MXPA00008413A - Catodo de emision por efecto de campo fabricado de material de espuma de carbon poroso - Google Patents

Abstract

Se proporciona un cátodo de emisión por efecto de campo que comprende un miembro emisivo formado de un material de carbón de espuma poroso. El miembro emisivo tiene una superficie emisiva que define una multiplicidad de bordes emisivos.

Description

CÁTODO DE EMISIÓN POR EFECTO DE CAMPO FABRICADO DE MATERIAL DE ESPUMA DE CARBÓN POROSO CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere en general a cátodos de emisión por efecto de campo ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los dispositivos de emisión de electrones son componentes claves de muchos productos tecnológicamente modernos. Por ejemplo, los "haces" concentrados de electrones producidos por tales dispositivos se utilizan en equipos de rayos X, medidores de alto vacio, televisiones, pantallas tipo estadio de gran área, y dispositivos analíticos de haz de electrones tales como los microscopios de electrones para exploración. Los dispositivos de emisión de electrones estándar operan mediante la extracción de electrones a partir de un cátodo formado de un material que libera fácilmente electrones cuando se estimula de una manera conocida. Típicamente, los electrones se extraen del cátodo mediante la aplicación de ya sea un estímulo térmico o de un campo eléctrico al cátodo. Los dispositivos que operan a través de la aplicación de un campo eléctrico son los mencionados para operar mediante la emisión por efecto de campo. Los cátodos utilizados en los dispositivos de emisión por efecto de campo se conocen, de acuerdo con lo anterior, como cátodos de emisión por efecto de campo, y se consideran cátodos "fríos" ya que no requieren el uso de una fuente de calor para operar. Las emisiones por efecto de campo ofrecen varias ventajas sobre los estímulos termiónicos en muchas aplicaciones de emisión de electrones. Un dispositivo de emisión por efecto de campo (que crea un campo eléctrico) requerirá típicamente menos energía que un dispositivo termiónico (que crea una fuente de calor) para producir la misma corriente de emisión respectivamente. Las fuentes de emisión por efecto de campo se encuentran típicamente en el orden de 1000 veces más brillantes que las fuentes termiónicas comparables. La brillantez agregada puede ser altamente ventajosa en las aplicaciones de luminosidad, tales como las pantallas de estadio, o en aplicaciones que requieren el uso de haces de electrones que operan a concentración intensa, tal como los microscopios. Además las fuentes de calor utilizadas en los dispositivos de emisión de electrones termiónicos, los daña eventualmente conduciendo al "fundido" relativamente rápido. En las aplicaciones que requieren el uso de muchos dispositivos de emisión de electrones, tales como las pantallas de televisión de uso colectivo en grandes áreas, el uso de los dispositivos de emisión termiónica es muy costoso debido a la necesidad de reemplazar frecuentemente los dispositivos que sufren de fundido rápido. Adicionalmente, los dispositivos de emisión de electrones termiónicos no son factibles para algunas aplicaciones. Los dispositivos termiónicos dependen de la temperatura y por tanto no pueden utilizarse en aplicaciones que operan en temperaturas extremas o en donde las condiciones de la temperatura ambiente varían substancialmente a través del tiempo. Por ejemplo los dispositivos termiónicos no funcionarán apropiadamente en motores o máquinas donde las condiciones de temperatura pueden oscilar de 70° Fahrenheit a -60° Fahrenheit en pocos minutos. En contraste, los dispositivos de emisión por efecto de campo que operan relativamente en forma independiente de las condiciones de temperatura, pueden utilizarse en tales aplicaciones. Los dispositivos termiónicos también son inapropiados para utilizarse en donde el calor utilizado para extraer el haz de electrones puede dañar el ambiente dentro del cual ocurre la emisión de electrones. Por ejemplo, en las aplicaciones de rayos X concentradas cerca del cuerpo humano, es indeseable la emisión termiónica de electrones, ya que la fuente de calor aplicada puede causar dolor o daño a la persona. Los dispositivos de emisión por efecto de campo evitan estos problemas, ya que aplican y generan relativamente poco calor.

Entre los diversos materiales conocidos que son adecuados para la construcción de cátodos de emisión por efecto de campo, los materiales a base de carbón, han probado ser capaces de producir corrientes de emisión significativas a través de una larga duración en ambientes relativamente de bajo vacío (10~7 Torr o menos) . Los materiales a base de carbón son particularmente deseables para el uso en la emisión por efecto de campo debido a que los productos de interacción química entre el carbón y los gases residuales más comunes (tales como oxígeno e hidrógeno) son gases no condensables (tales como el monóxido de carbón, el dióxido de carbón y el metano) los cuales no contaminarán la superficie del cátodo de emisión por efecto de campo. Se han desarrollado cátodos que utilizan películas de diamante, carbón en masa y grafito, pero han requerido la aplicación de voltajes substanciales hacia el cátodo antes de generar suficiente emisión de electrones. Otros cátodos que tienen estructuras de superficie definida regulares creadas a partir de materiales de carbón, incluyen cátodos construidos de fibras de carbón individuales empaquetadas juntas, cátodos fabricados a partir de barras de carbón, y mezclas de cátodos con superficies de carbón formadas mediante procedimientos de ataque químico de fotolitografía y termoquímicos . Aunque estos cátodos pueden producir alta densidad de corriente en la aplicación de bajos voltajes, son costosos de producir ya que requieren procedimientos de fabricación sofisticados y/o ensamblaje manual en su producción, Es un objeto de la invención actual, proporcionar un cátodo de emisión por efecto de campo eficiente y durable que pueda fabricarse de manera simple y económica. Otro objetivo de la invención actual es proporcionar un cátodo de emisión por efecto de campo que comprende un miembro emisivo formado de un material de espuma de carbón poroso que tiene una superficie emisiva que define una multiplicidad de bordes emisivos. " Otros objetivos y ventajas de la invención actual serán aparentes cuando el cátodo de emisión por efecto de campo de la presente invención se considere en conjunto con los dibujos acompañantes, la especificación y las reivindicaciones. SUMARIO DE LA INVENCIÓN Se proporciona un cátodo de emisión por efecto de campo que comprende un miembro emisivo formado de un material de espuma de carbón poroso. El miembro emisivo tiene una superficie emisiva que define una multiplicidad de bordes emisivo . BREVE DESCRIPCÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 muestra una microfotografía de un microscopio de electrones para exploración de un miembro emisivo de la presente invención formado de Carbón Vitreo Reticulado (Reticulated Vitreous Carbón™) y que tiene un corte del borde vertical. La figura 2 muestra una modalidad de un dispositivo de emisión por efecto de campo que utiliza el cátodo de la invención La figura 3 es una vista en perspectiva del cátodo de la invención que tiene un corte de la superficie emisiva para formar ranuras rectangulares paralelas. La figura 4 es una vista lateral transversal del cátodo de la invención dentro del cual se incorpora un tornillo que sirve como un contacto eléctrico. La figura 5 es una gráfica de las características típicas de corriente de emisión/voltaje aplicado de los cátodos de RVC probados a voltajes de CD de bajo a medio. La figura 6 es una vista lateral transversal del cátodo de la invención colocado dentro de una cápsula de níquel . DESCRIPCIÓN DE LA MODALIDAD PREFERIDA La figura 1 ilustra un material de espuma de carbón poroso 10 utilizado para formar el miembro emisivo del cátodo de emisión por efecto de campo de esta invención. El miembro microfotografiado se forma de Carbón Vitreo Reticulado (Reticulated Vitreous Carbón™) ("RVC") . El RVC forma carbón vitreo (cristalino) en una estructura reticulada de celda abierta que tiene una estructura de poro irregular con buena distribución de poro uniforme estadísticamente. Las características típicas de los materiales de espuma de carbón poroso actualmente disponibles se listan en la Tabla I . Tabla I : Características de los Materiales de Espuma de Carbón Poroso Actualmente Disponibles Características Físicas Rango Típico de Valores 1 Importantes Grado de Porosidad De 10 a 100 poros por pulgada 1 (ppi) con una compresión 1 adicional potencial por un J factor de 10 j Elevada Área de Superficie Hasta 66 cm c " por 100 ppi Volumen de alto vacío 90-97% para diferentes grados 1 de porosidad | Fuerza Compresiva 40-170 psi (mayor para J materiales comprimidos) 1 Fuerza Tensil 25-150 psi (mayor para I materiales comprimidos 1 Dureza 6-7 Mohs Resistividad específica 0.18- 0.27 Ohm-pulgadas (0.47- 0.69 Ohm-cm) El miembro emisivo del cátodo de la invención se prepara al formar el material de espuma de carbón poroso en una superficie emisiva que define una multiplicidad de bordes emisivos. Los bordes emisivos constituyen los bordes matados 12 de las estructuras de poro individual 13 en la superficie del material de carbón. Estos bordes 12 pueden producirse en el miembro emisivo de acuerdo a varios métodos, incluyendo pero no limitándose a aserrado y taladrado convencional del material de espuma de carbón o técnicas de fresado de precisión. Se prefiere el procesamiento maquinado del material de espuma de carbón, ya que este forma bordes duros y agudos bien definidos dentro de la estructura del miembro emisivo tridimensional. El material de espuma de carbón puede maquinarse en la forma deseada de cátodo concurrentemente con la formación de la superficie emisiva. La figura 1 muestra el corte de material de RVC para formar una estructura de superficie tridimiensional con un borde vertical 14. En operación, los electrones se extraen de los bordes emisivos 12 del material de espuma de carbón en la aplicación de un campo eléctrico hacia el cátodo. Ya que el material de espuma de carbón es poroso, y no tiene una superficie continua, cada borde 12 se separa de cada otro borde 12, y el campo eléctrico aplicado al material de espuma de carbón se mejorará alrededor de cada borde 12, causando la emisión de electrones desde el material de carbón en el borde 12. Al tomar ventaja de la distribución de poro irregular del material de espuma de carbón poroso, la invención evita el trabajo y el gasto requerido para fabricar puntos de emisión definidos sobre la superficie del cátodo, mientras crea un cátodo de emisión por efecto de campo a base de carbón que opera bien a bajos voltajes y en ambientes de bajo vacío (10~7 Torr o menos) . Los cátodos de RVC se han probado exitosamente en ambientes al vacío tan bajos como 10"s Torr. El cátodo de la invención proporciona estabilidad a largo plazo en la emisión debido a su uso de gran número de bordes de poro irregularmente distribuidos sobre la superficie emisiva del cátodo. Los cátodos que emplean puntas de emisión definidas cuidadosamente formadas en patrones regulares, típicamente no utilizan números extremadamente grandes de puntas de emisión y pueden devastarse por la destrucción de unos cuantos sitios de emisión clave. En contraste, ya que el cátodo de la invención forma un basto número de bordes emisivos, la pérdida de unos cuantos bordes emisivos tendrá un impacto insignificante en la corriente de emisión producida. Además en el cátodo de la invención la destrucción de un borde emisivo frecuentemente creará un nuevo borde de poro el cual operará en lugar del borde destruido. La densidad de corriente disponible a partir del cátodo puede controlarse al cambiar el número de los bordes emisivos. Esto puede lograrse al variar la porosidad del material de espuma de carbón: materiales con mayor grado de porosidad presentarán más poros 13 por pulgada ("ppi") y correspondientemente más bordes 12 sobre la misma área de superficie. De acuerdo con lo anterior, la porosidad del material de espuma de carbón utilizado debe elegirse de - acuerdo al nivel de densidad de corriente de emisión deseado para la aplicación en la cual se usa el dispositivo de emisión por efecto de campo que emplea el cátodo inventivo. Los límites inferiores en la porosidad del material se dictan esencialmente por la disminución en el número de sitios de emisión a medida que se incrementa el tamaño del poro del material. Las porosidades adecuadas para los materiales de RVC de la invención son iguales o mayores a 50 ppi. Los límites superiores en la porosidad del material se rigen por un efecto de sobrecarga de corriente: si los bordes emisivos de la superficie emisiva se encuentran demasiado cerca uno del otro, los electrones no se liberarán de cada borde emisivo, sino más bien se agruparán en unos cuantos sitios de emisión, disminuyendo el número de bordes emisivos efectivos y disminuyendo el nivel de la densidad de la corriente de emisión. Las muestras de RVC que tienen una porosidad natural de 100 ppi y que experimentan una compresión de 2x, 3x, 5x y lOx, han producido resultados exitosos en las aplicaciones de emisión por efecto de campo en las pruebas. La forma del miembro emisivo del cátodo también puede elegirse para cumplir los requerimientos de la aplicación deseada en la cual se utiliza. Las formas que tienen una gran área emisiva plana a partir de la cual puede extraerse una corriente de emisión substancial, serán adecuadas para muchas aplicaciones, tales como iluminación de pantallas. Las formas apropiadas para el cátodo de la invención incluye, pero no se limita a discos, cubos, cilindros, barras y paralelepípedos. El RVC es el material de espuma de carbón poroso preferido debido a las características que este posee, las cuales son deseables en la emisión por efecto de campo. El RVC tiene un volumen de alto vacío (hasta 97%) y una gran área de superficie (hasta 66 cm2/cm3 por 100 ppi) lo cual crea un gran número de bordes emisivos en su superficie emisiva. Además, el RVC presenta una micromorfología altamente uniforme. Como un material cristalino, el RVC tiene mayor uniformidad interna de sus estructuras de poro que los grafitos naturales. De acuerdo con lo anterior, la corriente de emisión extraída desde una superficie de emisión de RVC tiene una distribución más uniforme que la de un material de grafito natural. El RVC también se caracteriza por la excepcional inertidad química y resistencia a la oxidación. Estas propiedades reducen el peligro de reacciones químicas entre los iones o moléculas de los gases residuales con la superficie del cátodo, lo cual puede ser un factor crítico cuando se utiliza el cátodo de emisión por efecto de campo en ambientes de modesto vacío. La dureza del RVC, la estructura de volumen rígido y la alta resistencia a la compresión proporcionan durabilidad y permiten al material maquinarse fácilmente a las formas deseadas. Su alta fuerza tensil resiste las fuerzas ponderomotrices creadas por fuertes campos eléctricos que actúan para aplicar acción de tracción hacia la estructura del cátodo y crean tensión en el material. Además el RVC tiene una resistividad bastante elevada para un material de carbón (0.18-0.27 Ohm-pulgada para el RVC según se compara a 0.001-0.002 Ohm-pulgada para el carbón vitreo sólido) , lo cual limita las corrientes localizadas y reduce así la probabilidad de que se formen esas corrientes de arco de la superficie. Esto incrementa la duración del cátodo. El RVC típicamente se forma por pirólisis de elevada temperatura bajo una atmósfera controlada a partir de una resina polimérica natural. El RVC actualmente se encuentra comercialmente disponible de Energy Research and Generation, Inc. ("ERG") de Oa land, California. La Destech Corporation de Tucson, Arizona también vende una espuma de carbón cristalina de celda abierta. Sin embargo debe entenderse, que el material de espuma de carbón poroso utilizado para formar el cátodo de la invención, no necesita ser RVC o fabricarse de acuerdo a cualquier método específico. La invención se dirige a utilizar la morfología de la superficie de un material de carbón poroso para formar un gran número de bordes que actúan como sitios de emisión individuales. El material debe tener una porosidad suficientemente baja de tal manera que no ocurra la sobrecarga de corriente, pero una porosidad suficientemente elevada de manera que se produzca confiablemente por el cátodo una corriente de emisión significativa. La inertidad y la resistencia a la oxidación del material debe ser adecuada para evitar peligros de reacción química. El material debe ser durable y debe tener suficiente fuerza tensil para resistir las fuerzas ponderomotrices creadas dentro de la estructura del cátodo. Su resistividad debe ser lo suficientemente elevada para que no se formen significativas corrientes de arco de superficie durante la operación del dispositivo de emisión por efecto de campo en el cual se utiliza el cátodo. El cátodo de la invención puede utilizar cualquier material de espuma de carbón poroso producido de acuerdo a cualquier método que tenga las características anteriormente descritas. El cátodo de la invención puede utilizarse en cualquier aplicación del dispositivo de emisión por efecto de campo. La figura 2 representa un ejemplo de un dispositivo simple de emisión por efecto de campo 20, en el cual puede utilizarse el cátodo de la invención. El cátodo 22 de la invención, que tiene la superficie emisiva 24 y el ánodo 26, se encierran dentro de una envoltura al vacío 28 que opera a un alto vacío de manera suficiente que evita las reacciones químicas indeseables con los gases residuales en la estimulación de la emisión de electrones. Se coloca un puerto 30, entre el cátodo 22 y el ánodo 26, de manera que la superficie emisiva 24 del cátodo 22 se encuentra separada del puerto 30 por una distancia Ll, y el puerto 30 se separa del ánodo 26 por una distancia L2. El cátodo 22 se establece preferentemente dentro de un miembro de aislamiento 32 de tal manera que el miembro de aislamiento 32 no obstruya las trayectorias entre la superficie emisiva 24 y el puerto 30. El miembro de aislamiento 32 actúa para aislar eléctricamente el puerto 30 del cátodo 22 aunque el puerto de unión 30 y el cátodo 22 se encuentran dentro de una estructura, asegurando el mantenimiento de la apropiada distancia Ll . Se coloca el contacto de cátodo 34, el contacto de ánodo 36, y el contacto del puerto 38 en contacto con el cátodo 22, el ánodo 26 y el puerto 30 respectivamente y se extienden a través de la envoltura al vacío 28 de tal manera que los diferenciales de voltaje puedan aplicarse entre el cátodo 22, el ánodo 26 y el puerto 30 al conectar un medio para crear un diferencial de voltaje (no mostrado) a través de los contactos. En operación, el primer diferencial de voltaje se aplica entre el cátodo 22 y el ánodo 26 creando un campo eléctrico entre el cátodo 22 y el ánodo 26, que tiende a atraer electrones desde la superficie del cátodo 22 y hacia el ánodo 26 a través del ambiente al vacío 40, pero produce una corriente de emisión insignificante cuando se aplica de - manera independiente. Cuando se desea la emisión, se aplica un segundo diferencial de voltaje de' la misma polaridad que el primer diferencial de voltaje entre el cátodo 22 y el puerto 30, mejorando el campo eléctrico lo suficiente para producir la corriente de emisión deseada. Es deseable el uso del puerto 30 de esta manera, ya que el nivel de la corriente de emisión producida por el dispositivo de emisión por efecto de campo 20 puede controlarse al modificar el segundo diferencial de voltaje en pequeños incrementos. Ambos diferenciales de voltaje pueden crearse al poner a tierra el cátodo 22 y aplicar los voltajes positivos al puerto 30 y al ánodo 26, pero debe entenderse que pueden emplearse otros medios de crear ambos diferenciales de voltaje. Las distancias Ll y L2 y el primer y segundo diferencíales de voltaje, deben seleccionarse para cumplir los requerimientos de la aplicación específica a la cual está orientado el dispositivo de emisión por efecto de campo 20 mientras produzca los efectos de emisión arriba descritos. El dispositivo simple de emisión por efecto de campo 20 descrito arriba, se configura adecuadamente para actuar como una fuente de luz cátodo-luminiscente y puede construirse de los materiales típicamente utilizados en los dispositivos tipo tubos de rayos catódicos. Por ejemplo, la envoltura al vacío 28 puede ser una envoltura de vidrio, mientras el puerto 30 puede ser una malla suspendida de una estructura soportada por los aisladores cerámicos 32. Los materiales adecuados para construir el puerto 30 incluyen, pero no se limitan a metales refractarios de baja presión de vapor tales como platino, oro, molibdeno, níquel o nicromio y no metales conductivos tales como malla de carbón. Debe entenderse que el cátodo de la invención puede utilizarse en una amplia variedad de aplicaciones de emisión por efecto de campo y su uso no se limita al dispositivo de emisión por efecto de campo 20. Las aplicaciones potenciales en las cuales puede utilizarse el cátodo de la invención incluyen, pero no se limitan a, pantallas tipo estadio de gran área, fuentes de rayos X (las cuales pueden utilizarse potencialmente in vitro) medidores de alto vacío, pantallas de panel plano, indicadores digitales o gráficos, proyectores de fondo para pantallas de LCD, aparatos UHV tales como clistrodos o magnetrones, herramientas analíticas tales como microscopios de electrones para exploración, y herramientas de microfabricación tales como evaporadores o calentadores de haces de electrones . Resultados Experimentales Se han probado varias configuraciones de emisores por efecto de campo de carbón vitreo reticulado. Los cátodos de RVC probados se prepararon de material de RVC en masa y se formaron al cortar manualmente el material de RVC con un cuchillo u hoja de afeitar o por maquinado. Se probaron varias formas de cátodo de RVC simples incluyendo cilindros que tienen un diámetro de aproximadamente 3 milímetros, pirámides y cubos y bloques rectangulares que tienen lados que varían en longitud desde entre 3 a 5 milímetros. Se formó una fuente de emisión para cada cátodo de RVC durante el corte o maquinado de cada cátodo de RVC. Para algunos de los cátodos de RVC probados, la superficie de emisión se elaboró plana. Refiriéndose a la figura 3, los otros cátodos de RVC probados se cortaron o maquinaron para producir una superficie de emisión tridimensional 100, formada al cortar ranuras rectangulares paralelas 102 en la superficie de emisión. Durante la prueba, los cátodos de RVC que tienen una superficie de emisión tridimensional tal como la mostrada en la figura 3, se produjeron generalmente grandes corrientes de emisión cuando se aplicó el mismo voltaje que a los cátodos que tienen una superficie de emisión plana. Cada cátodo de RVC probado se proveyó con un contacto en la forma de un tornillo o un alambre flexible liso, formado de acero inoxidable o molibdeno. Refiriéndose a la figura 4, el tornillo 104 o alambre flexible se sumergió por un extremo en una preparación de grafito coloidal e isopropanol, tal como" Electrodag™ o Aquadag™, ambas fabricadas por la Acheson Colloids Company de Port Hurón, Michigan. El extremo sumergido del tornillo o alambre se atornilló o se introdujo entonces en el lado 106 del cátodo de RVC 108 opuesto a la superficie de emisión 100 de cátodo, hasta que el tornillo o alambre se introdujo en el cátodo hasta una profundidad d, o de dos a cuatro milímetros. La preparación del grafito coloidal, que sirve como un adhesivo, se dejó secar al aire sin calentamiento por tres o cuatro horas en algunos de los cátodos de RVC probados. Otros cátodos de RVC probados se calentaron a temperaturas entre 150 y 200 grados Centígrados hasta media hora para secar la preparación de grafito coloidal . Ya sea calentada o secada al aire, la preparación de grafito coloidal, que es tanto eléctricamente como térmicamente conductiva, proporcionó suficiente conexión mecánica y eléctrica entre el contacto y el cátodo de RVC para los propósitos de la prueba. Después de la prueba, se determinó que el uso de un tornillo o un alambre estriado o un filamento, se prefiere como un contacto sobre el uso de un alambre liso, ya que el roscado de un tornillo o el estriado del alambre o el filamento refuerza la conexión entre el contacto y el cátodo de RVC. Pruebas de Voltaje de Bajo a Medio Se condujeron pruebas para verificar el desempeño de los cátodos de RVC a voltajes de bajo a medio que varían de 500 a 6,000 voltios. Los cátodos de RVC probados se formaron de materiales de RVC en masa y tuvieron porosidades de 50 , 60, 80 y 100 ppi, o se formaron de material de RVC de - - 100 ppi el cual se comprimió después por un factor de dos a diez veces. Cada cátodo de RVC se colocó en una cámara al vacío de acero inoxidable. No se utilizó material aislante para encapsular el cátodo de RVC, para evitar el riesgo de fugas eléctricas de superficie desde el cátodo hacia un material- aislante. Cada cámara al vacío de acero inoxidable se equipó con una bomba de iones o bomba turbo capaz de reducir la presión dentro de la cámara al vacío hasta 10"9 Torr. Los cátodos de RVC se probaron tanto en configuraciones de diodo como de triodo. En las configuraciones de diodo, se colocó un ánodo dentro de la cámara al vacío a una distancia de dos a cinco milímetros del cátodo. Se probaron tres tipos de pantalla fluorescente como ánodos. El primer tipo de pantalla fluorescente se formó al depositar fósforos de emisión por efecto de campo P-22 sobre un disco de metal. El segundo tipo de pantalla fluorescente se formó al depositar fósforos de emisión por efecto de campo P-22 sobre un disco de vidrio cubierto con óxido de estaño de indio ("ITO") . El tercer tipo de pantalla fluorescente se formó al depositar fósforos de emisión por efecto de campo P-22 sobre un disco de vidrio y aluminizar subsecuentemente el lado posterior del disco de vidrio sobre el fósforo depositado. Los fósforos de emisión por efecto de campo P-22 se encuentran disponibles de Osram Sylvania de Towanda, Pennsylvania . En las configuraciones de triodo, el ánodo se colocó dentro de la cámara de vacío a una distancia de dos a cinco centímetros del cátodo y se colocó una rejilla moduladora de acero inoxidable entre el cátodo de RVC y el ánodo. La rejilla moduladora sirvió al mismo propósito que el puerto 30 tratada con respecto al dispositivo de emisión por efecto de campo 20 de la figura 2. Mientras disminuye la distancia entre la rejilla moduladora y el cátodo de RVC, se disminuye el nivel de voltaje que debe aplicarse al puerto para estimular la emisión proveniente del cátodo de RVC, al colocar la rejilla demasiado cerca del cátodo puede hacer corto circuito el cátodo debido a la flexibilidad de la rejilla moduladora. Las pruebas indicadas que separan la rejilla moduladora de acero inoxidable a una distancia de un décimo de milímetro hasta un milímetro del cátodo de RVC funcionan bien. Durante las pruebas tanto de la configuración de diodo como la de triodo, la cámara al vacío se bombeó hasta una presión de entre 10"s a 10~9 Torr. Se utilizaron los dos esquemas de voltaje. En el primer esquema, los cátodos de RVC se mantuvieron a un potencial puesto a tierra, mientras se aplicó un alto voltaje positivo al ánodo, en la configuración de diodo, o a la rejilla moduladora en la configuración de triodo. En el segundo esquema, se aplicó un alto voltaje negativo a los cátodos de RVC mientras el ánodo se mantuvo en el potencial puesto a tierra, en la configuración de diodo, o en la rejilla moduladora que se mantuvo en el potencial puesto a tierra en la configuración de triodo. En las pruebas de voltaje de bajo a medio, se aplicaron voltajes en el modo de CD. La figura 5 muestra las características de corriente de emisión/voltaje aplicado' de los cátodos de RVC probados en la configuración de diodo a voltajes de CD de bajo a medio. La Línea A indica la corriente de emisión por voltaje aplicado producido en la aplicación inicial de voltaje, mientras la línea B indica la corriente de emisión por voltaje aplicado, producido después de que se ha aplicado el voltaje durante 30 minutos. Durante las pruebas, la mayoría de los cátodos de RVC produjeron una corriente de emisión inestable después de la aplicación del voltaje inicial, lo cual se caracterizó por una serie de picos en la corriente de emisión, como se muestra en la línea A de la figura 5. El patrón de emisión por efecto de campo visible en la pantalla fluorescente (el ánodo) corresponde a las variaciones en la corriente de emisión. El periodo de inestabilidad de la corriente de emisión varía entre los cátodos de RVC probados desde unos cuantos minutos hasta aproximadamente dos horas . Después del periodo de inestabilidad, la corriente de emisión se estabiliza de tal manera que fluctúa desde entre diez hasta veinte por ciento de un valor promedio. Esas fluctuaciones permanecen presentes por el resto de la duración de la prueba de los cátodos. Los resistores de balastro que tienen resistencias en el rango de entre 10 y 500 megaohms se agregaron en serie al cátodo, al ánodo o a ambos el cátodo y el ánodo durante la prueba para reducir la magnitud de las fluctuaciones . El periodo de inestabilidad, el cual se ha denominado "preparación" de la corriente de emisión, se considera que resulta de (i) la desorción de contaminantes presente inicialmente en la superficie de emisión del cátodo de RVC y (ii) por la destrucción de los bordes emisivos más agudos del material de RVC. Después de que los contaminantes se han desorbido y los bordes emisivos más agudos se destruyen, la corriente se vuelve más uniformemente distribuida sobre la multitud de sitios de emisión presentes en la superficie emisiva del cátodo. Del diez al veinte por ciento de las fluctuaciones en la corriente de emisión presentes después del periodo de preparación, pueden resultar del equilibrio estadístico de la destrucción de los sitios de emisión sobre la superficie de emisión y la producción de nuevos sitios de emisión a medida que la destrucción produce nuevos bordes emisivos, dando como resultado una redistribución constante de la red de corriente de emisión sobre la multitud de sitios de emisión. Los cátodos de RVC pueden cortarse a partir de material de RVC en masa utilizando cortado de láser. Los cátodos de RVC preparados mediante cortado de láser, pueden tener un periodo de prueba más corto antes de que se estabilice la corriente de emisión, ya que el cortado de láser puede introducir pocos contaminantes a la superficie de emisión y producir una superficie de emisión que tiene bordes emisivos que son más uniformes que aquellos formados por el corte manual o el maquinado. Pruebas de .Alto Voltaje y Concentración de Haz Se probaron seis cátodos de RVC a alto voltaje. Estos cátodos se formaron a partir de materiales de RVC en masa, y tuvieron, porosidades entre 50 y 100 ppi, o se formaron a partir de material de RVC de 100 ppi el cual se comprimió por un factor de dos a diez veces . Los cátodos de RVC se colocaron cada uno en una cámara de alto vacío de acero inoxidable equipada con una bomba de ion o turbo capaz de reducir la presión dentro de la cámara de vacío a 10~9 Torr. No se utilizó material aislante para encapsular el cátodo de RVC. Se colocó un ánodo de 8 a 15 centímetros lejos del cátodo de RVC. El ánodo se formó a partir de una placa de metal redonda que tiene un diámetro de quince centímetros, el cual se cubrió con fósforo de emisión por efecto de campo P-22.

Durante las pruebas, la cámara de vacío se bombea hasta una presión base de aproximadamente 5 x 10~8 Torr. Se aplicaron voltajes negativos de hasta 55 kV al cátodo de RVC, mientras se mantuvo al ánodo en un potencial puesto a tierra. Se aplicaron los voltajes negativos tanto en modo pulsado como en modo de CD. La producción de la corriente de emisión dio como resultado el desgaseamiento significativo del ánodo, dando como resultando una presión total de la cámara de vacío de aproximadamente 10"s Torr. La cámara al vacío de acero inoxidable se rodeo por placas de plomo durante la operación debido al riesgo de la generación de rayos X, y se utilizó un detector portátil de rayos X para monitorear continuamente el nivel de rayos X fuera de las placas de plomo- Todas las seis muestras produjeron corrientes de emisión de hasta 10 mA las cuales fueron estables (fluctuando dentro 10-20% de un valor promedio) a través de los periodos de observación de entre dos y cuatro horas. Sin embargo, el haz difundido del haz de electrones emitido, fue suficientemente grande para que el impacto del haz excediera el diámetro del ánodo, de manera que parte del haz de electrones se capturó por las paredes de la cámara de vacío. Refiriéndose a la figura 6, se condujeron pruebas en las cuales el haz difundido se redujo significativamente al colocar los cátodos de RVC dentro de un cápsula 110. Se probaron las cápsulas 110 formadas de níquel y las cápsulas - de acero inoxidable. La superficie de emisión 100 del cátodo de RVC se ranuró dentro de la cápsula 110, a una distancia del borde frontal 112 de la cápsula 110 de aproximadamente 4 milímetros. Sin embargo el uso de la cápsula 110 lo hace necesario para incrementar el voltaje negativo aplicado al cátodo para producir el mismo promedio de corriente de emisión. Por ejemplo, un voltaje de -55 kV aplicado a los cátodos de RVC cuando se colocan en una cápsula 110 a 4 milímetros del borde frontal de la cápsula, produce el mismo promedio de corriente de emisión que un voltaje de -37 kV aplicado a los cátodos de RVC sin la cápsula 110. Aunque la anterior invención se ha descrito en algunos detalles a manera de ilustración para propósitos de claridad y entendimiento, será fácilmente aparente para aquellos de experiencia ordinaria en la materia a la luz de las enseñanzas de esta invención, que pueden hacerse ciertos cambios y modificaciones a la misma, sin apartarse del espíritu o alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES 1. Un cátodo de emisión por efecto de campo, que comprende : un miembro emisivo formado de un material de espuma de carbón poroso, teniendo el miembro emisivo una superficie emisiva que define una multiplicidad de bordes emisivos.
2. 2. El cátodo de emisión por efecto de campo de la reivindicación 1, en donde el miembro emisivo contiene una multiplicidad de poros, proyectándose los bordes emisivos desde los poros en la superficie emisiva.
3. 3. El cátodo de emisión por efecto de campo de la reivindicación 2 , en donde el material de carbón de espuma poroso tiene una porosidad, siendo la porosidad mayor o igual a 50 poros por pulgada.
4. 4. El cátodo de emisión por efecto de campo de la reivindicación 3, en donde la porosidad del material de espuma de carbón poroso es menor o igual a 1000 poros por pulgada.
5. 5. El cátodo de emisión por efecto de campo de la reivindicación -4, en donde el material de espuma de carbón poroso tiene un volumen de vacío en el rango de entre 90 y 97 por ciento.
6. 6. El cátodo de emisión por efecto de campo de la reivindicación 5, en donde el material de espuma de carbón poroso tiene una fuerza compresiva de al menos cuarenta libras por pulgada cuadrada.
7. 7. El cátodo de emisión por efecto de campo de la reivindicación 6, en donde el material de espuma de carbón poroso tiene una fuerza tensil de al menos 25 libras por pulgada cuadrada.
8. 8. El cátodo de emisión por efecto de campo de la reivindicación 7, en donde el material de espuma de carbón poroso tiene una dureza de al menos seis Mohs.
9. 9. El cátodo de emisión por efecto de campo de la reivindicación 8, en donde el material de espuma de carbón poroso tiene una resistividad específica en el rango de entre 0.18 y 0.27 Ohms por pulgada cuadrada.
10. 10. El cátodo de emisión por efecto de campo de la reivindicación 9, en donde el material de espuma de carbón poroso es Carbón Vitreo Reticulado (Reticulated Vitreous Carbón™) .
11. 11. Un dispositivo de emisión por efecto de campo, que comprende : un cátodo formado de un material de espuma de carbón poroso, teniendo el cátodo una superficie emisiva que define una multiplicidad de bordes emisivos; un ánodo ; un ambiente al vacío que encierra el cátodo y el ánodo ; y medios para mantener el cátodo y el ánodo a un diferencial de voltaje de manera que se emita una pluralidad de electrones a partir de los bordes -emisivos del cátodo hacia el ánodo.
12. 12. El dispositivo de emisión por efecto de campo de la reivindicación 11, que comprende además una cápsula dentro del ambiente al vacío, teniendo la cápsula un borde frontal, estando colocado el cátodo dentro de la cápsula de tal manera que la superficie emisiva del cátodo se ranura desde el borde frontal de la cápsula.
13. 13. El dispositivo de emisión por efecto de campo de la reivindicación 12, en donde la cápsula se forma de níquel .
14. 14. El dispositivo de emisión por efecto de campo de la reivindicación 12, en donde la cápsula se forma de acero inoxidable .
15. 15. El dispositivo -de emisión por efecto de campo de la reivindicación 12, en donde la superficie emisiva del cátodo define una serie de ranuras rectangulares paralelas en el material de espuma de carbón poroso.