КАТОД СО ВЗРЫВНОЙ ЭМИССИЕЙ Советский патент 1995 года по МПК H01J1/30 

Изобретение относится к сильноточной электронике и может найти применение в электронных приборах, ускорительной технике, прикладных исследованиях по модификации свойств материалов электронными пучками, в исследованиях по программе УТС и др.

Целью изобретения является повышение стабильности эмиссионных характеристик катода.

В катоде со взрывной эмиссией, состоящем их инициатора катодной плазмы из углеродных волокон, расположенных в углеродной матрице, объемное содержание углеродной матрицы V_м связано с объемным содержанием углеродно-волокнистого инициатора катодной плазмы V_и выражением
0,4 ≥ ≥ 0,1. (1)
При этом углеродная матрица может быть выполнена из полностью карбонизованной фенолформальдегидной смолы.

Введение в катод углеродной матрицы приводит к механической прочности (связке) инициаторов катодной плазмы, что позволяет торцевать и обрабатывать эмиттирующую электроны и плазму поверхность катода с требуемой степенью чистоты обработки. Применение фенолформальдегидной смолы и полная ее карбонизация приводят к регулярному распределению волокон, сцепленных в углеродной матрице механически достаточно прочно. Это позволяет с учетом условия (1) формировать стабильную катодную плазму, из которой вытягивается электронный пучок со стабильными эмиссионными характеристиками.

Выражение (1) определяет условия формирования однородной катодной плазмы, так как позволяет равномерно распределить углеродные волокна. Особенно это относится к условиям работы катода при напряжении порядка нескольких киловольт (когда необходимо иметь высокий геометрический коэффициент усиления электрического поля на углеродных волокнах). Кроме того, микрофибрильная структура углеродных волокон устойчива к ионной бомбардировке.

На основе экспериментов была проведена оптимизация соотношения объемных содержаний углеродных волокон V_и и органической матрицы V_м. Критериями оптимизации были условия формирования однородной катодной плазмы, однородного по поперечному сечению пучка электронов, а также стабильность токоотбора. Диапазон питающих напряжений составлял от 1 до 350 кВ. Давление остаточного газа в вакуумной камере электронной пушки ≈10^-5 мм рт.ст. Эксперименты показали, что на нестабильность тока пучка электронов ΔI/I и на поперечную неоднородность плотности тока Δ I_j около 15% величина напряжений не влияет при выборе соотношений V_м/V_и. Однако при ΔI/I ≈ 3-5% и Δ J/J≈ 5% начинает сказываться V_м/V_и. Особенно указанное соотношение влияет на повышение стабильности эмиссионных характеристик в области напряжений порядка нескольких киловольт.

Анализ зависимостей Δ I/I от V_м/V_и и ΔJ/J от V_м/V_и при напряжении 5, 50, 100 и 300 кВ дает верхнее ограничение
≅ 0,4. (2)
Физически это ограничение объясняется тем, что излишнее количество органической матрицы, которая карбонизуется, имеет геометрический коэффициент усиления электрического поля меньший, чем такой же коэффициент на углеродных волокнах. Геометрический размер частиц карбонизованной органической матрицы имеет порядок 20-30 мкм, диаметр углеродных волокон 6-10 мкм, диаметр микрофибрил в волокне 2^. 10^-2 мкм. Неравномерное распределение геометрического коэффициента усиления электрического поля приводит к увеличению ΔI/I и Δ J/J из-за микронеоднородностей катодной плазмы, которая проявляется в многофакельной структуре катодной плазмы. Нижний предел отношения V_м/V_и определен возможностью связки углеродного полотна. При V_м/V_и ≅0,1 механической прочной связи не наблюдается, так как углеродные волокна не скрепляются.

Выполнение инициатора катодной плазмы и переходника единой деталью позволяет производить электрическое соединение катода, например, с катодной ножкой при помощи резьбового соединения. В результате происходит упрощение конструкции катода.

Устройство работает следующим образом. При подаче на катод импульса напряжения за счет взрывных эффектов на углеродных волокнах зажигаются первичные катодные факелы. Последние размножаются по поверхности инициатора катодной плазмы и образуют плазменную эмиттирующую электроды поверхность. При наличии электрического поля происходит токоотбор пучка электронов.

Катод можно изготовлять следующим образом. Вначале углеродно-волокнистое полотно пропитывают органической матрицей, например фенолформальдегидной смолой. Затем набирают стопки кусков этого полотна и спрессовывают под давлением нескольких десятков кг/см² в блок, который затем подвергают термическому отверждению при ≈ 200^оС в течение 2-4 ч. После этого можно производить механическую обработку катода для придания ему необходимых геометрических параметров. Затем осуществляют карбонизацию органической матрицы, что приводит к образованию углеродной матрицы. Необходимо отметить, что после термического отверждения можно вначале производить карбонизацию матрицы, а затем подвергать блок механической обработке для придания ему необходимой геометрии. Объемные соотношения (1) выдерживаются при пропитке углеродно-волокнистого полотна.

Выполнение единой деталью переходника и инициатора катодной плазмы становится возможным, так как после карбонизации или первого отверждения блока углепластика материал катода обладает механической прочностью, достаточной для механической обработки. Это упрощает конструкцию катода. Для практических целей в цилиндрическом катоде электронной пушки планарного типа внутри катода нарезается глухая внутренняя резьба или резьба на внешней поверхности катода. В случае изготовления катода для электронной пушки коаксиального типа производится обработка внешней поверхности, а резьба нарезается внутри катода.

Для экспериментов были изготовлены образцы катода по изложенной выше технологии диаметром 10 и 20 мм для электронных пушек планарного типа. Углеродные волокна диаметром 8 мкм имели продольное направление. В качестве органической матрицы применяли фенолформальдегидную смолу в указанных выше соотношениях. При напряжении на пучке 100-300 кВ нестабильность токоотбора составляет ΔI/I ≈1,4% (в прототипе ΔI/I≈ 10-15%), величина электронного тока лежит в диапазоне 1-3 кА. Поперечная неоднородность плотности тока, как показали эксперименты, ≈ 5% (в прототипе ≈ 10%).

Из проведенных экспериментов видно, что предлагаемый катод обладает техническими преимуществами по сравнению с прототипом, заключающимися в улучшении физических характеристик катода.

Изобретение относится к сильноточной электронике и может быть применено в электронных приборах и ускорительной технике. Целью изобретения является повышение стабильности эмиссионных характеристик катода. Катод со взрывной эмиссией содержит инициатор катодной плазмы из углеродных волокон, которые расположены в углеродной матрице. Объемное содержание углеродной матрицы V_м связано с объемным содержанием углеродно-волокнистого инициатора катодной плазмы V_и и выбирается из выражения 0,4≥ V_м/V_и≥ 0,1 При этом углеродная матрица может быть выполнена из полностью карбонизированной фенолформальдегидной смолы. Нестабильность токоотбора снижается в 10 раз, а поперечная неоднородность плотности тока в два раза. 1 4 з.п. ф-лы.

1. КАТОД СО ВЗРЫВНОЙ ЭМИССИЕЙ, включающий инициатор катодной плазмы, выполненный из углеродной матрицы с углеродными волокнами, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности эмиссионных характеристик катода, содержание углеродной матрицы V_м (об.) и углеродных волокон V_и (об.) в инициаторе катодной плазмы выбрано из выражения

2. Катод по п.1, отличающийся тем, что углеродная матрица выполнена из полностью карбонизованной фенолформальдегидной смолы.