RU2653694C1 - Cathode-grid knot with vertically oriented field emitter - Google Patents

Cathode-grid knot with vertically oriented field emitter Download PDF

Info

Publication number
RU2653694C1
RU2653694C1 RU2017114820A RU2017114820A RU2653694C1 RU 2653694 C1 RU2653694 C1 RU 2653694C1 RU 2017114820 A RU2017114820 A RU 2017114820A RU 2017114820 A RU2017114820 A RU 2017114820A RU 2653694 C1 RU2653694 C1 RU 2653694C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
grid
cathode
hole
central hole
tip
Prior art date
Application number
RU2017114820A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Василий Иванович Шестеркин
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз")
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 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") filed Critical Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз")
Priority to RU2017114820A priority Critical patent/RU2653694C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2653694C1 publication Critical patent/RU2653694C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/304—Field-emissive cathodes

Abstract

FIELD: electronic equipment.
SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering, in particular to cathode-grid knots for vacuum electronic devices, including microwave devices with nanosecond readiness time, in which field emitters are used. Cathode-grid knot with a field emitter contains a vertically oriented tip-shaped field emitter and a grid electrode with a circular central hole placed coaxially with the axis of symmetry of the point cathode whose vertex is located inside the hole in the grid. In the grid electrode, an annular hole is formed concentrically with the central hole in the form of a gap of width equal to the diameter of the central hole, separated from the central hole by an annular grid electrode partition.
EFFECT: decrease in the angle of divergence of electron trajectories behind the grid by eliminating field emission from the lateral surface of the tip of the tip and a decrease in the defocusing action of the grid lens due to a decrease in the transverse component of the electric field in the region of the hole in the grid and, as a consequence, a decrease in the transverse electron velocities.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, в частности к катодно-сеточным узлам для вакуумных электронных устройств, в том числе приборов СВЧ диапазона с наносекундным временем готовности, в которых используются автоэмиссионные катоды.The invention relates to electronic equipment, in particular to cathode-grid units for vacuum electronic devices, including microwave devices with nanosecond readiness, in which field emission cathodes are used.

Известна конструкция катодно-сеточного узла (КСУ), содержащая автоэмиссионный катод с матрицей остриев и размещенную над поверхностью остриев и отделенную от них вакуумным зазором вытягивающую сетку с отверстиями [Н.А. Бушуев, В.И. Шестеркин, А.А. Бурцев, Ю.А. Григорьев, В.П. Кудряшов, П.Д. Шалаев. Матричные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода: современное состояние и перспективы использования в СВЧ-приборах // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. Вып. 4 (519). 2013. С. 175-183]. Недостатком данной конструкции является большой перехват тока катода (до 70%) с остриев, расположенных под перемычками сетки, а также перехват тока боковыми поверхностями сеток вследствие провисания потенциала в отверстия сетки [А.И. Петросян, В.И. Роговин. Расчет электронно-оптической системы ЛБВО с полевой эмиссией. // Прикладная физика.. №2. 2008. С. 86-91]. Угол расхождения траекторий электронов за отверстиями сетки может достигать 120 градусов, что существенно усложняет задачу фокусировки и сопровождения электронного пучка в пролетных каналах электронных приборов с длительным пространством взаимодействия.A known design of the cathode-grid unit (KSU), containing a field emission cathode with a matrix of tips and placed above the surface of the tips and separated from them by a vacuum gap pulling mesh with holes [N.A. Bushuev, V.I. Shesterkin, A.A. Burtsev, Yu.A. Grigoriev, V.P. Kudryashov, P.D. Shalaev. Matrix field emission cathodes made of glassy carbon: current status and prospects for use in microwave devices // Electronic Engineering. Ser. Microwave technology. Vol. 4 (519). 2013. S. 175-183]. The disadvantage of this design is the large interception of the cathode current (up to 70%) from the tips located under the jumpers of the grid, as well as interception of current by the side surfaces of the grids due to the potential sagging in the holes of the grid [A.I. Petrosyan, V.I. Rogovin. Calculation of the electron-optical system of LBVO with field emission. // Applied Physics .. No. 2. 2008. S. 86-91]. The angle of divergence of the electron trajectories behind the holes of the grid can reach 120 degrees, which greatly complicates the task of focusing and tracking the electron beam in the passage channels of electronic devices with a long interaction space.

Известна также конструкция катодно-сеточного узла, состоящего из отдельных автоэмиссионных ячеек, каждая из которых содержит острие конусообразной формы и сетку с отверстием, центр которого совпадает с осью симметрии острия (катод Спиндта). Катод и сетка отделены слоем диэлектрика. Перехват тока сеткой в данной конструкции сведен к минимуму за счет размещения кончика острия в плоскости сетки, имеющей толщину десятые доли микрометра [Spindt С.А. // J of Appl. Phys. 1968. Vol. 39. №6. P. 3504]. Недостатком данной конструкции является столь же большой (как и в аналоге) угол расхождения электронного потока на выходе из ячейки вследствие провисания потенциала в ее отверстие. Кроме того, для КСУ с диэлектрическим зазором катод-сетка характерен короткий срок службы (на сегодняшний день не более 150 часов) [Whaley D.R., Duggal R., Armstrong С.M. et al. // IEEE Trans. 2009. V. ED-56. №5. P. 896], вследствие напыления материала катода на поверхность диэлектрика и ухудшения его изоляционных свойств с течением времени.Also known is the design of the cathode-grid unit, consisting of separate field emission cells, each of which contains a cone-shaped point and a mesh with a hole, the center of which coincides with the axis of symmetry of the tip (Spindt cathode). The cathode and grid are separated by a dielectric layer. The current interception by the grid in this design is minimized by placing the tip of the tip in the plane of the grid having a thickness of tenths of a micrometer [Spindt S.A. // J of Appl. Phys. 1968. Vol. 39. No. 6. P. 3504]. The disadvantage of this design is as large (as in the analogue) the angle of divergence of the electron beam at the outlet of the cell due to sagging potential in its hole. In addition, KSU with a dielectric gap cathode-grid is characterized by a short service life (today no more than 150 hours) [Whaley D.R., Duggal R., Armstrong S.M. et al. // IEEE Trans. 2009. V. ED-56. No. 5. P. 896], due to the deposition of the cathode material on the surface of the dielectric and the deterioration of its insulating properties over time.

Наиболее близким техническим решением является конструкция катодно-сеточного узла, содержащего автоэмиссионный катод в форме иглы из стеклоуглерода с большим аспектным отношением геометрических размеров и сетку с круглым отверстием, отделенную от катода вакуумным зазором [Vasily I. Shesterkin. Large-sized field-emission cells with high aspect ratio of tip sizes made of carbon glass composed of electron guns for microwave devices // 11 th Internationale Vacuum Electron Sources Conference. IVESC - 2016. Seoul. 18-20 October. 2016. PP. 119-120]. Достоинством данной конструкции является высокая по сравнению с КСУ с диэлектрическим зазором долговечность и надежность за счет использования вакуумного зазора катод-сетка. Ток единичной автоэмиссионной ячейки с катодом в форме «Эйфелевой башни» более чем на три порядка величины превосходит ток с единичной ячейки Спиндта.The closest technical solution is the design of the cathode-grid assembly containing a field emission cathode in the form of a glass-carbon needle with a large aspect ratio of geometric dimensions and a grid with a round hole separated from the cathode by a vacuum gap [Vasily I. Shesterkin. Large-sized field-emission cells with high aspect ratio of tip sizes made of carbon glass composed of electron guns for microwave devices // 11 th Internationale Vacuum Electron Sources Conference. IVESC - 2016. Seoul. October 18-20. 2016. PP. 119-120]. The advantage of this design is high durability and reliability in comparison with the KSU with a dielectric gap due to the use of a vacuum cathode-grid gap. The current of a single field emission cell with a cathode in the form of an Eiffel Tower exceeds the current from a single Spindt cell by more than three orders of magnitude.

Недостатком данной конструкции является присущий всем КСУ, использующим сетки с отверстиями, большой угол расхождения электронного потока на выходе из сетки вследствие расфокусирующего действия сеточной линзы.The disadvantage of this design is inherent in all KSU, using grids with holes, a large angle of divergence of the electron flux at the outlet from the grid due to the defocusing effect of the grid lens.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции КСУ с автоэмиссионным катодом, в котором уменьшение угла расхождения траекторий электронов за сеткой осуществляется путем устранения автоэлектронной эмиссии с боковой поверхности вершины острия и уменьшения расфокусирующего действия сеточной линзы за счет уменьшения поперечной составляющей электрического поля в области отверстия в сетке, и, как следствие, уменьшение поперечных скоростей электронов.The objective of the present invention is to provide a KSU design with a field emission cathode, in which the angle of divergence of electron paths behind the grid is reduced by eliminating field emission from the side surface of the tip apex and reducing the defocusing effect of the grid lens by reducing the transverse component of the electric field in the region of the hole in the grid, and as a consequence, a decrease in the transverse velocities of electrons.

Поставленная задача достигается тем, что катодно-сеточный узел с автоэмиссионным катодом содержит вертикально ориентированный острийный автоэмиссионный катод и сеточный электрод с круглым центральным отверстием, размещенным соосно с осью симметрии острийного катода, вершина которого размещена внутри отверстия в сетке. Причем в сеточном электроде формируют концентрично с центральным отверстием кольцевое отверстие в форме щели шириной, равной диаметру центрального отверстия, отделенное от центрального отверстия кольцевой перегородкой из сеточного электрода.This object is achieved in that the cathode-grid unit with a field emission cathode contains a vertically oriented tip field emission cathode and a grid electrode with a round central hole placed coaxially with the axis of symmetry of the point cathode, the apex of which is located inside the hole in the grid. Moreover, in the grid electrode, an annular hole is formed concentrically with the central hole in the form of a slit with a width equal to the diameter of the central hole, separated from the central hole by an annular partition from the mesh electrode.

Предлагаемая конструкция катодно-сеточного узла поясняется чертежами.The proposed design of the cathode-grid unit is illustrated by drawings.

На Фиг. 1 представлена схема КСУ с единичным вертикально ориентированным острием и сеточным электродом, центр которого лежит на оси симметрии острия, где:In FIG. 1 is a diagram of a control panel with a single vertically oriented tip and a grid electrode, the center of which lies on the axis of symmetry of the tip, where:

1 - катодный диск - основание острия;1 - cathode disk - the base of the tip;

2 - автоэмиссионный катод в форме острия;2 - field emission cathode in the form of a tip;

3 - линии равного потенциала (эквипотенциали);3 - lines of equal potential (equipotentials);

4 - траектории электронов;4 - electron trajectories;

5 - центральное отверстие сетки;5 - the central hole of the grid;

6 - сеточный электрод.6 - mesh electrode.

Катодно-сеточный узел содержит автоэмиссионный катод в форме вертикально ориентированного острия (2), размещенного по центру отверстия (5) сеточного электрода (6). Потенциалы катода – 0 В, сетки 1 В и эквипотенциалей от 0.1 В до 0.9 В (3) даны в относительных единицах. Полуугол расхождения α1 электронных траекторий (4) за отверстием в сетке может достигать 60 градусов.The cathode-grid unit contains a field emission cathode in the form of a vertically oriented tip (2) located in the center of the hole (5) of the grid electrode (6). The potentials of the cathode are 0 V, 1 V grid and equipotentials from 0.1 V to 0.9 V (3) are given in relative units. The half-angle of the divergence α 1 of the electronic trajectories (4) behind the hole in the grid can reach 60 degrees.

На Фиг. 2 представлена конструкция КСУ согласно заявляемому изобретению. В сеточном электроде любым известным способом (лазерным фрезерованием, электроискровой обработкой, химическим травлением) формируют кольцевое отверстие (7), концентрично расположенное относительно центрального отверстия (5) и отделенное от него кольцевой перегородкой (6). Абсолютные размеры центрального отверстия и ширина кольцевой щели определяются требованиями к конкретному КСУ по величине тока и напряжению на сетке.In FIG. 2 shows the design of the KSU according to the claimed invention. An annular hole (7) concentrically located relative to the central hole (5) and separated from it by an annular partition (6) is formed in the grid electrode by any known method (laser milling, electric spark treatment, chemical etching). The absolute dimensions of the central hole and the width of the annular gap are determined by the requirements for a particular KSU by the magnitude of the current and voltage on the grid.

Катодно-сеточный узел с вертикально ориентированным автоэмиссионным катодом работает следующим образом. За счет провисания потенциала в щелевое отверстие в сетке электрическое поле по оси щелевого отверстия ослабляется, что вызывает искривление эквипотенциалей и их перемещение от основания острия (1) к сетке (6). Направление перемещения эквипотенциалей показаны стрелками (8) на фиг. 2. Ослабление электрического поля в области вершины острия приводит к уменьшению напряженности электрического поля на боковой поверхности острия вблизи его вершины и, как следствие, к уменьшению плотности автоэмиссионного тока и уменьшению угла эмиссии острия. За счет провисания потенциала в щелевое отверстие ослабляется электрическое поле над кольцевой перегородкой и в периферийной области центрального отверстия.The cathode-grid unit with a vertically oriented field emission cathode operates as follows. Due to the potential sagging into the slot in the grid, the electric field along the axis of the slot is weakened, which causes the equipotentials to bend and move from the base of the tip (1) to the grid (6). The direction of movement of the equipotentials is shown by arrows (8) in FIG. 2. The weakening of the electric field in the region of the tip tip leads to a decrease in the electric field strength on the side surface of the tip near its tip and, as a result, to a decrease in the field emission current density and a decrease in the tip emission angle. Due to the potential sagging in the slit hole, the electric field is weakened above the annular partition and in the peripheral region of the central hole.

Ослабление напряженности электрического поля приводит к увеличению радиуса кривизны эквипотенциалей в области центрального отверстия и уменьшению радиальной составляющей электрического поля, отклоняющей траектории электронов от оси острийного автоэмиттера. За счет уменьшения радиальной составляющей электрического поля вблизи острия как с наружной, так и с внутренней стороны сетки поперечные составляющие скоростей электронов уменьшаются. Полуугол расхождения траекторий электронов с вершины острия α2 становится меньше угла расхождения α1 в конструкции КСУ без щелевого отверстия.The weakening of the electric field leads to an increase in the radius of curvature of the equipotentials in the region of the central hole and to a decrease in the radial component of the electric field, which deviates the electron trajectory from the axis of the tip emitter. Due to the decrease in the radial component of the electric field near the tip, both from the outer and inner sides of the grid, the transverse components of the electron velocities decrease. The half-angle of the divergence of the electron trajectories from the top of the tip α 2 becomes smaller than the angle of divergence α 1 in the design of the KSU without a slot hole.

Предлагаемая конструкция катодно-сеточного узла формирует электронный поток на выходе из сетки с меньшим углом расходимости и меньшими поперечными скоростями электронов, что позволяет формировать электронные пучки для вакуумных электронных приборов меньшего поперечного размера с меньшей потерей тока на элементах электродинамической системы и применять для их фокусировки магнитные поля с меньшей амплитудой индукции.The proposed design of the cathode-grid unit generates an electron stream at the exit from the grid with a smaller divergence angle and lower transverse electron velocities, which allows the formation of electron beams for vacuum electronic devices of a smaller transverse size with less current loss on the elements of the electrodynamic system and to use magnetic fields to focus them with a lower amplitude of induction.

В конечном итоге данное изобретение позволит улучшить характеристики вакуумного электронного прибора - повысить КПД и уменьшить вес.Ultimately, this invention will improve the characteristics of a vacuum electronic device - to increase efficiency and reduce weight.

Источники информацииInformation sources

1. Н.А. Бушуев, В.И. Шестеркин, А.А. Бурцев, Ю.А. Григорьев, B.П. Кудряшов, П.Д. Шалаев. Матричные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода: современное состояние и перспективы использования в СВЧ-приборах // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. Вып. 4 (519). 2013. C. 175-183.1. N.A. Bushuev, V.I. Shesterkin, A.A. Burtsev, Yu.A. Grigoriev, B.P. Kudryashov, P.D. Shalaev. Matrix field emission cathodes made of glassy carbon: current status and prospects for use in microwave devices // Electronic Engineering. Ser. Microwave technology. Vol. 4 (519). 2013.P. 175-183.

2. А.И. Петросян, В.И. Роговин. Расчет электронно-оптической системы ЛБВО с полевой эмиссией. // Прикладная физика.. №2. 2008. С. 86-91.2. A.I. Petrosyan, V.I. Rogovin. Calculation of the electron-optical system of LBVO with field emission. // Applied Physics .. No. 2. 2008.S. 86-91.

3. Spindt С.А. // J of Appl. Phys. 1968. Vol. 39. №6. P. 3504.3. Spindt S. A. // J of Appl. Phys. 1968. Vol. 39. No. 6. P. 3504.

4. Whaley D.R., Duggal R., Armstrong С.M. et al. // IEEE Trans. 2009. V. ED-56. №5. P. 896.4. Whaley D.R., Duggal R., Armstrong C.M. et al. // IEEE Trans. 2009. V. ED-56. No. 5. P. 896.

5. Vasily I. Shesterkin. Large-sized field-emission cells with high aspect ratio of tip sizes made of carbon glass composed of electron guns for microwave devices // 11 th Internationale Vacuum Electron Sources Conference. IVESC - 2016. Seoul. 18-20 October. 2016. PP. 119-120.5. Vasily I. Shesterkin. Large-sized field-emission cells with high aspect ratio of tip sizes made of carbon glass composed of electron guns for microwave devices // 11 th Internationale Vacuum Electron Sources Conference. IVESC - 2016. Seoul. October 18-20. 2016. PP. 119-120.

Claims (1)

Катодно-сеточный узел с автоэмиссионным катодом, содержащий вертикально ориентированный острийный автоэмиссионный катод и сеточный электрод с круглым центральным отверстием, размещенным соосно с осью симметрии острийного катода, вершина которого размещена внутри отверстия в сетке, отличающийся тем, что в сеточном электроде формируют концентрично с центральным отверстием кольцевое отверстие в форме щели шириной, равной диаметру центрального отверстия, отделенное от центрального отверстия кольцевой перегородкой из сеточного электрода.A cathode-grid unit with a field emission cathode containing a vertically oriented tip field-emission cathode and a grid electrode with a circular central hole coaxially with the axis of symmetry of the cathode, the apex of which is placed inside the hole in the grid, characterized in that the grid electrode is formed concentrically with the central hole an annular hole in the form of a slit with a width equal to the diameter of the central hole, separated from the central hole by an annular partition made of a mesh electric Yes.
RU2017114820A 2017-04-26 2017-04-26 Cathode-grid knot with vertically oriented field emitter RU2653694C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017114820A RU2653694C1 (en) 2017-04-26 2017-04-26 Cathode-grid knot with vertically oriented field emitter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017114820A RU2653694C1 (en) 2017-04-26 2017-04-26 Cathode-grid knot with vertically oriented field emitter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2653694C1 true RU2653694C1 (en) 2018-05-14

Family

ID=62152764

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017114820A RU2653694C1 (en) 2017-04-26 2017-04-26 Cathode-grid knot with vertically oriented field emitter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2653694C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060238095A1 (en) * 2004-11-15 2006-10-26 Samsung Sdi Co., Ltd. Carbon nanotube, electron emission source including the carbon nanotube, electron emission device including the electron emission source, and method of manufacturing the electron emission device
US20120161607A1 (en) * 2010-12-24 2012-06-28 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Field emission cathode device and method for making the same
RU2526240C1 (en) * 2013-01-09 2014-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Method to manufacture field-emission cathode

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060238095A1 (en) * 2004-11-15 2006-10-26 Samsung Sdi Co., Ltd. Carbon nanotube, electron emission source including the carbon nanotube, electron emission device including the electron emission source, and method of manufacturing the electron emission device
US20120161607A1 (en) * 2010-12-24 2012-06-28 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Field emission cathode device and method for making the same
RU2526240C1 (en) * 2013-01-09 2014-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Method to manufacture field-emission cathode

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ЖТФ, 2016, том 86, вып. 2, с. 134-139. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPH02226635A (en) Field emission type electron source
Morev et al. Electron-optical systems with planar field-emission cathode matrices for high-power microwave devices
RU2653694C1 (en) Cathode-grid knot with vertically oriented field emitter
KR20020038696A (en) Compact field emission electron gun and focus lens
RU2686454C1 (en) Cathode-mesh assembly with spatially-developed axially symmetric field-emission cathode
CN111146049A (en) Small ion source of carbon nano tube field emission cathode
Rahman et al. Increasing charge lifetime in dc polarized electron guns by offsetting the anode
RU2644416C2 (en) Cathode-grid knot with auto emission cathode from carbon material
CN112599397B (en) Storage type ion source
US8129910B2 (en) Magnetically insulated cold-cathode electron gun
US3139552A (en) Charged particle gun with nonspherical emissive surface
RU2651584C2 (en) Electronic gun with field emission cathode
US2936393A (en) Low noise traveling-wave tube
KR20150084324A (en) X-ray generator having anti-charging structure of triode electron emitting device
RU187097U1 (en) Tape-beam field-emission magnetron-injection gun
RU181037U1 (en) Field emission electron gun with a converging ribbon beam
RU183913U1 (en) TRIODE ELECTRON GUN WITH AUTOCATODE
US2570208A (en) Electronic switch
RU184181U1 (en) Converging ribbon beam electron gun
KR100866980B1 (en) Flat type cold cathode electron gun
Mathias et al. On the performance of high perveance electron guns
Goel et al. Electrostatically and Electromagnetically Focused 60kW Electron Gun for High Voltage Applications
RU2367052C1 (en) Electron gun for microwave device
US2884551A (en) Cathode ray tube
Pinto et al. An electron gun design for a C-band TWT

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200427