WO2016093735A1 - Источник электронов с автоэлектронными эмиттерами - Google Patents
Источник электронов с автоэлектронными эмиттерами Download PDFInfo
- Publication number
- WO2016093735A1 WO2016093735A1 PCT/RU2015/000741 RU2015000741W WO2016093735A1 WO 2016093735 A1 WO2016093735 A1 WO 2016093735A1 RU 2015000741 W RU2015000741 W RU 2015000741W WO 2016093735 A1 WO2016093735 A1 WO 2016093735A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- field
- emitter
- substrate
- emission
- electron source
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J21/00—Vacuum tubes
- H01J21/02—Tubes with a single discharge path
- H01J21/06—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only
- H01J21/10—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only with one or more immovable internal control electrodes, e.g. triode, pentode, octode
Definitions
- the invention relates to electronic equipment, more specifically, to field emission electronic devices, namely, to an electron source with field-emitting emitters, intended for use mainly in such devices.
- Emitting electrons and control electrodes contained in devices of the type in question are often referred to as an emitter or cathode, respectively, and a pulling electrode, a pulling grid or simply a grid.
- the specified emitter is also called a car emitter, a cold cathode, a cathode, a field electron cathode, a field emitter, and the used phenomenon of electron emission is called field emission, field emission, cold emission, field emission.
- autoelectronic emitter and “control electrode” are mainly used, and for a device containing a pair of these electrodes, the name “electron source” with autoelectronic emitters. ”In the art, such a device is also called a“ cathode-grid unit. ”Further description of the invention should be taken in view of what has been said about the noted terminology in this area.
- Both of these types are united by the fact that coaxial holes are made in the indicated insulating and conducting layers.
- An autoelectronic emitter is formed in each pair of such holes on the substrate.
- Each controlled field-emission cell is formed by this field-emitter, which, together with a part of the substrate bounded by an opening adjacent to it in the insulating layer, is the cathode of the field-emission cell.
- the control electrode of the cell is the part of this layer closest to the hole in the conductive layer.
- a positive potential is created with respect to the substrate with which the field-emitter (cathode) is in contact. If this potential exceeds the work function of the emitter, a directed electron flow from it to the control electrode is formed. When approaching the latter, the electrons fall into the field of action of the field created by the anode electrode, and most of them continue to move toward this electrode.
- control electrode is the field emitter of field emission cells of the electron source with field emission emitters by increasing the surface strength of the structural elements separating these electrodes.
- the electron source with field emitters according to the invention contains a plurality of controllable field emission cells formed on a common substrate (mainly silicon) with sequentially insulating and conducting layers on it. in which holes are made reaching the substrate. In each pair of such holes, one of which belongs to the insulating layer, and the other - conducting In this case, an electron emitter is placed on the substrate.
- Each controlled field emission cell is formed by the indicated field emission emitter, which, together with the part of the substrate occupied by it, is the cathode of the field emission cell and a control electrode, which is a part of this layer adjacent to the hole in the conductive layer.
- the distance along the surface of the specified insulating material together with the thickness of the insulating layer and, accordingly, the length of the main path of the potential electrical breakdown in the field emission cell between its cathode and the control electrode increases by at least twice the depth, - replenished in the substrate.
- the field-emission emitter of controlled field emission cells of the proposed electron source is made on the basis of a carbon nanostructure, which allows one to obtain higher emission properties and, ultimately, expand the scope of the possible application of the proposed source (S.Vartapetov, E.Ilichev, R. Nabiev et al. Emission electronics based on nano- (micro-) structured carbon materials.
- the aforementioned conductive layer can be divided into parts isolated from each other, which belong to individual cells or groups of cells, by gaps in the gaps between holes in this layer. This embodiment allows separate control of the currents of cells or groups of cells.
- the conductive layer is not divided into parts isolated from each other, it is a control electrode of the electron source that is common to all cells. When using such an electron source, field emission cells connected in parallel are controlled simultaneously and create the total current.
- FIG. 1 and FIG. 2 fragment (part related to a single controlled field emission cell) of the proposed electron source with field-emitters;
- FIG. 3 - in FIG. 3 - a fragment (a part related to one controlled field emission cell) closest to the proposed known source of electrons with field-emitters;
- FIG. 4 and FIG. 5 is a proposed source of electrons with field-emission emitters together with the anode electrode in an electronic device in cases where the conductive layer is made, respectively, without separation and with division into parts.
- each field-emission cell in the proposed electron source with field-emitting emitters, contains an insulation layer 2 deposited on a silicon substrate 1 and a conductive layer 3 deposited on top of it. Holes 4 are made in the said layers and 5, reaching the substrate 1, and on the surface of the substrate in its part 8, located within the openings 4 and 5, there is a field-emitter 7. shown in figures 1 and 2, the holes 4 and 5 are cylindrical, the same in diameter and have a common center line 6. This embodiment is more technologically advanced, but not required. Holes 4 and 5 may also have a different shape and vary in size.
- the holes 4 and 5, made in the said conductive 3 and insulating 2 layers, are through (reach the substrate 1) and therefore have a common clearance for access to the surface of the substrate.
- the autoelectronic emitter 7 together with the part 8 of the surface of the substrate 1 occupied by it is the cathode of the field emission cell of the proposed electron source.
- an annular recess 9 is made, and the field-emission emitter is located on the substrate material part 1 1 surrounded by this cavity.
- the lateral surface of the deepening 9 is covered with an insulating material 10.1 (Fig. 1), for example, silicon nitride, or oxidized, i.e. covered with insulator 10.2 (Fig. 2) in the form of silicon oxide.
- the same coating (12.1, Fig. 1 or 12.2, Fig. 2) may have a bottom surface of the recess 9.
- the control electrode of the field emission cell is a part of this layer adjacent to the hole 5 in the conductive layer 3.
- an additional coating of insulating material may also have a side wall 13 of the hole 4 in the insulating layer 2 (not shown in Fig. 1 and Fig. 2).
- the cell of the closest known electron source with field emitters having a conventional embodiment, shown in section in FIG. 3 comprises a substrate 51, layers 52 and 53 of insulating and conducting materials with coaxial holes 54 and 55 therein having a common axis 56, and an electron-emitter 57 located in the hole 54 on a portion 58 of the surface of the substrate 51.
- FIG. 1 A comparison of figures 1 and 2 with figure 3 shows that the length of the recessed surface 9 having an insulating coating together with the thickness of the insulating layer 2, i.e. the path length of possible surface breakdown between the control electrode (conductive layer 3) and emitter 7 in the cell of the proposed electron source is greater than the distance h on the surface of the insulating layer 52 in the cell of the closest known electron source, at least by 2d twice the size of the recess 9. Due to this, the electric strength of the cathode gap — the control electrode of the proposed electron source — increases and the probability of electric breakdown during its operation decreases as a part of the electron device.
- FIG. 4 The use of the proposed electron source in one of the possible cases as part of an electronic device is shown in FIG. 4.
- a collection of 101 elements is the proposed electron source with sixteen field emission cells, having a cathode electrode 1 — a common cell substrate and a common control for all cells the electrode is a conductive layer 3 not separated into parts, separated from the substrate 1 by an insulating layer 2.
- the anode electrode 120 of the electronic device is parallel to it.
- the source of 101 electrons with field emitters together with the anode electrode 120 are enclosed in a vacuum housing not shown in the drawing and have external terminals 1 1 1, 1 12, 1 13.
- the front row of field emission cells in FIG. 4 is a sectional view, as is the individual cell in FIG. 1 and FIG. 2.
- FIG. 4 you can also see holes 5 in the conductive layer 3, forming a common control electrode of the source 101 with an external terminal 1 12, field-emitter 7 and ring-shaped recesses 9 in the substrate 1 with an insulating coating 10.
- a recess 9 surrounds part 1 1 of the material la substrate 1 on which the field-emitter 7 is placed.
- the insulating coating 10 of the surface of the recess 9 has a continuation forming an additional insulating coating of the insulating layer 2.
- the device of FIG. 4 may in particular be an x-ray tube.
- the anode electrode 120 is a shooting target made of a material with the required characteristic radiation, and the end face not shown in the drawing of the device housing, near which the anode electrode is located, it must be X-ray transparent.
- FIG. 5 The aforementioned implementation of the proposed device with the separation of the conductive layer into insulated parts is illustrated in FIG. 5, where the combination of elements of such a device is shown at 102.
- Each of these parts has its own external output (112.1 - 1 12.4, respectively).
- parts 3.1 - 3.3 relate to four field emission cells each, and part 3.4 - to one cell.
- the rest of the notations in FIG. 5 are the same as used above.
- Such an embodiment in this example of using an electron source allows separate control of x-rays excited in different parts of the anode electrode 120 corresponding to separately controlled cells or groups of cells. This allows you to change the places where the radiation leaves the device and its total intensity, which can be used in some applications, as well as control the spectral composition of the radiation, for which different sections of the anode electrode (shot target) must be made of different materials.
- the manufacturing technology of the proposed electron source containing a plurality of field emission cells similar to that shown in FIG. 4 and FIG. 5 sources 101, 102, may vary depending on the available technological capabilities and features of a particular task.
- the technological process for producing a preferred source of electrons containing field-emitting emitters based on a carbon nanocrystalline structure ([6], [7]) 7 looks as follows.
- a thermal oxide layer about 500 nm thick is formed on the polished working surface of the silicon substrate, and then a layer of Si 3 N 4 with a thickness of 100 200 nm is applied by vacuum deposition.
- a layer of conductive material is sprayed onto the insulating layer formed as a result of previous operations, which can be, for example, chromium, titanium, niobium, or other heat-resistant metal.
- a mask is formed from a photoresist, and through cylindrical holes are formed by chemical or plasma-chemical etching in the above-mentioned insulation and conductive layers of a plate with such layers obtained in the previous stages.
- insulating gaps between the parts of the conducting layer can be obtained if it is required to implement the corresponding particular case of the proposed source of electrons.
- the dielectric coating or oxide film is removed.
- the plate is divided into separate samples, each of which is a blank for the manufacture of an electron source and contains an array with the required number of cells.
- the depressions formed in the above manner on the substrate surface are cleaned by standard chemical treatment methods and on the above-mentioned parts of the substrate surface surrounded by depressions by plasma-chemical deposition (see, for example, RF patent 2524353, publ. 07.27.2014 [8]) form auto-electronic emitters of nanocrystalline graphite.
- the proposed device manufactured by the integrated technology described above is suitable for use in a wide class of vacuum electronic devices as a controlled electron source, as well as an electron source for ionizing a stream of neutral particles, compensating for the positive charge of positive ion flows, and in other fields.
- Information sources are suitable for use in a wide class of vacuum electronic devices as a controlled electron source, as well as an electron source for ionizing a stream of neutral particles, compensating for the positive charge of positive ion flows, and in other fields.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
Изобретение относится к источнику электронов, предназначенному для использования в автоэмиссионных электронных приборах. Источник содержит множество управляемых автоэмиссионных ячеек, сформированных на подложке (1) с последовательно нанесенными на нее изоляционным (2) и проводящим (3) слоями, имеющими множество отверстий (4, 5). В каждом из таких отверстий на подложке размещен автоэлектронный эмиттер (7). Каждая ячейка образована эмиттером (7), являющимся вместе с занимаемой им частью подложки катодом ячейки, и управляющим электродом, которым является примыкающая к отверстию (5) в проводящем слое (3) часть этого слоя. Особенностью данного источника является то, что в подложке (1) вокруг эмиттера (7) выполнено кольцеобразное углубление (9). Поверхность последнего покрыта изоляционным материалом (10.1, 12.1) или окислена. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении более высокой электрической прочности промежутков управляющий электрод - эмиттер за счет увеличения протяженности пути возможного пробоя, благодаря чему увеличивается электрическая прочность поверхности элементов конструкции, разделяющих эти электроды.
Description
ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ
С АВТОЭЛЕКТРОННЫМИ ЭМИТТЕРАМИ
Область техники
Изобретение относится к электронной технике, более кон- кретно - к автоэмиссионным электронным приборам, а именно к источнику электронов с автоэлектронными эмиттерами, предна- значенному для использования преимущественно в таких прибо- рах.
Предшествующий уровень техники Содержащиеся в приборах рассматриваемого типа эмити- рующий электроны и управляющий электроды часто называют со- ответственно эмиттером или катодом и вытягивающим электро- дом, вытягивающей сеткой или просто сеткой. Указанный эмиттер называют также автоэмиттером, холодным катодом, автокатодом, автоэлектронным катодом, полевым эмиттером, а используемое явление эмиссии электронов - автоэмиссией, автоэлектронной эмиссией, холодной эмиссией, полевой эмиссией.
Ниже, в основном, применяются термины "автоэлектрон- ный эмиттер" и "управляющий электрод", а для устройства, со- держащего пару этих электродов - название "источник электронов
с автоэлектронными эмиттерами". В данной области техники такое устройство называют также "катодно-сеточный узел". Дальнейшее содержание описания предлагаемого изобретения следует воспри- нимать с учетом сказанного об отмеченной особенности термино- логии в данной области.
Известны конструкции источника электронов с автоэлек- тронными эмиттерами, содержащие массив управляемых авто- эмиссионных ячеек, сформированных на подложке с последова- тельно нанесенными на нее изоляционным и проводящим слоями. Известны два основных типа таких источников электронов: с острийными автокатодами (см., например, патенты США: .V23789471 , опубл. 05.02.1974 [1]; °5332627, опубл. 26.07.1994 [2]) и с автоэлектронными катодами, выполненными на основе угле- родных наноструктур различного типа (см., например, европей- ский патент М>1 1 15135, опубл. 18.08.2004 [3] ; патент США JY28604681, опубл. 10.12.2013 [4]).
Оба этих типа объединяет то, что в указанных изоляцион- ном и проводящем слоях выполнены коаксиальные отверстия. В каждой паре таких отверстий на подложке сформирован автоэлек- тронный эмиттер. Каждая управляемая автоэмиссионная ячейка образована этим автоэлектронным эмиттером, который вместе с частью подложки, ограниченной примыкающим к ней отверстием в изоляционном слое, является катодом автоэмиссионной ячейки. Управляющим электродом ячейки является ближайшая к отвер- стию в проводящем слое часть этого слоя.
При использовании источника электронов с автоэлектрон- ными эмиттерами в составе электронного прибора последний в большинстве случаев снабжен анодным электродом. Вся совокуп- ность названных электродов размещена в вакуумированном объе- ме. Для получения потока электронов на управляющем электроде создают положительный потенциал относительно подложки, с ко- торой контактирует автоэлектронный эмиттер (катод). Если этот потенциал превышает работу выхода эмиттера, образуется направ- ленный поток электронов от него к управляющему электроду. При подлете к последнему электроны попадают в зону действия поля, создаваемого анодным электродом, и большая их часть продолжа- ет движение в сторону этого электрода.
Для увеличения плотности создаваемого тока необходимо увеличение напряженности электрического поля, вследствие чего существенно возрастают требования к электрической прочности промежутка катод (автоэлектронный эмиттер) - управляющий электрод.
Известно техническое решение по патенту США N°5442193, опубл. 15.08.1995 [5], направленное на предотвращение дугового разряда между автоэлектронным эмиттером и управляю- щим электродом в автоэмиссионной ячейке непосредственно через разделяющее эти электроды пространство. Вероятность такого пробоя возрастает вследствие неидеальности вакуумирования. Со- гласно данному техническому решению управляющий электрод полностью (включая стенки указанных выше отверстий в обра- зующем этот электрод проводящем слое), а также стенки отвер- стий в изоляционном слое, разделяющем подложку и управляю-
щий электрод, покрыты изоляционным материалом. Наличие та- кой изоляции, с одной стороны, непосредственно увеличивает пробивное напряжение промежутка эмиттер - управляющий элек- трод в каждой ячейке и, с другой стороны, создает оболочку, уменьшающую проникновение в этот промежуток загрязняющих веществ из материалов управляющего электрода и изоляционного слоя, разделяющего подложку и управляющий электрод.
Однако такой подход эффективен только при сверхмалых токах. При больших токах из-за отсутствия стока электронов на покрытый изоляционным материалом управляющий электрод этот материал заряжается попадающими на него электронами до тех пор, пока не произойдет пробой или накопленный заряд не ском- пенсирует вытягивающее напряжение между эмиттером и управ- ляющим электродом, в результате чего промежуток между ними окажется запертым.
Кроме того, как показывает практика, в описанной выше конструкции источника электронов с автоэлектронными эмитте- рами по патентам [1 - 4] возникновение пробоя обусловлено, глав- ным образом, не той причиной, на преодоление которой направле- но техническое решение по патенту [5], а ограниченной электриче- ской прочностью поверхности межэлектродного изолятора, кото- рой является стенка отверстия в изоляционном слое, разделяющем автоэлектронный эмиттер и управляющий электрод. При больших напряженностях электрического поля между этими электродами, необходимых для получения высокой плотности тока, имеющая место утечка по указанной поверхности, в конечном счете, приво- дит к электрическому пробою, что определяет актуальность задачи
предотвращения такого пробоя, в особенности в источниках с эмиттерами на основе углеродных наноструктур.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение тех- нического результата, заключающегося в обеспечении более высо- кой электрической прочности промежутков управляющий элек- трод - автоэлектронный эмиттер автоэмиссионных ячеек источни- ка электронов с автоэлектронными эмиттерами за счет увеличения электрической прочности поверхности элементов конструкции, разделяющих указанные электроды. При раскрытии изобретения и рассмотрении вариантов его осуществления могут быть названы и другие виды достигаемого технического результата.
Наиболее близким к предлагаемому источнику электронов с автоэлектронными эмиттерами является источник электронов, известный из патента [4], в котором автоэлектронный эмиттер вы- полнен на основе углеродной наноструктуры, однако предлагаемое техническое решение не ограничено данным типом источников электронов.
Раскрытие изобретения
Источник электронов с автоэлектронными эмиттерами по предлагаемому изобретению, как и наиболее близкий к нему из- вестный источник, содержит множество управляемых автоэмисси- онных ячеек, сформированных на общей подложке (преимущест- венно кремниевой) с последовательно нанесенными на нее изоля- ционным и проводящим слоями, в которых выполнены отверстия, достигающие подложки. В каждой паре таких отверстий, одно из которых принадлежит изоляционному слою, а другое - проводя-
щему слою, на подложке размещен автоэлектронный эмиттер. Ка- ждая управляемая автоэмиссионная ячейка образована указанным автоэлектронным эмиттером, являющимся вместе с занимаемой им частью подложки катодом автоэмиссионной ячейки, и управляю- щим электродом, которым является примыкающая к отверстию в проводящем слое часть этого слоя.
В отличие от наиболее близкого известного источника электронов по патенту [4], в предлагаемом источнике электронов с автоэлектронными эмиттерами в подложке вокруг автоэлектрон- ного эмиттера каждой автоэмиссионной ячейки выполнено коль- цеобразное углубление, имеющее боковую и донную поверхности. По меньшей мере, боковые поверхности этого углубления покры- ты изоляционным материалом или окислены.
При описанном выполнении расстояние по поверхности указанного изоляционного материала вместе с толщиной изоляци- онного слоя и соответственно протяженность основного пути по- тенциально возможного электрического пробоя в автоэмиссионной ячейке между ее катодом и управляющим электродом увеличива- ется, по меньшей мере, на удвоенную величину углубления, вы- полняемого в подложке. Выбирая этот размер в соответствии с расчетным или предполагаемым значением напряжения между ка- тодом и управляющим электродом, можно обеспечить надежную, свободную от электрических пробоев работу источника электро- нов с автоэлектронными эмиттерами. Для достижения более высокой электрической прочности иметь изоляционное покрытие или быть окисленной, наряду с бо-
ковой поверхностью указанного углубления, может и его донная поверхность.
В предпочтительном частном случае автоэлектронный эмиттер управляемых автоэмиссионных ячеек предлагаемого ис- точника электронов выполнен на основе углеродной нанострукту- ры, что позволяет получить более высокие эмиссионные свойства и, в конечном счете, расширить область возможного применения предлагаемого источника (С.Вартапетов, Э.Ильичев, Р.Набиев и др. Эмиссионная электроника на основе нано- (микро-) структури- рованных углеродных материалов."НАНОИНДУСТРИ ", 2009, ИМ, С. 4 - 10; J4 5, С. 12 - 18 [6J; П.В.Минаков, А.Ю.Поройков, А.Т.Рахимов, В. В. Сень. Нанокристаллиуеский графит - перспек- тивный автоэмиссионный материал. "Интеграл", 2012, N_>3(65), С. 9 - 1 1 [7]). В частном случае выполнения предлагаемого источника электронов с автоэлектронными эмиттерами упомянутый выше проводящий слой может быть разделен на изолированные друг от друга части, относящиеся к отдельным ячейкам или группам яче- ек, разрывами в промежутках между отверстиями в этом слое. Та- кое выполнение позволяет осуществлять раздельное управление токами ячеек или групп ячеек.
Если проводящий слой не имеет разделения на изолиро- ванные друг от друга части, он является общим для всех ячеек управляющим электродом источника электронов. При использова- нии такого источника электронов соединенные параллельно авто- эмиссионные ячейки управляются одновременно и создают сум- марный ток.
Краткое описание фигур чертежей
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых схематически показаны: - на фиг. 1 и фиг. 2 - фрагмент (часть, относящаяся к одной управляемой автоэмиссионной ячейке) предлагаемого источника электронов с автоэлектронными эмиттерами;
- на фиг. 3 - фрагмент (часть, относящаяся к одной управ- ляемой автоэмиссионной ячейке) наиболее близкого к предлагае- мому известного источника электронов с автоэлектронными эмит- терами;
- на фиг. 4 и фиг. 5 - предлагаемый источник электронов с автоэлектронными эмиттерами вместе с анодным электродом в со- ставе электронного прибора в случаях, когда проводящий слой выполнен, соответственно, без разделения и с разделением на час- ти.
Варианты осуществления изобретения
В случае, иллюстрируемом фиг. 1 и фиг. 2, в предлагаемом источнике электронов с автоэлектронными эмиттерами каждая ав- тоэмиссионная ячейка, одна из которых показана на этих фигурах в разрезе, содержит нанесенный на кремниевую подложку 1 изо- ляционный слой 2 и нанесенный поверх него проводящий слой 3. В названных слоях выполнены отверстия 4 и 5, достигающие под- ложки 1 , а на поверхности подложки в ее части 8, расположенной в пределах отверстий 4 и 5, размещен автоэлектронный эмиттер 7. В
показанном на фигурах 1 и 2 случае отверстия 4 и 5 являются ци- линдрическими, одинаковыми по диаметру и имеют общую осе- вую линию 6. Такое выполнение более технологично, но не обяза- тельно. Отверстия 4 и 5 могут иметь и другую форму и различать- ся по размерам. С точки зрения возможности достижения указан - ного выше технического результата важно лишь, чтобы отверстия 4 и 5, выполненные в указанных проводящем 3 и изоляционном 2 слоях, были сквозными (достигали подложки 1) и имели благодаря этому общий просвет для доступа к поверхности подложки. Авто- электронный эмиттер 7 вместе с занимаемой им частью 8 поверх- ности подложки 1 является катодом автоэмиссионной ячейки предлагаемого источника электронов.
Вокруг автоэлектронного эмиттера 7 автоэмиссионной ячейки в подложке 1 выполнено кольцеобразное углубление 9, и автоэлектронный эмиттер находится на части 1 1 материала под- ложки, окруженной этим углублением. Боковая поверхность уг- лубления 9 покрыта изоляционным материалом 10.1 (фиг. 1), на- пример нитридом кремния, или окислена, т.е. покрыта изолятором 10.2 (фиг. 2) в виде окиси кремния. Такое же покрытие (12.1, фиг. 1 или 12.2, фиг. 2) может иметь и донная поверхность углубления 9.
Управляющим электродом автоэмиссионной ячейки явля- ется примыкающая к отверстию 5 в проводящем слое 3 часть этого слоя.
В частном случае дополнительное покрытие из изоляцион- ного материала может иметь и боковая стенка 13 отверстия 4 в изоляционном слое 2 (на фиг. 1 и фиг. 2 не показано).
Ячейка наиболее близкого известного источника электро- нов с автоэлектронными эмиттерами, имеющего традиционное выполнение, показанная в разрезе на фиг. 3, содержит подложку 51, слои 52 и 53 изоляционного и проводящего материалов с коак- сиальными отверстиями 54 и 55 в них, имеющими общую ось 56, и расположенный в отверстии 54 на части 58 поверхности подложки 51 автоэлектронный эмиттер 57.
Сравнение фигур 1 и 2 с фигурой 3 показывает, что протя- женность имеющей изоляционное покрытие поверхности углубле- ния 9 вместе с толщиной изоляционного слоя 2, т.е. протяженность пути возможного поверхностного пробоя между управляющим электродом (проводящим слоем 3) и эмиттером 7, в ячейке предла- гаемого источника электронов больше, чем расстояние h по по- верхности изоляционного слоя 52 в ячейке наиболее близкого из- вестного источника электронов, по меньшей мере, на величину 2d удвоенного размера углубления 9. Благодаря этому повышается электрическая прочность промежутка катод - управляющий элек- трод предлагаемого источника электронов и уменьшается вероят- ность электрического пробоя при его работе в составе электронно- го прибора.
Использование предлагаемого источника электронов в од- ном из возможных случаев в составе электронного прибора пока- зано на фиг. 4. На этой фигуре совокупность 101 элементов пред- ставляет собой предлагаемый источник электронов с шестнадца- тью автоэмиссионными ячейками, имеющий катодный электрод 1 - общую подложку ячеек и общий для всех ячеек управляющий
электрод - не разделенный на части проводящий слой 3, отделен- ный от подложки 1 изоляционным слоем 2. На некотором расстоя- нии от управляющего электрода 3 параллельно ему размещен анодный электрод 120 электронного прибора. Источник 101 элек- тронов с автоэлектронными эмиттерами вместе с анодным элек- тродом 120 заключены в не показанный на чертеже вакуумирован- ный корпус и имеют внешние выводы 1 1 1 , 1 12, 1 13. Передний ряд автоэмиссионных ячеек на фиг. 4 показан в разрезе, как и отдель- ная ячейка на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 4 можно видеть также отвер- стия 5 в проводящем слое 3, образующем общий управляющий электрод источника 101 с внешним выводом 1 12, автоэлектронные эмиттеры 7 и кольцеобразные углубления 9 в подложке 1 с изоля- ционным покрытием 10. Углубление 9 окружает часть 1 1 материа- ла подложки 1 , на которой размещен автоэлектронный эмиттер 7. В показанном на фиг. 4 случае изоляционное покрытие 10 поверх- ности углубления 9 имеет продолжение, образующее дополни- тельное изоляционное покрытие изоляционного слоя 2.
При наличии высокого напряжения на анодном электроде и напряжения на управляющем электроде относительно эмиттеров, достаточного для создания вблизи них напряженности электриче- ского поля, вызывающего автоэлектронную эмиссию, возникает анодный ток.
Прибор по фиг. 4 может представлять собой, в частности, рентгеновскую трубку. В этом случае анодный электрод 120 явля- ется прострельной мишенью, изготовленной из материала с тре- буемым характеристическим излучением, а торец не показанного
на чертеже корпуса прибора, возле которого расположен анодный электрод, должен быть рентгенопрозрачным.
Упомянутое выше выполнение предлагаемого устройства с разделением проводящего слоя на изолированные друг от друга части иллюстрируется фиг. 5, где совокупность элементов такого устройства показана позицией 102. Между частями 3.1 , 3.2, 3.3, 3.4 проводящего слоя имеются непроводящие промежутки 200, 201. Каждая из этих частей имеет свой внешний вывод (112.1 - 1 12.4 соответственно). При этом части 3.1 - 3.3 относятся к четырем ав- тоэмиссионным ячейкам каждая, а часть 3.4 - к одной ячейке. Ос- тальные обозначения на фиг. 5 совпадают с использованными вы- ше.
Такое выполнение в данном примере использования источ- ника электронов позволяет осуществлять раздельное управление рентгеновским излучением, возбуждаемым в разных участках анодного электрода 120, соответствующих управляемым порознь ячейкам или группам ячеек. Это позволяет изменять места выхода излучения из прибора и его суммарную интенсивность, что может быть использовано в некоторых приложениях, а также управлять спектральным составом излучения, для чего разные участки анод- ного электрода (прострельной мишени) должны быть выполнены из разных материалов.
Технология изготовления предлагаемого источника элек- тронов, содержащего множество автоэмиссионных ячеек, анало- гичного показанным на фиг. 4 и фиг. 5 источникам 101, 102, может варьироваться в зависимости от имеющихся технологических воз- можностей и особенностей конкретной задачи.
В обобщенном виде технологический процесс получения имеющего предпочтительное выполнение источника электронов, содержащего автоэлектронные эмиттеры на основе углеродной на- нокристаллической структуры ([6], [7])7 выглядит следующим об- разом.
На рабочей полированной поверхности кремниевой под- ложки формируют слой термического окисла толщиной порядка 500 нм, а затем методом вакуумного напыления наносят слой Si3N4 толщиной 100 200 нм. Для формирования управляющего электро- да на образованный в результате предыдущих операций изоляци- онный слой напыляют слой проводящего материала, в качестве ко- торого могут служить, например, хром, титан, ниобий или другой термостойкий металл.
Затем с помощью контактной, проекционной или элек- тронной литографии формируют маску из фоторезиста и методом химического или плазмохимического травления формируют сквоз- ные цилиндрические отверстия в указанных выше изоляционном и проводящем слоях полученной на предыдущих стадиях пластины с такими слоями. На этом этапе могут быть получены и изолирую- щие промежутки между частями проводящего слоя, если требуется реализовать соответствующий частный случай выполнения пред- лагаемого источника электронов.
Далее осуществляют еще один литографический процесс и методом плазмохимического травления вокруг предназначенных для формирования автоэлектронных эмиттеров площадок на под- ложке получают кольцеобразные углубления. Боковые стенки уг- лублений или эти стенки совместно с донными частями углубле-
ний покрывают диэлектриком (например, нитридом кремния) или окисляют (в последнем случае пленка окисла тоже образует ди- электрическое покрытие).
С предназначенных для формирования эмиттеров частей поверхности подложки, окруженных полученными углублениями, диэлектрическое покрытие или пленку окисла удаляют.
После этого пластину разделяют на отдельные образцы, каждый из которых является заготовкой для изготовления источ- ника электронов и содержит массив с требуемым количеством яче- ек. Сформированные описанным выше образом углубления на по- верхности подложки очищают стандартными методами химиче- ской обработки и на упомянутых окруженных углублениями час- тях поверхности подложки плазмохимическим осаждением (см., например, патент РФ 2524353, опубл. 27.07.2014 [8]) формируют автоэлектронные эмиттеры из нанокристаллического графита.
Промышленная применимость
Предлагаемое устройство, изготовленное по описанной выше интегральной технологии, пригодно для использования в широком классе вакуумных электронных приборов в качестве управляемого источника электронов, а также в качестве источника электронов для ионизации потока нейтральных частиц, компенса- ции положительного заряда потоков положительных ионов и в других областях.
Источники информации
1. Патент США JV°3789471, опубл. 05.02.1974.
2. Патент США JV°5332627, опубл. 26.07.1994.
3. Европейский патент N°l 1 1 135, опубл. 18.08.2004.. 4. Патент США JYo8604681, опубл. 10.12.2013
5. Патент США JY25442193, опубл. 15.08.1995.
6. С.Вартапетов, Э.Ильичев, Р.Набиев и др. Эмиссионная электроника на основе нано- (микро-) структурированных угле- родных материалов. "НАНОИНДУСТРИЯ", 2009, NsA, С. 4 - 10; JVO5, C. 12 - 18.
7. П.В.Минаков, А.Ю.Поройков, А.Т.Рахимов, В.В.Сень. Нанокристаллический графит - перспективный автоэмиссионный материал. "Интеграл", 2012, JV°3(65), С. 9 - 1 1.
8. Патент РФ М.2524353, опубл. 27.07.2014
Claims
1. Источник электронов с автоэлектронными эмиттерами, содержащий множество управляемых автоэмиссионных ячеек, сформированных на подложке с последовательно нанесенными на нее изоляционным и проводящим слоями, в которых выполне- ны отверстия, достигающие подложки, на последней в каждом из таких отверстий размещен автоэлектронный эмиттер, причем ка- ждая управляемая автоэмиссионная ячейка образована указан- ным автоэлектронным эмиттером, являющимся вместе с зани- маемой им частью подложки катодом автоэмиссионной ячейки, и её управляющим электродом, которым является примыкающая к отверстию в проводящем слое часть этого слоя, отличающийся тем, что в подложке вокруг автоэлектронного эмиттера каждой автоэмиссионной ячейки указанного множества выполнено коль- цеобразное углубление, имеющее боковую и донную поверхно- сти, при этом, по меньшей мере, боковая поверхность этого уг- лубления покрыта изоляционным материалом или окислена.
2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что наряду с бо- ковой поверхностью указанного углубления покрыта изоляцион- ным материалом или окислена также донная поверхность этого углубления.
3. Источник по п. 1 или п. 2, отличающийся тем, что ука- занный проводящий слой является общим для всех управляемых автоэмиссионных ячеек управляющим электродом.
4. Источник по п. 3, отличающийся тем, что автоэлек- тронный эмиттер каждой автоэмиссионной ячейки указанного множества выполнен на основе углеродной наноструктуры.
5. Источник по п. 1 или п. 2, отличающийся тем, что ука- занный проводящий слой имеет разрывы в промежутках между указанными выполненными в нем отверстиями и разделен на изолированные друг от друга части, относящиеся к отдельным ячейкам или группам ячеек.
6. Источник п. 5, отличающийся тем, что автоэлектрон- ный эмиттер каждой автоэмиссионной ячейки указанного множе- ства выполнен на основе углеродной наноструктуры.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014150269/07A RU2586628C1 (ru) | 2014-12-12 | 2014-12-12 | Источник электронов с автоэлектронными эмиттерами |
| RU2014150269 | 2014-12-12 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2016093735A1 true WO2016093735A1 (ru) | 2016-06-16 |
Family
ID=56107792
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2015/000741 WO2016093735A1 (ru) | 2014-12-12 | 2015-11-05 | Источник электронов с автоэлектронными эмиттерами |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2586628C1 (ru) |
| WO (1) | WO2016093735A1 (ru) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2656150C1 (ru) * | 2017-02-21 | 2018-05-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук | Полевой эмиссионный элемент и способ его изготовления |
| RU2678192C1 (ru) * | 2018-03-01 | 2019-01-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук | Способ изготовления полевого эмиссионного элемента |
| RU205789U1 (ru) * | 2020-12-18 | 2021-08-11 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Автоэмиссионная ячейка на основе наноразмерного углеродного материала |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130214244A1 (en) * | 2012-02-20 | 2013-08-22 | Georgia Tech Research Corporation | Carbon nanotube field emission devices and methods of making same |
| US8604681B2 (en) * | 2008-03-05 | 2013-12-10 | Georgia Tech Research Corporation | Cold cathodes and ion thrusters and methods of making and using same |
| US20140159566A1 (en) * | 2012-12-06 | 2014-06-12 | Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. | Field emission cathode device and field emission equipment using the same |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100480773B1 (ko) * | 2000-01-07 | 2005-04-06 | 삼성에스디아이 주식회사 | 카본 나노 튜브를 이용한 3극 전계방출소자의 제작방법 |
-
2014
- 2014-12-12 RU RU2014150269/07A patent/RU2586628C1/ru active
-
2015
- 2015-11-05 WO PCT/RU2015/000741 patent/WO2016093735A1/ru active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8604681B2 (en) * | 2008-03-05 | 2013-12-10 | Georgia Tech Research Corporation | Cold cathodes and ion thrusters and methods of making and using same |
| US20130214244A1 (en) * | 2012-02-20 | 2013-08-22 | Georgia Tech Research Corporation | Carbon nanotube field emission devices and methods of making same |
| US20140159566A1 (en) * | 2012-12-06 | 2014-06-12 | Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. | Field emission cathode device and field emission equipment using the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2586628C1 (ru) | 2016-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10522316B2 (en) | X-ray source | |
| JP4330315B2 (ja) | プラズマ処理装置 | |
| US7176469B2 (en) | Negative ion source with external RF antenna | |
| JP2939943B2 (ja) | 冷陰極電子銃およびこれを備えたマイクロ波管装置 | |
| JPH0132627B2 (ru) | ||
| JP5231521B2 (ja) | イオン源 | |
| US8796649B2 (en) | Ion implanter | |
| KR20170022852A (ko) | 엑스선 소스 | |
| WO2016093735A1 (ru) | Источник электронов с автоэлектронными эмиттерами | |
| TW201517132A (zh) | 離子植入機中的ｓｉｃ鍍膜 | |
| KR20130127373A (ko) | 하전입자선 렌즈 | |
| JP3742638B2 (ja) | エレクトロンフラッド装置及びイオン注入装置 | |
| JPH08339757A (ja) | 側面電界放出素子のための最適ゲート制御設計及び製作方法 | |
| US6329753B1 (en) | M-type microwave device with slanted field emitter | |
| US12051560B2 (en) | Ion gun and ion milling machine | |
| JPS60130039A (ja) | イオン源 | |
| JP3034076B2 (ja) | 金属イオン源 | |
| US20130342098A1 (en) | Corrugated Dielectric for Reliable High-current Charge-emission Devices | |
| KR20040012264A (ko) | 고효율 마그네트론 스퍼터링 장치 | |
| KR101784387B1 (ko) | 플라즈마 전위 분포의 균질화가 가능한 하전입자빔 출력장치용 플라즈마 챔버 | |
| JP2720971B2 (ja) | ホローカソード型イオン源 | |
| RU2331135C1 (ru) | Многолучевая электронная пушка | |
| RU2678192C1 (ru) | Способ изготовления полевого эмиссионного элемента | |
| JPH09259781A (ja) | イオン源装置 | |
| RU2524207C1 (ru) | Узел электровакуумного прибора с автоэмиссионным катодом |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 15867138 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 15867138 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |