Многоострийный холодный катод Советский патент 1980 года по МПК H01J1/304 

(54) МНОГООСТРИЙНЫЙ холодный КАТОД

Изобретение относится к катодам элeкrpoвaкyy « ыx устройств, а конкретно - к сильноточным катодам, ра ботающим в режиме взрывной эмиссии Тгикив катоды могут использоваться в импульсных рентгеновских трубках, ускорителях электронов и других уст ройствах, находшцих широкое примене .ние в различных областях народного эяйства. Известны катоды, работающие во взрывном режиме, выполненные в виде набора острий из металлов или сплавов Ы . Наиболее близким к изобретенизэ по совокуг«1с сти общих существенных признаков является холодйый катод, выполненный из плетеной графитовой ткани, состоящей из большого числа нитей, разделенных, на TJBe взаимЬпересекающихся совокупности параллель ных нитей, причем кажда я из них,в свою очередь, состоит из множества волокон диаметром 7-10 мкм, явля1С1щих ся эмиттерами электронов рЗ. Такой катод обладает повышенной, по сравнению с металлическими катодами, теп лостойкостью и прочностью на paajaiB Кроме того, он обладает более высокой плотностью элементов, одновременно Участвующих в эмиссии в момент приложейия к нему импульса высокого напряжения. Однако область применения описанного выше известного источника электронов ограничена из-за недостаточно высокой плотности электронного трка обусловленной линейным расположением нитей в ткани и тем обстоятельством, что в эмиссии участвует лишь одна из совокупностей нитей. В ряде случаев требуется постоянство сечения пучка электронов на поверхности анода (например, в источниках рентгеновского излучения) при изменяющемся высоком напряжении. При использовании катода данного типа это сделать невозможно из-за разлнГчного углового расхождения волсжон под действием электростатических сил, которое зависит от величины приложенного напряжения. Кроме того, конструкция катодного узла требует весьма сложного способа крепления ткани для обеспечения надежного омического контакта с держателем и фиксации нитей, не участвующих в эмиссии.

Целью изобретения является увеличёнйё плотности электронного тока.

Поставленная цель достигается тем, что многоострийный холодный катод выполнен в виде двумерной матрицы острий, образованной множеством слоев плетеной ткани, пропитанных жаропрочным связующим вицеством, например, пироуглеродом, при этом все нити ткани бриёнтированы под острым углом к направлению эмиссии электронов. Рабочая поверхность каждого из множества волокон, образующих нить, представляет собой отполированное остриё, служащее эмиттером электронов.

На фиг. 1 показана плете 1ая ткань используемая для изготовления катода; на фиг. 2 изображена заготовка для многоострийного холодного катода; на фиг. 3 представлен один из возможйьж вариантов конструкции катодного узла с многоострийным хрлодным катодом.

Кусочек 1 ткани, показанный на фиг. 1, йплетен из Двух взаиМопересекаюдихся совокупностей нитей 2, выполненных, например, на основе лероднОгО полйакрилонитрильного волокна (ПАН-волокна), причем каждая нИт1ь содержит множество (до несколь.ких сотен) волокон 3 диаметром 710 мкм каждое.

Заготовка 4 для многоострийного холодного катода, изображенная на фиг. 2, представляет собой трехмерный монолитный материал, образованный множеством слоев ткани, пропитанных пироуглеродом.

Катодный узел, представленный на фиг. 3, содержит многооЬтрийный холодный катод 5, который вырезан из заготовки 4 таким образом, что нити обеих совокупностей 2 как в объеме, так и на поверхности, образуют угол с осью 6 катода 5. Катод 5 зава лЬЦован в токопроводящую оправу 7 . Основание 8 оправы 7 укреплено в держателе катодного узла (на фиг. 3 не показан) с помощью винта 9. Рабочая (эмиттирующая) поверхность катода 5 представляет собой двумерную матрицу острий 10, выполненную в виде отполированных концов ПАН - волокон 3, выступающих из монолитного материала катода 5 на 70-100 мкм.

Работа предложенного многоострийHoiro холодного катода основана на явлении взрывной эмиссии. Импульс высокого напряжения (источник напряжения на чертежах не показан) создает вблизи эмиттирующей поверхности катода 5 сильное электростатическое поле, под действием которого происходит взрыв концов выступающих частей волокон 3 (острий 10), что приводит , к появлению мощного импульса эд1вк трЬйнбгЬ тЬка, причём электроны излу чаются эмиссионными центрами (остриями 10) всей матрицы.

Предлагаемая конструкция многоострийного холодного катода позволяет отбирать с одного квадратного миллиметра поверхности токи до 3-5 кА благодаря большой плотности (около 1/мм) упаковки углеродных волокон в двумерной матрице.

Эмиссионные характеристики данного мультикатода отличаются высокой стабильноотью амплитуды тока от импульса к импульсу в течение длительного периода времени. Это определяется как физико-химическими свойствами углероднь1х волокон-, такими как химическая инертность к большинству элементов, отсутствиеточки плавления (углерод сублимирует при температуре ), высокая электро- и теплопроводность, так и технологией изготовления мультикатода. Благодаря высокой идентичности геометрии волокон, электронный пучок обладает равномерным распределением интенсивности по его сечению.

Жесткое фиксирование волокон пироуглеродом не допускает раздвигания их выступающих частей, и угловое расхождение электронного пучка становится Практически независимым от величины приложенного напряжения, что в ряде случаев приводит к существенному улучшению параметров электровакуумных приборов с эмиттером данного типа. Пироуглерод не имеет точки плавления, в результате чего при работе происходит испарение материала без образования расплава, который препятствовгш бы эмиссии.

Изготовление предложенного катода отличается высокой технологичностью. Заготовка для него может быть выполнена обычными механическими способами: выпиливанием, нарезкой, токарной обработкой и т.д. Эмиттируквдую матричную поверхность катода получают путем электрохимического травления в растворе щелочи в полирующем режиме При этом происходит сглаживание микроше охов атос ей и дефектов -волокон (острий), которые являются инициаторами их разрушения при действии электростатических сил. Таким образом, еще более повышаются прочностные, характеристики волокон, что в конечном итоге повышает стабильность эмиссионного тбка высокой плотности.

Крепленное катода к держателю может осуществляться любым способом, обеспечивактщм надежный -омический контакт, например, с помощью резьбового соединения.

Предлагаемая конйтрукция многоострийного холодного катода может быть эффективно использована в таких областях науки и техники, в которых известные ранее конструкции катодов использовались молоэффективно, напримёр, данная йбнструкция катода может служить ИСТОЧНИКОМ релятивистских

электронов, при этом принципиально может быть достигнута энергия пучка электронов 10эрг, необходимая для получения управляемой термоядерной реакции. Кроме того, такой катод может служить генер тором накачки в мощных лазерах.

Высокая интенсивность пучка электронов, обусловленная предлагаемой конструкцией катода, позволяет также проводить дефектоскопию массивных и толстостенных объектов.

Формула изобретения

целью повышения плотности эмиссионного тока, катод выполнен в виде двумерной матрицы, образованной слоями плетеной ткани, пррпитанной жаропрочным связующим веществом, причем все нити ткани ориентированы под острым углом к направлению эмиссии электронов.

Источники информации,

5 принятые во внимание при экспертизе

2.Патент СССР № 433698, кл. Н 01 J 35/04, 1972 (прототип).