RU2718693C1 - Electron gun with field-emission cathode - Google Patents
Electron gun with field-emission cathode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2718693C1 RU2718693C1 RU2019113748A RU2019113748A RU2718693C1 RU 2718693 C1 RU2718693 C1 RU 2718693C1 RU 2019113748 A RU2019113748 A RU 2019113748A RU 2019113748 A RU2019113748 A RU 2019113748A RU 2718693 C1 RU2718693 C1 RU 2718693C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- electron gun
- electrodes
- electron
- cathodes
- Prior art date
Links
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 17
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J29/00—Details of cathode-ray tubes or of electron-beam tubes of the types covered by group H01J31/00
- H01J29/46—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the ray or beam, e.g. electron-optical arrangement
- H01J29/48—Electron guns
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к источникам электронных пучков (электронных пушек), предназначенным для использования в вакуумных электронных приборах и устройствах различного типа и назначения.The invention relates to sources of electron beams (electron guns) intended for use in vacuum electronic devices and devices of various types and purposes.
Известны источники электронов (катоды и включающие их в свой состав электронные пушки) являются ключевым элементом всех электровакуумных устройств и приборов. Наиболее широкое применение в вакуумной электронике нашли источники электронов, использующие эффект термоэлектронной эмиссии, состоящий в испускании электронов нагретым телом [1]. Высокая температура нагрева, требуемая для получения эффективной эмиссии электронов, относится к одному из наиболее существенных недостатков термоэмиссионных катодов, т.к. приводит к значительному энергопотреблению, избыточному термовыделению в процессе работы, нежелательному воздействию на окружающие конструкционные элементы электровакуумных устройств, снижению ресурса, увеличению габаритов таких устройств и др. Known sources of electrons (cathodes and electronic guns incorporating them in their composition) are a key element of all electrovacuum devices and devices. The most widely used in vacuum electronics are electron sources using the effect of thermionic emission, which consists in the emission of electrons by a heated body [1]. The high heating temperature required to obtain effective electron emission is one of the most significant drawbacks of thermionic cathodes, because leads to significant energy consumption, excessive heat release during operation, undesirable effects on the surrounding structural elements of electrovacuum devices, reduced life, increased dimensions of such devices, etc.
Потенциально указанные недостатки могут быть устранены за счет использования не требующих нагрева (называемых по этой причине также «холодными») катодов на основе эффекта автоэмиссии электронов (известной также как «туннельной», «спонтанной» или «полевой») [2]. Эмитирующая поверхность таких холодных катодов обычно представляет собой массив из проводящих иглоподобных и/или лезвийных структур с высоким аспектным отношением и расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Величина необходимого аспектного отношения индивидуальных структур (т.е. отношение длины иглоподобной (или лезвийной) структуры к размеру области на ее конце, испускающей электроны) и расстояние между ними определяются условиями достижения необходимой напряженности электрического поля (порядка 1-10 В/мкм) при используемых в вакуумной электронике величинах напряжений между электродами (порядка 1-100 кВ). Плотность тока эмиссии для поверхности индивидуального острийного (или лезвийного) эмиттера может иметь достаточно высокое значение. Однако абсолютное значение тока эмиссии индивидуального эмиттера составляет небольшую величину из-за небольшого размера поверхности эмитирующей электроны. Общая величина эмитирующей поверхности массива проводящих острийных и/или лезвийных структур составляет незначительную долю от общей площади такого катода, состоящего из массива острий и/или лезвий. Соответственно усредненная плотность тока эмиссии автоэмиссионных катодов, содержащих массивы из большого количества острийных и/или лезвийных структур, не превышает величины 1-10 А/см2. При этом плотность тока долговременной стабильной эмиссии ограничена еще больше и не превышает значений порядка 0,1-1 А/см2. Такие предельные значения плотности тока автоэмиссионных катодов существенно ограничивают возможности их применения в вакуумной электронике.Potentially indicated drawbacks can be eliminated through the use of cathodes that do not require heating (also called “cold”) based on the effect of electron field emission (also known as “tunnel”, “spontaneous” or “field”) [2]. The emitting surface of such cold cathodes is usually an array of conductive needle-like and / or blade structures with a high aspect ratio and located at some distance from each other. The value of the necessary aspect ratio of individual structures (i.e., the ratio of the length of the needle-like (or blade) structure to the size of the region at its end emitting electrons) and the distance between them are determined by the conditions for achieving the required electric field strength (of the order of 1-10 V / μm) at used in vacuum electronics, the voltage between the electrodes (about 1-100 kV). The emission current density for the surface of an individual tip (or blade) emitter can be quite high. However, the absolute value of the emission current of an individual emitter is small due to the small surface size of the emitting electrons. The total value of the emitting surface of the array of conductive tip and / or blade structures is a small fraction of the total area of such a cathode, consisting of an array of tips and / or blades. Accordingly, the averaged emission current density of field emission cathodes containing arrays of a large number of tip and / or blade structures does not exceed 1-10 A / cm 2 . Moreover, the current density of long-term stable emission is even more limited and does not exceed values of the order of 0.1-1 A / cm 2 . Such limiting values of the current density of field emission cathodes significantly limit the possibilities of their application in vacuum electronics.
Увеличения плотности тока электронных пучков, создаваемых с помощью автоэмиссии, потенциально возможно с помощью электронных пушек, использующих катоды большой площади и системы электродов фокусирующих (сжимающих) получаемый поток электронов. Примером такого рода могут служить катоды, выполненные в виде усеченного конуса, на внешнюю поверхность которого нанесено эмитирующее покрытие из углеродных нанотрубок [3, 4].Increasing the current density of electron beams created by field emission is potentially possible with the help of electron guns using large area cathodes and a system of electrodes focusing (compressing) the resulting electron stream. An example of this kind is cathodes made in the form of a truncated cone, on the outer surface of which an emitting coating of carbon nanotubes is applied [3, 4].
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является электронная пушка с кольцевыми термоэмиссионными катодами по авторскому свидетельству СССР 1360488, H01J 23/07, принятая за прототип. The closest in technical essence to the proposed one is an electron gun with ring thermionic cathodes according to the author's certificate of the USSR 1360488, H01J 23/07, adopted as a prototype.
Электронная пушка-прототип содержит два кольцевых эмитирующих сегмента: внутренний (n=1) эмиттер (катод) и внешний (n=2) эмиттер (катод). Внутренний эмиттер охвачен парой управляющих электродов, один из которых выполнен в виде штыря и проходит через отверстие в центре эмиттера, дополнительный электрод выполнен в виде цилиндра, расположенного соосно с внешней стороны эмиттера. Внешний эмиттер также охвачен другой парой управляющих электродов: внутренним дополнительным цилиндрическим электродом и внешним цилиндрическим электродом, расположенных соосно с катодом. Управляющие электроды электрически изолированы от катодов-эмиттеров и попарно подключены к источникам управляющих напряжений, с помощью которых подают напряжения постоянного смещения и импульсные управляющие напряжения Uупр. Между катодами-эмиттерами и анодом приложено постоянное ускоряющее (анодное) напряжение U. Форма и взаимное расположение всех электродов (катода, управляющих электродов и анода) существенным образом определяются тем, что эмиссия электронов из нагретого тела не требует приложения электрического поля. Электрическое поле требуется только для управления потоком электронов, испускаемых катодами под действием нагрева. The prototype electron gun contains two ring emitting segments: an internal (n = 1) emitter (cathode) and an external (n = 2) emitter (cathode). The internal emitter is covered by a pair of control electrodes, one of which is made in the form of a pin and passes through a hole in the center of the emitter, an additional electrode is made in the form of a cylinder located coaxially on the outside of the emitter. The external emitter is also covered by another pair of control electrodes: an internal additional cylindrical electrode and an external cylindrical electrode located coaxially with the cathode. Control electrodes are electrically insulated from cathode-emitter pairs and connected to a control voltage source with which a voltage is fed a DC bias and pulsed control voltages U Ex. A constant accelerating (anode) voltage U is applied between the cathode-emitters and the anode. The shape and relative position of all the electrodes (cathode, control electrodes and anode) are substantially determined by the fact that the emission of electrons from a heated body does not require the application of an electric field. An electric field is required only to control the flow of electrons emitted by the cathodes under the action of heating.
Электронная пушка-прототип работает следующим образом.An electronic prototype gun works as follows.
При подаче на электроды положительных импульсов управляющего напряжения Uупр1,2 > 0 эмиттеры открыты. Испускаемые ими электронные потоки фокусируются с помощью электродов в отверстие ускоряющего электрода - анода. В этом случае ток пучка максимален и равен сумме токов, испускаемых обоими эмиттерами. При снятии с управляющих электродов положительного импульса управляющего напряжения Uупр.2 > 0 верхний эмиттер закрыт, и пушка формирует поток с минимальным током. Аналогично при снятии с электродов положительного импульса управляющего напряжения Uупр.1 > 0 внутренний эмиттер запирается, и пушка формирует поток с промежуточным значением величины тока. When applying positive voltage pulses to the electrodes, Ucontr1,2 > 0, the emitters are open. The electron streams emitted by them are focused using electrodes into the hole of the accelerating electrode - the anode. In this case, the beam current is maximum and equal to the sum of the currents emitted by both emitters. When a positive pulse U control 2 > 0 is removed from the control electrodes, the upper emitter is closed, and the gun generates a stream with a minimum current. Similarly, when the positive voltage U control 1 > 0 is removed from the electrodes, the internal emitter is locked, and the gun generates a stream with an intermediate current value.
Таким образом, пушка с двумя кольцевыми эмиттерами (N=2) может работать при трех уровнях мощности пучка.Thus, a gun with two ring emitters (N = 2) can operate at three beam power levels.
При других вариантах выполнения конструкции электронной пушки, например, с числом кольцевых эмитирующих сегментов N>2, пушка может работать в C режимах, где C - число сочетании из N элементов по i. В частности пушка с тремя кольцевыми эмиттерами (N=3) обеспечивает работу в 7 возможных режимах, пушка с N=4 - в 15 режимах и т.д.In other embodiments of the design of the electron gun, for example, with the number of annular emitting segments N> 2, the gun can operate in C modes, where C is the number of combinations of N elements in i. In particular, a gun with three ring emitters (N = 3) provides operation in 7 possible modes, a gun with N = 4 in 15 modes, etc.
Выполнение эмиттера в виде двух или более (N> 2) концентрических кольцевых сегментов обеспечивает низковольтное управление мощностью пучка. Это подтверждается проведенными расчетами на ЭВМ, которые показали, что величина управляющего напряжения Uупр.n зависит от анодного напряжения U, ширины Δ n и среднего диаметра Dn кольцевого эмиттера, а также от величины тока In (или микропервеанса Pμ.n) пучка, испускаемого эмиттером. Индексом n здесь и далее обозначен порядковый номер эмиттера (n=1, 2, … N; N число эмиттеров).The implementation of the emitter in the form of two or more (N> 2) concentric annular segments provides low-voltage control of the beam power. This is confirmed by computer calculations, which showed that the magnitude of the control voltage U control n depends on the anode voltage U, the width Δ n and the average diameter D n of the ring emitter, as well as on the current value I n (or micropervance P μ.n ) beam emitted by the emitter. The index n hereinafter denotes the serial number of the emitter (n = 1, 2, ... N; N is the number of emitters).
Электронная пушка-прототип формирует ламинарный электронный поток во всех режимах работы прибора. Ламинарность потока обеспечивает его согласование с магнитным полем и является необходимым условием высокого токопрохождения через отверстие в ускоряющем электроде-аноде и пролетный канал. An electronic prototype gun generates a laminar electron flow in all operating modes of the device. The laminarity of the flow ensures its coordination with the magnetic field and is a necessary condition for high current flow through the hole in the accelerating electrode-anode and the passage channel.
Однако при использовании термоэмиссионных катодов практическая реализация данной конструкции значительно затруднена необходимостью нагрева до высоких температур значительных по размерам элементов, входящих в состав таких электронных пушек, что является недостатком устройства-прототипа.However, when using thermionic cathodes, the practical implementation of this design is significantly hampered by the need to heat to high temperatures the large-sized elements that make up such electron guns, which is a disadvantage of the prototype device.
Задача предлагаемого технического решения состоит в создании электронной пушки, конфигурация и состав электродов которой обеспечивают увеличение плотности тока электронных пучков, создаваемых автоэмиссионным катодом. The objective of the proposed technical solution is to create an electron gun, the configuration and composition of the electrodes of which provide an increase in the current density of electron beams generated by the field emission cathode.
Для решения поставленной задачи в электронной пушке с автоэмиссионным катодом, содержащей N (N≥1) кольцевых катодов, расположенных соосно, в плоскости, перпендикулярной продольной оси электронной пушки и с центром, совпадающим с продольной осью электронной пушки, а также анод и управляющие электроды, расположенные с внутренней и внешней стороны каждого из катодов соосно с ними, причем один из управляющих электродов выполнен осесимметричным и расположен по центру пушки, согласно изобретению, эмитирующая поверхность катодов содержит покрытие, обеспечивающее получение эффективной автоэмиссии электронов при подаче соответствующей разности потенциалов между катодом, анодом теми из управляющих электродов, которые выполняют функцию вытягивающих, при этом другая часть управляющих электродов выполняет роль фокусирующих электродов, которые при подаче на них соответствующих потенциалов, приводят к сжатию (фокусировке) пучка электронов, эмитируемых с поверхности катода к оси электронной пушки. To solve the problem in an electron gun with a field emission cathode, containing N (N≥1) ring cathodes located coaxially in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the electron gun and with a center coinciding with the longitudinal axis of the electron gun, as well as the anode and control electrodes, located on the inner and outer sides of each of the cathodes coaxially with them, and one of the control electrodes is axisymmetric and located in the center of the gun, according to the invention, the emitting surface of the cathodes contains This provides efficient field emission of electrons by applying the corresponding potential difference between the cathode and anode by those of the control electrodes that act as pulling electrodes, while the other part of the control electrodes plays the role of focusing electrodes, which, when the corresponding potentials are applied to them, lead to compression (focusing ) a beam of electrons emitted from the surface of the cathode to the axis of the electron gun.
Фиг. 1 - показывает форму и взаимное расположение электродов в заявляемой электронной пушке с одним кольцевым автоэмиссионным катодом 1; анодом 2 и фокусирующими электродами 3 и 4; вытягивающими электродами 5; и схемой их электрических соединений с подаваемыми потенциалами: Uвытяг. на вытягивающие электроды; Uфокус. на фокусирующий электрод 4, расположенный по центру; Uанод. - на анод 2. Область рисунка, обозначенная окружностью А, представлена также в увеличенном масштабе.FIG. 1 - shows the shape and relative position of the electrodes in the inventive electron gun with one annular
Фиг. 2 - показывает пример расчета траекторий электронов 6 в электронной пушке, содержащей один кольцевой автоэмиссионный катод и соосно охватывающие его фокусирующие электроды все вместе находящиеся под общим потенциалом, а также вытягивающие электроды, находящиеся под потенциалом Uвытяг.= +14 кВ и создающие на поверхности катода электрическое поле, необходимое для получения автоэмиссионного тока, и фокусирующий электрод, находящийся под потенциалом Uфокус.= 6кВ, и анод - под потенцалом Uанод. = 14 кВ. Результаты расчетов представлены на рисунке для сечения электронной пушки плоскостью, проходящей вдоль ее продольной оси.FIG. 2 shows an example of calculating the trajectories of
Фиг. 3 - показывает форму и взаимное расположение электродов в электронной пушке с двумя кольцевыми автоэмиссионными катодами 1, охватывающими их и расположенными соосно с ними фокусирующими электродами 3, а также расположенным по центру фокусирующим электродом 4; вытягивающими электродами 5; анодом 2 и схемой их электрических соединений с подаваемыми потенциалами: Uвытяг. на вытягивающие электроды 5; Uфокус. на фокусирующий электрод 4; Uанод. на анод 2. Область рисунка, обозначенная окружностью А, представлена также в увеличенном масштабе.FIG. 3 - shows the shape and relative position of the electrodes in an electron gun with two annular
Фиг. 4 - показывает пример расчета траекторий электронов 6 в электронной пушке, содержащей два кольцевых автоэмиссионных катода, соосные с ними и охватывающие их фокусирующие электроды все вместе находящиеся под общим потенциалом, а также вытягивающие электроды, находящиеся под потенциалом Uвытяг.= +14 кВ и создающие на поверхности катодов электрическое поле, необходимое для получения автоэмиссионного тока, и фокусирующий электрод, находящийся под потенциалом Uфокус.= 6кВ, и анод, под потенцалом Uанод. = 14 кВ. Результаты расчетов представлены на рисунке для сечения электронной пушки плоскостью, проходящей вдоль ее продольной оси.FIG. 4 shows an example of calculating the trajectories of
Фиг. 5 - показывает форму и взаимное расположение электродов в электронной пушке с двумя кольцевыми автоэмиссионными катодами 1, расположенными соосно в двух параллельных плоскостях; охватывающими их и расположенными соосно с ними фокусирующими электродами 3, а также расположенным по центру фокусирующим электродом 4; вытягивающими электродами 5; анодом 2 и схемой их электрических соединений с подаваемыми потенциалами: Uвытяг. на вытягивающие электроды 5; Uфокус. на фокусирующий электрод 4; Uанод. - на анод 2.FIG. 5 shows the shape and relative position of the electrodes in an electron gun with two annular
Область рисунка, обозначенная окружностью А, представлена также в увеличенном масштабе.The area of the figure indicated by circle A is also shown on an enlarged scale.
Фиг. 6 - показывает пример расчета траекторий электронов 6 в электронной пушке, содержащей два кольцевых автоэмиссионных катода, соосные с ними и охватывающие их фокусирующие электроды, все вместе находящиеся под общим потенциалом, а также вытягивающие электроды, находящиеся под потенциалом Uвытяг.= +14 кВ и создающие на поверхности катодов электрическое поле, необходимое для получения автоэмиссионного тока, и фокусирующий электрод, находящийся под потенциалом Uфокус.= 8 кВ, и анод, под потенцалом Uанод. = 14 кВ. Результаты расчетов представлены на рисунке для сечения электронной пушки плоскостью, проходящей вдоль ее продольной оси.FIG. 6 shows an example of calculating the trajectories of
Предлагаемое устройство содержит N (N≥1) кольцевых катода 1, расположенных соосно, в плоскости, перпендикулярной продольной оси электронной пушки и с центром, совпадающим с продольной осью электронной пушки. Каждый из катодов 1 охвачен парой соосных ему электродов 3, предназначенных вместе с другим электродом 4, имеющим осесимметричную форму и расположенным в центре системы кольцевых электродов, для управления током и формой (фокусировкой) пучка электронов эмитируемых из поверхности катода 1 при наличии необходимой для этого напряженности электрического поля, аналогично устройству-прототипу, в котором такие электроды именовались управляющими. Электронная пушка содержит также анод 2, имеющий осесимметричную форму с осью, совпадающей с осью пушки. При этом эмитирующая поверхность катодов 1 содержит покрытие, состоящее из острийных и/или лезвийных проводящих структур с высоким аспектным отношением и имеющих преимущественную ориентацию вдоль нормали к поверхности катода. Указанное покрытие на поверхности катода 1 выступает в качестве автоэмиссионного источника электронов при создании соответствующей напряженности электрического поля. Для этого каждый из катодов 1 охвачен парой коаксиальных с ним вытягивающих электродов 5, при подаче на которые положительного потенциала относительно катода. Форма и взаимное расположение катода 1 и всех электродов выбираются из условия обеспечения на поверхности катода 1 электрического поля с напряженностью, необходимой для получения требуемого значения автоэмиссионного тока и его максимально возможного однородного распределения по поверхности, при приложении заданной разности потенциалов, а также для обеспечения фокусировки (сжатия) пучка электронов в пространстве между катодом 1 и анодом 2. Соответственно их основному назначению указанные электроды по отдельности именуются вытягивающими 5 и фокусирующими 3 и 4, а все вместе - управляющими. The proposed device contains N (N≥1)
Для создания заявляемой электронной пушки изготавливается кольцевой катод 1, обладающий достаточной эффективностью автоэлектронной эмиссии. Такой катод может быть выполнен, например, в виде кольца из проводящего материала с нанесенным на одну из его поверхностей покрытием, состоящим из пластинчатых кристаллитов графита нанометровой толщины. Благодаря высокому аспектному отношению таких кристаллитов и другим их свойствам, такое покрытие (нанографитная пленка) обладает способностью к эффективной автоэлектронной эмиссии [6, 7]. Такое покрытие может быть получено посредством газофазного химического осаждения из смеси водорода и метана, активированной разрядом постоянного тока при условиях, аналогичных тем, при которых получены нанографитные пленки, представленные в [6, 7]. Пластинчатые кристаллиты графита (или графитные наночешуйки), составляющие такие покрытия имеют преимущественную ориентацию вдоль нормали к поверхности подложки. За счет такой ориентации каждый из кристаллитов может выступать в качестве острийного или лезвийного автоэмиссионного источника электронов при создании соответствующей разности потенциалов между проводящей подложкой и напряженности электрического поля. Размеры отдельных кристаллитов (толщина около 2-20 нм, высота вдоль нормали около 2-4 мкм) и их расположение на подложке (расстояние между отдельными кристаллитами около 2-4 мкм) приводят к локальному усилению электрического поля на эмитирующей области (т.н. фактор усиления поля) примерно в 1000 раз по сравнению с плоскими электродами [6, 7].To create the inventive electron gun, an
Максимальное значение плотности тока эмиссии в режиме постоянного тока для такого нанографитного покрытия составляет около 1 А/см2 [6]. При нанесении нанографитной пленки на подложку, выполненную в виде кольца, площадь эмитирующей поверхности кольцевого катода (т.е. его диаметр, ширина и форма поверхности) выбираются исходя из этого значения и требований обеспечения необходимой величины общего тока создаваемого электронного пучка.The maximum value of the emission current density in the direct current mode for such a nanographite coating is about 1 A / cm 2 [6]. When a nanographite film is deposited on a substrate made in the form of a ring, the area of the emitting surface of the annular cathode (i.e., its diameter, width, and surface shape) is selected based on this value and the requirements for ensuring the necessary total current of the generated electron beam.
Аналогично пушкам Пирса [1] соосно с кольцевым катодом 1 размещают охватывающие его фокусирующие электроды 3, которые выполняются в виде кольцевых деталей. Кроме этого имеется еще один фокусирующий электрод, выполняемый в виде осесимметричной детали 4 и располагаемый по центру пушки. Также имеются охватывающие катод вытягивающие электроды 5, выполненные в виде кольцевых деталей и анод (2), выполненный в виде осесимметричной детали (см. фиг. 1). Similarly to Pierce’s guns [1], the focusing
Таким же образом изготавливаются пушки, содержащие два (и более) катодов с соответствующей системой электродов, представленные на фиг. 3 и фиг. 5. In the same way, guns are made that contain two (or more) cathodes with the corresponding electrode system shown in FIG. 3 and FIG. 5.
Форма, геометрические размеры и расстояния между электродами, а также величина разности потенциалов между ними выбираются согласно расчетам так, чтобы обеспечить необходимую величину и равномерное распределение электрического поля на эмитирующей поверхности катода, а также конфигурацию электрического поля в пространстве между электродами, необходимую для достижения эффекта сжатия (фокусировки) электронного пучка при заданных условиях, к которым могут относиться предельные значения разности потенциалов и форма анода, как это показано на примере, представленном на фиг. 2, 4, 6.The shape, geometric dimensions and distances between the electrodes, as well as the value of the potential difference between them, are selected according to the calculations so as to ensure the necessary size and uniform distribution of the electric field on the emitting surface of the cathode, as well as the configuration of the electric field in the space between the electrodes, necessary to achieve the compression effect (focusing) of the electron beam under given conditions, which may include the limiting values of the potential difference and the shape of the anode, as shown of the example shown in FIG. 2, 4, 6.
Расчет распределения потенциала и величины электрического поля (Е) для заданной конфигурации электродов производится с помощью решения уравнения Лапласа с краевыми условиями, определяемыми на границах электродов. Расчет траекторий эмитированных электронов производится с помощью решения уравнений классической механики движения электрона в электростатическом поле. Плотность тока электронного пучка (т.е. плотность расположения траекторий электронов), создаваемого в результате автоэмиссии из катода, рассчитывается по теоретической формуле для автоэлектронной эмиссии [1,2]: J(E) = C1(bE)2exp(-C2/(bE)), для величины плотности тока, выраженной в единицах [А/м2], где C1 = 3,1e-7, C2 = 7,2e+10, b = 1000 - среднее значение коэффициента усиления поля для нанографитных катодов, величина E, выраженная в единицах [В/м], равна значению напряженности электрического поля на поверхности катода, полученному с помощью решения уравнения Лапласа с краевыми условиями, определяемыми на границах электродов. Влияние пространственного заряда, релятивистских эффектов не учитывается.The potential distribution and the electric field (E) for a given configuration of the electrodes are calculated by solving the Laplace equation with boundary conditions determined at the boundaries of the electrodes. The calculation of the trajectories of emitted electrons is performed by solving the equations of classical mechanics of the motion of an electron in an electrostatic field. The electron beam current density (ie, the electron path density) generated as a result of field emission from the cathode is calculated by the theoretical formula for field emission [1,2]: J (E) = C1 (bE) 2 exp (-C2 / (bE)), for the current density value expressed in units of [A / m 2 ], where C1 = 3,1e-7, C2 = 7,2e + 10, b = 1000 is the average value of the field gain for nanographic cathodes, the value of E, expressed in units of [V / m], is equal to the value of the electric field strength on the cathode surface obtained by solving the Laplace equation with boundary conditions determined at the boundaries of the electrodes. The influence of space charge, relativistic effects is not taken into account.
Примеры произведенных расчетов представлены на фиг. 2, фиг. 4 и фиг. 6 для конфигурации электродов, аналогичных пушкам Пирса [1, 2] с анодом, имеющим заданные размеры и форму в виде цилиндра с коническим отверстием, и указанными предельными значениями разности потенциалов и общего размера пушки. Форма и размер катода в виде кольца, имеющего вогнутую поверхность сферической формы, радиус которой, а также форма, размеры и взаимное расположение других электродов определяются результатами расчетов. Результаты расчетов показывают также траектории электронов 6 для конфигурации и электрических потенциалах электродов, указанных на фигурах.Examples of the calculations are presented in FIG. 2, FIG. 4 and FIG. 6 for the configuration of electrodes similar to Pierce’s guns [1, 2] with an anode having a given size and shape in the form of a cylinder with a conical hole and the indicated limit values of the potential difference and the total size of the gun. The shape and size of the cathode in the form of a ring having a concave surface of a spherical shape, the radius of which, as well as the shape, size and relative position of other electrodes are determined by the calculation results. The calculation results also show the
В случае, показанном на фиг. 2, согласно расчетам, величина напряженности электрического поля на эмитирующей поверхности катода составит от 7 до 8 МВ/м, что соответствует плотности тока эмиссии, превышающей 0,3 А/см2. При ширине кольцевого катода dr=2.5 мм и внешнем радиусе R = 20 мм эмитирующая площадь составляет S = 2,8см2, т.е. величина полного тока электронного пучка составляет более 0,8 А. Результаты расчетов показывают достижение эффективного сжатия (фокусировки) электронного пучка с соответствующим увеличением плотности тока.In the case shown in FIG. 2, according to calculations, the magnitude of the electric field on the emitting surface of the cathode will be from 7 to 8 MV / m, which corresponds to an emission current density in excess of 0.3 A / cm 2 . With the width of the annular cathode d r = 2.5 mm and the outer radius R = 20 mm, the emitting area is S = 2.8 cm 2 , i.e. the total current of the electron beam is more than 0.8 A. The calculation results show the achievement of effective compression (focusing) of the electron beam with a corresponding increase in current density.
Дальнейшее увеличение полного тока и плотности тока в сфокусированной части электронного пучка требует увеличения эмитирующей площади. При сохранении величин используемых потенциалов требуемое увеличение достигается за счет увеличения количества кольцевых катодов (эмиттеров), как это показано в качестве примера на фиг. 4 для двух кольцевых катодов, расположенных в одной плоскости, и на фиг. 6 для двух кольцевых катодов, расположенных в разных плоскостях, смещенных относительно друг друга вдоль продольной оси электронной пушки. В обоих примерах, показанных на фиг. 4 и фиг. 6, за счет использования нескольких кольцевых катодов оказывается возможным увеличить величину общего тока и плотность тока в сфокусированной части для пучка, создаваемого электронной пушкой, выполненной в соответствии с настоящим техническим решением.A further increase in the total current and current density in the focused part of the electron beam requires an increase in the emitting area. While maintaining the values of the potentials used, the required increase is achieved by increasing the number of ring cathodes (emitters), as shown as an example in FIG. 4 for two ring cathodes located in the same plane, and in FIG. 6 for two ring cathodes located in different planes, offset relative to each other along the longitudinal axis of the electron gun. In both examples shown in FIG. 4 and FIG. 6, through the use of several ring cathodes, it is possible to increase the total current and current density in the focused part for the beam generated by the electron gun made in accordance with this technical solution.
Предлагаемая электронная пушка может быть использована для создания электронных пучков, необходимых для функционирования различных вакуумных электронных приборов и устройств. Отсутствие необходимости нагрева источника электронов (катода) приводит к существенному улучшению характеристик таких приборов, включая уменьшение энергопотребления, увеличение ресурса работы, снижение веса, увеличение стойкости к механическим воздействиям (удар, вибрация и т.п.) и др. Фундаментальные закономерности эффекта автоэмиссии электронов, используемого в электронных пушках, согласно заявляемому техническому решению, позволяют осуществлять быстрое управление (включение и выключение) создаваемым пучком электронов, недостижимое с термоэмиссионными катодами.The proposed electron gun can be used to create the electron beams necessary for the functioning of various vacuum electronic devices and devices. The absence of the need to heat an electron source (cathode) leads to a significant improvement in the characteristics of such devices, including reducing energy consumption, increasing the operating life, reducing weight, increasing resistance to mechanical stress (shock, vibration, etc.) and other fundamental laws of the effect of electron emission of electrons used in electron guns, according to the claimed technical solution, allow for quick control (on and off) of the generated electron beam, unattainable th with thermionic cathodes.
Техническим результатом является увеличение плотности тока электронных пучков, создаваемых автоэмиссионным катодом.The technical result is an increase in the current density of electron beams generated by the field emission cathode.
Источники информации.Information sources.
[1] Gaertner G., Koops H.W.P. (2008) Vacuum Electron Sources and their Materials and Technologies. In: Eichmeier J.A., Thumm M.K. (eds) Vacuum Electronics. Springer, Berlin, Heidelberg, Germany.[1] Gaertner G., Koops H.W.P. (2008) Vacuum Electron Sources and their Materials and Technologies. In: Eichmeier J.A., Thumm M.K. (eds) Vacuum Electronics. Springer, Berlin, Heidelberg, Germany.
[2] Egorov N., Sheshin E. (2017) Field Emission Cathodes. In: Field Emission Electronics. Springer Series in Advanced Microelectronics, vol 60. Springer, Cham, Switzerland.[2] Egorov N., Sheshin E. (2017) Field Emission Cathodes. In: Field Emission Electronics. Springer Series in Advanced Microelectronics, vol 60. Springer, Cham, Switzerland.
[3] Xuesong Yuan, Weiwei Zhu, Yu Zhang, Ningsheng Xu, Yang Yan, Jianqiang Wu, Yan Shen, Jun Chen, Juncong She, Shaozhi Deng / A Fully-Sealed Carbon-Nanotube Cold-Cathode Terahertz Gyrotron / Scientific Reports 2016, v. 6, p. 32936.[3] Xuesong Yuan, Weiwei Zhu, Yu Zhang, Ningsheng Xu, Yang Yan, Jianqiang Wu, Yan Shen, Jun Chen, Juncong She, Shaozhi Deng / A Fully-Sealed Carbon-Nanotube Cold-Cathode Terahertz Gyrotron / Scientific Reports 2016, v. 6, p. 32936.
[4] Xuesong Yuan, Yu Zhang, Matthew T. Cole, Yang Yan, Xiaoyun Li, Richard Parmee, Jianqiang Wu, Ningsheng Xu, William I. Milne, Shaozhi Deng / A truncated-cone carbon nanotube cold-cathode electron gun / Carbon 2017, v. 120, pp. 374-379.[4] Xuesong Yuan, Yu Zhang, Matthew T. Cole, Yang Yan, Xiaoyun Li, Richard Parmee, Jianqiang Wu, Ningsheng Xu, William I. Milne, Shaozhi Deng / A truncated-cone carbon nanotube cold-cathode electron gun / Carbon 2017, v. 120, pp. 374-379.
[5] Голеницкий И.И., Еремка В.Д., Мякиньков Ю.П., Сазонов В.П., Сапрынская Л.А., Фирсович А.Я. / Электронная пушка для СВЧ-прибора типа «О» / Авторское свидетельство СССР SU 1360488A1 , 1996.[5] Golenitsky II, Eremka V.D., Myakinkov Yu.P., Sazonov V.P., Saprynskaya L.A., Firsovich A.Ya. / Electronic gun for microwave device type "O" / Copyright certificate of the USSR SU 1360488A1, 1996.
[6] Victor I. Kleshch, Elena A. Smolnikova, Anton S. Orekhov, Taneli Kalvas, Olli Tarvainen, Janne Kauppinen, Antti Nuottajarvi, Hannu Koivisto, Pekka Janhunen, Alexander N. Obraztsov / Nano-graphite cold cathodes for electric solar wind sail / Carbon 2015, v. 81, pp. 132-136.[6] Victor I. Kleshch, Elena A. Smolnikova, Anton S. Orekhov, Taneli Kalvas, Olli Tarvainen, Janne Kauppinen, Antti Nuottajarvi, Hannu Koivisto, Pekka Janhunen, Alexander N. Obraztsov / Nano-graphite cold cathodes for electric solar wind sail / Carbon 2015, v. 81, pp. 132-136.
[7] Alexander N. Obraztsov, Victor I. Kleshch, Elena A. Smolnikova / A nano-graphite cold cathode for an energy-efficient cathodoluminescent light source / Beilstein J. Nanotechnol. 2013, v. 4, pp. 493-500.[7] Alexander N. Obraztsov, Victor I. Kleshch, Elena A. Smolnikova / A nano-graphite cold cathode for an energy-efficient cathodoluminescent light source / Beilstein J. Nanotechnol. 2013, v. 4, pp. 493-500.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019113748A RU2718693C1 (en) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | Electron gun with field-emission cathode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019113748A RU2718693C1 (en) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | Electron gun with field-emission cathode |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2718693C1 true RU2718693C1 (en) | 2020-04-13 |
Family
ID=70277835
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019113748A RU2718693C1 (en) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | Electron gun with field-emission cathode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2718693C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116871649A (en) * | 2023-08-17 | 2023-10-13 | 西安交通大学 | A filament bundle coaxial fuse additive manufacturing equipment based on field emission cathode |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4427886A (en) * | 1982-08-02 | 1984-01-24 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Low voltage field emission electron gun |
| SU1360488A1 (en) * | 1985-07-08 | 1996-02-27 | И.И. Голеницкий | Electron gun for o-type device |
| SU1393214A1 (en) * | 1986-02-25 | 2000-06-10 | Всесоюзный Электротехнический Институт Им.В.И.Ленина | ELECTRON-BEAM GUN |
| RU2231859C2 (en) * | 2002-02-18 | 2004-06-27 | ООО "Высокие технологии" | Electron gun |
| RU2590897C1 (en) * | 2015-04-07 | 2016-07-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) | Field-emission element with cathodes based on carbon nanotubes and method of its making |
-
2019
- 2019-05-07 RU RU2019113748A patent/RU2718693C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4427886A (en) * | 1982-08-02 | 1984-01-24 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Low voltage field emission electron gun |
| SU1360488A1 (en) * | 1985-07-08 | 1996-02-27 | И.И. Голеницкий | Electron gun for o-type device |
| SU1393214A1 (en) * | 1986-02-25 | 2000-06-10 | Всесоюзный Электротехнический Институт Им.В.И.Ленина | ELECTRON-BEAM GUN |
| RU2231859C2 (en) * | 2002-02-18 | 2004-06-27 | ООО "Высокие технологии" | Electron gun |
| RU2590897C1 (en) * | 2015-04-07 | 2016-07-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) | Field-emission element with cathodes based on carbon nanotubes and method of its making |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116871649A (en) * | 2023-08-17 | 2023-10-13 | 西安交通大学 | A filament bundle coaxial fuse additive manufacturing equipment based on field emission cathode |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7129513B2 (en) | Field emission ion source based on nanostructure-containing material | |
| US6456691B2 (en) | X-ray generator | |
| CN109065428B (en) | Double-gate control type cold cathode electron gun and preparation method thereof | |
| US8766522B1 (en) | Carbon nanotube fiber cathode | |
| Knápek et al. | Explanation of the quasi-harmonic field emission behaviour observed on epoxy-coated polymer graphite cathodes | |
| RU2718693C1 (en) | Electron gun with field-emission cathode | |
| JPH11111158A (en) | Electron gun | |
| JP2000011932A (en) | Electron gun | |
| Deore et al. | Design, development and characterization of tetrode type electron gun system for generation of low energy electrons | |
| EP2191700A1 (en) | Electrostatic ion accelerator arrangement | |
| Kumar et al. | Experimental analysis of pseudospark sourced electron beam | |
| CN112701021A (en) | Structure and method for regulating and controlling cold cathode electron source side emission | |
| RU134356U1 (en) | AUTO EMISSION ELECTRON GUN | |
| CN117174552A (en) | A coplanar quadrupole focusing structure cold cathode electron gun with adjustable electron beam shape | |
| Zemskov et al. | Instabilities of electrical properties of He-induced W “fuzz” within the pre-breakdown and breakdown regimes | |
| RU2644416C2 (en) | Cathode-grid knot with auto emission cathode from carbon material | |
| RU2761107C1 (en) | Electronic gun of microwave device | |
| US2518472A (en) | Electron gun | |
| US11848169B1 (en) | Field-emission type electron source and charged particle beam device using the same | |
| RU2835920C1 (en) | Method of controlling field emission current and device with field emission current source | |
| RU2651584C2 (en) | Electronic gun with field emission cathode | |
| Bushuev et al. | Multibeam electron gun with gated carbon nanotube cathode | |
| Mousa | Effect of lacomit films on cold-cathode hot-electron emission | |
| RU2743786C2 (en) | Method for production of field-emission cathode based on microchannel plates | |
| RU183913U1 (en) | TRIODE ELECTRON GUN WITH AUTOCATODE |