RU2143766C1

RU2143766C1 - Charged particles emitter

Info

Publication number: RU2143766C1
Application number: RU99102362/09A
Authority: RU
Inventors: С.С. Каратецкий; В.Н. Шредник; Е.О. Попов; О.П. Коровин
Original assignee: Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН
Priority date: 1999-02-08
Filing date: 1999-02-08
Publication date: 1999-12-27

Abstract

FIELD: electronic engineering; intensive electron and ion current sources. SUBSTANCE: emitter that can function as source of high- power electron and ion currents both in pulsed and constant emission modes has substrate and insulating fine-structure screen in the form of film with through channels, as well as conducting layer placed between mentioned channels. Novelty is that conducting layer is made of liquid metal or metal alloy filling also through channels of film. Conducting layer may be made of gallium, gallium and indium alloy, potassium and sodium alloy taken in 1:1.45:1.55 proportion, or it may be mercury. Substrate may be provided with fillets on edges. Film may be made of mica, quartz, or polymeric material such as polyethylene terephthalate. EFFECT: improved stability of emissive properties of emitter. 10 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к электронике и может найти применение в качестве источника интенсивных электронных потоков в лучевых приборах, дисплеях, сильноточных ускорителях, для генерации рентгеновских лучей, возбуждения лазеров, а в качестве источника ионов - для модификации поверхности, легирования полупроводников, для создания наноструктур, в ионно-лучевых приборах, например аналитических приборах. The invention relates to electronics and can be used as a source of intense electron fluxes in radiation devices, displays, high-current accelerators, for the generation of X-rays, laser excitation, and as an ion source for surface modification, doping of semiconductors, to create nanostructures, in ion -radiation instruments, for example analytical instruments.

В настоящее время известны различные конструкции твердых и жидкометаллических полевых эмиттеров электронов и ионов, как одноострийных, так и многоострийных. Currently, various designs of solid and liquid-metal field emitters of electrons and ions, both single-axis and multi-axis, are known.

Так, известен автоэмиссионный катод, содержащий эмиттер из углеродного волокна конической формы, закрепленного на металлическом держателе. На вершине углеродного волокна вдоль его продольной оси выполнено углубление диаметром, выбранным в диапазоне 0,1 - 0,4 мкм (см. патент РФ N 2004028 по кл. H 01 J 1/30, опубликован 30.11.1993 г.). Thus, a field emission cathode is known that contains a conical-shaped carbon fiber emitter mounted on a metal holder. On top of the carbon fiber along its longitudinal axis, a recess is made with a diameter selected in the range of 0.1 - 0.4 μm (see RF patent N 2004028 according to class H 01 J 1/30, published on November 30, 1993).

Известный катод имеет стабильные эмиссионные характеристики и прост в изготовлении, однако может применяться лишь для получения слабых токов, а в случае возникновения взрывной электронной эмиссии его геометрия и соответственно характеристики необратимо меняются. Известен точечный автоэлектронный катод, содержащий острие, размещенное в диэлектрическом канале (см. авторское свидетельство СССР N 1238614 по кл. H 01 J 1/30, опубликовано 15.12.1986 г.). The known cathode has stable emission characteristics and is easy to manufacture, however, it can only be used to obtain low currents, and in the event of explosive electron emission, its geometry and, accordingly, the characteristics irreversibly change. A point-type autoelectronic cathode is known that contains a tip located in a dielectric channel (see USSR author's certificate N 1238614 according to class H 01 J 1/30, published on December 15, 1986).

Известный автоэлектронный катод позволяет получать незначительный по величине ток, а в случае возникновения взрывной эмиссии его характеристики необратимо изменяются. The well-known field-emission cathode allows to obtain a current of small magnitude, and in the event of explosive emission, its characteristics irreversibly change.

Известен многоострийный катод для вакуумных люминесцентных экранов, содержащий основание с размещенными на нем остриями-подложками, на вершинах которых сформированы нитевидные кристаллы из тугоплавких металлов (см. авторское свидетельство СССР N 1150678 по кл. H 01 J 29/04, опубликовано 15.04.1985 г.). A multi-tip cathode for vacuum luminescent screens is known, containing a base with substrate points placed on it, on the tops of which whiskers are made of refractory metals (see USSR author's certificate N 1150678 according to class H 01 J 29/04, published 04/15/1985 .).

Известный многоострийный катод не обеспечивает получение достаточно больших плотностей токов и необратимо разрушается при перегрузке. The well-known multi-tip cathode does not provide sufficiently high current densities and is irreversibly destroyed by overload.

Известен автоэмиссионный жидкостный катод, содержащий слой жидкого металла, под которым помещена кварцевая пластина, возбуждаемая генератором звуковой частоты (см. авторское свидетельство СССР N342242 по кл. H 01 J 1/30, опубликовано 14.06.1972 г.). A field-emission liquid cathode is known that contains a layer of liquid metal, under which a quartz plate excited by a sound frequency generator is placed (see USSR author's certificate N342242 according to class H 01 J 1/30, published on June 14, 1972).

В известном жидкостном катоде при вибрации кварцевой пластины под действием пондеромоторных сил электрического поля формируются микровыступы, с поверхности которых и происходит автоэмиссия электронов. In the known liquid cathode, when the quartz plate vibrates under the action of the ponderomotive forces of the electric field, microprotrusions are formed, from the surface of which the electron emission occurs.

Недостатком известного жидкостного катода является ограниченная область его применения, так как катод устойчиво работает только при его горизонтальном расположении. Кроме того, его необходимо дополнительно снабжать генератором звуковой частоты. A disadvantage of the known liquid cathode is the limited scope of its application, since the cathode is stable only when it is horizontal. In addition, it must be additionally equipped with an audio frequency generator.

Известен жидкостный катод, содержащий расплав металла, заключенный в оболочку из проводящего материала, которая помещена в полом проводнике коаксиального ввода. Оболочка катода снабжена диэлектрической насадкой, имеющей в торцевой части капиллярный канал, открытая поверхность расплава в котором является эмиттирующей поверхностью жидкостного катода (см. авторское свидетельство СССР N 526032 по кл. H 01 J 1/30, опубликовано 26.08.1976 г.). Known liquid cathode containing molten metal enclosed in a sheath of conductive material, which is placed in the hollow conductor of the coaxial input. The cathode shell is equipped with a dielectric nozzle having a capillary channel in the end part, the open surface of the melt in which is the emitting surface of the liquid cathode (see USSR author's certificate N 526032 according to class H 01 J 1/30, published on 08/26/1976).

Известный жидкостный катод имеет большую устойчивость и обратимость формы в случае возникновения взрывной эмиссии, исключает переход его рабочего режима к разряду с падающей характеристикой и имеет простую конструкцию. Однако у известного жидкостного катода рабочая поверхность ограничена площадью капиллярного канала диэлектрической насадки, что лимитирует величину тока с катода. Размеры острий и их количество не позволяют снимать большие плотности токов. The known liquid cathode has great stability and shape reversibility in the event of explosive emission, eliminates the transition of its operating mode to a discharge with a falling characteristic and has a simple design. However, with the known liquid cathode, the working surface is limited by the area of the capillary channel of the dielectric nozzle, which limits the amount of current from the cathode. The size of the tips and their number do not allow to remove high current densities.

Известен взрывоэмиссионный катод, содержащий камеру с рабочим телом, закрытую пористой крышкой. Камера с рабочим телом помещена в криогенный охладитель, а в качестве рабочего тела выбрана вода (см. авторское свидетельство СССР N1468293 по кл. H 01 J 1/30, опубликовано 30.08.1992 г.). Known explosive emission cathode containing a chamber with a working fluid, closed by a porous lid. The chamber with the working fluid was placed in a cryogenic cooler, and water was chosen as the working fluid (see USSR author's certificate N1468293 according to class H 01 J 1/30, published on 08/30/1992).

Известный катод позволяет получать значительные по величине взрывные токи. Недостатком, ограничивающим сферу применения известного катода, является необходимость использования криогенной установки. The known cathode allows to obtain significant explosive currents. A disadvantage that limits the scope of application of the known cathode is the need to use a cryogenic installation.

Известен эмиттер заряженных частиц, совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу признаков и принятый за прототип (катод со взрывной эмиссией для электронов), состоящий из металлической подложки и инициатора взрывной эмиссии в виде металлической или диэлектрической сетки (в качестве такой сетки может быть использован ядерный фильтр), между которыми размещен слой из твердого проводящего материала (в качестве которого может быть взята медь или графит) с коэффициентом газовыделений K=0,01-5 см³/г (см. авторское свидетельство СССР N 976804 по кл. H 01 J 1/30, опубликовано 15.08.1984 г.).A known emitter of charged particles, which coincides with the claimed solution for the largest number of signs and adopted as a prototype (cathode with explosive emission for electrons), consisting of a metal substrate and initiator of explosive emission in the form of a metal or dielectric grid (a nuclear filter can be used as such a grid ) between which a layer of solid conductive material is placed (which can be taken as copper or graphite) with a gas evolution coefficient K = 0.01-5 cm ³ / g (see USSR author's certificate N 97 6804, class H 01 J 1/30, published 08/15/1984).

Известный эмиттер заряженных частиц позволяет получать значительный токоотбор электронов в импульсном режиме. Недостатками известного эмиттера являются: необратимость изменений в процессе работы, связанная с использованием взрывного режима при применении твердотельного рабочего тела. The well-known emitter of charged particles allows to obtain a significant current selection of electrons in a pulsed mode. The disadvantages of the known emitter are: the irreversibility of changes in the process associated with the use of explosive mode when using a solid-state working fluid.

Задачей заявляемого изобретения являлась разработка такого эмиттера заряженных частиц, который бы имел стабильные эмиссионные свойства, был малочувствителен к вакуумным условиям работы, мог быть источником мощных токов электронов и ионов как в импульсном режиме, так и в режиме постоянной эмиссии и позволял бы произвольно наращивать площадь эмиттирующей поверхности и соответственно увеличивать величину тока. The objective of the invention was the development of such an emitter of charged particles, which would have stable emission properties, was insensitive to vacuum conditions, could be a source of powerful currents of electrons and ions both in pulsed mode and in constant emission mode and would allow to arbitrarily increase the area emitting surface and increase the current accordingly.

Поставленная задача решается тем, что в эмиттере заряженных частиц, содержащем подложку и диэлектрическую мелкоструктурную сетку в виде пленки со сквозными каналами, между которыми размещен слой из проводящего материала, упомянутый слой выполнен из жидкого металла или жидкого металлического сплава, которым заполнены и сквозные каналы пленки. The problem is solved in that in a charged particle emitter containing a substrate and a fine-structured dielectric grid in the form of a film with through channels, between which a layer of conductive material is placed, said layer is made of a liquid metal or a liquid metal alloy with which the through channels of the film are filled.

Жидкометаллический слой может быть выполнен из галлия, ртути, сплава галлия и индия, сплава калия и натрия, взятых в объемном соотношении 1:1,45 - 1: 1,55, т.е. из тех металлов и сплавов, которые находятся в жидкой фазе при температурах, близких к комнатной. The liquid metal layer can be made of gallium, mercury, an alloy of gallium and indium, an alloy of potassium and sodium, taken in a volume ratio of 1: 1.45 - 1: 1.55, i.e. of those metals and alloys that are in the liquid phase at temperatures close to room temperature.

Диэлектрическая пленка может быть выполнена из слюды, кварца, полимерного материала, например из полиэтилентерефталата. Толщина пленки может лежать в интервале от нескольких микрон до нескольких десятков микрон. Более тонкая пленка оказывается механически непрочной, а более толстая пленка потребует приложения чрезмерно большого напряжения для обеспечения заполнения каналов жидким металлом. Диаметр сквозных каналов может быть величиной от 0,3 мкм до 1 мкм. Плотность каналов в пленке может достигать 10⁸ см^-2. При большей плотности каналов имеет место большой процент совмещенных друг с другом каналов.The dielectric film may be made of mica, quartz, a polymeric material, for example, polyethylene terephthalate. The film thickness can range from a few microns to several tens of microns. A thinner film is mechanically unstable, and a thicker film will require the application of an excessively high voltage to ensure that the channels are filled with liquid metal. The diameter of the through channels can be from 0.3 μm to 1 μm. The density of the channels in the film can reach 10 ⁸ cm ^-2 . With a higher density of channels, a large percentage of channels combined with each other takes place.

Подложка может быть снабжена буртиками, на которых закреплена пленка со сквозными каналами. Подложка может быть выполнена металлической, полупроводниковой или диэлектрической. В последнем случае напряжение подают на эмиттер через слой жидкого металла (металлического сплава). Выполнение подложки из полупроводникового материала позволяет повысить стабильность работы эмиттера за счет ограничения максимального тока. The substrate may be provided with beads on which a film with through channels is fixed. The substrate can be made of metal, semiconductor or dielectric. In the latter case, the voltage is applied to the emitter through a layer of liquid metal (metal alloy). The implementation of the substrate of a semiconductor material can improve the stability of the emitter due to the limitation of the maximum current.

Размещение между подложкой и мелкоструктурной сеткой слоя жидкого металла (или металлического сплава) вместо твердого проводящего материала приводит к тому, что кардинальным образом изменяется характер физических процессов, происходящих при работе эмиттера. Placing a layer of liquid metal (or a metal alloy) between the substrate and the fine-grained network instead of the solid conductive material leads to a drastic change in the nature of the physical processes that occur during the operation of the emitter.

В эмиттере-прототипе мелкоструктурная сетка является инициатором взрывной эмиссии. При подаче напряжения вначале происходит разогрев тонкого слоя вставки из проводящего материала, прилегающего к мелкоструктурной сетке за счет протекания автоэлектронного тока, затем из этой разогретой вставки начинается интенсивное газовыделение, после чего на поверхности мелкоструктурной сетки образуется катодная плазма, являющаяся эмиттером электронов. In the emitter prototype, a fine-grained mesh initiates explosive emission. When voltage is applied, a thin layer of an insert made of a conductive material adjacent to the fine-grained grid is heated due to the flow of an autoelectronic current, then intense gas evolution starts from this heated insert, after which a cathode plasma is formed on the surface of the fine-grained grid, which is an electron emitter.

В заявляемом эмиттере заряженных частиц в отличие от прототипа мелкоструктурная диэлектрическая сетка в виде пленки со сквозными каналами является не инициатором взрывной эмиссии, а служит формирователем острий жидкометаллического источника заряженных частиц. При этом при подаче на слой жидкого металла (металлического сплава) отрицательного напряжения происходит автоэлектронная или взрывная (при дальнейшем повышении напряжения) эмиссия, а при подаче положительного напряжения происходит эмиссия положительных ионов за счет полевой ионизации. In the claimed emitter of charged particles, in contrast to the prototype, a fine-structured dielectric grid in the form of a film with through channels is not an initiator of explosive emission, but serves as a shaper of the tips of a liquid-metal source of charged particles. In this case, when a negative voltage is applied to the layer of liquid metal (metal alloy), field emission or explosive (with a further increase in voltage) occurs, and when a positive voltage is applied, the emission of positive ions occurs due to field ionization.

Использование диэлектрической мелкоструктурной сетки, под которой находится слой жидкого металла или металлического сплава позволяет создать ансамбль острий с заранее заданной плотностью и требуемым в каждом конкретном случае соотношением между высотой отдельного острия и его диаметром. Площадь эмиттера ограничивается возможными размерами пленки и в принципе может составлять десятки квадратных метров, в результате максимальный отбираемый ток будет ограничиваться лишь мощностью источника напряжения. Эластичные свойства мелкоструктурной пленки позволяют изготавливать эмиттеры самой разнообразной геометрии (плоские, цилиндрические, криволинейные и другие). The use of a fine-grained dielectric grid, under which there is a layer of liquid metal or a metal alloy, makes it possible to create an ensemble of points with a predetermined density and the ratio between the height of an individual tip and its diameter required in each case. The emitter area is limited by the possible film sizes and, in principle, can be tens of square meters, as a result, the maximum current taken will be limited only by the power of the voltage source. The elastic properties of a fine-structure film allow emitters of the most diverse geometries to be manufactured (flat, cylindrical, curved, and others).

Заявляемый эмиттер заряженных частиц иллюстрируется чертежами, где
на фиг. 1 показан общий вид плоского эмиттера в поперечном разрезе;
на фиг. 2 дан вид сверху плоского эмиттера;
на фиг. 3 приведен вариант цилиндрического эмиттера (вид сбоку);
на фиг. 4 показан поперечный разрез цилиндрического эмиттера;
на фиг. 5 представлена осциллограмма напряжения U и эмиссионного тока I;
на фиг. 6 приведена вольт-амперная характеристика эмиттера в режиме катода и питания синусоидальным напряжением.The inventive emitter of charged particles is illustrated by drawings, where
in FIG. 1 is a cross-sectional perspective view of a planar emitter;
in FIG. 2 is a plan view of a planar emitter;
in FIG. 3 shows a variant of a cylindrical emitter (side view);
in FIG. 4 shows a cross section through a cylindrical emitter;
in FIG. 5 shows a waveform of voltage U and emission current I;
in FIG. Figure 6 shows the current-voltage characteristic of the emitter in the cathode mode and supply with a sinusoidal voltage.

Эмиттер заряженных частиц состоит из подложки 1 и диэлектрической мелкоструктурной сетки 2 в виде пленки со сквозными каналами 3. Между подложкой 1 и сеткой 2 размещен слой жидкого металла (металлического сплава) 4. Сетка 2 по периметру механически закреплена на подложке 1, например, с помощью буртика 5. Подложка 1 может быть выполнена из металла, полупроводника или диэлектрика, в последнем случае напряжение подают непосредственно на слой жидкого металла (металлического сплава) 4. Для создания металлического слоя 4 могут быть применены галлий, ртуть, сплав галлия и индия, сплав калия и натрия, взятых в соотношении 1:1,45 - 1:1,55, а также любые другие металлы и сплавы, находящиеся в жидкой фазе при рабочей температуре того устройства, в котором применяют заявляемый эмиттер. The charged particle emitter consists of a substrate 1 and a fine-structured dielectric grid 2 in the form of a film with through channels 3. A layer of liquid metal (metal alloy) is placed between the substrate 1 and the grid 2. The mesh 2 is mechanically fixed around the perimeter on the substrate 1, for example, using shoulder 5. Substrate 1 can be made of metal, semiconductor or dielectric, in the latter case, voltage is applied directly to the liquid metal layer (metal alloy) 4. Gallium can be used to create the metal layer 4, p ute, an alloy of gallium and indium, an alloy of potassium and sodium, taken in a ratio of 1: 1.45 - 1: 1.55, as well as any other metals and alloys that are in the liquid phase at the operating temperature of the device in which the inventive emitter is used .

Мелкоструктурная диэлектрическая сетка может быть выполнена из полимерного материала, слюды, кварца или другого диэлектрического материала, из которого может быть изготовлена пленка толщиной, лежащей в интервале от нескольких микрон до нескольких десятков микрон. Каналы 3 требуемого диаметра (0,3 - 1,0 мкм) могут быть получены по изготовления ядерного фильтра: последовательным облучением пленки тяжелыми ионами высоких энергий, например Ar с энергией в несколько десятков МэВ, ультрафиолетовым излучением с последующим технологическим травлением. A fine-grained dielectric network can be made of a polymeric material, mica, quartz, or other dielectric material, from which a film with a thickness lying in the range from several microns to several tens of microns can be made. Channels 3 of the required diameter (0.3 - 1.0 μm) can be obtained by manufacturing a nuclear filter: by sequentially irradiating the film with heavy high-energy ions, for example, Ar with an energy of several tens of MeV, ultraviolet radiation, followed by technological etching.

Пример. Example.

Была изготовлена плоская диодная конструкция с заявляемым эмиттером. Площадь эмиттера составляла 0,25 см². Плотность каналов 3 в сетке 2 (в виде пленки из полиэтилентерефталата толщиной 10 мкм) равнялась 6 • 10⁷ см^-2, а диаметр каналов 3 лежал в интервале 0,35 - 0,40 мкм. Подложка 1 выполнялась из металла и арсенида галлия. Расстояние анод - катод составляло в разных экспериментах 3 - 4 мм. В качестве жидкого металла был использован галлий, который был нанесен слоем на подложку 1. Диодная конструкция была размещена в вакууме 10^-6 Торр. В зависимости от условий эксперимента на эмиттер подавалось синусоидальное напряжение 50, 400 Гц, а также постоянное напряжение, а анод был заземлен. Предварительно на эмиттер подавалось напряжение, превышающее в 1,5 раза рабочее напряжение для тренировки эмиттера, которая требуется для того, чтобы галлий заполнил каналы 3 (заполнения каналов 3 можно также достичь, создавая разрежение над сеткой 2). Осциллограмма напряжения U и величины тока I приведена на фиг.5. Зависимость величины тока эмиттера от разности потенциалов между анодом и катодом приведены на фиг. 6 (при работе заявляемого эмиттера в качестве катода). Аналогичные зависимости были получены и при работе эмиттера в качестве анода.A flat diode design with the claimed emitter was made. The emitter area was 0.25 cm ² . The density of channels 3 in the grid 2 (in the form of a film of polyethylene terephthalate with a thickness of 10 μm) was 6 • 10 ⁷ cm ^-2 , and the diameter of the channels 3 was in the range 0.35 - 0.40 μm. The substrate 1 was made of metal and gallium arsenide. The anode - cathode distance in different experiments was 3-4 mm. Gallium was used as the liquid metal, which was deposited on a substrate 1. The diode structure was placed in a vacuum of 10 ^-6 Torr. Depending on the experimental conditions, a sinusoidal voltage of 50, 400 Hz and a constant voltage were applied to the emitter, and the anode was grounded. Previously, the emitter was supplied with a voltage exceeding 1.5 times the operating voltage for training the emitter, which is required for gallium to fill channels 3 (filling channels 3 can also be achieved by creating a vacuum above grid 2). The waveform of the voltage U and the magnitude of the current I is shown in Fig.5. The dependence of the emitter current on the potential difference between the anode and cathode is shown in FIG. 6 (when the inventive emitter operates as a cathode). Similar dependences were obtained when the emitter operated as an anode.

Заявляемый эмиттер обеспечивал стабильный ток эмиссии на протяжении длительного времени. The inventive emitter provided a stable emission current for a long time.

Claims

1. An emitter of charged particles, containing a substrate and a dielectric fine-structure grid in the form of a film with through channels, between which a layer of conductive material is placed, characterized in that said layer is made of liquid metal or a metal alloy with which the through channels of said film are filled.

2. The emitter according to claim 1, characterized in that said layer is made of gallium.

3. The emitter according to claim 1, characterized in that said layer is made of an alloy of gallium and indium.

4. The emitter according to claim 1, characterized in that the said layer is made of an alloy of potassium and sodium, taken in a volume ratio of 1: 1.45 - 1: 1.55.

5. The emitter according to claim 1, characterized in that said layer is made of mercury.

6. The emitter according to claim 1, characterized in that the substrate is provided at the edges with beads.

7. The emitter according to claim 1, characterized in that the said film is made of mica.

8. The emitter according to claim 1, characterized in that the said film is made of quartz.

9. The emitter according to claim 1, characterized in that the said film is made of a polymeric material.

10. The emitter according to claim 1, characterized in that said film is made of polyethylene terephthalate.