ДИОД СО ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ Советский патент 1995 года по МПК H01J1/30 

Изобретение относится к сильноточной электронике. Оно может найти применение в ускорительной технике, электронных приборах, в промышленной технологии, связанной с использованием электронных пучков.

Целью изобретения является увеличение ресурса работы диода.

На фиг.1 схематично показан предлагаемый диод; на фиг.2 приведены зависимости неоднородности плотности тока j/j_макс от отношения размеров ячейки сетки к диаметру нити углеродных волокон.

Диод со взрывоэмиссионным катодом содержит вакуумную камеру 1, проходной высоковольтный изолятор 2, катодный электрод 3, графитовую вставку 4, углеродную сетку 5, сетчатый анод 6.

Вакуумная камера выполняется цилиндрической. Проходной высоковольтный изолятор 2 изготавливается из оргстекла, капралона, керамики и др. Катодный электрод 3 представляет собой цилиндрическую деталь и выполняет роль металлической подложки в месте контакта его с графитовой вставкой 4. На графитовую вставку 4 устанавливается сетка 5 из углеродных волокон. Сетчатый анод 6 изготавливается из углеродных волокон. Углеродные сетки могут изготавливаться на основе выпускаемой промышленностью углеродной ткани, например, типа VII, из которой удаляются нити. Давление остаточного газа в вакуумной камере 1 составляет ≈10^-5 мм рт.ст.

Диод работает следующим образом. При подаче импульса напряжения на диод на катодном узле (катодный электрод 3, графитовая вставка 4, углеродная сетка 5) формируется катодная плазма за счет взрывных эффектов. С волокон углеродной сетки 5 начинает стекать автоэлектронный ток. При превышении некоторого порогового значения тока происходит взрывообразное испарение углерода и его ионизация, в результате чего образуются катодные факелы. Последние, размножаясь по поверхности катода, создают однородную катодную плазму. Из нее электрическим полем вытягивается электронный пучок. При зажигании катодной плазмы происходит распыление материала углеродной сетки 5. Однако распыленный материал осаждается на графитовой вставке 4 и сетчатом аноде 6. При осаждении углерода на графитовую вставку 4 не происходит изменения свойств газовыделений графитовой вставки 4. И ее большой коэффициент газовыделений сохраняется и благоприятно сказывается на условиях формирования однородной катодной плазмы.

При осаждении паров углерода на сетчатый анод 6 происходит его запыление, но оно не влияет на ресурс работы анода 6. Сетчатый анод 6 выполняется также из углеродных волокон. Вследствие высокой механической прочности углеродных волокон такой анод устойчив к механическим воздействиям электронного пучка из-за его ударной волны. Термическая устойчивость углерода (т.пл. 3700^оС¹⁴¹) не приводит к прогоранию анода. Запыление углеродом поверхности графитовой вставки 4 и углеродной сетки 5 не ухудшает эмиссионные свойства катода. В результате этого происходит увеличение ресурса работы диода.

Как показали эксперименты по генерации электронных пучков и формированию однородной катодной плазмы необходимо провести оптимизацию размеров ячейки и узлов углеродной сетки 5, укладываемой на графитовую вставку 4. Регистрацию однородности катодной плазмы осуществляли по поперечной однородности электронного пучка. Эксперименты проводили при давлении остаточного газа в вакуумной камере Р≈ 10^-3 мм рт.ст. и при амплитуде напряжения U=100-300 кВ.

На фиг.2 приведены зависимости неоднородности плотности тока j/j_макс от отношения размеров ячейки сетки h к диаметру нити d углеродных волокон. Из фиг. 2 видно, что величина амплитуды напряжения не влияет на выбор отношения h/d. Это объясняется динамикой разлета катодных факелов. Первичные факелы образуются на волокнах углеродной нити углеродной сетки 5 в узлах их переплетения. Кроме усиления электрического поля на самих волокнах К_Е на формировании катодной плазмы сказывается уменьшение расстояния между анодом и катодом на высоту переплетения нити волокон. Все это в итоге приводит к формированию катодных факелов на узлах переплетения углеродной сетки 5. Катодные факелы расширяются в радиальном и продольном направлениях.

Экспериментальное исследование формирования однородной катодной плазмы показало, что на ее однородность влияют газовыделения из графита. В этом процессе определяющую роль играют вторичные частицы, а именно ионы катодной плазмы, которые бомбардируют катод. Они производят дополнительную ионизацию как газовых молекул, так и самого графита. Для формирования однородной катодной плазмы, как видно из зависимостей, приведенных на фиг.2, необходимо выполнить условие
1,5 ≅ h/d≅ 10, где h размер ячейки углеродной сетки;
d диаметр нити углеродного волокна.

Нижние границы определяются недостаточным влиянием газовыделений из графитовой вставки 3, в результате чего катодная плазма неоднородна. Верхняя граница также определяется неоднородностью катодной плазмы, которая проявляется из-за большого расстояния между первичными катодными факелами, формирующимися в узлах сетки.

Кроме геометрических условий на выполнение мелкоструктурной сетки, устанавливаемой на графитовую вставку 4, необходимо, как показали эксперименты, выполнить определенные соотношения между коэффициентами газовыделений из самой графитовой вставки 4 и углеродной сетки 5. Это отношение влияет на время задержки тока пучка электронов относительно импульса напряжения. Экспериментальная зависимость приводит к условию
0,2 ≅ ≅ 1 где К_r1 и K_r2 соответственно коэффициент газовыделений из графитовой вставки 4 и углеродной сетки 5.

Техническое преимущество предложенного технического решения состоит в улучшении срока службы (ресурса работы) диода. Так, по сравнению с прототипом, у которого N ≈10⁵ вкл, в техническом решении срок службы увеличен в ≥ 10² раз. Это достигается при напряжении на диоде 100-300 кВ и запасаемой в накопителях энергии ≅100 Дж.

Изобретение относится к сильноточной электронике и может найти применение в ускорительной технике, электронных приборах, технике СВЧ. Цель изобретения увеличение ресурса работы диода. Диод со взрывоэмиссионным катодом состоит из вакуумной камеры, проходного высоковольтного изолятора, катодного электрода с катодом и сетчатого анода. Катод со взрывной эмиссией состоит из металлической подложки с графитовой вставкой, на которую уложена сетка из углеродных волокон. Приведено условие выбора размера ячейки, связанное с диаметром углеродного волокна. Сетчатый анод выполнен также из углеродных волокон. Ресурс работы диода увеличивается в 100 раз. 2 ил.

ДИОД СО ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ, включающий вакуумную камеру, проходной высоковольтный изолятор, катод, содержащий графитовую вставку и мелкоструктурную сетку, сетчатый анод, отличающийся тем, что, с целью увеличения ресурса работы диода, мелкоструктурная сетка катода и сетчатый анод выполнены из углеродных волокон, при этом размер ячейки углеродной сетки на катоде h связан с диаметром нити углеродного волокна d условием