DE2747266A1 - Elektronenemitter - Google Patents

Description

EMI-VARIAN-Limited

Dipl.-Ing. Sigurd Leine ■ Dipl.-Phys. Dr. Norbert König Telefon (0511) 62X05

BurckhardtstraBe 1 D-3000 Hannover 1

Unser Zeichen

100/450

Datum

19. Oktober 1977

Elektronenemitter

Die Erfindung betrifft einen Elektronenemitter.

Elektronenemitter werden als Elektronenquellen für Elektronenentladungsvorrichtungen wie beispielsweise Klystrons und Mikrowellenröhren verwendet, und in vielen Anwendungsfällen ist ein Elektronenemitter erwünscht, der keine Heizung erfordert, um Elektronen zu emittieren. Ein Feldemitter, bei dem eine Elektronenemission aus einer Oberfläche eines feldemittierenden Materials mittels eines elektronenziehenden elekdrischen Feldes erzeugt wird, ist bekannt. Ein solcher Emitter emittiert jedoch Elektronen in einem großen Richtungsbereich. Darüber hinaus ist zur Ausbildung des Feldes eine Elektrodenanordnung dicht über der Oberfläche angeordnet. Die Elektrodenanordnung nimmt jedoch Elektronen auf und wird durch sie erwärmt, was unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit einem elektrischen Feld arbeitenden Elektronenemitter zu schaffen, bei dem die Richtung der Emission der Elektronen gesteuert ist und bei dem eine Erwärmung durch das Auftreffen von Elektronen

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auf die zur Anlenkung des Zugfeldes dienende Elektrodenanordnung verringert ist.

Erfindungsgemäß wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch einen Körper aus Material, der viele Vorsprünge aufweist, die ein Feld von Emitterzonen bilden, die durch Regionen getrennt sind, die keine wesentlichen Vorsprünge haben und somit nicht feldemissiv sind, eine foraminöse Zugelektrodenanordnung gegenüber dem Körper zur Aufnahme eines Zugpotentials zur Ausbildung eines elektronenziehenden Feldes an den Vorsprüngen, um Elektronen aus den Vorsprüngen zu ziehen, und eine foraminöse Fokuselektrodenanordnung zur Aufnahme eines weiteren Potentials, die auf der dem Körper abgewandten Seite der Zugelektrodenanordnung angeordnet ist, wobei die Elektrodenanordnung relativ zueinander und zu den Zonen angeordnet sind, daß sie elektrisch zusammenwirken und eine Vielzahl von elektrischen Fokussierfeldern bilden, um aus den jeweiligen Zonen gezogene Elektronen auf vorbestimmte Pfade zu fokussieren, wobei jede Zone zu entsprechenden öffnungen in beiden Elektrodenanordnungen und jede Region mit entsprechenden Materialbereichen der Elektrodenanordnungen fluchten.

Unter einer foraminösen Elektrodenanordnung wird hier eine solche verstanden, die eine Vielzahl von öffnungen ähnlich einem Gitter oder einem Sieb hat.

Jede Zone weist wenigstens einen Vorsprung auf, und bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht jede Zone aus einem Muster von Vorsprüngen.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.

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Fig. 1 zeigt einen Feldemitter gemäß der Erfindung in

einer Elektronenentladungseinrichtung, Fig. 2 zeigt vergrößert einen Teil des Emitters gemäß

Fig. 1,
Fig. 3 veranschaulicht ein Verfahren zur Fertigung der

Kathode eines Emitters gemäß den Fig. 1 und 2, und Fig. 4 ist ein axialer Schnitt durch ein Klystron mit einem Emitter gemäß den Fig. 1 und 2.

Es ist bekannt, daß ein elektrisches Feld eine Elektronenemission aus einem Körper aus gerichtetem erhärtetem eutektischem Material erzeugen kann, insbesondere dann, wenn ein solcher Körper eine Oberfläche hat, die Vorsprünge wie beispielsweise Fasern aufweist. In einem Fall (Journal of Applied Physics, Band 46, Seiten 1841-3) wird ein gleichgerichtetes erstarrtes Oxydmaterial zusammen mit einer Uranoxydmatrix verwendet, die Elektronenemitterfasern aus Wolfram von weniger als 1 Mikron im Durchmesser enthält. Die Matrix ist geätzt, um vorspringende Fasern zu erzeugen. Ein solches Muster liefert eine Emission von bis zu mehreren hundert Milliampere/cm²mit einer Elektrode, die sich im Abstand von ungefähr 0,5 mm zu der Oberfläche befindet und an die 3 bis kV angelegt sind, das bedeutet ein Feld zwischen 6 bis 24 kV/mm. Diese Emission ist jedoch nicht gerichtet und wird lediglich in einem Diodengebilde erzeugt, das durch den Emitter (Kathode) und eine Elektrode (Anode) gebildet ist. Für einen Elektronenemitter, der bei Elektronenentladungseinrichtungen, insbesondere bei mit linearem Strahl arbeitenden Mikrowelleneinrichtungen wie beispielsweise Klystrons verwendbar ist, muß die Emission eine Form

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haben, die gerichtet werden kann, z.B. als konvergierender Strahl. Fig. 1 zeigt eine Emitterkonstruktion, mit der ein gerichteter Strahl erzeugt werden kann, zusammen mit einer zugeordneten Anode.

In Fig. 1 ist ein Emitter 1 gezeigt, der eine Kathode 11 aus einem Körper aus gleichgerichtetem erstarrtem eutektischem Material aufweist, wie z.B. oben besenrieben. Die Kathode weist eine konkave (Mierfläche 12 auf, die einen Großflächenfeldemitter bildet. Die Oberfläche weist vorspringende Fasern, z.B. aus Wolfram,auf. Eine erste Elektrode 13 in Form eines Gitters mit Maschen von einer Weite von etwa o,5 mm ist gegenüber der Oberfläche 12 in gleichförmigem Abstand von einigen hundert Millimetern zu der Oberfläche 12 gehalten. Eine zweite Elektrode 14 in Form eines gleichen Emitters ist vor der ersten Elektrode gehalten. Die Emitter haben einen gleichförmigen Abstand von eini-

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gen hundert/Millimetern zueinander und sind daher gekrümmt, damit sie im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Maschen der Emitter sind so angeordnet, daß sie im wesentlichen miteinander fluchten, und zwar einmal, um eine Störung oder-Stauung der von der Kathode 11 emittierten Elektronen zu vermeiden und zum andern, um die Richtung der Emission zu steuern, was nachfolgend anhand der Fig. 2 näher erläutert wird.

Bei Betrieb einer evakuierten Röhre, die aus einem Kolben 19 besteht, in der die Anordnung der Fig. 1 enthalten ist, wird eine Anode 10 auf Massepotential und die Kathode 11 auf einem Potential zwischen -10 kV und -4OkV gehalten. Die Elektrode 13 wird auf einem Potential zwischen +1 kV und +3 kV in bezug zu

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der Kathode gehalten, wenn eine Emission erwünscht ist, und die Elektrode 14 wird ungefähr auf dem Potential der Kathode gehalten. Um eine Emission zu verhindern, kann die Elektrode 13 auf Kathodenpotential oder ein negatives Potential in bezug zu der Kathode eingestellt werden. Von der Oberfläche 12 emittierte Elektronen werden durch den Potentialgradienten Kathode/erster Emitter durch die Gitterebene gerichtet. Solche Elektronen, die in die Maschenöffnungen der ersten Elektrode eintreten, würden bei Abwesenheit des zweiten Gitters auseinanderlaufen und einen diffusen Strom von Elektronen ohne ausgewählte Richtung bilden. Der erste Gitter/zweite Gitterpotentialgradient und die ausgerichtete Maschenanordnung erzeugt ein elektrisches Feld von Einzel-Linsenform, das die Elektronen in parallelen Strahlen jeweils in Richtungen hält, die im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 12 liegen, so daß die Richtungen wegen der konkaven Form der Oberfläche 12 im wesentlichen konvergent sind. Der gesamte Anoden/Kathodenpotentialgradient richtet dann die konvergierenden Elektronen in einen im wesentlichen linearen Strahl 15. Die Gesamtwirkung ist ähnlich wie bei einer Pierce-Kanone. Fig. 2 verdeutlicht die Elektronenpfade in einem Maschenelement der Gitterelektroden. Fig. 2 zeigt außerdem die winzigen Fasern 121, die aus der Oberfläche 12 vortreten. Die Bezugszahlen 151, 152, 153 bezeichnen die divergierenden, konvergierenden und parallelen Abschnitte der Pfade des Strahls 15.

Fig. 2 zeigt außerdem die Verteilung der Fasern 121 auf der Oberfläche 12. Die Fasern sind nur dort vorhanden, wo emittierte Elektronen durch die Gittermaschen treten, während sie

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dort nicht vorhanden sind, wo emittierte Elektroden auf die Maschenrippen treffen würden. Auf diese Weise wird eine Erhitzung des Gitters durch auftreffende Elektronen, die eine Leistung von einigen hundert Watt haben könnten, in hohem Maße verringert, wenn nicht gar vermieden.

Ein zweckmäßiges Verfahren zur Erzeugung einer solchen Faserverteilung ist in Fig. 3 verdeutlicht. Ein Körper aus eutektischem Material, aus dem eine Kathode mit einer Oberfläche 12 gemäß Fig. 1 gebildet werden soll, ist mit 3 bezeichnet. Gegenüber einer konkaven Oberfläche 31 ist eine Funkenerosionselektrode 4 mit einem perforierten Abschnitt 41 gezeigt, der den Maschenrippen einer Gitterelektrode ähnlich der Elektrode 13 zugeordnet ist. Die Erosionselektrode und der Kathodenkörper werden in ein ölbad zum Zwecke der bekannten Funkenerosion gebracht. Der Erosionsprozeß wird so gesteuert, daß Vorsprünge aus den Bereichen entfernt werden, die den Maschenrippen entsprechen, während die Vorsprünge, die den Maschenöffnungen entsprechen, zurückbleiben. Auf diese Weise emittiert die Kathode nur dort, wo Vorsprünge verbleiben, wodurch die Erwärmung der Elektrodengitter bei Betrieb verringert wird, wodurch Leistung eingespart wird und Wärmestrahlungsprobleme verringert werden.

Natürlich können auch andere Techniken zur selektiven Entfernung von Vorsprüngen angewendet werden, z.B. elektrochemische Bearbeitung, Ätzen und Fotowiderstand oder selbst Glimmentladungsbearbeitung eines vollständigen Emitters mit den angeordneten Gittern. Es können auch andere Techniken zur Erzeugung der großflächigen emittierenden Anordnungen angewendet werden, z.B.

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können die Fasern durch Wickeltechniken,ähnlich wie die bei Kohlenstoff asern angewendeten, zusammengefügt werden. Die erforderlichen Maschenformen für die Elektrodengitter können erzeugt und angeordnet werden durch Techniken, wie sie bei thermonischen Gitteremittern angewendet werden. Es sind auch andere Techniken zur Bildung der Regionen möglich, in denen Elektronen weniger leicht emittiert werden, indem z.B. Matrixmaterial nur dort entfernt wird, wo die Vorsprünge gewünscht werden, wobei Erhebungen der Matrix zurückbleiben, die die Region bilden.

Ein Feldemitter gemäß der Erfindung kann unter Anwendung der Dünnfilmtechniken hergestellt werden, was zu einer kompakten Konstruktion eines Feldemitterkörpers und Zugteils führt, wobei durch diese Technik Elektroden 13 und 14 gebildet werden, die durch eine Schicht von dielektrischem Material getrennt sind.

Der Emitter weist ein Substrat aus Silizium auf, auf dem sich eine isolierende Schicht aus Siliziumdioxyd befindet, auf der ein Film aus Molybdän angeordnet Lst, der als Zugelektrode dienen soll. Durch den Film und die isolierende Schicht verlaufen viele fluchtende Ausnehmungen. Jede Ausnehmung ist ein Molybdänkonus, der als Feldemitter dient und dessen Basis durch das Siliziumsubstrat gehalten ist. Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gebildes ist von CA. Spindt, I. Brodie, L. Humphrey und E.R. Westerberg in einem Artikel mit dem Titel "Physical Properties of Thin-film Field Emission Cathodes with Molybdenum Cones" in der Zeitschrift "Journal of Applied Physics", Band 47, Nr. 12, Dezember 1976 beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Schicht von isolieren-

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dem Material auf den Molybdänfilm gebracht, wobei die Schicht Ausnehmungen aufweist, die zu Ausnehmungen in dem Film ausgerichtet sind, und ein Fokuselektrodenfilm wird auf die isolierende Schicht gebracht, der wiederum Ausnehmungen aufweist, die zu den Ausnehmungen in dem anderen Film und der isolierenden Schicht ausgerichtet sind. Die Elektrodenfilme wirken bei passender Speisung als Einzel-Linsen, die zu den Konen ausgerichtet sind, um Elektronen zu richten, die von den Konen emittiert werden.

Emitter, wie sie zuvor beschrieben wurden, sind besonders für Einrichtungen geeignet, wo sowohl ein Schnellstart als auch ein Dauerbetrieb erforderlich sind. Solche Einrichtungen sind z.B. Klystrons, Wanderfeldröhren, Kathodenstrahlröhren oder vielleicht auch Magnetrons. Z.B. kann der zuvor beschriebene Emitter eines thermonischen Emitters in einem Klystron verwendet werden, das in der DT-PS 1 541 005 beschrieben ist. Fig. 4 der Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch dieses Klystron. Das Klystron weist eine Elektronenkanone 41 auf, die einen Feldemitter der zuvor beschriebenen art enthält, sowie vier Resonanzhohlräume 42, 43, 44 und eine Kollektorelektrode 46, die in dieser Reihenfolge entlang der Achse des Klystrons angeordnet sind. Zwischen jedem Paar von Hohlräumen sind Fokussierelektroden 416, 417 und 418 vorgesehen. Jeder der Hohlräume ist zum Teil durch den Kupferkolben des Klystrons gebildet, wobei die Längswände mit der Bezugsziffer 49 bezeichnet sind. Die Wandungen 4 7 und 48 sind mit Driftrohren 410 und 411 in bekannter Weise ausgestattet, die koaxiale Steueröffnungen haben. Alle Hohlräume sind mit Kolben 412 ausgerüstet, die innerhalb der Hohlräume zum Zwecke der Abstimmung radial be-

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wegbar sind. Der Hohlraum 4 2 ist der Eingangshohlraum, und Hochfrequenzsignale können mittels einer Kopplungsschleife 413 eingespeist werden. Der Hohlraum 45 ist der Ausgangshohlraum und ist mit einem Ausgangshohlleiter 414 über ein dielektrisches Fenster 415 gekoppelt.

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Leerseite

Claims (13)

1. Patentansprüche :

   .J Elektronenemitter, gekennzeichnet durch

   einen Körper aus Material, der viele Vorsprünge aufweist, die ein Feld von Emitterzonen bilden, die durch Regionen getrennt sind, die keine wesentlichen Vorsprünge haben und somit nicht feldemissiv sind,

   eine foraminöse Zugelektrodenanordnung gegenüber dem Körper zur Aufnahme eines Zugpotentials zur Ausbildung eines elektronenziehenden Feldes an den Vorsprüngen, um Elektronen aus den Vorsprüngen zu ziehen, und

   eine foraminöse Fokuselektrodenanordnung zur Aufnahme eines weiteren Potentials, die auf der dem Körper abgewandten Seite der Zugelektrodenanordnung angeordnet ist,

   wobei die Elektrodenanordnung relativ zueinander und zu den Zonen angeordnet sind, daß sie elektrisch zusammenwir-

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   ken und eine Vielzahl von elektrischen Foku ssier fei dem bilden, um aus den jeweiligen Zonen gezogene Elektronen auf vorbestimmte Pfade zu fokussieren, wobei jede Zone zu entsprechenden öffnungen in beiden Elektrodenanordnungen und jede Region mit entsprechenden Materialbereichen der Elektrodenanordnungen fluchten.
2. 2. Elektronenemitter nach Anspruch 1,dadurch gekenn zeichnet, daß jede Zone wenigstens einen Vorsprung aufweist.
3. 3. Elektronenemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zone ein Muster von Projektionen aufweist, die aus der Oberfläche des Körpers vorspringen.
4. 4. Elektronenemitter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus eutektischem Material besteht und die Vorsprünge ausgerichtete einkristalline Fasern sind.
5. Elektronenemitter nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche konkav ist und die Elektrodenanordnungen wenigstens zum Teil Abschnitte aufweisen, die parallel zu der Oberfläche verlaufen.
6. 6. Elektronenemitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden-

   809819/0647 ~³~

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   anordnungen ausgerichtete Maschen aufweisen.
7. 7. Elektronenemitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen in einer konkaven Ebene liegen, um so die Fokussierung emittierter Elektroden zu begünstigen.
8. 8. Elektronenemitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig Mittel zum Anlegen des Zugpotentials und weiterer Potentiale an die Elektrodenanordnungen vorgesehen sind.
9. 9. Einrichtung, die Elektronenemissionen anwendet, gekennzeichnet durch einen Elektronenemitter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennze ichnet, daß die Einrichtung mit linearem Strahl arbeitet.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein Klystron ist.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Wanderfeldröhre ist.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Kathodenstrahlröhre

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