RU2576395C2 - Способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода из углеродного материала на криволинейной поверхности - Google Patents
Способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода из углеродного материала на криволинейной поверхности Download PDFInfo
- Publication number
- RU2576395C2 RU2576395C2 RU2014111376/07A RU2014111376A RU2576395C2 RU 2576395 C2 RU2576395 C2 RU 2576395C2 RU 2014111376/07 A RU2014111376/07 A RU 2014111376/07A RU 2014111376 A RU2014111376 A RU 2014111376A RU 2576395 C2 RU2576395 C2 RU 2576395C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- curvature
- disk
- field emission
- curved surface
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
- Electrodes For Cathode-Ray Tubes (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Изобретение относится к электронной технике, в частности к изготовлению углеродных многоострийных автоэмиссионных катодов, используемых в электровакуумных приборах с микросекундным временем готовности. Технический результат - увеличение плотности тока в сечении пучка и ламинарности электронного пучка в 10 и более раз по сравнению с плотностью тока непосредственно на поверхности автоэмиссионного катода. C помощью лазерного излучения на криволинейной поверхности катодного диска формируется матрица микроострий, где перемещение фокуса лазерного луча по поверхности катодного диска в процессе гравировки осуществляется за счет вращения катодного диска вокруг центра кривизны его поверхности, то есть фокус лазерного луча в процессе гравировки всегда находится на криволинейной поверхности катодного диска, а оптическая ось лазерного луча совпадает с радиусом кривизны поверхности диска в любой ее точке. При этом формируются конусообразные микроострия, оси симметрии каждого из которых направлены по радиусу кривизны поверхности. Способ изготовления многоострийного катода из углеродного материала позволяет создать электронную пушку для СВЧ усилителей O-типа (ЛБВО, клистроны и др.) с холодным катодом, микросекундным временем готовности, повышенным на 4÷5% КПД и сроком эксплуатации приборов более 150000 часов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к электронной технике, в частности к способу изготовления углеродных многоострийных автоэмиссионных катодов, используемых в электровакуумных приборах с микросекундным временем готовности.
Существует способ формирования многоострийного автоэмиссионного катода на плоской подложке, с использованием тонкопленочной технологии, фотолитографии, термохимического травления и группового заострения микроострий в низкотемпературной кислородной плазме (Патент РФ №2486625, МПК H01J 1/30, опубл. 27.06.2013 г.). Недостатком данного способа является то, что применяемая технология формирует микроострия исключительно на плоской поверхности катодного диска. Автоэмиссионные катоды, изготовленные по данному способу, не позволяют осуществить компрессию электронного пучка без нарушения его ламинарности. Кроме того, множественные технологии, применяемые в способе, усложняют и удлиняют процесс изготовления катода.
Способ изготовления АЭК (Заявка на изобретение РФ №2002126716, МПК H01J 1/304, опубл. 27.04.2004 г.) основан на формировании эмиттеров на заготовке катодного диска из терморасширенного катода путем воздействия на отдельные участки диска локальным лазерным импульсным излучением по заданной компьютером программе, обеспечивающей формирование микроострий с заданной топологией их размещения. Под действием лазерного излучения происходит образование углублений в форме кратеров с острыми вертикальными кромками. До воздействия лазерного излучения пластина легируется щелочноземельными металлами. Недостатком описанного способа является применение легирования при изготовлении эмиттеров, что усложняет технологию изготовления, привносит нежелательные примеси и затрудняет промышленное освоение автоэмиссионных катодов. Кроме того, катод из терморасширенного (или гибкого) графита преимущественно рассчитан на применение в приборах с малым током эмиссии и низкой плотностью токоотбора. К недостаткам данного способа, как и в предыдущих описанных способах, относится и то, что эмиттеры выполнены на плоской поверхности катодного диска.
Способ изготовления автоэмиссионного катода (патент РФ №2526240, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, опубл. 20.08.14 г.) основан на нанесении эмитирующей структуры на поверхность эмиттеров катода методом лазерной микрогравировки с образованием поля микроострий пирамидальной формы с последующей вырезкой основания катода сфокусированным лазерным излучением и лазерной очисткой эмитирующих структур. К недостаткам данного способа относится то, что эмиттеры выполнены на плоской поверхности катодного диска.
Задачей изобретения является получение автоэмиссионного катода, который позволяет за счет компрессии электронного пучка по площади сечения пучка повысить плотность тока электронного пучка, формируемого электронной пушкой с таким катодом.
Решение данной задачи достигается тем, что способ изготовления включает в себя:
1) формирование на рабочей поверхности катодного диска криволинейной поверхности (например, сферической - для формирования аксиально-симметричного электронного пучка, либо цилиндрической - для формирования сходящегося ленточного электронного пучка);
2) формирование на криволинейной поверхности катодного диска поля конусообразных микроострий, оси симметрии каждого из которых направлены по радиусу кривизны поверхности.
Для обеспечения идентичности по форме и размерам формируемых на криволинейной поверхности микроострий фокус луча лазера в процессе микроразмерной лазерной гравировки всегда находится на криволинейной поверхности катодного диска в любой его точке.
Для выполнения данного принципиального условия оптическая ось лазерного луча совпадает с радиусом кривизны поверхности катодного диска в любой его точке, а перемещение фокуса лазерного луча по криволинейной поверхности катодного диска осуществляется путем перемещения катодного диска вокруг центра его кривизны.
Способы формирования поля микроострий для сферического и цилиндрического катодных дисков осуществляется следующим образом.
A. Для сферических катодных дисков (Фиг. 1)
Монолитную пластину стеклоуглерода разделяют на заготовки катодного диска 1 со стороной требуемого размера (например, на квадраты со стороной a=5 мм). На поверхности каждой из заготовок катодного диска 1 фрезеруют полость в виде вогнутой сферической поверхности 2 с требуемым радиусом кривизны Rкр (например, 50 мм) с центром кривизны O, лежащим в плоскости, перпендикулярной плоскости заготовки, и радиусом среза 0,5a (2,5 мм) с центром окружности O′, лежащим в центре заготовки.
Далее проводят лазерную гравировку поверхности катода твердотельным YAG-лазером с длиной волны 1,06 мкм с параметрами: мощность 10-20 Вт, частота следования импульсов 1-10 кГц. При этом заготовка катодного диска 1 осуществляет качание по дуге относительно центра кривизны O с последовательным круговым смещением по окружности относительно центра O′ на угол 
, где d - диаметр основания острия 3 (~20 мкм). Каждое смещение на угол α в плоскости заготовки катодного диска 1 происходит после однократного прохождения дуги сферической поверхности 2 относительно центра O. При этом в момент прохождения центра вогнутой сферы с радиусом 0,5a подача излучения лазера прерывается на время t=d/v, где d - диаметр основания острия, v - скорость перемещения заготовки.
Начальной точкой при качании относительно центра О принимается внешний край заготовки катодного диска 1; конечной - противоположный край по диаметру а вогнутой сферы заготовки. Линейная скорость качания вокруг центра О составляет 3 м/с. В результате гравировки на криволинейной поверхности формируются микроострия 3 конусообразной формы высотой 20 мкм, радиусом кривизны острия rкр=1 мкм и плотностью упаковки 5×105÷106 см-2. На поверхности каждого микроострия 3 при этом формируется самоорганизующаяся система наноострий.
В. Для цилиндрических катодных дисков (Фиг. 2)
Монолитную пластину стеклоуглерода разделяют на заготовки катодного диска 1 со сторонами требуемого размера (например, на прямоугольники со сторонами b=5 мм и c=10 мм). На поверхности каждой из заготовок катодного диска фрезеруют полость в виде вогнутой цилиндрической поверхности 2 с требуемым радиусом кривизны Rкр (например, 50 мм), длиной хорды среза b (5 мм).
Далее проводят микроразмерную лазерную гравировку поверхности катода твердотельным YAG-лазером с длиной волны 1,06 мкм с параметрами: мощность 10-20 Вт, частота следования импульсов 1-10 кГц. При этом заготовка катодного диска 1 осуществляет качание по дуге относительно центра кривизны O с последовательным линейным смещением вдоль стороны c с шагом D. Каждое линейное смещение в плоскости заготовки катодного диска 1 с шагом D (~20 мкм) происходит после однократного прохождения дуги цилиндрической поверхности относительно центра O.
Начальной точкой при качании относительно центра O принимается внешний край заготовки катодного диска; конечной - противоположный край по длине хорды среза b вогнутой цилиндрической поверхности 2 заготовки. Линейная скорость качания вокруг центра О составляет 3 м/с. На поверхности каждого микроострия 3 при этом формируется самоорганизующаяся система наноострий.
Полученная структура представляет собой поле микроострий 3 конусообразной формы с размерами основания одного острия от 10×10 мкм и высотой от 15 мкм, плотность упаковки микроострийной эмитирующей структуры составила порядка 5×105-1×106 см-2. В дальнейшем эмитирующая структура катода подвергается катодно-плазменному заострению в среде кислорода (Патент РФ №2486625, МПК H01J 1/30, опубл. 27.06.2013 г.).
Полученный таким способом автоэмиссионный катод из углеродного материала с криволинейной эмитирующей поверхностью за счет компрессии электронного пучка по площади позволяет увеличить плотность тока в сечении пучка и ламинарность электронного пучка в 10 и более раз по сравнению с плотностью тока непосредственно на поверхности автоэмиссионного катода. Такая конструкция АЭК позволяет изготовить вакуумные СВЧ приборы с микросекундным временем готовности (ЛБВО, клистроны и др.) с холодным (безнакальным) катодом, что позволяет увеличить их КПД на 4-5% и повысить их долговечность (более 150000 часов).
Способ формирования поля микроострий на криволинейной поверхности методом микроразмерной лазерной гравировки позволит существенно упростить технологию их изготовления, отказавшись от многоэтапной технологической цепочки, характерной для тонкопленочной технологии. Отпадает необходимость в использовании дорогостоящего оборудования для осаждения тонких пленок, фотолитографии и т.д. Время изготовления единичного образца АЭК сокращается в 10-12 раз.
Источники информации
1. Патент РФ №2486625, МПК H01J 1/30, опубл. 27.06.2013 г.
2. Заявка на изобретение РФ №2002126716, МПК H01J 1/304, опубл. 27.04.2004 г.
3. Патент РФ №2526240, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, опубл. 20.08.14 г.
Claims (2)
1. Способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода из углеродного материала, включающий формирование криволинейной поверхности катодного диска и дальнейшее формирование на этой поверхности матрицы микроострий путем микроразмерной лазерной гравировки, отличающийся тем, что в процессе гравировки перемещение фокуса луча лазера по поверхности осуществляется за счет перемещения катодного диска вокруг центра его кривизны, то есть фокус лазерного луча в процессе гравировки всегда находится на криволинейной поверхности катодного диска, а оптическая ось лазерного луча совпадает с радиусом кривизны поверхности диска в любой ее точке.
2. Способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода из углеродного материала по п. 1, отличающийся тем, что формируются конусообразные микроострия, оси симметрии каждого из которых направлены по радиусу кривизны поверхности
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014111376/07A RU2576395C2 (ru) | 2014-03-25 | 2014-03-25 | Способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода из углеродного материала на криволинейной поверхности |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014111376/07A RU2576395C2 (ru) | 2014-03-25 | 2014-03-25 | Способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода из углеродного материала на криволинейной поверхности |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014111376A RU2014111376A (ru) | 2015-09-27 |
| RU2576395C2 true RU2576395C2 (ru) | 2016-03-10 |
Family
ID=54250810
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014111376/07A RU2576395C2 (ru) | 2014-03-25 | 2014-03-25 | Способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода из углеродного материала на криволинейной поверхности |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2576395C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2726083C1 (ru) * | 2019-04-17 | 2020-07-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Способ модификации поверхностного слоя гибких графитовых листов, используемых в качестве токосъемных пластин проточных редокс-батарей |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2085523C1 (ru) * | 1995-02-06 | 1997-07-27 | Валентин Иванович Белоглазов | Способ изготовления микроустройств из пластически деформируемых материалов |
| JP2004214017A (ja) * | 2002-12-27 | 2004-07-29 | Matsushita Electric Works Ltd | 電界放射型電子源、電界放射型電子源の製造方法 |
| US7960904B2 (en) * | 2001-06-14 | 2011-06-14 | Hyperion Catalysis International, Inc. | Field emission devices using carbon nanotubes modified by energy, plasma, chemical or mechanical treatment |
-
2014
- 2014-03-25 RU RU2014111376/07A patent/RU2576395C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2085523C1 (ru) * | 1995-02-06 | 1997-07-27 | Валентин Иванович Белоглазов | Способ изготовления микроустройств из пластически деформируемых материалов |
| US7960904B2 (en) * | 2001-06-14 | 2011-06-14 | Hyperion Catalysis International, Inc. | Field emission devices using carbon nanotubes modified by energy, plasma, chemical or mechanical treatment |
| JP2004214017A (ja) * | 2002-12-27 | 2004-07-29 | Matsushita Electric Works Ltd | 電界放射型電子源、電界放射型電子源の製造方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2726083C1 (ru) * | 2019-04-17 | 2020-07-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Способ модификации поверхностного слоя гибких графитовых листов, используемых в качестве токосъемных пластин проточных редокс-батарей |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014111376A (ru) | 2015-09-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102115651B1 (ko) | 구조화된 판형 유리 소자 및 이의 제조 방법 | |
| JP4363039B2 (ja) | 表面改質法及び表面改質による加工物の接合方法 | |
| KR20210024689A (ko) | 전자기 방사선과 후속 에칭공정을 이용해 재료 안으로 적어도 하나의 리세스를 도입하기 위한 방법 | |
| Kononenko et al. | Femtosecond laser microstructuring in the bulk of diamond | |
| JP2008177017A (ja) | 電子源用チップ及びその製造方法 | |
| Zorba et al. | Laser microstructuring of Si surfaces for low-threshold field-electron emission | |
| RU2576395C2 (ru) | Способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода из углеродного материала на криволинейной поверхности | |
| EP3984970A1 (en) | Method for processing glass by alkaline etching | |
| JPWO2012014723A1 (ja) | 光吸収基板の製造方法、及びそれを製造するための成形型の製造方法 | |
| RU2526240C1 (ru) | Способ изготовления автоэмиссионного катода | |
| Kim et al. | Fabrication of micron-scale diamond field emitter arrays for dielectric laser accelerators | |
| KR102559591B1 (ko) | 레이저 어블레이션에 의한 나노 로드의 제조 방법 | |
| CN103011064A (zh) | 一种在纳米材料表面制备10纳米以下亚结构的方法 | |
| JP6722617B2 (ja) | 金属表面の粗面化方法 | |
| CN101604604B (zh) | 一种157nm深紫外激光微加工制备场致发射阴极的方法 | |
| Bessonov et al. | Laser formation of tip emitting structures with high aspect ratio on glass-carbon field-emission cathodes | |
| CN109894751B (zh) | 一种金属箔材表面纤维丝凹槽的刻蚀方法 | |
| KR101399064B1 (ko) | 탄소나노튜브를 이용한 엑스선 발생장치의 음극부 모듈 제조방법 | |
| RU2459305C1 (ru) | Металлопористый катод и способ его изготовления | |
| RU2486625C2 (ru) | Способ изготовления многоострийных автоэмиссионных катодов | |
| Zuffi et al. | Ultrafast laser micromachining of submillimetric de Laval nozzles in alumina for laser electron acceleration | |
| RU2640355C2 (ru) | Способ изготовления катода на основе массива автоэмиссионных эмиттеров | |
| RU2658304C2 (ru) | Способ изготовления автоэмиссионного катода из углеродного материала | |
| JP2015024422A (ja) | 鋳造用金型の表面改質方法 | |
| Surmenko et al. | Creation of needle-like microstructures with a high aspect ratio of geometric parameters by special laser milling |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200326 |