Автоэмиссионный катод Советский патент 1975 года по МПК H01J1/304 H01J35/06 

Изобретение относится к производству вакуумных электронных приборов, в которых используется автоэлектронная эмиссия, в частности к игловидным автоэмиссионным катодам, электронный пучок которых путем специальных мер сужен до телесного угла не более 0,22 ср. Это по крайней мере в 1О раз меньше,: чем угловые размеры элекаронного пучка обычного автоэмиссионного катода ( 2,2 ср).

Автоэмиссионный катод с локализацией эмиссии в узком телесном угле может использоваться во всех случаях, когда нужно получить узкий сфокусированный пучок или тонкий шнур электронов на основе автоэмиссионной эмиссии, а также в электроннолучевых приборах, в приборах СВЧ, в теневых рент1еновских микроскопах, в растровых электронных микроскопах,в рентгеновских микроанализаторах, в установках технологической обработки электронным лучом, в приборах с электронной интерференцией, в электронных ускорителях и в других приборах, особенно тех, для которых преимущества автоэмюсиок

ного катода оказьюаются наиболее эффекч ив ными.

Известен автоэмиссионный катод с локализацией эмуюсии в узком телесном угле, использующий свойства избирательного пони жения р аботы выхода некоторыми адсорбатами на монокристаллах тугоплавкого метал ла-адсорбента. Этот автоэмиссионный катод представляет собой монокристаллическое вольфрамовое острие в вакууме, на которое из внешнего испарителя осажден примерно моноатомный слой циркония. После надлежа щего прогрева2г концентрировался на граня.х типа {lOOjW и в ближайших их окрестностях. Концентрируясь в этих местах,2г сильно понижал работу выхода электронов, и поэтому автоэлектронная эмиссия исходила только из этих мест, локализуясь в пучках с телесным углом 0,214 ср. или менее.

Известны острия из таких монокристалло параллельно оси которых идет направление У OOj, а на вершине острия, следовательно, располагается грань|1ОО}-. В этом случае эмиттируюшее пятно с угловой величиной не более 0,214 ср. располагалось точно на вершине острия и было практически единственным, так как, четыре других направления типа юсЗ, распопоженные под углом 90° к первому, хотя иконцентрироваnnZr, но не эмиттировали из-за спадания электрического поля от вершины острия к периферии.

Однако такой катод нельзя использовать

в режиме подогретого автокатода. Подогретый до температур выше 500°С автозмисси ный катод, работающий в импульсном режиме при любых, в том числе весьма малых скважностях, предъявляет меньше требова- НИИ |с качеству вакуума и работает стабильнее, чем холодный автокатод. Автокатод с пленкой 2г , наносимой извне, не может быт прогрет до высоких температур без разрушения эмиссионно-активвоги участка из адсорбированных атомов Zr, которые обеспечивают локализацию -эмиссии в узком телесном угле. В ряде приборов с относительно невысоким вакуумом, с длительными сроками службы, режим подогретого автокатода является предпочтительным, если, не единственно, возможным. При этом такие устройст,ва нуждаются также не в простых автокатодах, а в автокатодах с локализацией эмиссии в узком телесном угле.

Цель предлагаемого изобретения - повы,шение термической устойчивости эмиссионно-активного участка автоэмиссионного катода с локализацией и обеспечение тем самым возможности работы в режиме подогретотч) автокатода с извлечением таких преимушеств этого режима, как повышение стабильности и долговечности автокатода с локализацией автоэлектронной эмиссии в условиях технического вакуума; улучшение и расширение тем самым эксплуатационных возможностей автоэмиссионного катода с локализаиией эмиссии в узком телесном угпе.

Для этого в качестве материала автоэмиссионного катода используется сплав тугоплавкого металлического вещества с эмисс;ио1шо-активной добавкой. Такой материал катода обеспечивает появление пленки, понижающей работу выхода определенных участков поверхности за счет диффузии из недр автокатода.

В качестве материала катода использован сплав на основе молибдена с добавкой гафния. Этот сплав имеет состав: молибдена от 85 до 9О ат. %, гафния от 15 до 1О ат. %. При соответствующей ориентации монокристалла сплава эмиттирующее пятно выводится на вершину, тем самым достигается эмисстш в суженном вдоль оси автокатода пучке.

вечно и стабильно, не теряя локализации,и при высоких температурах, так как SMHcdnoHно-активное вещество на поверхности, находящееся в равновесии с объемом, не убывает.

Имеется особая возможность продвинуть

стабильный режим работы автокатода в сторону еще более высоких температур, при коTopbiJi возможно даже активное испарение материала автокатода (это дает возможность применять автокатод в еще более непритязательнь1х вакуумных условиях). Для этого необходимо выбрать сплав из числа предложенных выше, но такой, кртерый не меняет своего состава при испарении, так называемой конгруэнтно испаряющийся сплав (например, сплав Мо с (Добавкой Н )

На чертеже показано устройство катодного узла с автоэмиссионньш катодом из сплава, эмиссия которого локализуется в узком электронном пучка..

Предлагаемый, катод представляет собой монокристаллJifHecK-qe острие 1 из сплава туГоплаБК01тд.;Металличёского материала с эмиссионно-активно р .добаэкой. В качестве основ может бы.ть выбран, например, один из следующих металлов: W, Мо, Та,Л/А, Re, Pt ,lr. Ru , R/i , Os , Pd или какое-либо их сочетание.

В качестве эмиссионпо-активной добавки могут быть выбраны следующие вещества:7г,Н|- ,Sc ,Y ,Ьаи другие редкоземельные металлы, окислы перечисленных металлов или какие-либо их сочетания. В частном Случае (но наиболее Э1{)фективном) сплавматериал автокатода может 6iiiTb конгруэнтно v cпapяющимcя сплавом. Монокристаллострие имеет такую ориентацию, чю на вершину его выходит такая кристаллог-рафическая грань, из которой (а также в окрестности которой) амнссионно-активная пленка 2 локально работу выхода. Тем самым обеспечивается автоэлектронная эмиссия, в узком телесном угле (не более 0,22 ср.), определяемом размером пя1на эмис(.;11онно-активной пленки. Автоэмиссионный катод крепится на дужке 3 или ином приспособлении, прогревая которую можно 11оД11Г е вать и автокатод. Дужка соединена с токппроводами 4, проходящими сквозь сугенки вакуумного .баллона. Каюдный узел содержит также анод 5, в котором может б,гть отверстие 6 для прохода.электронно о пучка. Анод имеет вводы 7 выходящие иару-жу сквозь стенку баллона 8. Н баллоне создается технический или более высокий вакуум. Острив 1 достаточно сильно прогрвваетч ся пропусканием тока через нагреватель (дужку 3). Температура подогрева автокатода достаточна того, чтобы эмиссионно-актИБная пленка легко восстанавливалась за счет поступления активного вещества из недр острия, если она уничтожается за счет ионной бомбардировки или испарения. На анод 5 подается импульсное высокое напряжение, достаточное для того, чтобы создаваемое у вершины острия электрическое поле вызвало необходимый автоэпектронный ток. Этот ток будет исходить из эмиссионно-активной пленки 2, и так как угловые размеры ее невелики, он будет сконцентрирован в узком пучке. При необходимости пучок может быть выпущен сквозь отверстие 6 в аноде и использоваться далее для конкретных целей. В режиме подогретого автокатода локализация эмиссии не теряется из-за ионной бомбардировки и автокатод работает длитель но. Срок его службы определяется обеднением сплава эмиссионно-.активной добавкой за счет неконгруэнтного испарения. Однако применение конгруэнтно испаряющихся сплавов позволяет еще более продлить срок службы автокатода с локализацией эмиссии. При этом можно использовать большие рабочие температуры острия. Это допускает применение автокатода в худшем вакууме. Срок службы в этом случае определяется затуплением острия за счет испарения и катодного распыления. с Предмет изобретения 1.Автоэмиссионный йатод с локализацией эмиссии в узком телесном угде, представляющий собой монокристальное острие из тугоплавкого металлического материала, ориентированное так, что эмиссионноактивный участок расположен на и вокруг грани, находящейся на верщине острия, отличающийся тем, что, с целью повьцпения термической устойчивости, стабильности и долговечности эмиссионно-активного участка, катод выполнен из конгруэнтно испаряющегося сплава на основе тугоплавкого металла с добавкой эмиссионно-активного вещества. 2.Катод по п. 1,отличающийс я тем, что в качестве материала катода использован сплав на основе молибдена с добавкой гафния. 3.Катод по пп. 1и 2, отличающий с я тем, что упомянутый сплав имеет состав: молибдена от 85-90 ат. %, гафния от 25 до 1О ат. %.