Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка
Разработка
Категория
H - электричество
Опубликован
11.04.2024 13:35
Описание
Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронно-лучевых приборах с автоэлектронной эмиссией, а именно: в зондовых приборах, экранах, растровых электронных микроскопах, а также в исследовательских и аналитических установках.
Известна малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка, содержащая автокатод, выполненный из наноструктурированного углеродного мат
eriala, zaklyuchenniy v dielektricheskuyu obolochku, vklyuchayushtuyu pervuyu chasty i vtoruyu chasty, modulyator, raspolozhenniy na otdelynih izoliruyushtih konstruktsiyah, i kontaktniy elektrod [1].
Yato ustroystvo vibrano v kachestve prototipa predlozhennogo resheniya.
Nedostatki etogo ustroystva zaklyuchayutsya v nizkoy nadezhnosti i dolgovechnosti, svyazannih s tem, chto modulyator raspolozhen na otdelynih izoliruyushtih konstruktsiyah. Takaya komponovka snizhaet zhestkosty i uvelichivaet gabariti avtoemissionnoy pushki. Pri etom mozhet proishodity uhod geometricheskih parametrov krepleniya modulyatora, chto so vremenem mozhet vizivaty vihod iz stroya avtoemissionnoy pushki v tselom.
Tselyyu predlagaemogo izobreteniya yavlyaetsya uluchshenie ekspluatatsionnih harakteristik ustroystva.
Tehnicheskiy rezulytat izobreteniya zaklyuchaetsya v povishenii nadezhnosti i dolgovechnosti raboti ustroystva.
Ukazanniy tehnicheskiy rezulytat dostigaetsya tem, chto v malogabaritnoy avtoemissionnoy elektronnoy pushke, soderzhashtey avtokatod, vipolnenniy iz nanostrukturirovannogo uglerodnogo materiala, zaklyuchenniy v dielektricheskuyu obolochku, vklyuchayushtuyu pervuyu chasty i vtoruyu chasty, modulyator i kontaktniy elektrod, modulyator vipolnen v vide pervoy obechayki, kotoraya plotno nasazhena na pervuyu chasty dielektricheskoy obolochki, prichem svobodnaya chasty pervoy obechayki i perviy svobodniy konets avtokatoda vistupayut nad pervim tortsom pervoy chasti dielektricheskoy obolochki, a v kachestve kontaktnogo elektroda ispolyzuyut vtoruyu obechayku, soedinennuyu so vtoroy chastyyu dielektricheskoy obolochki i imeyushtuyu elektricheskiy kontakt s avtokatodom.
V odnom iz variantov perviy svobodniy konets avtokatoda vistupaet nad pervim tortsom dielektricheskoy obolochki na visotu h1, nahodyashtuyusya v diapazone 0,1-2 mm.
V odnom iz variantov svobodnaya chasty pervoy obechayki vistupaet nad pervim svobodnim kontsom avtokatoda na velichinu h2, nahodyashtuyusya v diapazone 0,1-2 mm.
V odnom iz variantov perviy svobodniy konets avtokatoda vistupaet nad svobodnoy chastyyu pervoy obechayki na velichinu h3, nahodyashtuyusya v diapazone 0,1-2 mm.
V odnom iz variantov razmer h4 svobodnoy chasti pervoy obechayki bolyshe razmera h5 ostalynoy chasti pervoy obechayki v 1,2-1,6 raza.
V odnom iz variantov h4 svobodnoy chasti pervoy obechayki sostavlyaet velichinu 0,6-0,9 ot razmera h5 ostalynoy chasti pervoy obechayki.
V odnom iz variantov avtokatod vklyuchaet vtoroy svobodniy konets, kotoriy vistupaet iz vtorogo tortsa dielektricheskoy obolochki na velichinu h6, nahodyashtuyusya v diapazone 0,1-2 mm, pri etom prostranstvo na etu velichinu vnutri vtoroy obechayki zapolneno provodyashtim sostavom.
V odnom iz variantov dielektricheskaya obolochka vipolnena iz stekla ili keramiki.
V odnom iz variantov pervaya i vtoraya obechayki posazheni na dielektricheskuyu obolochku nerazaemnim soedineniem.
V odnom iz variantov obechayki zakrepleni na dielektricheskoy obolochke s pomoshtyyu kleevogo shva, prichem na krayah obechaek, napravlennih drug k drugu, vipolneni dielektricheskie bortiki.
V odnom iz variantov rasstoyanie mezhdu pervim kraem pervoy obechayki i vtorim kraem vtoroy obechayki, napravlennih drug k drugu, sostavlyaet velichinu h7, nahodyashtuyusya v diapazone 5-20 mm.
V odnom iz variantov dielektricheskaya obolochka imeet tsilindricheskuyu formu.
V odnom iz variantov avtokatod vipolnen iz puchka uglerodnih volokon.
V odnom iz variantov perviy svobodniy konets avtokatoda imeet okrugluyu formu.
V odnom iz variantov avtokatod vipolnen v vide folygi iz termorasshirennogo grafita.
V odnom iz variantov pervaya chasty dielektricheskoy obolochki, raspolozhennaya vnutri pervoy obechayki, predstavlyaet soboy usechenniy konus s uglom αl pri vershine, nahodyashtiysya v diapazone 160-10°.
V odnom iz variantov razmer h8 svobodnoy chasti pervoy obechayki sostavlyaet velichinu 0,6-0,9 ot razmera h9 ostalynoy chasti pervoy obechayki, no ugol α2 shozhdeniya obechayki vsegda bolyshe ugla αl pri vershine usechennogo konusa dielektricheskoy obolochki minimum na 10°.
Na fig. 1 izobrazhena malogabaritnaya avtoemissionnaya elektronnaya pushka v razreze.
Na fig. 2 izobrazhen variant vipolneniya avtokatoda.
Na fig. 3 i 4 izobrazheni varianti vipolneniya tortsa dielektricheskoy obolochki i pervoy obechayki.
Malogabaritnaya avtoemissionnaya elektronnaya pushka, soderzhit avtokatod 1 (fig. 1), vipolnenniy iz nanostrukturirovannogo uglerodnogo materiala i zaklyuchenniy v dielektricheskuyu obolochku 2, vklyuchayushtuyu pervuyu chasty 3 i vtoruyu chasty 4. Krome etogo, elektronnaya pushka vklyuchaet modulyator i kontaktniy elektrod 6.
Modulyator vipolnen v vide pervoy obechayki 7, kotoraya plotno nasazhena na pervuyu chasty 3 dielektricheskoy obolochki 2. Plotnosty posadki dolzhna obespechity kakoe-libo otsutstvie peremeshteniya pervoy obechayki 7 otnositelyno dielektricheskoy obolochki 2 pri montazhe v elektronnom pribore, a takzhe pri ego ekspluatatsii. Yato vklyuchaet kak udarnie, tak i termicheskie nagruzki. Pri etom materiali pervoy obechayki 7 i dielektricheskoy obolochki 2 dolzhni imety ocheny blizkie koeffitsienti lineynogo i obaemnogo rasshireniya (podrobno sm. nizhe).
Svobodnaya chasty 8 pervoy obechayki 7 i perviy svobodniy konets 9 avtokatoda 1 vistupayut nad pervim tortsom 10 pervoy chasti 3 dielektricheskoy obolochki 2. V kachestve kontaktnogo elektroda 6 ispolyzuyut vtoruyu obechayku 11, soedinennuyu so vtoroy chastyyu 4 dielektricheskoy obolochki 2 i imeyushtuyu elektricheskiy kontakt s avtokatodom 1. Soedinenie vtoroy obechayki 11 so vtoroy chastyyu 4 dielektricheskoy obolochki 2 dolzhno bity takzhe osushtestvleno po plotnoy posadke, kotoraya dolzhna obespechity kakoe-libo otsutstvie peremeshteniya vtoroy obechayki 11 otnositelyno dielektricheskoy obolochki 2 pri montazhe v elektronnom pribore, a takzhe pri ego ekspluatatsii. Materiali vtoroy obechayki 8 i dielektricheskoy obolochki 2 dolzhni imety ocheny blizkie koeffitsienti lineynogo i obaemnogo rasshireniya (podrobno sm. nizhe).
V dannoy konfiguratsii proishodit umenyshenie zapileniya materialom avtokatoda 1 pervoy chasti 3 (pervogo tortsa 10) dielektricheskoy obolochki 2 i, kak sledstvie, povishenie nadezhnosti i dolgovechnosti elektronnoy pushki.
V pervom variante perviy svobodniy konets 9 avtokatoda 1 vistupaet nad pervim tortsom 10 dielektricheskoy obolochki 2 na visotu h1, nahodyashtuyusya v diapazone 0,1-2 mm. Yata velichina opredelyaet maksimalynuyu velichinu ugla rashozhdeniya elektronnogo puchka i stepeny ekranirovaniya elektronnogo puchka, emitirovannogo so svobodnogo kontsa 9 avtokatoda 1, pervim tortsom 10 dielektricheskoy obolochki 2.
Takoy diapazon visoti h1 daet umenyshenie ekraniruyushtego effekta avtokatoda, tem samim umenyshaetsya rabochee napryazhenie elektronnoy pushki i povishaetsya ee nadezhnosty i dolgovechnosty, a takzhe uvelichivaetsya moshtnosty puchka.
Velichina h1 opredelyaet takzhe vliyanie pervogo tortsa 10 dielektricheskoy obolochki 2 na velichinu elektronnogo puchka v zavisimosti ot diametra avtokatoda 1. Nizhniy razmer (0,1 mm) otnositsya k diametru avtokatoda 1 okolo 50 mkm, a verhniy (2 mm) k velichine diametra avtokatoda 0,5-1 mm. Bolyshie diametri avtokatoda 1 ispolyzovaty netselesoobrazno iz-za vnutrenney ekranirovki emissionnih tsentrov i, sootvetstvenno, umenysheniya avtoemissionnogo toka.
Vo vtorom variante svobodnaya chasty 8 pervoy obechayki 7 vistupaet pervim svobodnim kontsom 9 avtokatoda 1 na velichinu h2, nahodyashtuyusya v diapazone 0,1-2 mm. Chem bolyshe velichina h2, tem bolee uzkiy elektronniy puchok mozhet bity sformirovan, chto daet vozmozhnosty izmenyaty formu puchka i privodit k uluchsheniyu ekspluatatsionnih svoystv elektronnoy pushki.
V tretyem variante dlya polucheniya rashodyashtegosya elektronnogo puchka v konstruktsii elektronnoy pushki perviy svobodniy konets 9 (fig. 2) avtokatoda 1 vistupaet nad svobodnoy chastyyu 8 pervoy obechayki 7 na velichinu h3, nahodyashtuyusya v diapazone 0,1-2 mm. Yato pozvolyaet poluchity bolee shirokiy puchok elektronov i, krome togo, umenyshaet prakticheski do nulya tokoperehvat elektronov na modulyator, chto povishaet ekonomichnosty i dolgovechnosty raboti elektronnoy pushki.
Pri etom razmer h4 svobodnoy chasti 8 pervoy obechayki 7 mozhet bity bolyshe razmera h5 ostalynoy chasti 12 pervoy obechayki 7 v 1,2-1,6 raza.
Danniy variant rasshiryaet ugol razleta elektronov i uvelichivaet shirinu puchka elektronov, a takzhe povishaet nadezhnosty i dolgovechnosty elektronnoy pushki za schet umenysheniya zapileniya materialom avtokatoda 1 pervoy chasti 3 (pervogo tortsa 10) dielektricheskoy obolochki 2.
Razmer h4 mozhet takzhe sostavlyaty velichinu 0,6-0,9 ot razmera h5 ostalynoy chasti 12 pervoy obechayki 7. V etom sluchae mozhno suzity elektronniy puchok.
Nadezhniy elektricheskiy kontakt avtokatoda 1 (fig. 1) s vneshnimi ustroystvami, obespechivaetsya tem, chto avtokatod 1 vklyuchaet vtoroy svobodniy konets 13, kotoriy vistupaet iz vtorogo tortsa 14 dielektricheskoy obolochki 2 na velichinu h6, nahodyashtuyusya v diapazone 0,1-2 mm, pri etom prostranstvo na etu velichinu vnutri vtoroy obechayki 11 zapolneno provodyashtim sostavom 15, v kachestve kotorogo mozhno ispolyzovaty akvadak, t.e. suspenziyu grafitovogo poroshka v vode s dobavleniem zhidkogo stekla. Yalektricheskoe soprotivlenie provodyashtego sostava 15 mozhet varyirovatysya v shirokih predelah: ot doley Om do neskolykih desyatkov MOm. V poslednem sluchae provodyashtiy sostav rabotaet kak rezistor otritsatelynoy obratnoy svyazi, eto sushtestvenno povishaet stabilynosty avtoemissionnogo toka.
Nadezhniy elektricheskiy kontakt avtokatoda 1 s kontaktnim elektrodom 6 povishaet nadezhnosty i dolgovechnosty elektronnoy pushki.
Material dielektricheskoy obolochki 2 dolzhen obladaty horoshimi vakuumnimi svoystvami, t.e. temperaturnoy ustoychivostyyu vploty do 500°S, i malim gazootdeleniem. V zavisimosti ot naznacheniya avtoemissionnoy elektronnoy pushki dielektricheskaya obolochka 2 mozhet bity vipolnena iz libo iz stekla (St 52), libo iz keramiki (22HS).
Steklo naibolee desheviy i tehnologichniy material, v to vremya kak keramika obladaet bolyshim udelynim elektricheskim soprotivleniem i prochnostyyu. Pri vipolnenii dielektricheskoy obolochki iz keramiki povishaetsya nadezhnosty i dolgovechnosty elektronnoy pushki. Kak uzhe otmechalosy, v zavisimosti ot materiala dielektricheskoy obolochki 2 sleduet podbiraty material pervoy obechayki 7 i kontaktnogo elektroda 6 (vtoroy obechayki 11), dlya obespecheniya ravenstva koeffitsientov lineynogo rasshireniya. V kachestve materialov pervoy 7 i vtoroy 11 obechaek mozhno ispolyzovaty kovar, nerzhaveyushtuyu staly, molibden.
Vozmozhen variant, v kotorom soedinenie dielektricheskoy obolochki 2 s pervoy obechaykoy 7 i vtoroy obechaykoy 11 vipolneno nerazaemnim. Yato neobhodimo, chtobi pri visokotemperaturnoy obrabotke (naprimer, pri otkachke pribor progrevaetsya do 400-500°S) obespechivalasy plotnaya nerazaemnaya posadka pervoy 7 i vtoroy 11 obechaek na dielektricheskuyu obolochku 2.
Nerazaemnoe soedinenie oznachaet, chto pri temperaturnih izmeneniyah (naprimer, tehnologicheskih), a takzhe montazhnih i udarnih nagruzkah ne proishodyat smeshteniya pervoy 7 i vtoroy 11 obechaek otnositelyno dielektricheskoy obolochki 2.
Takoe nerazaemnoe soedinenie mozhet bity osushtestvleno raznimi sposobami, naprimer goryachey posadkoy pervoy 7 i vtoroy 11 obechaek na dielektricheskuyu obolochku 2. Drugoy variant nerazaemnogo soedineniya - montazh obechaek 7, 11 na dielektricheskoy obolochke 2 s pomoshtyyu tochechnoy svarki. To, chto soedinenie dielektricheskoy obolochki 2 s pervoy obechaykoy 7 i vtoroy obechaykoy 11 vipolneno nerazaemnim, povishaet nadezhnosty i dolgovechnosty elektronnoy pushki.
Takzhe sushtestvuet bolee prostoy i effektivniy sposob, kogda obechayki 7 i 11 zakrepleni na dielektricheskoy obolochke 2 s pomoshtyyu kleevogo shva 16, prichem na krayah obechaek, napravlennih drug k drugu, vipolneni dielektricheskie bortiki 17.
V dannom sluchae mozhno ispolyzovaty vakuumnie steklotsementi sootvetstvuyushtego sostava, sovmestimogo s koeffitsientom termicheskogo rasshireniya obechaek 7, 11 i dielektricheskoy obolochki 2, naprimer steklotsement STs-317.
Ispolyzovanie kleya pozvolyaet korrektirovaty polozhenie obechaek 7 i 11 na dielektricheskoy obolochke 2, uvelichivaet elektricheskuyu prochnosty konstruktsii i povishaet nadezhnosty i dolgovechnosty elektronnoy pushki.
Bortiki 17 uvelichivayut elektricheskuyu prochnosty promezhutka avtokatod 1 - modulyator (pervaya obechayka 7) po dielektricheskoy obolochke 2 za schet isklyucheniya elektricheskih proboev mezhdu pervim kraem 18 pervoy obechayki 7 i vtorim kraem 19 vtoroy obechayki 11, i, tem samim, pozvolyayut umenyshity dlinu avtoemissionnoy elektronnoy pushki.
Pri priemlemih dlya praktiki napryazheniyah mezhdu avtokatodom 1 i pervoy obechayki 7 (0,1-1,5 kV) rasstoyanie mezhdu pervim kraem 18 pervoy obechayki 7 i vtorim kraem 19 vtoroy obechayki 11, napravlennih drug k drugu, sostavlyaet velichinu h7, nahodyashtuyusya v diapazone 5-20 mm. Yatot variant sleduet soblyudaty i v variante, izobrazhennom na fig. 1.
Naibolee tehnologichnoy i deshevoy formoy dielektricheskoy obolochki 2 yavlyaetsya tsilindr, hotya v nekotorih sluchayah, mogut bity ispolyzovani i drugie formi, naprimer shestigrannik ili kvadrat (ne pokazani). Takie formi tselesoobrazni v sluchae ispolyzovaniya elektronnoy pushki v spetsialynih elektronnih priborov, naprimer mnogoluchevih klistronov.
Na segodnyashniy deny nailuchshim uglerodnim materialom avtokatodov dlya elektronnih pushek yavlyayutsya puchki uglerodnih volokon s radiusom ostriy 10-100 nm.
Yatot material naibolee udoben dlya elektronnih pushek, t.k. obladaet bolyshoy (bolee 10 000 chasov) dolgovechnostyyu v usloviyah visokogo tehnicheskogo vakuuma (10-6 -10-7mm rt. st.), kotoriy mozhet bity dostignut v bolyshinstve otpayannih elektronnih priborov.
Dlya uluchsheniya ravnomernosti avtoemissii s pervogo svobodnogo kontsa 9 (fig. 3, fig. 4) avtokatoda 1 on mozhet imety okrugluyu formu 25. Takaya forma dostigaetsya spetsialynoy obrabotkoy v tleyushtem razryade.
Dlya uvelicheniya avtoemissionnogo toka i vozmozhnosti izmeneniya formi elektronnogo puchka avtokatod 1 mozhet bity vipolnen v vide folygi iz termorasshirennogo grafita, chto privodit k uluchsheniyu ekspluatatsionnih svoystv.
Uvelichenie dolgovechnosti avtoemissionnoy elektronnoy pushki mozhno dostichy, esli pervaya chasty 3 (fig. 3) dielektricheskoy obolochki 2, raspolozhennaya vnutri pervoy obechayki 7, predstavlyaet soboy usechenniy konus 20 s uglom αl pri vershine, nahodyashtiysya v diapazone 160-10°. Yato dostigaetsya za schet bolyshego vremeni zapileniya materialom avtokatoda 1 poverhnosti konusa 20 i, sootvetstvenno, uvelichivaet dolgovechnosty elektronnoy pushki. Takaya konstruktsiya naibolee udobna dlya puchkov elektronov s shirokim uglom raspredeleniya elektronov.
Dlya uzkogo puchka elektronov neobhodimo, chtobi razmer h8 svobodnoy chasti 23 (fig. 4) pervoy obechayki 7 sostavlyal velichinu 0,6-0,9 ot razmera h9 ostalynoy chasti 24 pervoy obechayki 7. Pri etom ugol α2 shozhdeniya obechayki dolzhen bity vsegda bolyshe ugla αl pri vershine usechennogo konusa 20 dielektricheskoy obolochki 2 minimum na 10°. Yata konstruktsiya mozhet ne tolyko sushtestvenno suzity elektronniy puchok, no i povisity nadezhnosty i dolgovechnosty elektronnoy pushki za schet umenysheniya zapileniya materialom avtokatoda 1 poverhnosti konusa 20 dielektricheskoy obolochki 2. Podrobnee printsipi avtoelektronnoy emissii, v tom chisle uglerodnih materialov, izlozheni v [2-4].
Ustroystvo rabotaet sleduyushtim obrazom. Na modulyator, vipolnenniy v vide pervoy obechayki 7, podayut polozhitelyniy potentsial otnositelyno avtokatoda 1 velichinoy poryadka 100-2000 V. Prilozhennoe napryazhenie ponizhaet potentsialyniy baryer u svobodnogo kontsa 9 avtokatoda 1, chto privodit k tunnelirovaniyu elektronov cherez konets 9. Ugol razleta emittirovannih elektronov zavisit ot sootnosheniya mezhdu velichinami h1, h2, h3. Vibiraya ih sootvetstvuyushtim obrazom, mozhno poluchity kak rashodyashtiysya, tak i ostrosfokusirovanniy elektronniy puchok. Pri velichine h3 bolyshe 0,1 mm budet rashodyashtiysya elektronniy puchok i chem h3bolyshe, tem ugol rashozhdeniya tozhe bolyshe. Pri h2>h1 proishodit suzhenie elektronnogo puchka. Chem bolyshe sootnoshenie h2/h1, tem etot effekt bolyshe.
Mehanizm dolgovechnosti katoda 1 privedennoy elektronnoy pushki sleduyushtiy. Ioni ostatochnih gazov, obrazuyushtiesya v mezhelektrodnom prostranstve rabotayushtey elektronnoy pushki, bombardiruyut konchiki mikroostriy nanostrukturirovannogo uglerodnogo materiala katoda 1. Pod deystviem ionnoy bombardirovki oni, zatuplyayasy i umenyshayasy po visote, umenyshayut svoy vklad v avtoemissionniy tok. Odnako pri etom "vidvigayutsya" drugie mikroostriya, kotorie vstupayut v rabotu iz-za uvelicheniya napryazhennosti elektricheskogo polya na nih. V rezulytate sredniy avtoemissionniy tok avtokatoda 1 ostaetsya postoyannim.
Медиафайлы
Патенты
МАЛОГАБАРИТНАЯ АВТОЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА
RU2598857
