RU2598857C2 - Small-size autoemissive electron gun - Google Patents

Small-size autoemissive electron gun Download PDF

Info

Publication number
RU2598857C2
RU2598857C2 RU2014132515/07A RU2014132515A RU2598857C2 RU 2598857 C2 RU2598857 C2 RU 2598857C2 RU 2014132515/07 A RU2014132515/07 A RU 2014132515/07A RU 2014132515 A RU2014132515 A RU 2014132515A RU 2598857 C2 RU2598857 C2 RU 2598857C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
shell
electron gun
small
emission electron
gun according
Prior art date
Application number
RU2014132515/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014132515A (en
Inventor
Яна Юрьевна Голиченко
Максим Евгеньевич Марфин
Артем Юрьевич Колодяжный
Евгений Павлович Шешин
Original Assignee
Публичное акционерное общество "Автоэмиссионные технологии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Публичное акционерное общество "Автоэмиссионные технологии" filed Critical Публичное акционерное общество "Автоэмиссионные технологии"
Priority to RU2014132515/07A priority Critical patent/RU2598857C2/en
Publication of RU2014132515A publication Critical patent/RU2014132515A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2598857C2 publication Critical patent/RU2598857C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Electrodes For Cathode-Ray Tubes (AREA)

Abstract

FIELD: electronics.
SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering and can be used in electron-beam devices with autoelectronic emission, namely: in the probe devices, screens, raster electron microscopes, as well as in research and analytical units. In small-size autoemissive electronic gun, containing a field emission cathode (1) made of nanostructured carbon material enclosed in dielectric casing (2), including first part (3) and second part (4), modulator and contact electrode (6), a modulator is in form of first shell (7), which is tightly fitted on first part (3) of dielectric cover (2), at that free part (8) of first shell (7) and first free end (9) of field radiating cathode (1) protrude above first end (10) of first part (3) of dielectric cover (2), as contact electrode (6) second shell (11) connected to second part (4) of dielectric cover (2) is used and having electric contact with field radiating cathode (1).
EFFECT: technical effect consists in improved reliability and longer life.
18 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронно-лучевых приборах с автоэлектронной эмиссией, а именно: в зондовых приборах, экранах, растровых электронных микроскопах, а также в исследовательских и аналитических установках.The invention relates to electronic equipment and can be used in electron beam devices with field emission, namely: in probe devices, screens, scanning electron microscopes, as well as in research and analytical installations.

Известна малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка, содержащая автокатод, выполненный из наноструктурированного углеродного материала, заключенный в диэлектрическую оболочку, включающую первую часть и вторую часть, модулятор, расположенный на отдельных изолирующих конструкциях, и контактный электрод [1].Known small-sized field emission electron gun containing a cathode made of nanostructured carbon material, enclosed in a dielectric sheath, including the first part and second part, a modulator located on separate insulating structures, and a contact electrode [1].

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.This device is selected as a prototype of the proposed solution.

Недостатки этого устройства заключаются в низкой надежности и долговечности, связанных с тем, что модулятор расположен на отдельных изолирующих конструкциях. Такая компоновка снижает жесткость и увеличивает габариты автоэмиссионной пушки. При этом может происходить уход геометрических параметров крепления модулятора, что со временем может вызывать выход из строя автоэмиссионной пушки в целом.The disadvantages of this device are the low reliability and durability associated with the fact that the modulator is located on separate insulating structures. This arrangement reduces stiffness and increases the dimensions of the field emission gun. In this case, the geometrical parameters of the mounting of the modulator can go away, which over time can cause the failure of the field emission gun as a whole.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик устройства.The aim of the invention is to improve the operational characteristics of the device.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности и долговечности работы устройства.The technical result of the invention is to increase the reliability and durability of the device.

Указанный технический результат достигается тем, что в малогабаритной автоэмиссионной электронной пушке, содержащей автокатод, выполненный из наноструктурированного углеродного материала, заключенный в диэлектрическую оболочку, включающую первую часть и вторую часть, модулятор и контактный электрод, модулятор выполнен в виде первой обечайки, которая плотно насажена на первую часть диэлектрической оболочки, причем свободная часть первой обечайки и первый свободный конец автокатода выступают над первым торцом первой части диэлектрической оболочки, а в качестве контактного электрода используют вторую обечайку, соединенную со второй частью диэлектрической оболочки и имеющую электрический контакт с автокатодом.The specified technical result is achieved by the fact that in a small-sized field-emission electron gun containing an autocathode made of nanostructured carbon material, enclosed in a dielectric sheath, comprising a first part and a second part, a modulator and a contact electrode, the modulator is made in the form of a first shell, which is tightly mounted on the first part of the dielectric sheath, and the free part of the first shell and the first free end of the cathode protrude above the first end of the first part of the dielectric eskoy shell, and as the contact electrode is a second sleeve is connected to the second portion of the dielectric sheath and having electrical contact with the cathodes.

В одном из вариантов первый свободный конец автокатода выступает над первым торцом диэлектрической оболочки на высоту h1, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.In one embodiment, the first free end of the cathode protrudes above the first end of the dielectric sheath to a height h1 in the range 0.1-2 mm.

В одном из вариантов свободная часть первой обечайки выступает над первым свободным концом автокатода на величину h2, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.In one embodiment, the free part of the first shell protrudes above the first free end of the autocathode by a value of h2, which is in the range of 0.1-2 mm.

В одном из вариантов первый свободный конец автокатода выступает над свободной частью первой обечайки на величину h3, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.In one embodiment, the first free end of the cathode protrudes above the free part of the first shell by an amount of h3 in the range of 0.1-2 mm.

В одном из вариантов размер h4 свободной части первой обечайки больше размера h5 остальной части первой обечайки в 1,2-1,6 раза.In one embodiment, the size h4 of the free part of the first shell is 1.2-1.6 times larger than the size h5 of the rest of the first shell.

В одном из вариантов h4 свободной части первой обечайки составляет величину 0,6-0,9 от размера h5 остальной части первой обечайки.In one embodiment, h4 of the free part of the first shell is 0.6-0.9 of the size h5 of the rest of the first shell.

В одном из вариантов автокатод включает второй свободный конец, который выступает из второго торца диэлектрической оболочки на величину h6, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм, при этом пространство на эту величину внутри второй обечайки заполнено проводящим составом.In one embodiment, the autocathode includes a second free end that projects from the second end of the dielectric sheath by an amount of h6 in the range of 0.1-2 mm, while the space by this amount inside the second shell is filled with a conductive composition.

В одном из вариантов диэлектрическая оболочка выполнена из стекла или керамики.In one embodiment, the dielectric sheath is made of glass or ceramic.

В одном из вариантов первая и вторая обечайки посажены на диэлектрическую оболочку неразъемным соединением.In one embodiment, the first and second shells are seated on a dielectric sheath with an integral connection.

В одном из вариантов обечайки закреплены на диэлектрической оболочке с помощью клеевого шва, причем на краях обечаек, направленных друг к другу, выполнены диэлектрические бортики.In one embodiment, the shells are secured to the dielectric sheath with an adhesive joint, and dielectric edges are made at the edges of the shells directed towards each other.

В одном из вариантов расстояние между первым краем первой обечайки и вторым краем второй обечайки, направленных друг к другу, составляет величину h7, находящуюся в диапазоне 5-20 мм.In one embodiment, the distance between the first edge of the first shell and the second edge of the second shell directed towards each other is h7, which is in the range of 5-20 mm.

В одном из вариантов диэлектрическая оболочка имеет цилиндрическую форму.In one embodiment, the dielectric sheath is cylindrical in shape.

В одном из вариантов автокатод выполнен из пучка углеродных волокон. In one embodiment, the autocathode is made of a bundle of carbon fibers.

В одном из вариантов первый свободный конец автокатода имеет округлую форму.In one embodiment, the first free end of the cathode is rounded.

В одном из вариантов автокатод выполнен в виде фольги из терморасширенного графита.In one embodiment, the autocathode is made in the form of foil made of thermally expanded graphite.

В одном из вариантов первая часть диэлектрической оболочки, расположенная внутри первой обечайки, представляет собой усеченный конус с углом αl при вершине, находящийся в диапазоне 160-10°.In one embodiment, the first part of the dielectric shell located inside the first shell is a truncated cone with an angle αl at the apex, which is in the range of 160-10 °.

В одном из вариантов размер h8 свободной части первой обечайки составляет величину 0,6-0,9 от размера h9 остальной части первой обечайки, но угол α2 схождения обечайки всегда больше угла αl при вершине усеченного конуса диэлектрической оболочки минимум на 10°.In one embodiment, the size h8 of the free part of the first shell is 0.6-0.9 of the size h9 of the rest of the first shell, but the angle of convergence of the shell is always greater than the angle αl at the top of the truncated cone of the dielectric shell by at least 10 °.

На фиг. 1 изображена малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка в разрезе.In FIG. 1 shows a small field emission electron gun in a section.

На фиг. 2 изображен вариант выполнения автокатода.In FIG. 2 shows an embodiment of an autocathode.

На фиг. 3 и 4 изображены варианты выполнения торца диэлектрической оболочки и первой обечайки.In FIG. 3 and 4 illustrate embodiments of the end face of the dielectric sheath and the first shell.

Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка, содержит автокатод 1 (фиг. 1), выполненный из наноструктурированного углеродного материала и заключенный в диэлектрическую оболочку 2, включающую первую часть 3 и вторую часть 4. Кроме этого, электронная пушка включает модулятор и контактный электрод 6.A small field emission electron gun contains an autocathode 1 (Fig. 1) made of nanostructured carbon material and enclosed in a dielectric sheath 2, including the first part 3 and the second part 4. In addition, the electron gun includes a modulator and contact electrode 6.

Модулятор выполнен в виде первой обечайки 7, которая плотно насажена на первую часть 3 диэлектрической оболочки 2. Плотность посадки должна обеспечить какое-либо отсутствие перемещения первой обечайки 7 относительно диэлектрической оболочки 2 при монтаже в электронном приборе, а также при его эксплуатации. Это включает как ударные, так и термические нагрузки. При этом материалы первой обечайки 7 и диэлектрической оболочки 2 должны иметь очень близкие коэффициенты линейного и объемного расширения (подробно см. ниже).The modulator is made in the form of a first shell 7, which is tightly mounted on the first part 3 of the dielectric sheath 2. The landing density should provide some lack of movement of the first shell 7 relative to the dielectric sheath 2 when mounted in an electronic device, as well as during its operation. This includes both shock and thermal loads. Moreover, the materials of the first shell 7 and the dielectric sheath 2 must have very close linear and volume expansion coefficients (see below for details).

Свободная часть 8 первой обечайки 7 и первый свободный конец 9 автокатода 1 выступают над первым торцом 10 первой части 3 диэлектрической оболочки 2. В качестве контактного электрода 6 используют вторую обечайку 11, соединенную со второй частью 4 диэлектрической оболочки 2 и имеющую электрический контакт с автокатодом 1. Соединение второй обечайки 11 со второй частью 4 диэлектрической оболочки 2 должно быть также осуществлено по плотной посадке, которая должна обеспечить какое-либо отсутствие перемещения второй обечайки 11 относительно диэлектрической оболочки 2 при монтаже в электронном приборе, а также при его эксплуатации. Материалы второй обечайки 8 и диэлектрической оболочки 2 должны иметь очень близкие коэффициенты линейного и объемного расширения (подробно см. ниже).The free part 8 of the first shell 7 and the first free end 9 of the cathode 1 protrude above the first end 10 of the first part 3 of the dielectric sheath 2. As the contact electrode 6, a second shell 11 is used, connected to the second part 4 of the dielectric sheath 2 and having electrical contact with the cathode 1 The connection of the second shell 11 with the second part 4 of the dielectric shell 2 should also be carried out in a tight fit, which should provide any lack of movement of the second shell 11 relative to the dielectric cal shell 2 when mounted in an electronic device, as well as during its operation. The materials of the second shell 8 and the dielectric sheath 2 must have very close linear and volume expansion coefficients (see below for details).

В данной конфигурации происходит уменьшение запыления материалом автокатода 1 первой части 3 (первого торца 10) диэлектрической оболочки 2 и, как следствие, повышение надежности и долговечности электронной пушки.In this configuration, there is a decrease in dusting by the material of the autocathode 1 of the first part 3 (first end 10) of the dielectric shell 2 and, as a result, an increase in the reliability and durability of the electron gun.

В первом варианте первый свободный конец 9 автокатода 1 выступает над первым торцом 10 диэлектрической оболочки 2 на высоту h1, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм. Эта величина определяет максимальную величину угла расхождения электронного пучка и степень экранирования электронного пучка, эмитированного со свободного конца 9 автокатода 1, первым торцом 10 диэлектрической оболочки 2.In the first embodiment, the first free end 9 of the cathode 1 protrudes above the first end 10 of the dielectric sheath 2 to a height h1 in the range 0.1-2 mm. This value determines the maximum value of the angle of divergence of the electron beam and the degree of screening of the electron beam emitted from the free end 9 of the cathode 1, the first end 10 of the dielectric shell 2.

Такой диапазон высоты h1 дает уменьшение экранирующего эффекта автокатода, тем самым уменьшается рабочее напряжение электронной пушки и повышается ее надежность и долговечность, а также увеличивается мощность пучка.This range of height h1 reduces the shielding effect of the autocathode, thereby reducing the operating voltage of the electron gun and increasing its reliability and durability, as well as increasing the beam power.

Величина h1 определяет также влияние первого торца 10 диэлектрической оболочки 2 на величину электронного пучка в зависимости от диаметра автокатода 1. Нижний размер (0,1 мм) относится к диаметру автокатода 1 около 50 мкм, а верхний (2 мм) к величине диаметра автокатода 0,5-1 мм. Большие диаметры автокатода 1 использовать нецелесообразно из-за внутренней экранировки эмиссионных центров и, соответственно, уменьшения автоэмиссионного тока.The value of h1 also determines the effect of the first end face 10 of the dielectric shell 2 on the value of the electron beam depending on the diameter of the cathode 1. The lower size (0.1 mm) refers to the diameter of the cathode 1 about 50 μm, and the upper (2 mm) to the diameter of the cathode 0 5-1 mm. Large diameters of the autocathode 1 is impractical to use due to the internal screening of the emission centers and, accordingly, a decrease in the field emission current.

Во втором варианте свободная часть 8 первой обечайки 7 выступает первым свободным концом 9 автокатода 1 на величину h2, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм. Чем больше величина h2, тем более узкий электронный пучок может быть сформирован, что дает возможность изменять форму пучка и приводит к улучшению эксплуатационных свойств электронной пушки.In the second embodiment, the free part 8 of the first shell 7 acts as the first free end 9 of the autocathode 1 by a value of h2, which is in the range of 0.1-2 mm. The larger the value of h2, the narrower the electron beam can be formed, which makes it possible to change the shape of the beam and leads to improved operational properties of the electron gun.

В третьем варианте для получения расходящегося электронного пучка в конструкции электронной пушки первый свободный конец 9 (фиг. 2) автокатода 1 выступает над свободной частью 8 первой обечайки 7 на величину h3, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм. Это позволяет получить более широкий пучок электронов и, кроме того, уменьшает практически до нуля токоперехват электронов на модулятор, что повышает экономичность и долговечность работы электронной пушки.In the third embodiment, to obtain a diverging electron beam in the design of the electron gun, the first free end 9 (Fig. 2) of the cathode 1 protrudes above the free part 8 of the first shell 7 by an amount of h3 in the range of 0.1-2 mm. This allows you to get a wider electron beam and, in addition, reduces the current capture of electrons to the modulator to almost zero, which increases the efficiency and durability of the electron gun.

При этом размер h4 свободной части 8 первой обечайки 7 может быть больше размера h5 остальной части 12 первой обечайки 7 в 1,2-1,6 раза.The size h4 of the free part 8 of the first shell 7 may be 1.2-1.6 times larger than the size h5 of the remaining part 12 of the first shell 7.

Данный вариант расширяет угол разлета электронов и увеличивает ширину пучка электронов, а также повышает надежность и долговечность электронной пушки за счет уменьшения запыления материалом автокатода 1 первой части 3 (первого торца 10) диэлектрической оболочки 2.This option expands the electron scattering angle and increases the width of the electron beam, and also increases the reliability and durability of the electron gun by reducing the dust content of the autocathode 1 of the first part 3 (first end 10) of the dielectric shell 2.

Размер h4 может также составлять величину 0,6-0,9 от размера h5 остальной части 12 первой обечайки 7. В этом случае можно сузить электронный пучок.The size h4 may also be 0.6-0.9 of the size h5 of the remaining part 12 of the first shell 7. In this case, the electron beam can be narrowed.

Надежный электрический контакт автокатода 1 (фиг. 1) с внешними устройствами, обеспечивается тем, что автокатод 1 включает второй свободный конец 13, который выступает из второго торца 14 диэлектрической оболочки 2 на величину h6, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм, при этом пространство на эту величину внутри второй обечайки 11 заполнено проводящим составом 15, в качестве которого можно использовать аквадак, т.е. суспензию графитового порошка в воде с добавлением жидкого стекла. Электрическое сопротивление проводящего состава 15 может варьироваться в широких пределах: от долей Ом до нескольких десятков МОм. В последнем случае проводящий состав работает как резистор отрицательной обратной связи, это существенно повышает стабильность автоэмиссионного тока.Reliable electrical contact of the autocathode 1 (Fig. 1) with external devices is ensured by the fact that the autocathode 1 includes a second free end 13 that protrudes from the second end 14 of the dielectric sheath 2 by a value of h6 in the range of 0.1-2 mm, with this space by this value inside the second shell 11 is filled with a conductive composition 15, which can be used aquadak, i.e. suspension of graphite powder in water with the addition of water glass. The electrical resistance of the conductive composition 15 can vary within wide limits: from fractions of Ohms to several tens of MΩ. In the latter case, the conductive composition works as a negative feedback resistor, which significantly increases the stability of the field emission current.

Надежный электрический контакт автокатода 1 с контактным электродом 6 повышает надежность и долговечность электронной пушки.Reliable electrical contact of the cathode 1 with the contact electrode 6 increases the reliability and durability of the electron gun.

Материал диэлектрической оболочки 2 должен обладать хорошими вакуумными свойствами, т.е. температурной устойчивостью вплоть до 500°С, и малым газоотделением. В зависимости от назначения автоэмиссионной электронной пушки диэлектрическая оболочка 2 может быть выполнена из либо из стекла (Ст 52), либо из керамики (22ХС).The material of the dielectric sheath 2 must have good vacuum properties, i.e. temperature stability up to 500 ° C, and low gas separation. Depending on the purpose of the field emission electron gun, the dielectric shell 2 can be made of either glass (St 52) or ceramic (22XC).

Стекло наиболее дешевый и технологичный материал, в то время как керамика обладает большим удельным электрическим сопротивлением и прочностью. При выполнении диэлектрической оболочки из керамики повышается надежность и долговечность электронной пушки. Как уже отмечалось, в зависимости от материала диэлектрической оболочки 2 следует подбирать материал первой обечайки 7 и контактного электрода 6 (второй обечайки 11), для обеспечения равенства коэффициентов линейного расширения. В качестве материалов первой 7 и второй 11 обечаек можно использовать ковар, нержавеющую сталь, молибден.Glass is the cheapest and most technologically advanced material, while ceramics have high electrical resistivity and strength. When performing a dielectric sheath made of ceramic, the reliability and durability of the electron gun are increased. As already noted, depending on the material of the dielectric sheath 2, the material of the first shell 7 and the contact electrode 6 (second shell 11) should be selected to ensure equal linear expansion coefficients. As materials of the first 7 and second 11 shells, you can use carpet, stainless steel, molybdenum.

Возможен вариант, в котором соединение диэлектрической оболочки 2 с первой обечайкой 7 и второй обечайкой 11 выполнено неразъемным. Это необходимо, чтобы при высокотемпературной обработке (например, при откачке прибор прогревается до 400-500°С) обеспечивалась плотная неразъемная посадка первой 7 и второй 11 обечаек на диэлектрическую оболочку 2.A variant is possible in which the connection of the dielectric shell 2 with the first shell 7 and the second shell 11 is made one-piece. It is necessary that during high-temperature processing (for example, when pumping the device heats up to 400-500 ° C), a dense one-piece fit of the first 7 and second 11 shells on the dielectric sheath 2 is ensured.

Неразъемное соединение означает, что при температурных изменениях (например, технологических), а также монтажных и ударных нагрузках не происходят смещения первой 7 и второй 11 обечаек относительно диэлектрической оболочки 2.One-piece connection means that with temperature changes (for example, technological), as well as mounting and shock loads, the first 7 and second 11 shells do not shift relative to the dielectric shell 2.

Такое неразъемное соединение может быть осуществлено разными способами, например горячей посадкой первой 7 и второй 11 обечаек на диэлектрическую оболочку 2. Другой вариант неразъемного соединения - монтаж обечаек 7, 11 на диэлектрической оболочке 2 с помощью точечной сварки. То, что соединение диэлектрической оболочки 2 с первой обечайкой 7 и второй обечайкой 11 выполнено неразъемным, повышает надежность и долговечность электронной пушки.Such an integral connection can be made in various ways, for example, by hot landing the first 7 and second 11 shells on the dielectric sheath 2. Another variant of the integral connection is the installation of the shells 7, 11 on the dielectric sheath 2 by spot welding. The fact that the connection of the dielectric shell 2 with the first shell 7 and the second shell 11 is made one-piece, increases the reliability and durability of the electron gun.

Также существует более простой и эффективный способ, когда обечайки 7 и 11 закреплены на диэлектрической оболочке 2 с помощью клеевого шва 16, причем на краях обечаек, направленных друг к другу, выполнены диэлектрические бортики 17.There is also a simpler and more effective method, when the shells 7 and 11 are mounted on the dielectric sheath 2 with an adhesive seam 16, and on the edges of the shells directed to each other, dielectric sides 17 are made.

В данном случае можно использовать вакуумные стеклоцементы соответствующего состава, совместимого с коэффициентом термического расширения обечаек 7, 11 и диэлектрической оболочки 2, например стеклоцемент СЦ-317.In this case, it is possible to use vacuum glass cements of the appropriate composition compatible with the coefficient of thermal expansion of shells 7, 11 and dielectric sheath 2, for example, glass cement STs-317.

Использование клея позволяет корректировать положение обечаек 7 и 11 на диэлектрической оболочке 2, увеличивает электрическую прочность конструкции и повышает надежность и долговечность электронной пушки.The use of glue allows you to adjust the position of the shells 7 and 11 on the dielectric sheath 2, increases the electric strength of the structure and increases the reliability and durability of the electron gun.

Бортики 17 увеличивают электрическую прочность промежутка автокатод 1 - модулятор (первая обечайка 7) по диэлектрической оболочке 2 за счет исключения электрических пробоев между первым краем 18 первой обечайки 7 и вторым краем 19 второй обечайки 11, и, тем самым, позволяют уменьшить длину автоэмиссионной электронной пушки.The beads 17 increase the electric strength of the gap of the autocathode 1 - modulator (first shell 7) along the dielectric shell 2 by eliminating electrical breakdowns between the first edge 18 of the first shell 7 and the second edge 19 of the second shell 11, and thereby reduce the length of the field emission electron gun .

При приемлемых для практики напряжениях между автокатодом 1 и первой обечайки 7 (0,1-1,5 кВ) расстояние между первым краем 18 первой обечайки 7 и вторым краем 19 второй обечайки 11, направленных друг к другу, составляет величину h7, находящуюся в диапазоне 5-20 мм. Этот вариант следует соблюдать и в варианте, изображенном на фиг. 1.At practical voltages between the autocathode 1 and the first shell 7 (0.1-1.5 kV), the distance between the first edge 18 of the first shell 7 and the second edge 19 of the second shell 11 directed to each other is h7, which is in the range 5-20 mm. This option should be observed in the embodiment shown in FIG. one.

Наиболее технологичной и дешевой формой диэлектрической оболочки 2 является цилиндр, хотя в некоторых случаях, могут быть использованы и другие формы, например шестигранник или квадрат (не показаны). Такие формы целесообразны в случае использования электронной пушки в специальных электронных приборов, например многолучевых клистронов.The most technologically advanced and cheapest form of dielectric sheath 2 is a cylinder, although in some cases other shapes can be used, for example a hexagon or a square (not shown). Such forms are advisable in the case of using an electron gun in special electronic devices, for example multipath klystrons.

На сегодняшний день наилучшим углеродным материалом автокатодов для электронных пушек являются пучки углеродных волокон с радиусом острий 10-100 нм.To date, the best carbon material for autocathodes for electron guns are bundles of carbon fibers with a tip radius of 10-100 nm.

Этот материал наиболее удобен для электронных пушек, т.к. обладает большой (более 10 000 часов) долговечностью в условиях высокого технического вакуума (10-6 - 10-7мм рт. ст.), который может быть достигнут в большинстве отпаянных электронных приборов.This material is most suitable for electronic guns, as It has a great (more than 10,000 hours) durability in conditions of high technical vacuum (10 -6 - 10 -7 mm Hg), which can be achieved in most sealed electronic devices.

Для улучшения равномерности автоэмиссии с первого свободного конца 9 (фиг. 3, фиг. 4) автокатода 1 он может иметь округлую форму 25. Такая форма достигается специальной обработкой в тлеющем разряде.To improve the uniformity of field emission from the first free end 9 (Fig. 3, Fig. 4) of the cathode 1, it can have a rounded shape 25. This shape is achieved by special processing in a glow discharge.

Для увеличения автоэмиссионного тока и возможности изменения формы электронного пучка автокатод 1 может быть выполнен в виде фольги из терморасширенного графита, что приводит к улучшению эксплуатационных свойств.To increase the field emission current and the possibility of changing the shape of the electron beam, the cathode 1 can be made in the form of foils of thermally expanded graphite, which leads to improved operational properties.

Увеличение долговечности автоэмиссионной электронной пушки можно достичь, если первая часть 3 (фиг. 3) диэлектрической оболочки 2, расположенная внутри первой обечайки 7, представляет собой усеченный конус 20 с углом αl при вершине, находящийся в диапазоне 160-10°. Это достигается за счет большего времени запыления материалом автокатода 1 поверхности конуса 20 и, соответственно, увеличивает долговечность электронной пушки. Такая конструкция наиболее удобна для пучков электронов с широким углом распределения электронов.An increase in the durability of the field-emission electron gun can be achieved if the first part 3 (Fig. 3) of the dielectric shell 2 located inside the first shell 7 is a truncated cone 20 with an angle αl at the apex, which is in the range of 160-10 °. This is achieved due to the longer time of dusting by the material of the autocathode 1 of the surface of the cone 20 and, accordingly, increases the durability of the electron gun. This design is most convenient for electron beams with a wide electron distribution angle.

Для узкого пучка электронов необходимо, чтобы размер h8 свободной части 23 (фиг. 4) первой обечайки 7 составлял величину 0,6-0,9 от размера h9 остальной части 24 первой обечайки 7. При этом угол α2 схождения обечайки должен быть всегда больше угла αl при вершине усеченного конуса 20 диэлектрической оболочки 2 минимум на 10°. Эта конструкция может не только существенно сузить электронный пучок, но и повысить надежность и долговечность электронной пушки за счет уменьшения запыления материалом автокатода 1 поверхности конуса 20 диэлектрической оболочки 2. Подробнее принципы автоэлектронной эмиссии, в том числе углеродных материалов, изложены в [2-4].For a narrow electron beam, it is necessary that the size h8 of the free part 23 (Fig. 4) of the first shell 7 is 0.6-0.9 of the size h9 of the remaining part 24 of the first shell 7. Moreover, the angle of convergence of the shell must always be greater than the angle αl at the apex of the truncated cone 20 of the dielectric sheath 2 by at least 10 °. This design can not only significantly narrow the electron beam, but also increase the reliability and durability of the electron gun by reducing the dustiness of the material of the autocathode 1 on the surface of the cone 20 of the dielectric sheath 2. More principles of field emission, including carbon materials, are described in [2-4] .

Устройство работает следующим образом. На модулятор, выполненный в виде первой обечайки 7, подают положительный потенциал относительно автокатода 1 величиной порядка 100-2000 В. Приложенное напряжение понижает потенциальный барьер у свободного конца 9 автокатода 1, что приводит к туннелированию электронов через конец 9. Угол разлета эмиттированных электронов зависит от соотношения между величинами h1, h2, h3. Выбирая их соответствующим образом, можно получить как расходящийся, так и остросфокусированный электронный пучок. При величине h3 больше 0,1 мм будет расходящийся электронный пучок и чем h3 больше, тем угол расхождения тоже больше. При h2>h1 происходит сужение электронного пучка. Чем больше соотношение h2/h1, тем этот эффект больше.The device operates as follows. The modulator, made in the form of the first shell 7, is supplied with a positive potential relative to the autocathode 1 of the order of 100-2000 V. The applied voltage lowers the potential barrier at the free end 9 of the autocathode 1, which leads to the tunneling of electrons through the end 9. The emission angle of the emitted electrons depends on relations between the quantities h1, h2, h3. By choosing them appropriately, one can obtain both diverging and sharply focused electron beams. When h3 is greater than 0.1 mm, the diverging electron beam will be and the larger h 3 is, the larger the divergence angle is. For h2> h1, the narrowing of the electron beam occurs. The greater the ratio h2 / h1, the greater this effect.

Механизм долговечности катода 1 приведенной электронной пушки следующий. Ионы остаточных газов, образующиеся в межэлектродном пространстве работающей электронной пушки, бомбардируют кончики микроострий наноструктурированного углеродного материала катода 1. Под действием ионной бомбардировки они, затупляясь и уменьшаясь по высоте, уменьшают свой вклад в автоэмиссионный ток. Однако при этом "выдвигаются" другие микроострия, которые вступают в работу из-за увеличения напряженности электрического поля на них. В результате средний автоэмиссионный ток автокатода 1 остается постоянным.The longevity mechanism of cathode 1 of a given electron gun is as follows. Residual gas ions generated in the interelectrode space of a working electron gun bombard the tips of the micropoints of the nanostructured carbon material of cathode 1. Under the influence of ion bombardment, they become dull and decrease in height and reduce their contribution to the field emission current. However, at the same time, other micro points are put forward that come into operation due to an increase in the electric field strength on them. As a result, the average field emission current of the cathode 1 remains constant.

ЛитератураLiterature

1. Патент RU 2180145. Автоэмиссионное устройство. 27.02.2002.1. Patent RU 2180145. Field emission device. 02/27/2002.

2. Елинсон М.И., Васильев Г.В. Автоэлектронная эмиссия. - М.: ГИФМЛ, 1958.2. Elinson M.I., Vasiliev G.V. Field emission. - M .: GIFFL, 1958.

3. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. - М.: ФИЗМАТГИЗ, 2001.3. Sheshin EP Surface structure and field emission properties of carbon materials. - M .: FIZMATGIZ, 2001.

4. Егоров Н.В., Шешин Е.П. Автоэлектронная эмиссия. Принципы и применение. - Долгопрудный: Интеллект, 2011.4. Egorov N.V., Sheshin E.P. Field emission. Principles and application. - Dolgoprudny: Intellect, 2011.

Claims (18)

1. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка, содержащая автокатод (1), выполненный из наноструктурированного углеродного материала, заключенный в диэлектрическую оболочку (2), включающую первую часть (3) и вторую часть (4), модулятор и контактный электрод (6), отличающаяся тем, что модулятор выполнен в виде первой обечайки (7), которая плотно насажена на первую часть (3) диэлектрической оболочки (2), причем свободная часть (8) первой обечайки (7) и первый свободный конец (9) автокатода (1) выступают над первым торцом (10) первой части (3) диэлектрической оболочки (2), а в качестве контактного электрода (6) используют вторую обечайку (11), соединенную со второй частью (4) диэлектрической оболочки (2) и имеющую электрический контакт с автокатодом (1).1. A small field emission electron gun containing an autocathode (1) made of nanostructured carbon material, enclosed in a dielectric sheath (2), including the first part (3) and the second part (4), a modulator and a contact electrode (6), characterized in that the modulator is made in the form of a first shell (7), which is tightly mounted on the first part (3) of the dielectric sheath (2), and the free part (8) of the first shell (7) and the first free end (9) of the cathode (1) are above the first end face (10) of the first part (3) dielectric tion shell (2), and as the contact electrode (6) use a second shroud (11) connected with the second part (4) of the dielectric shell (2) and having electrical contact with the cathodes (1). 2. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что первый свободный конец (9) автокатода (1) выступает над первым торцом (10) диэлектрической оболочки (2) на высоту h1, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.2. Small-sized field-emission electron gun according to claim 1, characterized in that the first free end (9) of the cathode (1) protrudes above the first end (10) of the dielectric sheath (2) to a height h1 in the range of 0.1-2 mm . 3. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что свободная часть (8) первой обечайки (7) выступает над первым свободным концом (9) автокатода (1) на величину h2, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.3. Small-sized field-emission electron gun according to claim 1, characterized in that the free part (8) of the first shell (7) protrudes above the first free end (9) of the cathode (1) by a value of h2 in the range of 0.1-2 mm . 4. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что первый свободный конец (9) автокатода (1) выступает над свободной частью (8) первой обечайки (7) на величину h3, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм.4. Small-sized field-emission electron gun according to claim 1, characterized in that the first free end (9) of the autocathode (1) protrudes above the free part (8) of the first shell (7) by a value of h3 in the range 0.1-2 mm . 5. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 4, отличающаяся тем, что размер h4 свободной части (8) первой обечайки (7) больше размера h5 остальной части (12) первой обечайки (7) в 1,2-1,6 раза.5. Small-sized field-emission electron gun according to claim 4, characterized in that the size h4 of the free part (8) of the first shell (7) is 1.2-1.6 times larger than the size h5 of the remaining part (12) of the first shell (7). 6. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 4, отличающаяся тем, что размер h4 свободной части (8) первой обечайки (7) составляет величину 0,6-0,9 от размера h5 остальной части (12) первой обечайки (7).6. Small-sized field-emission electron gun according to claim 4, characterized in that the size h4 of the free part (8) of the first shell (7) is 0.6-0.9 of the size h5 of the rest of (12) of the first shell (7). 7. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что автокатод (1) включает второй свободный конец (13), который выступает из второго торца (14) диэлектрической оболочки (2) на величину h6, находящуюся в диапазоне 0,1-2 мм, при этом пространство на эту величину внутри второй обечайки (11) заполнено проводящим составом (15).7. Small-sized field-emission electron gun according to claim 1, characterized in that the cathode (1) includes a second free end (13), which protrudes from the second end (14) of the dielectric sheath (2) by a value of h6 in the range 0.1 -2 mm, while the space by this value inside the second shell (11) is filled with a conductive composition (15). 8. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что диэлектрическая оболочка (2) выполнена из стекла.8. Small-sized field-emission electron gun according to claim 1, characterized in that the dielectric sheath (2) is made of glass. 9. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что диэлектрическая оболочка (2) выполнена из керамики.9. A small field emission electron gun according to claim 1, characterized in that the dielectric sheath (2) is made of ceramic. 10. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что первая (7) и вторая (11) обечайки посажены на диэлектрическую оболочку (2) неразъемным соединением.10. Small-sized field-emission electron gun according to claim 1, characterized in that the first (7) and second (11) shells are mounted on a dielectric sheath (2) with an integral connection. 11. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 10, отличающаяся тем, что обечайки (7) и (11) закреплены на диэлектрической оболочке (2) с помощью клеевого шва (16), причем на краях обечаек, направленных друг к другу, выполнены диэлектрические бортики (17).11. Small-sized field-emission electron gun according to claim 10, characterized in that the shells (7) and (11) are mounted on the dielectric sheath (2) with an adhesive seam (16), and the dielectric is made on the edges of the shells facing each other sides (17). 12. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние между первым краем (18) первой обечайки (7) и вторым краем (19) второй обечайки (11), направленных друг к другу, составляет величину h7, находящуюся в диапазоне 5-20 мм.12. Small-sized field-emission electron gun according to claim 1, characterized in that the distance between the first edge (18) of the first shell (7) and the second edge (19) of the second shell (11) directed to each other is h7, located in range 5-20 mm. 13. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что диэлектрическая оболочка (2) имеет цилиндрическую форму.13. A small field emission electron gun according to claim 1, characterized in that the dielectric sheath (2) has a cylindrical shape. 14. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что автокатод (1) выполнен из пучка углеродных волокон.14. Small-sized field-emission electron gun according to claim 1, characterized in that the cathode (1) is made of a bundle of carbon fibers. 15. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 14, отличающаяся тем, что первый свободный конец (9) автокатода (1) имеет округлую форму (25).15. A small field emission electron gun according to claim 14, characterized in that the first free end (9) of the autocathode (1) has a rounded shape (25). 16. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что автокатод (1) выполнен в виде фольги из терморасширенного графита.16. Small-sized field-emission electron gun according to claim 1, characterized in that the cathode (1) is made in the form of foil of thermally expanded graphite. 17. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что первая часть (3) диэлектрической оболочки (2), расположенная внутри первой обечайки (7), представляет собой усеченный конус (20) с углом α1 при вершине, находящийся в диапазоне 160 - 10°.17. A small field emission electron gun according to claim 1, characterized in that the first part (3) of the dielectric shell (2) located inside the first shell (7) is a truncated cone (20) with an angle α1 at the apex, which is in the range 160 - 10 °. 18. Малогабаритная автоэмиссионная электронная пушка по п. 17, отличающаяся тем, что размер h8 свободной части (23) первой обечайки (7) составляет величину 0,6-0,9 от размера h9 остальной части (24) первой обечайки (7), но угол α2 схождения обечайки всегда больше угла α1 при вершине усеченного конуса (20) диэлектрической оболочки (2) минимум на 10°. 18. Small-sized field-emission electron gun according to claim 17, characterized in that the size h8 of the free part (23) of the first shell (7) is 0.6-0.9 of the size h9 of the rest of (24) of the first shell (7), but the angle of convergence of the shell is always greater than the angle α1 at the apex of the truncated cone (20) of the dielectric shell (2) by at least 10 °.
RU2014132515/07A 2014-08-07 2014-08-07 Small-size autoemissive electron gun RU2598857C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014132515/07A RU2598857C2 (en) 2014-08-07 2014-08-07 Small-size autoemissive electron gun

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014132515/07A RU2598857C2 (en) 2014-08-07 2014-08-07 Small-size autoemissive electron gun

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014132515A RU2014132515A (en) 2016-02-27
RU2598857C2 true RU2598857C2 (en) 2016-09-27

Family

ID=55434807

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014132515/07A RU2598857C2 (en) 2014-08-07 2014-08-07 Small-size autoemissive electron gun

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2598857C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019207352A1 (en) * 2018-04-24 2019-10-31 Ооо "Экологический Свет" Field emission electron gun

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996025753A1 (en) * 1995-02-15 1996-08-22 Lightlab Ab A field emission cathode and methods in the production thereof
WO2000055880A1 (en) * 1999-03-17 2000-09-21 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Electron-emitting device and image display device using electron-emitting device
RU2180145C2 (en) * 2000-02-15 2002-02-27 Батурин Андрей Сергеевич Autoemission device
US6737792B2 (en) * 1999-12-27 2004-05-18 Sony Corporation Field emission cathode, electron emission device and electron emission device manufacturing method
RU134356U1 (en) * 2013-03-12 2013-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Торий" AUTO EMISSION ELECTRON GUN

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996025753A1 (en) * 1995-02-15 1996-08-22 Lightlab Ab A field emission cathode and methods in the production thereof
WO2000055880A1 (en) * 1999-03-17 2000-09-21 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Electron-emitting device and image display device using electron-emitting device
US6737792B2 (en) * 1999-12-27 2004-05-18 Sony Corporation Field emission cathode, electron emission device and electron emission device manufacturing method
RU2180145C2 (en) * 2000-02-15 2002-02-27 Батурин Андрей Сергеевич Autoemission device
RU134356U1 (en) * 2013-03-12 2013-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Торий" AUTO EMISSION ELECTRON GUN

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019207352A1 (en) * 2018-04-24 2019-10-31 Ооо "Экологический Свет" Field emission electron gun

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014132515A (en) 2016-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9734980B2 (en) Graphene serving as cathode of X-ray tube and X-ray tube thereof
US9048058B2 (en) Radiation generating tube and radiation generating apparatus using the same
CN111108578A (en) Three-axis X-ray tube
US10475618B2 (en) Electron gun capable of suppressing the influence of electron emission from the cathode side surface
US9177753B2 (en) Radiation generating tube and radiation generating apparatus using the same
KR20100123253A (en) Gate-focusing electrodes integrated electrodes structure for x-ray tube based on nano-structured material
US3154711A (en) Electron beam focusing by means of contact differences of potential
WO2008156361A2 (en) Miniature x-ray source with guiding means for electrons and / or ions
KR102288924B1 (en) X-ray tube and manufacturing method thereof
JP2010086861A (en) X-ray tube
EP0964432A1 (en) High pressure discharge lamp
JP5376449B2 (en) Hollow cathode
RU2598857C2 (en) Small-size autoemissive electron gun
RU2446508C1 (en) Pulsed x-ray tube
JP2009252444A (en) Collector electrode and electron tube
KR101970834B1 (en) Field emission x-ray generating apparatus
JP2017135082A (en) X-ray generation tube, x-ray generation device, and x-ray imaging system
US2686885A (en) Insulated coated grid for electron discharge devices
KR100548930B1 (en) Ion source
KR101214404B1 (en) gate-focusing electrodes integrated electrodes structure for X-ray tube based on nano-structured material
CN113646864B (en) Electron source and charged particle beam device
JP4922884B2 (en) X-ray tube
US7550909B2 (en) Electron gun providing improved thermal isolation
JP6611495B2 (en) X-ray generator tube, X-ray generator and X-ray imaging system
RU132255U1 (en) CATHODE ASSEMBLY OF THE ELECTRON BEAM OF THE VACUUM-DENSE CERAMICS

Legal Events

Date Code Title Description
HE9A Changing address for correspondence with an applicant
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170808