Катод со взрывной эмиссией Советский патент 1984 года по МПК H01J1/30 

Устройство относится к области сильноточной электроники. Оно может нйЯти применение в электронных прибо рах ускорительной, лазерной техники, 8 термоядерных исследованиях. Известен катод со взрьгено эмиссией til для электронных устройств, содержалщй металлическую подложку и инициатор взрывной эмиссии, который вьтолнен в виде металлического цилиндрического электрода. При этом конструктивно металлическая подложка и цилиндрический электрод могут щ едставлять единую деталь. Недостаток этого устройства состо ит в малой величине токоотбора при питающих напряжениях 100-300 кВ. В- данном случае генератор импульсного напряжения для питания электронffijx устройств выполнен без применения низкоимпендансных формирующих лин. Малая величина токоотбора объ ясняется эффектом экранировки, который состоит в снижении на катоде электрического поля объемным зарядом электронов в районе первичного центра взрывной эмиссии. Известен также катод со взрывной эмиссией для электронных устройств, состоящий из металлической подложки и инициатора взрывной эмиссии, выпол ненного в виде слоя акводага или гра фитовой вставки С2. Недостаток этих катодов состоит также в малой величине токоотбора электронов при тех параметрах импуль сов напряжения. Катодная плазма носит многофакельный характер, что при водит к уменьшению площади эмиттируищей поверхности по сравнению с площадью катода и уменьшению токоотбора электродов, Цель изобретения - увеличение токоотбора электронов. Это достигается тем, что в катоде со взрывной эмиссией, состоящим из металлической подложки и инициатора взрывной эмиссии, между металлическо подложкой и Инициатором взрьюной эми сии установлена вставка из проводящего материала с коэффициентом газовь1делений К 0,01-5 . , а ини циатор взрывной эмиссии вьтолнен в виде металлической или диэлектрической мелкоструктурной сетки с коэффициентом прозрачности от 5 до 90%. В качестве диэлектрической сетки может быть использован ядерный фильтр. Вставка из проводящего материала может быть из графита или из меди. Выбор интервала величины коэффициента газовьщелений вставки из проводящего материала определяется условиями формирования однородной плазмы, которые рассчитывают по уравнению кинеТики накопления ионов и электронов в плазме при ионизации молекул вьщеляющихся .газов и испаряющегося вещества электронами автоэмйссии и определяют экспериментально по пороговым условиям формирования однородной плазмы фоторегистрирующей установки с наносекундным временным разрешением и коллекторами. При Ki.0,01 см г созданная плазма неоднородна по поперечному сечению, а при см. характер катодной плазмы носит характер дугового разряда. К материалам с таким коэффициентом газовьщелений относятся графит, медь отожженная в атмосфере водорода и др. Толщина вставки может составлять 0,1-10 мм. Инициатор взрывной эмиссии устанавливают на вставку из проводящего материала и закрепляют механически.. Прозрачность инициатора определяют также условиями оптимального формирования равномерной катодной плазмы и временем задержки тока относительно напряжения на электронном устройстве. Минимальная величина К , равная 5%, определяем условия формирования однородной плазмы и величину максимальной задержки, а максимальная величина - условия формирования однородной плазмы. На фиг. 1 приведена зависимость времени задержки тока относительно напряжения от коэффициента прозрачности инициатора взрывной эмиссии в виде металлической сетки (кривая 1) и ядерного фильтра (кривая 2). На фиг. 2 - вольтамперная характеристика (ВАХ) диода с предлагаемым катодом, в котором инициатор взрывной эмиссии вьтолнен в виде металлической сетки (кривая 3), и в виде ядерного фильтра (кривая 4). Площадь катода составляет 7 см. В этих образцах металлическая сетка легко заменяется на ядерный фильтр. Для сравнения приведена вольтамперная характеристика диода с катодом, который взят за прототип (кривая 5). Рассмотрение этих кривых показывает, что в диоде с предложенным катодом при равенстве всех геометрических механических параметров токоотбор электронов увеличен примерно в 2-3 раза. .В качестве материала металлической мелкоструктурной сетки могут быть использованй нержавеющая сталь, вольфрам и другие металлы. Используемый э качестве диэлектрической сетки ядерный фильтр изготавливается из майларовой пленки толщиной 1030 мкм при облучении ее ионами аргона высоких энергией с последующим технологическим травлением. Диаметр отверстий в фильтре лежит в интервале 0,1-10 мкм. Прозрачность фильтра 5%. Опытные образцы предлагаемого катода были изготовлены следующим образом. При этом в металлическую подложку из латуни запрессовывался графит толщиной 2-10 мм, выполняющий роль вставки из проводящего материал На него укладывалась металлическая сетка из нержавеющей стали с коэффициентом прозрачности 70% и диаметром проволочек 0,3 мм и механически прижималась к инициатору взрьганой эмиссии, . Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на катод и анод электронного устройства, например диода, на поверхности инициатора взрывной эмиссии образуется катодная плазма, являющаяся эмитте:ром электронов, Процесс образования плазмы состоит из трех стадий, В пер вой стадии происходит разогрев тонко , го слоя вставки из проводящего матер ала, прилегающего к инициатору взрыв ной эмиссии за счет протекания автоэлектронного тока. Например, для вставки из Графита и инициатора взры ной эмиссии в виде металлической мел коструктурной сетки слой толщиной 20 мкм и диаметром 20 мм разогревается за первые 10 нм, как показывают расчеты, до температуры -:, при плотности тока автоэлектронов V 30 А/см, Вторай стадия характери ризуется интенсивными газовыделени ями. Так из графита при нагревании 44 вьщеляются газы Н2, СО, СС, , и др. Из меди, отожженной в атмосфере водорода, вьщеляется водород. Последняя стадия характеризуется ионизацией молекул вьщелякицихся газов и молекул испаряющегося вещества встав ки из проводящего материала и инициатора взрывной эмиссии. Ионизация производится электронами автозмисии. При этом образуется плазма равномерная и однородная по поперечному сечешоо. Ее равномерность и однородность определяются спедукнцими факторами: выравниванием натфяжен ности электрического поля между катодом и анодом в электронном устройстве; равномерным распределением автоэлектронного тока по поперечному сечению катода; однородным разогревом тонкого слоя вставки, прилегающего к инициатору взрывной эмиссии; равномерностью газовьщелений; равномерностью ионизации молекул автоэлектронами. Таким образом сформированная катодная плазма имеет площадь своей эмиттирующей поверхности, равную геометрической площади катода. Это приводит к увеличению ее по сравнению с эмиттирующей плазменной областью, формируемой на катоде, который взят за прототип, в 2-3 раза. А это приводит к увеличению токоотбора электронов в 2-3 раза по сравнению с прототипом. Срок службы такого катода с инициатором взрывной эмиссии в- виде металлической мелкоструктурной сетки составляет vIO срабатываний, а с инициатором в виде ядерного фильтра число срабатываний несколько уменьшается из-за прогорания тонкой майларовой гшенки. Однако применение ядерного фильтра оправдывает себя тем, что упрощает технологическое изготовление диэлектрических сеток - позволяет использовать готовые сетки ядерные фильтры. Предложенный катод позволяет ровать также и широкие электронные пучки за счет устранения эффекта экранировки электрического поля.

Тяй

0

2,0

1,0 ff

fffff2ffff

г.2

1. КАТОД СО ВЗРЫВНОЙ ЭМИССИЕЙ для электронных приборов, состоящий из металлической подложки и инициатора взрывной эмиссии, отличающийся тем, что, с целью увеличения токоотбора электронов, между металлической подложкой и инициатором взрывной эмиссии установлена вставка из проводящего материала с коэффициентом газовыделений К 0,01-5 г , а инициатор взрывной эмиссии вьшолнен в виде металлической или диэлектрической мелкоструктурной сетки с коэфффициентом прозрачности от 5 до 90%. 2. Катод по п, 1, о т л и ч аю щ и и с я тем,что в качестве сетки использован ядерный фильтр. 2. Катод по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что вставка выполнена из графита. 4. Катод по п. 1, отличаю(Л щийся тем, что вставка выполнена из меди. со а 00