СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЭМИТТИРУЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ МНОГООСТРИЙНЫХ АВТОЭМИССИОННЫХ КАТОДОВ Советский патент 1996 года по МПК H01J1/30 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к способам формирования эмиттирующей поверхности многоострийных автоэмиссионных катодов. Такие катоды работают в режиме автоэлектронной или термоавтоэлектронной эмиссии и могут быть применены для получения электронных пучков а электровакуумных приборах.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик за счет достижения максимальной эффективности катода.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе формирования эмиттирующей поверхности многоострийных автоэмиссионных катодов, включающем заострение вершин отдельных эмиттеров и их поэтапную формовку путем термополевой обработки вершин с последующим термическим сглаживанием, в соответствии с изобретением, после первого этапа формовки производят отбор тока автоэлектронной эмиссии и измеряют напряжения U₁ и U₂, обеспечивающие получение последовательно двух заданных величин токов I₁ и I₂ после каждого последующего этапа формовки измеряют соответствующие напряжений и , обеспечивающие получение заданных величин токов автоэлектронной эмиссии I₁ и I₂, определяют величину параметра Φ по формуле

и прекращают формовку на этапе, для которого φ равна этой же величине для предыдущего этапа.

Для пояснения сущности способа следует подробно остановиться на физической природе параметра f.

Как известно, зависимость тока автоэлектронной эмиссии I от напряженности электрического поля Е описывается следующим выражением (для единичного острия)
J С₁ Е^Р ехр (- C₂/E), (I)
где обычно р 2, р 3, а С₁ и С₂ константы, имеющие отличающиеся значения для разных р и слабо зависящие от напряженности поля и работы выхода. Поле в большинстве случаев пропорционально приложенному напряжению Е bU,, причем β I/kr, где r радиус эмиттера. Коэффициент k для многоострийных систем определяется как формой каждого отдельного острия, так и их взаимоэкранировкой. Однако очевидно, что для конкретного катода k можно считать константой. Тогда Е U/kr и для катода с числом работающих острий n_о > 1 получаем

Если в результате формовки катода одновременно стали работать нескольrо острий n > n_о с радиусами r₁, то для тока I получим следующие выражения:

Обозначим:
(4)
Тогда

Из выражений (4) получаем
A₁/A = r^p/rp1

Следовательно, A₁= A(B/B₁)^p (7)
Считаем, что выражение (5) относится к многоострийному катоду в исходном состоянии, а выражение (6) к катоду после какого-то этапа формовки. Обычно при первоначальной подаче напряжения на катод, а также после этапа 1 формовки одновременно эмиттируют 1-2 острия, что видно, например, по эмиссионному изображению в проекторе Мюллера. Таким образом, n_о 1-2.

Измеряя экспериментально два значения тока автоэлектронной эмиссии при двух каких-либо значениях напряжения, можно из (5) определить А и В. Аналогичным образом для отформованного катода из (6) определяем произведение nA₁ и B₁. С учетом (7) можно определить n, т.е. число одновременно работающих острий.

Таким образом, согласно способу, измеряют напряжения, которые обеспечивают получение с катода токов автоэлектронной эмиссии I₁ и I₂ (табл. I):
При этом следует отметить, что напряжения U₁ и U₂ можно измерять после заострения вершин отдельных эмиттеров и их термического сглаживания непосредственно в электровакуумном приборе. Соответственно, напряжения и измеряются после первого и последующего этапов термополевой обработки и термического сглаживания.

Из выражения (5) получаем:

Разделив (9) на (8) и прологарифмировав обе части, получим:

Из (9) находим, что

Аналогично, воспользовавшись выражением (6) и значениями таблицы 1, находим:

Воспользовавшись (7), получим:

Из выражений (13) и (14) окончательно находим:

где р 2 или 3 (см. выше).

Таким образом, зная величины напряжений U₁, U₂, , , при которых с многоострийного катода отбираются заданные токи автоэлектронной эмиссии I₁ и I₂ до и после определенного этапа формовки, по выражению (15) можно оценить число работающих одновременно острий.

В случае, если отсутствует возможность определить n_о например, в электровакуумном приборе с автокатодом не предусмотрено наблюдение эмиссионных изображений, можно определять параметр и формовку многоострийного катода производить до тех пор, пока отношение n/n_o не выйдет на насыщение или перестанет увеличиваться параметр Φ. Выход параметра F на насыщение означает, что для конкретного катода одновременно работает максимально возможное число острий. Очевидно, в самом благоприятном случае это число равно полному количеству острий N всего катода. В дальнейшем формовку можно продолжать, например, для того, чтобы повысить рабочее напряжение и энергию эмиттируемого пучка электронов за счет увеличения радиусов отдельных острий, но полное число работающих одновременно эмиттеров изменяться при этом не будет.

Способ осуществляют следующим образом. С помощью известного электролитического метода производят заточку вершин отдельных элементов многоострийного катода. Затем катод устанавливают в автоэлектронный проектор Мюллера, который откачивают до давления, не превышающего 10^-9 мм рт.ст. и производят нагрев катода до высокой температуры, после чего подвергают катод термополевой обработке с последующим термическим сглаживанием. После окончания первого этапа формовки производят отбор тока автоэлектронной эмиссии последовательно дважды и измеряют напряжения, обеспечивающие получение токов I₁ и I₂ (величины этих токов различны). После окончания измерений на первом этапе переходят ко второму этапу формовки термополевой обработке катода с последующим термическим сглаживанием. После окончания этапа измеряют напряжения, обеспечивающие получение токов эмиссии I₁ и I₂, и вычисляют по формуле (15) параметр Этапы формовки повторяют с той же последовательностью действий, что и на втором этапе, причем после вычисления параметра Φ сопоставляют его со значением, полученным на предыдущем этапе формовки. Если разность , формовку прекращают, поскольку катод становится максимально эффективным по числу одновременно работающих острий. С помощью проектора Мюллера можно вести визуальный контроль эмиссионного изображения острия на ранних этапах формовки, до перекрытия эмиссионных изображений отдельных элементов.

В качестве примера реализации способа производили формирование эмиттирующей поверхности линейного многоострийного П-образного катода с П N, изготовленного из вольфрамовой фольги толщиной 50 мкм. Заточка вершин отдельных элементов производилась электролитическим методом. Катод установили в автоэлектронной проектор Мюллера. Проектор откачали до давления не выше 10^-9 мм рт. ст. а затем проводили нагрев катода до высокой температуры, с последующей термополевой обработкой его и термическим сглаживанием.

После первого этапа формовки (температура катода Т 2300 К, напряжение на катоде U⁺ 8,0 кВ, время термополевой обработки t 1 мин, затем U⁺ 10,0 кВ, t 30 с и последующего термического сглаживания при температуре ≈2400 К в течение 30 с) стали эмиттировать два острия. Яркости автоэмиссионных изображений обоих острий были одинаковы. Таким образом, n_о 2. При отборе тока автоэлектронной эмиссии были зафиксированы последовательно два значения I₁ 5•10^-7 А и I₂ 10^-6 А, соответствующие напряжения для них: U₁ 8,43 кВ и U₂ 8,79кB.

Второй этап формовки проводили при следующих значениях параметров: U⁺ 11,0 кВ, температура 2300 К, время выдержки 3 мин: З-й этап: U⁺ 12,0 кВ. температура 2300 К, время выдержки 3 мин: 4-й этап: U⁺ 15,0 кВ, температура 2300 К, время выдержки 3 мин: 5-й этап: U⁺ 15,0 кВ. температура 2300 К, время выдержки 12 мин. После термополевой обработки на каждом этапе осуществляли сглаживание при температуре 2400 К. После каждого этапа формовки производили измерение напряжений и , требуемых для получения токов I₁ 5•10^-7 А и I₂ 10^-6 А, а также вычисление по формуле (15) параметра Φ. Результаты приведены в табл.2.

Отличие получаемых по расчету n от целочисленных значений связано, видимо, с тем обстоятельством, что токи автоэлектронной эмиссии, отдаваемые разными остриями, несколько различны. После этапа 2 формовки на экране проектора Мюллера можно было четко выделить эмиссионные изображения четырех острий, т.e визуальный контроль подтверждал правильность расчетов (табл. 2). После остальных этапов определить визуально число работающих одновременно острий не удавалось вследствие существенного перекрытия эмиссионных изображений. После еще одного этапа формовки n и параметры F практически не изменялись, поэтому формирование эмиттирующей поверхности многоострийного катода было прекращено. Последующие исследования катода в теневом электронном микроскопе показали, что 10 острий имели практически одинаковые радиусы, радиус одного острия был несколько больше. Это связано с тем обстоятельством, что методика термополевой обработки способствует выравниванию отдельных эмиттеров многоострийного катода в первую очередь по напряженности электрического поля вблизи их вершин. Таким образом, прямое визуальное наблюдение подтверждает правильность определения момента окончания формирования эмиттирующей поверхности катода, найденного с помощью критерия (15).

При измерениях необходимо обеспечить высокую точность измерения токов автоэлектронной эмиссии и соответствующих напряжений, поскольку, например, ошибка в измерении одного из напряжений в 10 В приводит к ошибке в измерении n около 30% Следует также отметить, что согласно таблице 2, более точное совпадение с экспериментом дает учет в формуле (15) величины p=3.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в достижении максимальной эффективности для каждого конкретного катода. Поэтому предлагаемый способ формирования эмиттирующей поверхности многоострийных автоэмиссионных катодов может обеспечить улучшение эксплуатационных характеристик электровакуумных приборов, в которых они применяются.

Использование: область электронной техники, для получения приборов с улучшенными эксплуатационными характеристиками по числу работающих острий в катодах. Сущность изобретения: в автоэмиссионном многоострийном катоде производят заострение вершин отдельных эмиттеров и их поэтапную формовку путем термополевой обработки с последующим термическим сглаживанием. После первого этапа формовки производят отбор тока автоэлектронной эмиссии последовательно при двух различных значениях тока, при этом измеряют напряжения, необходимые для получения этих токов. Аналогичные измерения напряжений, необходимых для получения тех же величин тока автоэлектронной эмиссии, производят и на каждом последующем этапе формовки. По результатам измерений напряжений на каждом этапе вычисляют по формуле параметр формовки, зависящий от соотношения токов и напряжений и характеризующий количество одновременно работающих острий по отношению к полному их количеству в катоде. Если на двух соседних этапах формовки величина параметра слабо меняется, т.е. их разность близка к нулю, устанавливают максимум достигнутой эффективности данного катода и прекращают формовку. 2 табл.

Способ формирования эмиттирующей поверхности многоострийных автоэмиссионных катодов, включающий заострение вершин отдельных эмиттеров и их поэтапную формовку путем термополевой обработки вершин с последующим термическим сглаживанием, отличающийся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик за счет достижения максимальной эффективности катода, после первого этапа формовки производят отбор тока автоэлектронной эмиссии и измеряют напряжения U₁ и U₂, обеспечивающие получение последовательно двух заданных величин токов I₁ и I₂ после каждого последующего этапа формовки измеряют соответствующие напряжения обеспечивающие получение заданных величин токов автоэлектронной эмиссии I₁ и I₂, определяют относительное количество работающих одновременно эмиттеров Ф путем вычисления параметров Ф по соотношению


и прекращают формовку на этапе, для которого величина параметра Ф равна величине аналогичного параметра на предыдущем этапе формовки.