RU2697193C1

RU2697193C1 - Cathode-mesh assembly with field-emission cathode and control mesh, divided into elements

Info

Publication number: RU2697193C1
Application number: RU2018142730A
Authority: RU
Inventors: Михаил Петрович Апин; Дмитрий Николаевич Золотых; Павел Данилович Шалаев; Василий Иванович Шестеркин
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз")
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2019-08-13

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering, in particular to the creation of cathode-mesh assemblies with field emission cathodes for vacuum electronic devices, including high-power microwave devices with microsecond readiness time. Cathode-grid unit with multiple field emission cells has a cathode of arbitrary shape, on which autoemitters are formed by any known method, and a grid electrode with holes forming together with autoemitters field emission cells. Grid electrode is separated from the cathode by a vacuum gap or an insulating substrate or is placed directly on the cathode surface. At that, the grid electrode consists of a dielectric film performing the functions of the mesh electrode carrying structure, conducting film formed on one side of the dielectric film and being the control mesh, or a conductive film, which is a control grid, and a conductive film which is a focusing grid, wherein the control and conductive films are formed on opposite sides of the dielectric film. At the same time control grid is divided into electrically isolated from each other, covering each hole or group of holes in mesh electrode elements, which have electric terminals for supply of different potentials to them.EFFECT: high uniformity of current collection from automatic field-emission cathode cells.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, в частности, к созданию катодно-сеточных узлов с автоэмиссионными катодами для вакуумных электронных устройств, в том числе мощных приборов СВЧ-диапазона с микросекундным временем готовности.The invention relates to electronic equipment, in particular, to the creation of cathode-grid units with field emission cathodes for vacuum electronic devices, including powerful microwave devices with microsecond readiness.

Известна конструкция катодно-сеточного узла (КСУ), состоящего из множества автоэмиссионных ячеек, каждая из которых включает автоэмиссионный эмиттер в форме прямого конуса высотой до 1.5 мкм с радиусом кривизны вершины, равным нескольким десяткам нанометров, и управляющую сетку с отверстием диаметром до 1.5 мкм, отделенную от катода пленкой диэлектрика [Spindt С.А. A Thin - Film Field - Emission Cathode // Journal of Applied Physics. 1968, Vol.39, No 7, PP. 3504-3505]. Недостатком данной конструкции является неоднородность эмиссии в ячейках, что связано с разбросом размеров конусообразных автоэмиттеров и отверстий в сеточном электроде. Разброс размеров обусловлен технологическими процессами изготовления как автоэмиттеров, так и отверстий в сеточном электроде. Известно, что изменение радиуса кривизны вершины автоэмиттера приводит к изменению напряженности электрического поля у поверхности вершин автоэмиттеров и, как следствие, к изменению тока автоэлектронной эмиссии по экспоненте [Бондаренко Б.В. Проблемы стабильности автоэлектронной эмиссии и некоторые пути ее решения // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1980. Вып. 9 (321). С.3-8]. Значительное отличие токов в ячейках при интенсивном отборе тока с катодной матрицы приводит к превышению тока эмиссии в отдельных ячейках над предельно допустимым значением и, как следствие, к термическому разрушению джоулевым теплом автоэмиттеров и выходу из строя всей катодной матрицы.A known design of the cathode-grid unit (KSU), consisting of many field emission cells, each of which includes a field emission emitter in the form of a straight cone with a height of up to 1.5 μm with a radius of curvature of the vertex equal to several tens of nanometers, and a control grid with a hole with a diameter of up to 1.5 μm, separated from the cathode by a dielectric film [Spindt S.A. A Thin - Film Field - Emission Cathode // Journal of Applied Physics. 1968, Vol. 39, No. 7, PP. 3504-3505]. The disadvantage of this design is the heterogeneity of emission in the cells, which is associated with a spread in the sizes of cone-shaped emitters and holes in the grid electrode. The size spread is due to the manufacturing processes of both auto emitters and holes in the grid electrode. It is known that a change in the radius of curvature of the top of the emitter leads to a change in the electric field at the surface of the vertices of the emitters and, as a consequence, to a change in the current of field emission by exponential [Bondarenko B.V. Problems of stability of field emission and some ways to solve it // Electronic Engineering. Ser. Microwave Electronics. 1980. Issue. 9 (321). C.3-8]. A significant difference in the currents in the cells during intensive current extraction from the cathode matrix leads to an excess of the emission current in individual cells over the maximum permissible value and, as a result, thermal destruction of the emitters by the Joule heat and failure of the entire cathode matrix.

Известна конструкция КСУ, состоящая из множества автоэмиссионных ячеек и сеточного электрода, размещенного непосредственно на катодной матрице [Патент №2589722 РФ, МПК H01J 1/304. Способ изготовления катодно-сеточного узла с углеродным автоэмиссионным катодом / В.И. Шестеркин]. Сеточный электрод представляет собой трехслойную пленочную структуру (проводник-диэлектрик-проводник) с отверстиями диаметром 180÷350 мкм. Проводящие ток пленки толщиной до 10 мкм сформированы на обеих сторонах пленки из диэлектрика толщиной 180÷220 мкм. В каждой автоэмиссионной ячейке, ограниченной диаметром отверстия в сеточном электроде и катодной подложкой, размещены острийные автоэмиттеры, количество которых определяется плотностью их упаковки и диаметром отверстия в сеточном электроде. Вследствие больших (по сравнению с ячейкой Спиндта) размеров ячеек вольт-амперная характеристика данной конструкции обладает меньшей крутизной и менее критична к изменению напряжения на сеточном электроде. Недостатком данной конструкции, как и предыдущей, является разброс автоэмиссионных токов в ячейках, что обусловлено неточностью изготовления ячеек, и высокое напряжение на управляющей сетке сеточного электрода. Данное напряжение на порядок больше, чем в ячейках Спиндта, и достигает нескольких киловольт.Это ограничивает применение данной конструкции КСУ в импульсных приборах с низковольтным сеточным управлением.Known design KSU, consisting of many field emission cells and a grid electrode placed directly on the cathode matrix [Patent No. 2589722 of the Russian Federation, IPC H01J 1/304. A method of manufacturing a cathode-grid unit with a carbon field emission cathode / V.I. Shesterkin]. The grid electrode is a three-layer film structure (conductor-dielectric-conductor) with holes with a diameter of 180 ÷ 350 microns. Current-conducting films with a thickness of up to 10 μm are formed on both sides of a film of a dielectric with a thickness of 180 ÷ 220 μm. In each field emission cell, limited by the diameter of the hole in the grid electrode and the cathode substrate, there are pointed field emitters, the number of which is determined by their packing density and the diameter of the hole in the grid electrode. Due to the large (in comparison with the Spindt cell) cell sizes, the current-voltage characteristic of this design has a lower slope and is less critical to changes in the voltage on the grid electrode. The disadvantage of this design, as well as the previous one, is the spread of field emission currents in the cells, which is due to inaccuracy in the manufacture of cells, and a high voltage on the control grid of the grid electrode. This voltage is an order of magnitude greater than in the Spindt cells and reaches several kilovolts. This limits the use of this design of the KSU in pulsed devices with low-voltage grid control.

Наиболее близким техническим решением является конструкция катодно-сеточного узла, содержащего автоэмиссионный катод в форме иглы с большим аспектным отношением размеров (более 1000) и сетку с круглым отверстием, отделенную от катода вакуумным зазором [Vasily I. Shesterkin. Large-sized field-emission cells with high aspect ratio of tip sizes made of carbon glass composed of electron guns for microwave devices // 11^th International Vacuum Electron Sources Conference. IVESC 2016. Seoul. 18-20 October. 2016. PP. 119-120]. Высота иглы может достигать 1.5 мм. Эмиссионный ток с одной иглы составляет 8÷14 мА при радиусе кривизны вершины 0.5÷5.0 мкм, диаметре отверстия в сетке до 500 мкм и напряжении на управляющей сетке 2000-2500 В. Достоинством данной конструкции является простота и технологичность изготовления.The closest technical solution is the design of the cathode-grid unit containing a field-emission cathode in the form of a needle with a large aspect ratio (over 1000) and a grid with a circular hole separated from the cathode by a vacuum gap [Vasily I. Shesterkin. Large-sized field-emission cells with high aspect ratio of tip sizes made of carbon glass composed of electron guns for microwave devices // 11 ^th International Vacuum Electron Sources Conference. IVESC 2016. Seoul. October 18-20. 2016. PP. 119-120]. The height of the needle can reach 1.5 mm. The emission current from one needle is 8 ÷ 14 mA with a radius of curvature of the apex of 0.5 ÷ 5.0 μm, a hole diameter in the grid of up to 500 μm and a voltage on the control grid of 2000-2500 V. The advantage of this design is the simplicity and manufacturability.

Однако при увеличении количества автоэмиссионных ячеек в КСУ возрастают требования к точности их изготовления для обеспечения идентичности напряженностей электрических полей на вершинах автоэмиттеров, что достигается идентичностью размеров элементов ячеек. Существующие технологии изготовления и сборки КСУ с множеством автоэмиссионных ячеек не обеспечивают необходимую идентичность размеров элементов ячеек и не позволяют получать одинаковые токи эмиссии от каждой ячейки при одинаковом для всех ячеек напряжении на управляющей сетке. Так, например, в КСУ с семью ячейками общий ток катода составил примерно такую же величину, как и ток единичной ячейки [Шестеркин В.И. Автоэмиссионные ячейки с диэлектрическим зазором катод - сетка и перспективы их использования в электронных приборах // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. научн.-техн. конф. АПЭП - 2016. 22-23 сентября 2016 г. СГТУ. Саратов. Россия. С. 161-165].However, with an increase in the number of field emission cells in the KSU, the requirements for the accuracy of their manufacture increase to ensure the identity of the electric field strengths at the tops of the field emitters, which is achieved by the identity of the sizes of the cell elements. Existing technologies for the manufacture and assembly of KSUs with many field emission cells do not provide the necessary identical cell sizes and do not allow obtaining the same emission currents from each cell at the same voltage across the control grid. So, for example, in a KSU with seven cells, the total current of the cathode was approximately the same as the current of a single cell [V. Shesterkin. Field emission cells with a dielectric gap cathode - grid and prospects for their use in electronic devices // Actual problems of electronic instrumentation: materials Intern. scientific and technical conf. APEP - 2016. September 22-23, 2016 SSTU. Saratov. Russia. S. 161-165].

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение равномерности токоотбора от ячеек автоэмиссионного катода.The technical result of the claimed invention is to increase the uniformity of the current collection from the cells of the field emission cathode.

Это достигается тем, что катодно-сеточный узел с множеством автоэмиссионных ячеек содержит катод произвольной формы, на котором сформированы любым известным способом автоэмиттеры, и сеточный электрод с отверстиями, образующими вместе с автоэмиттерами автоэмиссионные ячейки. Сеточный электрод отделен от катода вакуумным зазором или изоляционной подложкой, или размещен непосредственно на поверхности катода. При этом сеточный электрод состоит из диэлектрической пленки, выполняющей функции несущей конструкции сеточного электрода, проводящей пленки, сформированной на одной стороне диэлектрической пленки и являющейся управляющей сеткой, или проводящей пленки, являющейся управляющей сеткой, и проводящей пленки, являющейся фокусирующей сеткой, причем управляющая и проводящая пленки сформированы на противоположных сторонах диэлектрической пленки. При этом управляющая сетка разделена на электрически изолированные друг от друга, охватывающие каждое отверстие или группы отверстий в сеточном электроде элементы, которые имеют электрические выводы для подачи на них разных потенциалов.This is achieved by the fact that the cathode-grid unit with a plurality of field emission cells contains an arbitrary cathode on which field emitters are formed in any known manner, and a grid electrode with holes that form field emission cells together with field emitters. The grid electrode is separated from the cathode by a vacuum gap or an insulating substrate, or placed directly on the surface of the cathode. In this case, the grid electrode consists of a dielectric film that acts as the supporting structure of the grid electrode, a conductive film formed on one side of the dielectric film and which is the control grid, or a conductive film, which is the control grid, and a conductive film, which is the focusing grid, moreover, the control and conductive films are formed on opposite sides of the dielectric film. The control grid is divided into electrically isolated from each other, covering each hole or group of holes in the grid electrode elements that have electrical leads for supplying them with different potentials.

Благодаря возможности раздельного регулирования потенциалов на сеточных элементах обеспечивается получение равных по величине токов от каждой автоэмиссионной ячейки или группы ячеек.Due to the possibility of separate regulation of potentials on the grid elements, it is possible to obtain equal currents from each field emission cell or group of cells.

На фиг. 1 - фиг. 3 представлены варианты конструкции КСУ, соответствующие предлагаемому изобретению.In FIG. 1 - FIG. 3 presents design options KSU corresponding to the invention.

На фиг. 1 и фиг. 2 обозначены: (1) - автоэмиссионный катод в форме диска или любой другой формы, (2) - автоэмиссионные эмиттеры, (3) - сеточный электрод типа проводник-диэлектрик или проводник-диэлектрик-проводник с отверстиями, (4) - фокусирующая сетка (при наличии) сеточного электрода, (5) - пленка диэлектрика, (6) - управляющая сетка сеточного электрода, разделенная на токопроводящие элементы, ограничивающие ячейки, (7) - отверстия в сетке, (8) - изоляционная подложка.In FIG. 1 and FIG. 2 are indicated: (1) - field emission cathode in the form of a disk or any other shape, (2) - field emission emitters, (3) - wire-type insulator or conductor-dielectric-conductor with holes, (4) - focusing grid ( in the presence of) a grid electrode, (5) - a dielectric film, (6) - a control grid of the grid electrode, divided into conductive elements, bounding cells, (7) - holes in the grid, (8) - insulating substrate.

На фиг. 3 представлены два из возможных вариантов конструкции сеточного электрода (вид сверху), где цифрами обозначены: (5) - пленка диэлектрика, (6) - управляющая сетка сеточного электрода, разделенная на токопроводящие элементы, ограничивающие ячейки, (7) - отверстия в сетке, (9) - электрические выводы токопроводящих элементов управляющей сетки.In FIG. Figure 3 shows two of the possible design options for the grid electrode (top view), where the numbers indicate: (5) is the dielectric film, (6) is the control grid of the grid electrode, divided into conductive elements that bound the cells, (7) are holes in the grid, (9) - electrical leads of conductive elements of the control grid.

Катодно-сеточный узел (фиг. 1 - фиг. 3) содержит катод (1) цилиндрической, ленточной или любой другой формы, на котором сформированы любым известным способом автоэмиттеры (2), сеточный электрод (3) с отверстиями (7), образующими вместе с автоэмиттерами автоэмиссионные ячейки, причем сеточный электрод отделен от катода вакуумным зазором или изоляционной подложкой (8), или размещен непосредственно на поверхности катода и состоит из диэлектрической пленки (5), выполняющей функции несущей конструкции сеточного электрода; проводящей пленки (6), сформированной на одной стороне диэлектрической пленки и являющейся управляющей сеткой сеточного электрода, или проводящей пленки (6), являющейся управляющей сеткой сеточного электрода, и проводящей пленки (4), являющейся фокусирующей сеткой сеточного электрода, причем пленки (6) и (4) сформированы на противоположных сторонах диэлектрической пленки. Управляющая сетка сеточного электрода, управляющая током автоэмиттеров, разделена на охватывающие каждое отдельное отверстие (7) или группы отверстий в сеточном электроде и электрически изолированные друг от друга элементы (6), имеющие электрические выводы (9) для подачи на них разных, при необходимости, потенциалов.The cathode-grid unit (Fig. 1 - Fig. 3) contains a cathode (1) of a cylindrical, strip or any other shape on which autoemitters (2) are formed in any known way, a grid electrode (3) with holes (7) forming together with emitters, field emission cells, the grid electrode being separated from the cathode by a vacuum gap or an insulating substrate (8), or placed directly on the cathode surface and consists of a dielectric film (5) that performs the functions of the supporting structure of the grid electrode; conductive film (6) formed on one side of the dielectric film and which is the control grid of the grid electrode, or conductive film (6), which is the control grid of the grid electrode, and conductive film (4), which is the focusing grid of the grid electrode, and film (6) and (4) formed on opposite sides of the dielectric film. The control grid of the grid electrode, which controls the current of emitters, is divided into elements (6) covering each individual hole (7) or groups of holes in the grid electrode and having elements (6) electrically isolated from each other for supplying different, if necessary, potentials.

Устройство работает следующим образом: на каждый элемент управляющей сетки подается, при необходимости разное, напряжение U_n выше потенциала катода, необходимое для получения автоэмиссионного тока ячейки или группы ячеек, равного I/n, где: I - суммарный автоэмиссионный ток КСУ; n - количество ячеек или групп ячеек в КСУ. Для изменения общего автоэмиссионного тока катода требуется пропорциональное увеличение или уменьшение напряжений U_n на элементах управляющей сетки. На фокусирующую сетку (при наличии) подается потенциал, равный или близкий к потенциалу катода, или любой другой потенциал, необходимый для формирования минимального угла расходимости электронного потока на выходе из ячеек. Конструкция КСУ с разделенной управляющей сеткой на электрически изолированные элементы с соответствующими потенциалами для каждой автоэмиссионной ячейки или для групп автоэмиссионных ячеек позволяет обеспечить одинаковый для всех автоэмиссионных ячеек или групп автоэмиссионных ячеек ток и избежать токовой перегрузки какой-либо автоэмиссионной ячейки или группы автоэмиссионных ячеек, что является необходимым условием для увеличения автоэмиссионного тока катода и улучшения параметров надежности КСУ.The device operates as follows: for each element of the control grid, if necessary, a different voltage U _{n is} higher than the cathode potential necessary to obtain the field emission current of a cell or group of cells equal to I / n, where: I is the total field emission current of the CSU; n is the number of cells or groups of cells in the KSU. To change the total field emission current of the cathode, a proportional increase or decrease in the voltage U _n on the elements of the control grid is required. A potential equal or close to the cathode potential, or any other potential necessary to form a minimum angle of divergence of the electron beam at the exit from the cells, is supplied to the focusing grid (if any). The design of the KSU with a divided control grid into electrically isolated elements with corresponding potentials for each field emission cell or for groups of field emission cells allows one to ensure the same current for all field emission cells or groups of field emission cells and to avoid current overload of any field emission cell or group of field emission cells, which is a necessary condition for increasing the field emission current of the cathode and improving the reliability parameters of the KSU.

Источники информацииInformation sources

1. Spindt С.А. A Thin - Film Field - Emission Cathode // Journal of Applied Physics. 1968, Vol.39, No 7, PP. 3504-3505.1. Spindt S.A. A Thin - Film Field - Emission Cathode // Journal of Applied Physics. 1968, Vol. 39, No. 7, PP. 3504-3505.

2. Бондаренко Б.В. Проблемы стабильности автоэлектронной эмиссии и некоторые пути ее решения // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1980. Вып. 9 (321). С. 3-8.2. Bondarenko B.V. Problems of stability of field emission and some ways to solve it // Electronic Engineering. Ser. Microwave Electronics. 1980. Issue. 9 (321). S. 3-8.

3. Патент №2589722 РФ, МПК H01J 1/304. Способ изготовления катодно-сеточного узла с углеродным автоэмиссионным катодом / В.И. Шестеркин.3. Patent No. 2589722 of the Russian Federation, IPC H01J 1/304. A method of manufacturing a cathode-grid unit with a carbon field emission cathode / V.I. Shesterkin.

4. Vasily I. Shesterkin. Large-sized field-emission cells with high aspect ratio of tip sizes made of carbon glass composed of electron guns for microwave devices // 11^th International Vacuum Electron Sources Conference. IVESC 2016. Seoul. 18-20 October. 2016. PP. 119-120.4. Vasily I. Shesterkin. Large-sized field-emission cells with high aspect ratio of tip sizes made of carbon glass composed of electron guns for microwave devices // 11 ^th International Vacuum Electron Sources Conference. IVESC 2016. Seoul. October 18-20. 2016. PP. 119-120.

5. Шестеркин В.И. Автоэмиссионные ячейки с диэлектрическим зазором катод - сетка и перспективы их использования в электронных приборах // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. научн.-техн. конф. АПЭП - 2016. 22-23 сентября 2016 г. СГТУ. Саратов. Россия. С. 161-165.5. Shesterkin V.I. Field emission cells with a dielectric gap cathode - grid and prospects for their use in electronic devices // Actual problems of electronic instrumentation: materials Intern. scientific and technical conf. APEP - 2016. September 22-23, 2016 SSTU. Saratov. Russia. S. 161-165.

Claims

Катодно-сеточный узел с множеством автоэмиссионных ячеек, содержащий катод произвольной формы, на котором сформированы автоэмиттеры, и сеточный электрод с отверстиями, образующими вместе с автоэмиттерами автоэмиссионные ячейки, отделенный от катода вакуумным зазором или изоляционной подложкой или размещенный непосредственно на поверхности катода и состоящий из диэлектрической пленки, выполняющей функции несущей конструкции сеточного электрода, проводящей пленки, сформированной на одной стороне диэлектрической пленки и являющейся управляющей сеткой, или проводящей пленки, являющейся управляющей сеткой, и проводящей пленки, являющейся фокусирующей сеткой, сформированными на противоположных сторонах диэлектрической пленки; отличающийся тем, что управляющая сетка разделена на электрически изолированные друг от друга, охватывающие каждое отверстие или группы отверстий в сеточном электроде элементы, имеющие электрические выводы для подачи на них потенциалов.A cathode-grid assembly with a plurality of field emission cells, comprising an arbitrary-shaped cathode on which field emitters are formed, and a grid electrode with holes that form field emission cells together with field emitters, separated from the cathode by a vacuum gap or an insulating substrate or placed directly on the cathode surface and consisting of a dielectric a film acting as a supporting structure of a grid electrode, a conductive film formed on one side of the dielectric film and being a control grid, or a conductive film, which is a control grid, and a conductive film, which is a focusing grid, formed on opposite sides of the dielectric film; characterized in that the control grid is divided into electrically isolated from each other, covering each hole or group of holes in the grid electrode elements having electrical leads for supplying potentials to them.