю. По оценкам по формуле (1) сопротивление устройства в режиме отсечки порядка 10⁵ - 10⁶ ом (см. фиг. 6, на которой представлена зависимость сопротивления устройства r от расстояния анод-катод х в режиме отсечки). Напряжение питания E = 1000В, сопротивление нагрузки R = 0,1 ом, расстояние между катодом и анодом порядка d = 5 мк.

Обе зависимости сопротивления устройства r от расстояния анод-катод х (фиг.4, фиг.6) рассчитаны по формуле (1).

Обозначения на фигурах:

1 - корпус устройства;

2 - пьезоэлемент;

3 - пьезоэлемент;

4 - верхняя плоскость катода;

5 - катод;

6 - анод;

7 - база;

8 - наноалмазы 3-5 нм;

9 - наноалмазы 100 нм;

10 - нижняя плоскость катода;

E - напряжение питания;

R - сопротивление нагрузки;

U1 - постоянное напряжение, поданное на базу;

U2 - переменное напряжение, поданное на базу;

r - сопротивление устройства;

х - расстояние анод-катод;

d - расстояние между катодом и анодом в режиме отсечки;

Оценка для мощности на нагрузке в ключевом режиме:

Для идеального ключа мощность, выделяемая на нагрузке P (катод 1 см², число наноалмазов 10⁹):

P= (3) (3)

Где E -напряжение питания, - максимальный эмиссионный ток, P -мощность на нагрузке.

Считаем, что внутреннее сопротивление источника питания много меньше сопротивления нагрузки R, чтобы им можно было пренебречь, а время включения и выключения прибора в ключевом режиме много меньше периода колебаний, и поэтому потери при переключении не учитываем.

Мощность P_k, потребляемая пьезоэлементами порядка:

(4)

Cопротивление ЦТС керамики R_к c параметрами: площадь поверхности S=1 см², толщина L = 1 мм равняется порядка 100 ом, Напряжение U₁ порядка 100 В. Следовательно, коэффициент усиления прибора в ключевом режиме порядка 10⁵ .

==10 ⁵ (5)

Где - мощность потребляемая устройством.

При плотности тока 10⁴ А/см² (режим насыщения) при характерных размерах устройства порядка нескольких см² на устройстве будет выделяться тепловая паразитная мощность порядка 50 Вт, что легко отводится радиатором. Сопротивление устройства в состоянии насыщения 10^-6 Ом (см. фиг. 5), при сопротивлении нагрузки 0,1 Ом это позволяет в широком диапазоне менять напряжение источника питания E и нагрузку R.

Нанометровое расстояние катод-анод, а также высокая плотность тока, позволят, создавать рекордно малую величину внутреннего сопротивления устройства при максимальном токе и, как, следствие, рекордную величину возможного КПД, который, пренебрегая потерями мощности на приборе при переключении (нагрузка чисто активное сопротивление) можно записать в виде:

^{( )} (4)

Где - КПД устройства, - минимальное сопротивление устройства (состояние насыщения), R - сопротивление нагрузки. По оценкам, минимальное сопротивление устройства порядка 10^-6 Ом (см. фиг. 4). Следовательно, по формуле (4)

0,9;

И, соответственно, КПД устройства в процентах больше 90%

Список источников:

1. В.И. Шестеркин, Эмиссионно-эксплуатационные характеристики различных типов автоэмиссионных катодов, // Радиотехника и электроника, 2020, том 65, № 1, с. 3-30

2. G.N. Fursey, D.V. Glazanov Deviations from the Fowler-Nordheim theory and peculiarities of field electron emission from small-scale objects [Текст] // J. Vac. Sci. Technol. B. - 1998. - V. 16. - № 2. - P. 910-915

3. Патент РФ №2161840 Aвтоэмиссионный триод, МПК H01J 21/20, H01J 31/12, публ. 10.01.2001

4. Патент № RU 2316844, Способ управления автоэмиссионным током лампы и автоэмиссионная лампа для его осуществления, МПК H01J 21/24 H01J 1/304, публ. 10.02.2008

5. Владимиров Г.Г. ФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. Часть II. Эмиссия в сильных электрических полях Учебно-методическое пособие Санкт Петербург. 2012 г. с. 122-186

6. И.Е. Тамм. Sow. Phys., 1, 773, 1937.

7. V.V. Zhirnov, O.A. Shenderova, D.L. Jaeger T. Tyler, D.A. Areshkin, D.W. Brenner, and J.J. Hren, Electron Emission Properties of Detonation Nanodiamonds, // Physics of the Solid State, Vol. 46, No. 4, 2004, pp. 657-661)

8. Яфаров Р.К. Получение наноалмазных композиционных материалов в плазме микроволнового газового разряда низкого давления. ЖТФ. 2006. Т. 76. Вып. 1. С. 42 48

Изобретение относится к области электроники, к устройствам и способам, позволяющим получать мегаваттную мощность на основе автоэмиссии. Технический результат – повышение мощности и КПД устройств с использованием автоэлектронной эмиссии. Способ управления автоэмиссионным током заключается в изменении поля около катода путем изменения расстояния между катодом и анодом. В качестве катода используют структуры с отрицательным электронным сродством в виде ультрадисперсных наноалмазов в количестве 109-1010 на см², а характерное расстояние анод-катод составляет от 100 нм до нескольких микрон. Устройство представляет собой заземленный металлический корпус, в котором расположен катод, включающий в себя минимум два пьезоэлемента, изменяющих размеры под воздействием приложенного напряжения. Верхняя поверхность катода представляет из себя поверхность с отрицательным электронным сродством. Анод и катод расположены с зазором относительно друг друга. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ управления автоэмиссионным током, заключающийся в изменении поля около катода путем изменения расстояния между катодом и анодом, отличающийся тем, что в качестве катода используют структуры с отрицательным электронным сродством в виде ультрадисперсных наноалмазов в количестве 10⁹ - 10¹⁰ на см², а характерное расстояние анод-катод составляет от 100 нм до нескольких микрон.

2. Устройство для получения автоэмиссионных токов, содержащee анод, катод, расположенные с зазором относительно друг друга, при этом катод включает в себя минимум два элемента, изменяющих геометрические размеры за счет обратного пьезоэффекта под действием подведенного напряжения, отличающееся тем, что верхняя поверхность катода представляет из себя поверхность с отрицательным электронным сродством в виде ультрадисперсных наноалмазов в количестве 10⁹ - 10¹⁰ на см², и характерное расстояние анод-катод составляет от 100 нм до нескольких микрон.