RU2387042C2 - Electron flux amplifier - Google Patents
Electron flux amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2387042C2 RU2387042C2 RU2008117195/28A RU2008117195A RU2387042C2 RU 2387042 C2 RU2387042 C2 RU 2387042C2 RU 2008117195/28 A RU2008117195/28 A RU 2008117195/28A RU 2008117195 A RU2008117195 A RU 2008117195A RU 2387042 C2 RU2387042 C2 RU 2387042C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plate
- electrons
- electron
- specified
- diamond film
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к вакуумной электронике и может быть использовано в клистронах, мощных СВЧ лампах и устройствах защиты от мощных СВЧ импульсов.The invention relates to vacuum electronics and can be used in klystrons, high-power microwave lamps and protection devices from high-power microwave pulses.
Известны микроканальные пластины приборов ночного видения Дедал - 200 [1] и Даркос NGB/1 [2], используемые в качестве усилителей электронного потока в электронно-оптических преобразователяхKnown microchannel plate night vision devices Daedalus - 200 [1] and Darcos NGB / 1 [2], used as amplifiers of the electron beam in electron-optical converters
Усилители электронного потока (УЭП) [3] представляют собой микроканальную пластину (МКП) со сквозными микроканалами, в которых падающий электронный поток под действием поля рождает вторичные электроны, обеспечивающие усиление электронного потока в (100-1000) раз, но такое усиление достигается только при очень малых плотностях тока, не более 10-4 А/см2.Electron flux amplifiers (UEP) [3] are a microchannel plate (MCP) with through microchannels in which the incident electron flux gives rise to secondary electrons under the action of the field, which provide amplification of the electron flux by (100-1000) times, but such amplification is achieved only when very low current densities, not more than 10 -4 A / cm 2 .
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является усилитель электронного потока [4], выполненный на проводящей алмазной пленке. Конструкция усилителя электронного потока представлена на фиг.1. На кремниевой рамке 1 находится алмазная пленка 2. В алмазной пленке находятся периодически расположенные отверстия 3 микронного размера. При падении на алмазную пленку 2 первичного электронного потока (см. фиг.1) электроны этого потока рождают вторичные электроны [5]. Ускоряющее электрическое поле, приложенное между пленкой 2 и электродом 4, проникает через отверстия 3 на сторону пленки, с которой выходят вторичные электроны, и через отверстия 3 вытягивает вторичные электроны на сторону пленки, обращенную к электроду 4, тем самым создавая усиленный вторичный поток электронов. При данной конструкции усилителя и начальной энергии электронов в 1 кэВ получается усиление 30. Однако при дальнейшем увеличении энергии электронов происходит быстрое падение коэффициента усиления.Closest to the claimed technical solution is an electron beam amplifier [4], made on a conductive diamond film. The design of the electron beam amplifier is shown in FIG. On the
Это объясняется тем, что вторичные электроны рождаются на большей глубине и до поверхности пленки доходит все меньше и меньше вторичных электронов в силу конечной величины диффузионной длины, которая в поликристаллических алмазных пленках может составлять всего доли микрона. Рождение на большой глубине вторичных электронов имеет еще и тот недостаток, что вторичным электронам требуется больше времени на достижение поверхности пленки, а это резко ухудшает частотные характеристики СВЧ приборов, в которых предлагается использовать усилитель электронного потока.This is explained by the fact that secondary electrons are generated at a greater depth and less and less secondary electrons reach the film surface due to the finite diffusion length, which in polycrystalline diamond films can be a fraction of a micron. The production of secondary electrons at great depths also has the disadvantage that secondary electrons require more time to reach the film surface, and this sharply affects the frequency characteristics of microwave devices in which it is proposed to use an electron beam amplifier.
Целью изобретения является повышение коэффициента усиления за счет повышения энергии падающих электронов (или получение максимального коэффициента усиления электронов с определенной энергией Е).The aim of the invention is to increase the gain by increasing the energy of incident electrons (or to obtain the maximum gain of electrons with a certain energy E).
Поставленная цель достигается тем, что в усилителе электронного потока для электрооптического преобразователя, содержащем покрытую с обеих сторон металлической пленкой проводящую пластину с периодически расположенными сквозными отверстиями, причем указанная проводящая пластина содержит, по крайней мере, участки поверхности, состоящие из проводящей алмазной пленки, при этом на пластину нормально к ее поверхности падает первичный поток электронов, создающий вторичную эмиссию электронов с обратной стороны пластины, предусмотрено следующее:This goal is achieved by the fact that in the electron beam amplifier for an electro-optical transducer comprising a conductive plate coated on both sides with a metal film and periodically arranged through holes, said conductive plate containing at least surface portions consisting of a conductive diamond film, the primary stream of electrons normally falls onto the plate to its surface, creating a secondary emission of electrons from the back of the plate, it is provided that uyuschee:
указанные отверстия выполнены в виде щелей, расположенных к поверхности указанной пластины под определяемым экспериментальным путем оптимальным углом α, обеспечивающим наибольшую вторичную эмиссию для падающего потока электронов, причем толщина пластины Н и ширина щели h связаны соотношением h=H cosα, при этом упомянутыми участками поверхности, состоящими из проводящей алмазной пленки, является внутренняя поверхность щелей, удельное сопротивление указанной проводящей пластины не более 0.1Ом·см, а поверхностное сопротивление металла на поверхности пластины не более 0.01 Ом/□.these holes are made in the form of slots located to the surface of the specified plate under an experimentally determined optimal angle α, which provides the greatest secondary emission for the incident electron flux, and the plate thickness H and the width of the slit h are related by the relation h = H cosα, while the above-mentioned surface sections consisting of a conductive diamond film, is the internal surface of the slots, the specific resistance of the specified conductive plate is not more than 0.1 Ohm · cm, and the surface resistance of the metal on overhnosti plate not more than 0.01 ohms / □.
Таким образом, преодолеть указанные недостатки можно, если первичный электрон, обладающий энергией Е, направить к поверхности, эмиттирующей вторичные электроны под оптимальным углом α, при котором достигается максимальный коэффициент умножения электронов для данной энергии Е.Thus, these drawbacks can be overcome if the primary electron with energy E is directed to the surface emitting secondary electrons at an optimal angle α, at which the maximum electron multiplication coefficient for a given energy E.
Конструктивное решение проблемы представлено на фиг.2.A constructive solution to the problem is presented in figure 2.
На фиг.2 изображена конструкция усилителя электронного потока, где:Figure 2 shows the design of the electron beam amplifier, where:
1 - кремниевая пластина КЭФ 4.5 толщиной Н от десятков до сотен микрон;1 - KEF 4.5 silicon wafer with a thickness of H from tens to hundreds of microns;
2 - металлическая пленка Сr толщиной 1 мкм, образующая омический контакт к кремнию;2 - metal film Cr with a thickness of 1 μm, forming an ohmic contact to silicon;
3 - периодически расположенные одинаковые щели шириной h от нескольких микрон до десятков и имеющие наклон к поверхности пластины под углом α, причем h=HCosα;3 - periodically located identical slots of width h from a few microns to tens and having an inclination to the surface of the plate at an angle α, with h = HCosα;
4 - алмазная пленка р-типа, покрывающая стенки щели;4 - p-type diamond film covering the walls of the slit;
5 - стенки щели минимальной толщины, достигаемой при используемой технологии изготовления усилителя электронного потока.5 - walls of the slit of the minimum thickness achieved with the used technology of manufacturing an electron beam amplifier.
Конструкция усилителя электронного потока представлена на фиг.2. В кремниевой пластине 1, покрытой с обеих сторон слоем хрома 2, сформированы одинаковые и периодически расположенные щели 3, наклонные под оптимальным для данной энергии электронов Е углом α, причем ширина щели h, толщина пластины Н и угол α связаны соотношением h=HCosα. Стенки щелей 5 покрыты алмазной пленкой 4 р-типа проводимости.The design of the electron beam amplifier is shown in FIG. In a
Усилитель изготавливается следующим образом. В кремниевой пластине КЭФ 4.5 толщиной 100-300 мкм и покрытой с обеих сторон слоем хрома 2 каким-либо образом (например, лазерным лучом) под углом а к поверхности формируются щели 3 шириной 10-50 мкм. Затем в ультразвуковой ванне с суспензией алмазного порошка обрабатывают кремниевую пластину, создавая тем самым центры нуклеации алмазной пленки, после чего в плазме CVD методом формируется алмазная пленка р-типа 4.The amplifier is made as follows. In a KEF 4.5 silicon wafer with a thickness of 100-300 μm and a
Оптимальный угол α для данной энергии электронов Е и данной технологии покрытия стенок алмазной пленки определяется следующим образом. На плоской поверхности пластины формируют алмазную пленку. Затем пластину помещают в электронный микроскоп и добиваются при данной энергии падающих электронов Е изменением угла падения электронов наибольшей яркости во вторичных электронах Угол, при котором добиваются максимальной яркости изображения пластины, и является оптимальным. Принцип действия усилителя такой же, как и для усилителя [4]. Отличие состоит в том, что коэффициент умножения электронов в данной конструкции достигает своего максимального значения при данной энергии электронов и это значение сохраняется при плотностях падающего тока до 1.0 А/см2, что при коэффициенте усиления 10-100 позволяет получать поток вторичных электронов в 10-100 А/см2. Оптимальность коэффициента усиления достигается, во-первых, за счет оптимального угла α, а во-вторых, за счет соотношения h=HCosα. Действительно, если h<HCosα, то вторичные электроны будут рождаться в щели дальше от отверстия, через которое электрическое поле вытягивает их на сторону, противоположную стороне, на которую падают первичные электроны. Следовательно, эффективность использования вторичных электронов будет ниже. Если h>HCosα, то часть первичных электронов будет проходить щель насквозь, не рождая вторичных электронов, и, следовательно, коэффициент умножения первичных электронов тоже уменьшится.The optimal angle α for a given electron energy E and this technology for coating the walls of a diamond film is determined as follows. A diamond film is formed on the flat surface of the plate. Then the plate is placed in an electron microscope and achieved at a given energy of incident electrons E by changing the angle of incidence of the electrons of the highest brightness in secondary electrons. The angle at which the maximum brightness of the image of the plate is achieved is optimal. The principle of operation of the amplifier is the same as for the amplifier [4]. The difference is that the electron multiplication coefficient in this design reaches its maximum value for a given electron energy and this value is stored at incident current densities of up to 1.0 A / cm 2 , which, with a gain of 10-100, allows the production of a secondary electron flux of 10- 100 A / cm 2 . The optimality of the gain is achieved, firstly, due to the optimal angle α, and secondly, due to the ratio h = HCosα. Indeed, if h <HCosα, then secondary electrons will be born in the gap farther from the hole through which the electric field draws them to the side opposite to the side on which the primary electrons fall. Consequently, the efficiency of using secondary electrons will be lower. If h> HCosα, then part of the primary electrons will pass through the gap without generating secondary electrons, and, therefore, the multiplication coefficient of primary electrons will also decrease.
При плотностях тока первичных электронов 0.1 А/см2 - 1.0 А/см2 необходимо предпринимать меры, чтобы не было чрезмерного нагрева усилителя, приводящего к его разрушению. Есть неизбежный нагрев, связанный с рассеиванием энергии первичных электронов и рождением вторичных электронов. Кроме этого неизбежного нагрева усилитель нагревается за счет протекания тока, необходимого для компенсации рожденных в слое алмаза р-типа дырок. Вот эти потери необходимо устранить или свести к минимуму, что достигается сопротивлением пластины не более 0.1 Ом·см и поверхностным сопротивлением металла на поверхности пластины не более 0.01 Ом/□. Действительно, при протекании тока I для компенсации дырок выделяемая мощность на 1 см2 пластины будет складываться из мощности, выделяемой током, протекающим по металлическим покрытиям, что составляет не более 0.01I2/2 Вт, и мощности, выделяемой этим же током, протекающим перпендикулярно к поверхности пластины толщиной не более 300 мкм, что составляет не более 0.03I2·0.1. В то же время, неизбежная мощность рассеивания, вызванная первичными электронами, составляет 2ЕgКI/3е(К-1), где Еg≈5эВ - ширина запрещенной зоны алмаза, К - коэффициент усиления электронного потока, е - заряд электрона. Таким образом, отношение мощности неизбежно выделяемой к мощности обусловленной резистивными потерями составитAt primary current densities of 0.1 A / cm 2 - 1.0 A / cm 2 , measures must be taken so that there is no excessive heating of the amplifier, leading to its destruction. There is an inevitable heating associated with the dissipation of the energy of primary electrons and the birth of secondary electrons. In addition to this inevitable heating, the amplifier heats up due to the flow of current necessary to compensate for holes born in the p-type diamond layer. These losses must be eliminated or minimized, which is achieved by the plate resistance of not more than 0.1 Ohm · cm and the surface metal resistance on the plate surface of not more than 0.01 Ohm / □. Indeed, when a current I for dissipating power compensation holes per 1 cm 2 of the plate will consist of power allocated to current flowing through the metal coating that is not more than 0.01I 2/2 W, and the power allocated with the same current flowing perpendicularly to the surface of the plate with a thickness of not more than 300 microns, which is not more than 0.03I 2 · 0.1. At the same time, the inevitable dissipation power caused by primary electrons is 2E g KI / 3e (K-1), where E g ≈ 5 eV is the diamond band gap, K is the electron flux gain, and e is the electron charge. Thus, the ratio of power inevitably allocated to power due to resistive losses is
Поскольку I≈Iвых, то резистивные потери достигают всего 24% от необходимых потерь в самом худшем случае, когда Iвых≈100 А/cм2. При Iвых<10 A /cм2 они менее 3%.Since I≈I O, the resistive losses reach only 24% of the required loss in the worst case, where I O ≈100 A / cm 2. When I o <10 A / cm 2 they are less than 3%.
Достоинством конструкции является получение больших коэффициентов усиления за счет увеличения энергии электронов Е. Так, при Е≈3 кэВ коэффициент усиления может достичь величины 100 и, следовательно, при плотности первичного потока электронов в 0,1 А/см2 на выходе можно получить поток электронов в 10 А/см2. Кроме того, падение электронов под оптимальным углом к поверхности обеспечивает в основном рождение вторичных электронов в алмазной пленке на одной и той же глубине, не превышающей диффузионную длину, а это значит, что при увеличении плотности тока не будет ухудшаться частотная характеристика усилителя, что важно при его использовании в СВЧ приборах.An advantage of the design is the obtaining of large amplification factors by increasing the electron energy E. Thus, at E≈3 keV, the gain can reach 100 and, therefore, when the density of the primary electron flux is 0.1 A / cm 2 , an electron flux can be obtained at the output at 10 A / cm 2 . In addition, the incidence of electrons at an optimal angle to the surface mainly ensures the production of secondary electrons in the diamond film at the same depth not exceeding the diffusion length, which means that with increasing current density the frequency response of the amplifier will not deteriorate, which is important when its use in microwave devices.
Источники информацииInformation sources
1. http://www.darkos.ru:8000/goggles/html.1.http: //www.darkos.ru:8000/goggles/html.
2. http://www.Arsenal.com.2.http: //www.Arsenal.com.
3. А.Г.Берковский. Электронные умножители. «Электроника и ее применение» (итоги науки и техники), 1973, т.5, стр.43-85.3. A.G. Berkovsky. Electronic multipliers. “Electronics and its application” (results of science and technology), 1973, v.5, p. 43-85.
4. Патент RU №2222072 «Усилитель электронного потока», приоритет от 16.11.2000 г. (прототип).4. Patent RU No. 2222072 “Amplifier of electronic flow”, priority dated November 16, 2000 (prototype).
5. J.E.Yater, A.Shih, and R.Abraws. Electron transport and emission properties of diamond, J.Vac. Sci. Technol. A 16930, May/Jun 1998, pp.913-918.5. J. E. Yater, A. Schih, and R. Abraws. Electron transport and emission properties of diamond, J. Vac. Sci. Technol. A 16930, May / Jun 1998, pp. 913-918.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008117195/28A RU2387042C2 (en) | 2008-04-29 | 2008-04-29 | Electron flux amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008117195/28A RU2387042C2 (en) | 2008-04-29 | 2008-04-29 | Electron flux amplifier |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008117195A RU2008117195A (en) | 2009-11-10 |
RU2387042C2 true RU2387042C2 (en) | 2010-04-20 |
Family
ID=41354302
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008117195/28A RU2387042C2 (en) | 2008-04-29 | 2008-04-29 | Electron flux amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2387042C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU186490U1 (en) * | 2018-09-28 | 2019-01-22 | Демидова Елена Викторовна | Microwave source |
RU2756843C2 (en) * | 2017-06-30 | 2021-10-06 | Хамамацу Фотоникс К.К. | Electronic multiplier |
-
2008
- 2008-04-29 RU RU2008117195/28A patent/RU2387042C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2756843C2 (en) * | 2017-06-30 | 2021-10-06 | Хамамацу Фотоникс К.К. | Electronic multiplier |
RU186490U1 (en) * | 2018-09-28 | 2019-01-22 | Демидова Елена Викторовна | Microwave source |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008117195A (en) | 2009-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TW436836B (en) | Field emission electron source | |
RU2584693C2 (en) | Electron multiplier with nanodiamond layer | |
EP2880676B1 (en) | Device and method for thermoelectronic energy conversion | |
US7408142B2 (en) | Microchannel amplifier with tailored pore resistance | |
EP0471795A1 (en) | Energy conversion using charge particles | |
US20100072872A1 (en) | Optically controlled cold-cathode electron tube | |
US10438764B2 (en) | Field emission apparatus | |
US4948965A (en) | Conductively cooled microchannel plates | |
RU2387042C2 (en) | Electron flux amplifier | |
US5159231A (en) | Conductively cooled microchannel plates | |
Posada et al. | Nitrogen incorporated ultrananocrystalline diamond based field emitter array for a flat-panel X-ray source | |
US7928630B2 (en) | Monolithic thermionic converter | |
Rutberg et al. | High-current discharge channel contraction in high density gas | |
JP2001068012A (en) | Field emission electron source and manufacture thereof | |
JP2007520048A (en) | Parallel plate electron multiplier with suppressed ion feedback | |
TWI318416B (en) | Electron beam treatment apparatus | |
JP2008161820A (en) | Pressure wave producing apparatus | |
RU2680823C1 (en) | Electronic sealed-off gun for electrons flow output into the atmosphere or other gas medium | |
JP7145200B2 (en) | Device for controlling electron flow and method of manufacturing same | |
JPH04324231A (en) | Flat surface type display device | |
TWI470662B (en) | Ion gun | |
Harris et al. | Governing factors for production of photoemission-modulated electron beams | |
US20100202590A1 (en) | X-ray tube with a catching device for backscattered electrons, and operating method therefor | |
JP5736736B2 (en) | Electron beam excitation type light source | |
JP4059849B2 (en) | Electron source |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180430 |