RU2524207C1 - Assembly of electrovacuum instrument with field-emission cathode - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: in an assembly of an electrovacuum instrument with a field-emission cathode, which is arranged inside a vacuum cover, includes at least one cell including a control electrode with potential U_C, which is arranged on a dielectric plate, on which there formed in series is a dielectric layer and an emitter layer with potential U_E, which form a multilayer field-emission structure, and an opposite plate with an anode having potential U_A, the cell includes an additional control electrode with potential U_C1, which is separated from the emitter with the dielectric layer, and a protective electrode with potential U_P, which is separated from the additional control electrode with the dielectric layer, a system of capacitors of electric field intensity in the form of nanosized structures from conducting and/or dielectric material, which are located on the emitter surface free from the dielectric layer, with that, the control electrode is located outside the multilayer field-emission structure, potentials in the emission mode meet the system of set ratios, and space between control electrodes and anodes is a zone for formation of an electron stream and its transport from emitters to anodes.

EFFECT: protection of emitters against ion bombardment owing to eliminating focusing of ions on the point of emitters, providing interception of ions and improving the structure of the formed flow of field electrons.

3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к электронным приборам на основе автоэмиссионных катодов, таким как светоизлучающие элементы, дисплеи, высоковольтные разрядные устройства, коммутирующие устройства, СВЧ-приборы.The invention relates to the field of electronic technology, in particular to electronic devices based on field emission cathodes, such as light-emitting elements, displays, high-voltage discharge devices, switching devices, microwave devices.

Известны узлы электронных вакуумных приборов (вакуумных диодов и триодов) с планарными многослойными структурами на основе автоэмиссии нанотрубок, изготовленные, например, как описано в работах Гаврилов С.А., Ильичев Э.А, Козлитин А.И. и др. Латеральный эмиттер как базовый элемент интегральной эмиссионной электроники // ПЖТФ, 2004, том 30, вып.11, с.48-53; патенте US №7,102,157, МПК H01L 35/24, опубл. 05.09.2006. В патенте США описан узел гибридного вакуумного электронного устройства, в котором электроны эмитируют из нанотрубки в вакууме. Каждая нанотрубка либо помещена на катод индивидуально или выращена нормально к плоскости катода.Known nodes of electronic vacuum devices (vacuum diodes and triodes) with planar multilayer structures based on field emission of nanotubes, made, for example, as described in the works of Gavrilov SA, Ilyichev E.A., Kozlitin A.I. et al. Lateral emitter as a basic element of integrated emission electronics // ПЖТФ, 2004, volume 30, issue 11, pp. 48-53; US patent No. 7,102,157, IPC H01L 35/24, publ. 09/05/2006. The US patent describes a hybrid vacuum electronic device assembly in which electrons are emitted from a nanotube in a vacuum. Each nanotube is either individually placed on the cathode or grown normally to the plane of the cathode.

Формирование эмиттера и анодного электрода (для диода) и управляющего электрода (для триода) на единой пластине-подложке с использованием технологий планарного цикла делает конструкцию удобной в изготовлении, обеспечивает низкий уровень рабочих напряжений. Однако при этом существенно ограничиваются возможности повышения потенциала анодного электрода и, следовательно, мощности электронного потока.The formation of the emitter and the anode electrode (for the diode) and the control electrode (for the triode) on a single wafer using planar cycle technologies makes the structure easy to manufacture and provides a low level of operating voltage. However, this significantly limits the possibility of increasing the potential of the anode electrode and, therefore, the power of the electron beam.

Известен катодолюминесцентный экран с автоэлектронным катодом (см. патент RU №2297689, МПК H01J 29/18, опубл. 20.04.2007 г.), содержащий вакуумную оболочку, внутри которой выполнена пластина с анодами и подложка с электродами, эмиттеры и управляющие электроды, соединенные через взаимно перпендикулярные шины с выводами для подключения источников электрического напряжения, диэлектрическую рамку между пластиной и подложкой, причем эмиттеры и управляющие электроды расположены в одной плоскости, поперечное сечение эмиттеров и управляющих электродов имеет профиль равнобедренной трапеции, большее основание трапеции расположено на подложке, а потенциалы, подаваемые на эмиттеры U_Э и управляющие электроды U_У1, удовлетворяют неравенствуKnown cathodoluminescent screen with an auto-electronic cathode (see patent RU No. 2297689, IPC H01J 29/18, publ. 04/20/2007), containing a vacuum shell, inside which is made a plate with anodes and a substrate with electrodes, emitters and control electrodes connected through mutually perpendicular buses with leads for connecting voltage sources, a dielectric frame between the plate and the substrate, the emitters and control electrodes being in the same plane, the cross section of the emitters and control electrodes being t profile of an isosceles trapezium, the large base of the trapezium is situated on the substrate, and potentials applied to the emitters _E and U U control electrodes _Y1, satisfy

(U_У1-U_Э)/D≥3, B/мкм,(U _U1 -U _E ) / D≥3, B / μm,

где D - расстояние между эмиттерами и управляющими электродами, измеренное по поверхности диэлектрического слоя в микрометрах, потенциалы U_Э и U_У1 измеряют в вольтах.where D is the distance between the emitters and the control electrodes, measured on the surface of the dielectric layer in micrometers, the potentials U _E and U _U1 are measured in volts.

При определенном сочетании параметров поперечного сечения катодного и управляющего («гейт») электродов возникает автоэмиссионный ток, попадающий непосредственно на анод прибора, минуя стадию взаимодействия с поверхностью гейта и использования механизма вторичной эмиссии для создания тока на анод (отсутствует бомбардировка поверхности гейта прямым током с эмиттера). Технология изготовления таких планарно-торцевых автоэмиссионных структур удобна, обеспечивается автоэлектронная эмиссия значительных по величине токов с развитой поверхности, теоретически обоснована и экспериментально показана ее высокая долговечность, некритичность к остаточной атмосфере, отсутствуют ограничения по уровню потенциала анодного электрода.With a certain combination of the cross-sectional parameters of the cathode and control (“gate”) electrodes, a field emission current arises directly at the anode of the device, bypassing the stage of interaction with the gate surface and using the secondary emission mechanism to create current to the anode (there is no direct current bombardment of the gate from the emitter ) The manufacturing technology of such planar-end field emission structures is convenient, field emission of significant currents from a developed surface is ensured, its high durability, non-critical to the residual atmosphere are theoretically justified and experimentally shown, there are no restrictions on the level level of the anode electrode potential.

Недостатком данной конструкции является то, что для обеспечения высокого уровня автоэмиссии при минимальных напряжениях «катод-гейт» (на уровне 10-30 В) требуются межэлектродные расстояния порядка 0,1 мкм. Субмикронные расстояния могут быть обеспечены только с использованием дорогостоящего специального прецизионного оборудования и применением трудоемких технологических процессов. Влияние геометрии поперечного сечения эмиттеров на характер траектории эмитированного электронного потока (возможность транспорта непосредственно на анод, минуя оседание на управляющий электрод) также приводит к ужесточению требований к технологии изготовления автоэлектронного катода.The disadvantage of this design is that to ensure a high level of field emission at minimum cathode-gate voltages (at a level of 10-30 V), interelectrode distances of the order of 0.1 μm are required. Submicron distances can only be ensured using expensive special precision equipment and the use of labor-intensive technological processes. The influence of the emitter cross-section geometry on the character of the trajectory of the emitted electron stream (the possibility of transport directly to the anode, bypassing subsidence on the control electrode) also leads to toughening the requirements for the manufacturing technology of the field-emission cathode.

Наиболее близким аналогом по технической сущности - прототипом является узел электронного прибора с автоэмиссией (см. патент US 7,067,972, МПК H01J 1/62, опубл. 27.06.2006), который размещается внутри вакуумной оболочки и содержит управляющие электроды (потенциал U_У) на диэлектрической пластине, на которой сформированы последовательно слой диэлектрика и слой эмиттеров (потенциал U_Э), образующими многослойную автоэмиссионную структуру, и другую противолежащую пластину с анодами (потенциал U_A), причем потенциалы в режиме эмиссии удовлетворяют соотношениям:The closest analogue in technical essence - the prototype is the site of an electronic device with field emission (see patent US 7,067,972, IPC H01J 1/62, publ. 06/27/2006), which is located inside the vacuum shell and contains control electrodes (potential U _U ) on the dielectric plate, on which are formed sequentially the dielectric layer and the emitter layer (potential U _e) forming a multilayered field emission structure and the other opposing plate anodes (potential U _a), wherein the potentials in the emission mode, satisfy the relation iyam:

$$\{\begin{array}{c}{U}_{Э}<U_{У}\\ U_{У}<U_A\end{array}$$

, $$\{\begin{array}{c}{U}_E<U_{\mathrm{At}}\\ U_{\mathrm{At}}<U_A\end{array}$$

,

При возможности обеспечения 100% транспорта прямого автоэмиссионного тока на аноды указанная конструкция имеет недостатки. Вследствие положительной разности потенциалов между эмиттерами и управляющими электродами, а также между эмиттерами и анодами в приборе в условиях технического вакуума возникает поток ионов, движущихся в направлении, обратном движению электронного потока, и фокусирующихся на острие эмиттеров. Бомбардировка острий эмиттера ионами отрицательно сказывается на их долговечности из-за повышения вероятности деградации материала острий эмиттеров и их разрушения, а прибор имеет низкую долговечность и надежность, выходит из строя. Другим недостатком прототипа является широкий угловой разброс эмитированных электронов, который достигает 60°, в результате чего сложно получить ламинарный направленный электронный поток, а это, в свою очередь, отрицательно сказывается на таких параметрах электронных приборов, как быстродействие, шумы, нелинейные искажения коротких импульсов.If it is possible to ensure 100% transport of direct field emission current to the anodes, this design has drawbacks. Due to the positive potential difference between the emitters and the control electrodes, as well as between the emitters and anodes in the device under conditions of a technical vacuum, a stream of ions arises, moving in the direction opposite to the electron flow and focusing on the tip of the emitters. The bombardment of the emitter tips by ions negatively affects their durability due to the increased likelihood of degradation of the material of the emitter tips and their destruction, and the device has low durability and reliability, and fails. Another disadvantage of the prototype is the wide angular spread of emitted electrons, which reaches 60 °, which makes it difficult to obtain a laminar directional electron flow, and this, in turn, negatively affects such parameters of electronic devices as speed, noise, nonlinear distortion of short pulses.

Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в защите эмиттеров от ионной бомбардировки за счет устранения фокусировки ионов на острие эмиттеров, обеспечения перехвата ионов, а также улучшении структуры формируемого потока автоэлектронов.The problem to which the claimed invention is directed is to protect emitters from ion bombardment by eliminating the focusing of ions on the tip of the emitters, ensuring interception of ions, and also improving the structure of the generated electron flow.

Указанный технический результат достигается тем, что в узле электровакуумного прибора с автоэмиссионным катодом, размещенном внутри вакуумной оболочки, содержащем, по крайней мере, одну ячейку, включающую управляющий электрод с потенциалом U_У, размещенный на диэлектрической пластине, на которой сформированы последовательно слой диэлектрика и слой эмиттера с потенциалом U_Э, образующие многослойную автоэмиссионную структуру, и противолежащую пластину с анодом, имеющим потенциал U_A, ячейка содержит дополнительный управляющий электрод с потенциалом U_У1, отделенный от эмиттера слоем диэлектрика, и защитный электрод с потенциалом U_З, отделенный от дополнительного управляющего электрода слоем диэлектрика, систему концентраторов напряженности электрического поля в виде наноразмерных структур из проводящего и/или диэлектрического материала, расположенных на свободной от слоя диэлектрика поверхности эмиттера, при этом управляющий электрод расположен вне многослойной автоэмиссионной структуры, потенциалы в режиме эмиссии удовлетворяют системе соотношений:The specified technical result is achieved by the fact that in the assembly of an electric vacuum device with a field emission cathode located inside a vacuum shell containing at least one cell including a control electrode with potential U _U placed on a dielectric plate on which a dielectric layer and a layer are formed in series emitter with a potential U _E forming a multilayer structure of a field emission, and an opposing plate anode having a potential U _a, the cell contains an additional electric control with potential U _U1, separated from the emitter layer of the dielectric, and a protective electrode potential U _W separated from the additional gate electrode dielectric layer, concentrator system of the electric field in the form of nanoscale structures made of conductive and / or dielectric material disposed on the free dielectric layer the surface of the emitter, while the control electrode is located outside the multilayer field emission structure, the potentials in the emission mode satisfy the system of relations:

$$\{\begin{array}{c}{U}_{У}<U_{Э}\\ U_{Э}<U_{У1};\\ U_{З}<U_{У1};\\ U_{У1}<U_{А}\end{array}$$

, $$\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{At}}<U_E\\ U_E<U_{\mathrm{At}\mathrm{one}};\\ U_3<U_{\mathrm{At}\mathrm{one}};\\ U_{\mathrm{At}\mathrm{one}}<U_{\mathrm{BUT}}\end{array}$$

,

а пространство между управляющими электродами и анодами является зоной формирования электронного потока и его транспорта с эмиттеров на аноды.and the space between the control electrodes and anodes is a zone of formation of the electron stream and its transport from emitters to anodes.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, примером конкретного исполнения и описанием.The invention is illustrated by graphic materials, an example of a specific implementation and description.

На фиг.1 схематично изображена повторяющаяся часть сечения узла электронного прибора с автоэмиссией, ограничивающие плоскости симметрии справа и слева указывают на возможность многократного повторения изображенной части сечения.Figure 1 schematically shows a repeating sectional section of an electronic device assembly with field emission, bounding symmetry planes on the right and left indicate the possibility of multiple repetition of the depicted section.

На фиг.2 показан график распределения потенциала в плоскости защитного электрода.Figure 2 shows a graph of the distribution of potential in the plane of the protective electrode.

На фиг.3 представлены траектории движения электронов в узле электронного прибора с автоэмиссией.Figure 3 presents the trajectory of the electrons in the site of the electronic device with field emission.

На фиг.4 даны траектории движения ионов в окрестности эмиттера.Figure 4 shows the trajectories of the ions in the vicinity of the emitter.

На фиг.5 изображен фрагмент узла электронного прибора с автоэмиссией, в котором многослойная автоэмиссионная структура и управляющие электроды выполнены в виде гребенок.Figure 5 shows a fragment of a node of an electronic device with field emission, in which the multilayer field emission structure and control electrodes are made in the form of combs.

На чертежах приняты следующие обозначения:In the drawings, the following notation:

1 - узел электронного прибора с автоэмиссией;1 - site electronic device with field emission;

2 - вакуумная оболочка;2 - a vacuum shell;

3 - пластина с анодами;3 - plate with anodes;

4 - аноды;4 - anodes;

5 - диэлектрическая пластина с эмиттерами, управляющими и защитными электродами;5 - a dielectric plate with emitters, control and protective electrodes;

6 - эмиттеры;6 - emitters;

7 - управляющие электроды;7 - control electrodes;

8 - диэлектрический слой между управляющими электродами и эмиттерами;8 - dielectric layer between the control electrodes and emitters;

9 - дополнительные управляющие электроды;9 - additional control electrodes;

10-диэлектрический слой между эмиттерами и диэлектрической пластиной с дополнительными управляющие электродами;10-dielectric layer between emitters and a dielectric plate with additional control electrodes;

11 - система концентраторов напряженности электрического поля в виде наноразмерных структур;11 - a system of concentrators of electric field in the form of nanoscale structures;

12 - защитный электрод;12 - a protective electrode;

13 - диэлектрический слой между дополнительными управляющими электродами и защитными электродами;13 - a dielectric layer between additional control electrodes and protective electrodes;

14 - зона формирования электронного потока и его транспорта с эмиттеров на аноды;14 - zone of formation of the electron flow and its transport from emitters to anodes;

15 - многослойная структура.15 is a multilayer structure.

В соответствии с настоящим изобретением узел электронного прибора с автоэмиссией 1 (см. фиг.1) размещен в вакуумной оболочке 2. Узел содержит электрически изолированные друг от друга пластину 3 с анодами 4, на которые подан потенциал U_A, и пластину 5 с электродами: эмиттерами 6 с потенциалом U_Э, управляющими электродами 7 с потенциалом U_У и дополнительными управляющими электродами 8 с потенциалом U_У1. При этом управляющие электроды 7 расположены на пластине 5; эмиттеры 6 и управляющие электроды 7 отделены диэлектрическим слоем 8. Дополнительные управляющие электроды 9 отделены от эмиттеров 6 диэлектрическим слоем 10. На поверхности эмиттеров 6, свободной от слоя диэлектрика, выполнена система концентраторов напряженности электрического поля в виде наноразмерных структур 11 из проводящего и/или диэлектрического материала, которые способствуют повышению степени локализации электростатического поля, приводящему к росту максимальной напряженности поля и соответственно к росту тока автоэлектронной эмиссии с эмиттеров 6 и снижению управляющих разностей потенциалов. Это приводит к повышению эффективности защиты от ионной бомбардировки. Чтобы обеспечить дополнительную защиту эмиттеров 6 от ионной бомбардировки, введены защитные электроды 12, которые отделены от системы дополнительных управляющих электродов 9 слоем диэлектрика 13. Защитные электроды 12 образуют с эмиттерами 6 и дополнительными управляющими электродами 9 многослойную структуру 15, имеют потенциал U_У3, удовлетворяющий системе соотношений:In accordance with the present invention, the site of the electronic device with field emission 1 (see figure 1) is placed in a vacuum shell 2. The site contains an electrically isolated from each other plate 3 with anodes 4, to which the potential U _{A is} applied, and plate 5 with electrodes: emitters 6 with potential U _E , control electrodes 7 with potential U _Y and additional control electrodes 8 with potential U _U1 . In this case, the control electrodes 7 are located on the plate 5; the emitters 6 and the control electrodes 7 are separated by a dielectric layer 8. The additional control electrodes 9 are separated from the emitters 6 by a dielectric layer 10. On the surface of the emitters 6, free from the dielectric layer, a system of electric field strength concentrators is made in the form of nanoscale structures 11 made of conductive and / or dielectric material that contribute to an increase in the degree of localization of the electrostatic field, leading to an increase in the maximum field strength and, accordingly, to an increase in the field current emission from emitters 6 and reducing control potential differences. This leads to an increase in the efficiency of protection against ion bombardment. To provide additional protection for the emitters 6 from ion bombardment, protective electrodes 12 are introduced, which are separated from the system of additional control electrodes 9 by a dielectric layer 13. The protective electrodes 12 form a multilayer structure 15 with emitters 6 and additional control electrodes 9 and have a potential U _U3 satisfying the system ratios:

$$\{\begin{array}{c}{U}_{У}<U_{Э}\\ U_{Э}<U_{У1};\\ U_{З}<U_{У1};\\ U_{У1}<U_{А}.\end{array}\left(1\right)$$

$$\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{At}}<U_E\\ U_E<U_{\mathrm{At}\mathrm{one}};\\ U_3<U_{\mathrm{At}\mathrm{one}};\\ U_{\mathrm{At}\mathrm{one}}<U_{\mathrm{BUT}}.\end{array}\left(\mathrm{one}\right)$$

Заданное системой (1) соотношение потенциалов эмиттеров 6, управляющих электродов 7, дополнительных управляющих электродов 9, защитных электродов 12 и анодов 4 обеспечивает создание зоны 14 формирования электронного потока и его прямого транспорта с эмиттеров 6 на аноды 4. Качество электронного потока при этом, определяемое степенью ламинарности, а также отсутствием его токоперехвата управляющими электродами 7, дополнительными управляющими электродами 9 и защитными электродами 12, повышается.The ratio of the potentials of the emitters 6, control electrodes 7, additional control electrodes 9, protective electrodes 12 and anodes 4 set by the system (1) provides the creation of a zone 14 for the formation of the electron beam and its direct transport from the emitters 6 to the anodes 4. The quality of the electron beam, which is determined the degree of laminarity, as well as the absence of its current interception by the control electrodes 7, additional control electrodes 9 and protective electrodes 12, increases.

Кроме того, выполнение в описанной конструкции узла 1 электронного прибора на поверхности эмиттеров 4 системы концентраторов напряженности электрического поля 11 в виде слоев альфа-углерода наноразмерной толщины позволяет повысить удельную плотность тока автоэмиссии при сохранении достигнутых преимуществ защиты эмиттеров 6 от ионной бомбардировки, формирования ламинарного потока автоэмиссионных электронов и 100% транспорта электронного потока на аноды 4.In addition, the implementation in the described design of the assembly 1 of the electronic device on the surface of the emitters 4 of a system of concentrators of electric field 11 in the form of layers of alpha-carbon of nanosized thickness can increase the specific gravity of the field emission current while maintaining the achieved benefits of protecting the emitters 6 from ion bombardment, the formation of a laminar flow of field emission electrons and 100% electron beam transport to the anodes 4.

Кроме того, выполнение в описанной конструкции узла 1 электронного прибора на поверхности эмиттеров 4 системы концентраторов напряженности электрического поля 11 в виде нанотрубок позволяет повысить удельную плотность тока автоэмиссии при сохранении достигнутых преимуществ защиты эмиттеров 6 от ионной бомбардировки, формирования ламинарного потока автоэмиссионных электронов и 100%о транспорта электронного потока на аноды 4.In addition, the implementation in the described design of the assembly 1 of an electronic device on the surface of the emitters 4 of a system of concentrators of electric field 11 in the form of nanotubes can increase the specific gravity of field emission while maintaining the achieved benefits of protecting emitters 6 from ion bombardment, the formation of a laminar flow of field emission electrons and 100% electron flow transport to anodes 4.

Электронный прибор на основе предлагаемого узла работает следующим образом. После подачи на эмиттеры потенциала U_Э, на аноды - потенциала U_А, на управляющие электроды - потенциала U_У, на дополнительные управляющие электроды - потенциала U_У1, на защитные электроды - потенциала U_З, удовлетворяющие соотношениям системы (1) на эмиттере напряженность электростатического поля растет, инициируя полевую эмиссию электронов. Вектор начальной скорости эмитированных автоэлектронов направлен по нормали к поверхности эмиттера. По мере удаления электронов от начальной точки эмиссии направление действующей на него силы меняется в соответствии с направлением вектора напряженности поля от управляющего электрода 7 к аноду 4. На выходе электронов из зоны влияния управляющих электродов 7 и дополнительных управляющих электродов 9 они попадают в тормозящее поле защитных электродов 12, которое действует так, что угловой разброс вектора скорости электронов уменьшается. Из результатов на фиг.2 видно существование провисания потенциала в окрестности защитного электрода в пространстве для транспорта электронов на анод. Это приводит к движению электронов по траекториям, показанным на фиг.3. В результате поток направляется в сторону анодов 4 и оседает на них. В условиях технического вакуума вследствие взаимодействия ускоренных электронов с молекулами газов остаточной атмосферы ионы под действием существующего электростатического поля ускоряются в обратном направлении и бомбардируют либо управляющие электроды 7, находящиеся под пониженным потенциалом, либо защитные электроды 12. Существующее распределение потенциала, с одной стороны, обеспечивает формирование электронного потока и транспорт его от острия эмиттера в сторону анода (см. фиг.3), и, с другой стороны, не позволяет низкоэнергетическим ионам проникать в окрестность острий эмиттера, обеспечивая их перехват защитным электродом и управляющим электродом, как показано на фиг.4. При этом фокусировки ионов на эмиттеры 6 не происходит.An electronic device based on the proposed site operates as follows. After applying the emitter potential U _E, to the anodes - potential U _A, to the control electrodes - potential U _V, additional control electrodes - potential U _U1, on the protective electrodes - potential U _G that satisfy the relations of (1) to the emitter voltage of the electrostatic field increases, initiating field emission of electrons. The initial velocity vector of the emitted autoelectrons is directed normal to the surface of the emitter. As the electrons move away from the starting point of the emission, the direction of the force acting on it changes in accordance with the direction of the field strength vector from the control electrode 7 to the anode 4. At the exit of the electrons from the influence zone of the control electrodes 7 and additional control electrodes 9, they fall into the braking field of the protective electrodes 12, which acts so that the angular spread of the electron velocity vector decreases. From the results in FIG. 2, the potential sagging exists in the vicinity of the protective electrode in the space for electron transport to the anode. This leads to the movement of electrons along the trajectories shown in Fig.3. As a result, the flow is directed towards the anodes 4 and settles on them. Under conditions of a technical vacuum, due to the interaction of accelerated electrons with gas molecules of the residual atmosphere, the ions are accelerated in the opposite direction by the existing electrostatic field and bombard either the control electrodes 7, which are under reduced potential, or protective electrodes 12. The existing potential distribution, on the one hand, ensures the formation of electron flow and its transport from the tip of the emitter to the side of the anode (see figure 3), and, on the other hand, does not allow low-energy ions penetrate into the vicinity of the emitter tips, ensuring their interception by the protective electrode and the control electrode, as shown in Fig. 4. In this case, ion focusing on emitters 6 does not occur.

Пластина 5 выполнена из диэлектрического материала, например стекла или керамики. Управляющие электроды 7, дополнительные управляющие электроды 9, защитные электроды 12 и эмиттеры 6 формируются напылением электропроводящего материала, как правило, молибдена, который имеет высокую электропроводность и хорошую адгезию с двуокисью кремния, из которой формируются, например, напылением слои диэлектрика 8, 10 и 13. Система концентраторов напряженности электрического поля 11 в виде наноразмерных структур из проводящего и/или диэлектрического материала, выполняется одним из известными методов, например формированием пленки альфа-углерода методом CVD или пленки углеродных нанотрубок катафоретическим осаждением. Топология управляющего электрода 7 и многослойной автоэмиссионной структуры 15 с системой концентраторов напряженности электрического поля 11 в виде наноразмерных структур из проводящего и/или диэлектрического материала (см. фиг.5) при подаче рабочих потенциалов на электроды обеспечивает возникновение автоэлектронной эмиссии по периметру структуры, инжекцию его в зону 14 формирования электронного потока и его транспорт с эмиттеров на аноды.The plate 5 is made of a dielectric material, such as glass or ceramic. Control electrodes 7, additional control electrodes 9, protective electrodes 12 and emitters 6 are formed by sputtering an electrically conductive material, usually molybdenum, which has high electrical conductivity and good adhesion to silicon dioxide, from which dielectric layers 8, 10 and 13 are formed, for example, by sputtering The system of concentrators of the electric field 11 in the form of nanoscale structures of conductive and / or dielectric material is carried out by one of the known methods, for example by forming an al film and carbon-CVD method or a film of carbon nanotubes cataphoretic deposition. The topology of the control electrode 7 and the multilayer field emission structure 15 with a system of concentrators of the electric field strength 11 in the form of nanoscale structures of conductive and / or dielectric material (see Fig. 5) when operating potentials are applied to the electrodes ensures the occurrence of field emission along the perimeter of the structure, its injection into the zone 14 of the formation of the electron beam and its transport from emitters to anodes.

Данные изобретения позволяют получить следующие преимущества по сравнению с известными техническими решениями:These inventions allow to obtain the following advantages compared with known technical solutions:

- защита от ионной бомбардировки острий эмиттера за счет введения защитного электрода и выбора потенциалов системы управляющих электродов, обеспечение надежного перехвата защитным электродом ионов, повышение тем самым долговечности автоэлектронного катода;- protection against ion bombardment of the emitter tips by introducing a protective electrode and selecting the potentials of the control electrode system, ensuring reliable interception of ions by the protective electrode, thereby increasing the durability of the field-emission cathode;

- 100% транспорт прямого автоэмиссионного тока на анод;- 100% transport of direct field emission current to the anode;

- повышение степени ламинарности автоэмиссионного потока за счет снижения углового разброса векторов скорости электронов в потоке;- increasing the degree of laminarity of the field emission stream by reducing the angular spread of the electron velocity vectors in the stream;

- уменьшенное влияние потенциала анода на эмиссионный ток катода (экранирование катода от анода);- reduced effect of the anode potential on the cathode emission current (screening of the cathode from the anode);

- при этом одновременно обеспечиваются низковольтное управление (изменением U_У1 на цифровом уровне ±15 В) током автоэмиссионной структуры за счет толщины диэлектрического слоя между эмиттерами и дополнительными управляющими электродами.- at the same time, low-voltage control (changing U _U1 at a digital level of ± 15 V) by the current of the field emission structure due to the thickness of the dielectric layer between the emitters and additional control electrodes is simultaneously ensured.

Claims (3)

1. Узел электровакуумного прибора с автоэмиссионным катодом, содержащий, по крайней мере, одну ячейку, включающую управляющий электрод с потенциалом U_У, размещенный на диэлектрической пластине, на которой сформированы последовательно слой диэлектрика и слой эмиттера с потенциалом U_Э, образующие многослойную автоэмиссионную структуру, и противолежащую пластину с анодом, имеющим потенциал U_А, отличающийся тем, что ячейка содержит дополнительный управляющий электрод с потенциалом U_У1, отделенный от эмиттера слоем диэлектрика, и защитный электрод с потенциалом U_З, отделенный от дополнительных управляющих электродов слоем диэлектрика, систему концентраторов напряженности электрического поля в виде наноразмерных структур из проводящего и/или диэлектрического материала, расположенных на свободной от слоя диэлектрика поверхности эмиттера, при этом управляющий электрод расположен вне многослойной автоэмиссионной структуры, потенциалы в режиме эмиссии удовлетворяют системе соотношений:
$$\{\begin{array}{c}{U}_{У}<U_{Э}\\ U_{Э}<U_{У1};\\ U_{З}<U_{У1};\\ U_{У1}<U_{А},\end{array}$$

а пространство между управляющим электродом и анодом является зоной формирования электронного потока и его транспорта с эмиттеров на аноды.1. The assembly of an electric vacuum device with a field emission cathode, comprising at least one cell including a control electrode with potential U _U placed on a dielectric plate on which a dielectric layer and an emitter layer with potential U _E are formed in series, forming a multilayer field emission structure, and an opposing plate with an anode having a potential U _A , characterized in that the cell contains an additional control electrode with a potential U _U1 , separated from the emitter by a dielectric layer, and protective th electrode with potential U ₃ , separated from additional control electrodes by a dielectric layer, a system of electric field concentrators in the form of nanoscale structures of conductive and / or dielectric material located on the surface of the emitter free from the dielectric layer, while the control electrode is located outside the multilayer field emission structure , potentials in the emission mode satisfy the system of relations:
$$\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{At}}<U_E\\ U_E<U_{\mathrm{At}\mathrm{one}};\\ U_3<U_{\mathrm{At}\mathrm{one}};\\ U_{\mathrm{At}\mathrm{one}}<U_{\mathrm{BUT}},\end{array}$$

and the space between the control electrode and the anode is the zone of formation of the electron stream and its transport from emitters to anodes. 2. Узел по п.1, отличающийся тем, что система концентраторов напряженности электрического поля выполнена в виде слоев альфа-углерода наноразмерной толщины.2. The node according to claim 1, characterized in that the system of concentrators of the electric field is made in the form of layers of alpha-carbon nanoscale thickness. 3. Узел по п.1, отличающийся тем, что система концентраторов напряженности электрического поля выполнена в виде нанотрубок. 3. The node according to claim 1, characterized in that the system of concentrators of the electric field is made in the form of nanotubes.

Images