холодный эмиттер для вакуумных приборов

Формула изобретения

Холодный эмиттер для вакуумных приборов, имеющий пористую поверхность, отличающийся тем, что он выполнен из пористого материала с максимальной пористостью и размером пор в плоскости эмиттера и их глубиной в пределах 20

80 мкм, при этом боковые стенки пор перпендикулярны поверхности эми

Описание изобретения к патенту

Иобретение относится к электронной технике, к вакуумной и газовой электронике, а также к другим областям науки и техники, где используется облучение электронами.

Известно, что к существующим холодным источникам электронов для вакуумных приборов относятся катоды со взрывной эмиссией (С.Р.Бугаев, Ю.Е. Крейндель, П. М. Шанин. Электронные пучки большого сечения, Энергоиздат, 1984); плоские автокатоды с плотностью эмиттеров 10⁶-10⁷ на мм² в виде тонких монокристаллов (T. A. Poskekhonova, A.A.Nosov. V.M.Gennadyev, N.P. Ovsyannikov, D. I.Nosov, High current field emission whisker cafhode, Proc. of VIIth Intern. Symp, on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, USSR, Novosibirsk, 1970, p. 200); десорбционные катоды (С.А.Высоцкий, Ю.Ф. Павлычев, В.И.Першин. Исследование влияния высоты диэлектрических элементов десорбционных катодов на их эмиссионные характеристики. Препринт ИТЭФ-90/17).

Однако эти типы источников электронов работают в импульсном режиме с ограниченной длительностью и в некоторых случаях с ограниченным числом включений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению относится холодный эмиттер электронов, выполненный в виде напыленного на подложку металлического слоя, насыщенного газом. Толщина слоя превышает 1 мкм, а пористость составляет 90% Источником электронов в этом эмиттере является пороэлектронная эмиссия, возникающая при зажигании газового разряда в порах поверхности. Газовая среда создается при десорбции газа с поверхности пор (Н.В.Татаринова, П.Н.Чистяков, Н.А.Осипов. Пороэлектронная эмиссия заявка на открытие, N. V. Tatarinova, Poro-electron emission from metal-dielectric contact, Proc. of 14th Intern. Symp of Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, USA, Santa-Fe, 1990, p. 381); Н.В. Татаринова. Механизм нарушения электроизоляции при зажигании газового разряда в микропорах поверхности электронов. М. Препринт / МИФИ, 076-88, 1988, с. 24). Вольт-амперная характеристика пороэлектронной эмиссии состоит из двух частей: начальной, которая слабо зависит от внешнего поля, и второй близкой к экспоненте. Вольт-амперная характеристика пороэлектронной эмиссии состоит из двух частей: начальной, которая слабо зависит от внешнего поля, и второй близкой к экспоненте. Вид вольт-амперной характеристики зависит от конструкции микропор и давления газа в порах. Эмиттер, описанный в прототипе, использует начальный участок характеристики, на котором отбор тока плотностью более 10 мкА/см² приводит к быстрому падению тока во времени. При переходе к экспоненциальному участку для напыленной пленки, размер пор которой составляет несколько мкм, появляются большие колебания токов и этот эмиттер нельзя использовать при плотностях тока более нескольких мкA/см². Для различных целей облучения электронами требуются плотности токов большей величины. Этот технический результат, т.е. повышение плотности тока, можно достичь следующим путем.

Предлагается выполнить холодный эмиттер электронов из пористого материала с максимально возможной пористостью и размером пор в плоскости эмиттера и их глубиной в пределах 20^oC80 мкм, при этом боковые стенки пор перпендикулярны к поверхности эмиттера.

Указанный диапазон размера пор был выбран экспериментально с учетом оптимальных условий для пороэлектронной эмиссии, а именно с учетом давления газа в порах при десорбции его со стенок пор и усиления электрического поля на краях поры при его провисании в пору. Зависимость тока пороэлектронной эмиссии от давления газа в порах имеет максимум.

Нижний размер пор был выбран из условий увеличения давления газа, а следовательно, уменьшения тока пороэлектронной эмиссии относительно максимума зависимости тока от давления газа. Верхний предел размера пор был выбран из условий уменьшения давления газа в поре относительно этого максимума.

На фиг. 1 представлен холодный эмиттер электронов. Он состоит из основания 1, изготовленного из порошкового материала, и поверхностного слоя 2 со специально изготовленными порами. Диаметр и глубина пор (а=б) выдерживается в пределах 20^oC80 мкм, причем частота повторения этих пор должна быть по возможности наибольшей. Испытуемые образцы эмиттера изготавливались из порошкового материала методом прессования. Площадь эмиттеров S=4,0 см². Один из образцов имел размер микропор 30 мкм, другой 50 мкм. При испытаниях эмиттер помещался в вакуумную высоковольтную камеру, устанавливался напротив анода на расстоянии d=2 мм и откачивался до давления 10^-3 Па. Размер анода был несколько большим, чем размер эмиттера. В первый день после установления эмиттера и откачки от атмосферного давления высокое напряжение поднималось постепенно, в течение нескольких часов, чтобы предотвратить микропробои за счет наличия пыли на электродах.

На фиг. 2 показаны вольт-амперные характеристики эмиттеров с размерами пор 30 мкм (1) и 50 мкм (2), а также для размеров пор вне предлагаемого диапазона 10 мкм (3) и 100 мкм (4). Как видно из графиков, при одной и той же напряженности внешнего поля E10⁵ В/см величины токов эмиттеров (3) и (4) значительно меньше.

На фиг. 3 представлены результаты длительных испытаний эмиттеров с размерами пор 30 мкм (а) и 50 мкм (б). Режим испытаний соответствует условиям в точке А на графиках фиг. 2. Испытания проводились при плотности тока 100 мкА/см² длине вакуумного промежутка d=2 мм и напряженности поля E10⁵ В/см. Испытания были продолжены после впуска атмосферы воздуха в экспериментальный прибор на 1 час. Кратковременный впуск атмосферы (без внешнего напряжения) практически не повлиял на эмиссионную способность эмиттера.

Испытания в импульсном режиме показали повышение плотности тока на много порядков по сравнению со статическим режимом. Так, при испытаниях эмиттера в наносекундом диапазоне длительности импульса плотность тока возросла на 5^oC6 порядков при увеличении напряженности внешнего поля.

Таким образом, предлагаемый холодный эмиттер позволяет повысить плотность токов с 1 мкА/см² до 100 мкА/см² (на два порядка) и может быть использован в статическом режиме в установках для улучшения экологии очистки потоков воздуха из производственных цехов от пыли и вредных газов, а также для накачки лазеров большой площади в импульсном режиме и т.д.

К преимуществам предлагаемого эмиттера следует отнести значительное повышение плотности токов, стойкость к впуску атмосферы воздуха при сохранении преимуществ прототипа: равномерное распределение электронного пучка, простота изготовления эмиттера при больших площадях и низкие требования к вакууму.