Многоострийный ненакаливаемый катод

 

Использование: в вауумной сильноточной электронике, в частности, при получении электронных пучков большого сечения. Сущность изобретения: в многоострийном ненакапливаемом катоде, содержащем металлический катододержатель и матрицу острийных эмиттеров, на поверхности катододержателя расположены магнитострикционные элементы, к каждому из которых через изолирующую прокладку прикреплены острийные эмиттеры, электрический контакт между катододержателем и каждым из эмиттеров осуществляется через соленоиды, каждый из которых охватывает соответствующий магнитострикционный элемент, причем магнитострикционные элементы выполнены из такого материала и ориентированы так, чтобы магнитное поле соленоидов оказывало на них сжимающее действие. Кроме того, в многоострийном накапливаемом катоде магнитострикционные элементы могут удерживаться на поверхности катододержателя с помощью пружин, расположенных в полостях магнитострикционных элементов, причем в этом случае концы кажой из пружин закрепляются с одной стороны на поверхности катододержателя, а с другой стороны прикрепляются к изолирующей прокладке, при этом пружины находятся в предварительно растянутом состоянии, что упрощает конструкцию и повышает надежность работы катода. 1 ил.

Изобретение относится к вакуумной сильноточной электронике и может быть использовано при разработке источников электронных пучков большого поперечного сечения.

Для получения электронных пучков большого поперечного сечения применяют так называемые многоострийные ненакаливаемые катоды [1] Ненакаливаемыми эти катоды называются потому, что электpоны снимаются с них в результате автоэлектронной либо взрывной эмиссии (в противоположность термоэлектронной эмиссии с накаливаемых катодов). Многоострийные ненакаливаемые катоды представляют собой металлический катододержатель с расположенными на нем острийными эмиттерами, причем порядок расположения эмиттеров на поверхности катододержателя определяет матрицу эмиттеров (например, матрица с квадратной ячейкой, матрица типа "пчелиные соты" и т.д.).

Специфика применения электронных пучков большого поперечного сечения (обработка больших поверхностей, возбуждение больших газовых объемов в эксимерных лазерах) диктует особые свойства к качеству пучков, а следовательно, и к конструкции катодных узлов. Основные требования к электронным пучкам следующие: равномерное распределение плотности тока по сечению пучка, повторяемость параметров пучка в процессе эксплуатации. При этом возникает ряд проблем, связанных с параллельной одинаковой работой всех острийных эмиттеров матрицы: неточность в изготовлении многоострийных катодов, а также постепенное неравномерное затупление эмиттеров в результате неизбежного уноса металла приводят к сильной неравномерности распределения тока по сечению пучка и быстрому выходу катода из строя.

Наиболее близким к предлагаемому является многоострийный ненакаливаемый катод [2] стабилизация равномерности распределения плотности тока в котором осуществляется с помощью дополнительного устройства, содержащего управляющий электрод, жестко связанный с пьезоэлементом, блок управления, выход которого подключен к обкладкам пьезоэлемента, а также компаратора, выход которого соединен с входом блока управления, причем на вход компаратора подается сигнал с датчика, регистрирующего ток, снимаемый с эмиттера.

Это устройство работает следующим образом. Подачей соответствующего постоянного напряжения на пьезоэлемент устанавливается заданный межэлектродный зазор. Ток электронов, эмиттируемый с острия под действием электрического поля, анализируется компаратором и изменяется в ту либо другую сторону путем изменения ширины межэлектродного промежутка при помощи пьезоэлемента.

Многоострийный ненакаливаемый катод может содержать несколько сотен и даже тысячи острийных эмиттеров, поэтому недостатками многоострийного катода являются наличие большого количества каналов регистрации и обработки сигналов, поступающих с датчиков, а также наличие достаточно сложных внешних устройств управления. В этом случае каждый эмиттер должен быть снабжен индивидуальным датчиком тока, индивидуальным каналом управления, а также индивидуальным исполнительным механизмом в виде подвижного управляющего электрода и пьезоэлемента.

Технической задачей является создание многоострийного ненакаливаемого катода с автоматической стабилизацией равномерности распределения плотности тока по сечению пучка, не содержащего сложных внешних устройств управления, а также большого количества каналов обратной связи, т.е. упрощение конструкции и, следовательно, повышение надежности работы катодного узла в целом.

Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение конструкции катодного узла и повышение надежности его работы.

Данный технический результат достигается тем, что в многоострийном ненакаливаемом катоде, содержащем металлический катододержатель и матрицу острийных эмиттеров, на поверхности катододержателя расположены магнитострикционные элементы, к каждому из которых через изолирующую прокладку прикреплены острийные эмиттеры, а электрический контакт между катододержателем и каждым из эмиттеров осуществляется через соленоиды, каждый из которых охватывает соответствующий магнитострикционный элемент, причем магнитострикционные элементы выполнены из такого материала и ориентированы так, чтобы магнитное поле соленоидов оказывало на них сжимающее действие.

Кроме того, в предлагаемом многоострийном ненакаливаемом катоде магнитострикционные элементы могут удерживаться на поверхности катододержателя с помощью пружин, расположенных в полостях магнитострикционных элементов, причем в этом случае концы каждой из пружин закрепляются с одной стороны на поверхности катододержателя, а с другой стороны прикрепляются к изолирующей прокладке, при этом пружины находятся в предварительно растянутом состоянии.

Принцип действия предлагаемого катода основан на явлении магнитострикции и заключается в следующем. При наложении внешнего электрического поля на катод-анодный промежуток с острий катода в результате автоэлектронной либо взрывной эмиссии электроны ускоряются и уходят из промежутка далее по назначению. При этом электрический ток течет по каждой из цепей: катододержатель обмотка соленоида острийный эмиттер электронный пучок анод. В соленоиде этот ток возбуждает магнитное поле, оказывающее сжимающее действие на магнитострикционный элемент. Все эмиттеры, имеющие расчетные геометрические и эмиссионные характеристики, приближаются к поверхности катододержателя при сжатии магнитострикционных элементов одинаковым образом.

Рассмотрим поведение эмиттера с характеристиками, отличающимися от расчетных. Пусть этот эмиттер имеет более тупое острие и (или) меньшую высоту над поверхностью катододержателя, чем расчетный эмиттер. Эти отличия могут быть как следствием неточности изготовления, так и результатом длительной эксплуатации катода. В этом случае увеличение электрического поля у острия эмиттера слабее, чем у расчетного эмиттера, а следовательно ток, снимаемый с этого эмиттера, магнитное поле его соленоида и степень сжатия его магнитострикционного элемента меньше.

Это автоматически уменьшает разницу между электрическим полем у острия расчетного эмиттера и полем у острия, имеющего указанные выше отклонения. Аналогично в эмиттере, сильнее расчетного выступающем над поверхностью катододержателя или имеющего по какой-либо причине более заостренный конец, степень сжатия магнитострикционного элемента будет более сильной, чем у расчетного эмиттера.

Таким образом, в предлагаемом многострикционном ненакаливаемом катоде автоматически обеспечивается нужная степень сжатия каждого магнитострикционного элемента, что обеспечивает стабилизацию равномерного распределения плотности тока по сечению электронного пучка.

Однако при наложении магнитного поля на магнитострикционный элемент его деформация происходит не только вдоль оси соленоида, но и в поперечном направлении (это может быть как сжатие, так и растяжение, а также более сложная деформация). Поэтому если магнитострикционный элемент закреплен на поверхности катододержателя, а также изолирующая прокладка прикреплена к магнитострикционному элементу с помощью неразъемного соединения, например склеивания, в результате переменной поперечной механической нагрузки такое соединение недолговечно.

В связи с этим предлагается магнитострикционный элемент выполнять полным и прижимать его к поверхности катододержателя предварительно растянутой пружиной, помещенной внутри полости магнитострикционного элемента и одним концом прикрепленной к катододержателю, а другим к изолирующей прокладке.

Пример технического выполнения катода показан на чертеже (показано сечение одного острийного элемента).

Рассмотрим конкретную конструкцию острийного эмиттера, расположенного на поверхности катододержателя 1. На этой поверхности к посадочным местам, выполненным в виде глухих отверстий, с помощью пружин 2 прижаты магнитострикционные элементы 3. При этом пружины 2 располагаются внутри полостей каждого из магнитострикционных элементов 3, а концы этих пружин закрепляются на поверхности катододержателя 1 с одной стороны и к изолирующим прокладкам 4 с другой стороны.

Необходимость включения изолирующей прокладки 4 в конструкцию острийного эмиттера вызвана тем, что магнитострикционные материалы в своем большинстве являются проводниками. В изолирующих прокладках 4 также выполнены посадочные места под магнитострикционные элементы 3. Посадочные места в катододержателе 1 и в изолирующих прокладках 4 имеют несколько большие размеры, чем соответствующие поперечные размеры магнитострикционных элементов 3 с тем, чтобы не препятствовать их поперечной деформации.

К внешней поверхности изолирующих прокладок 4 с помощью, например, клееного соединения присоединения острия 5, эмиттирующие электроны. Магнитострикционные элементы 3 с внешней стороны охвачены проволочными соленоидами 6, намотанными на диэлектрические каркасы 7. Обмотки соленоидов 6 подключены к помощью жестких контактов к катододержателю 1 и с помощью гибких контактов к соответствующим остриям 5, при этом острия оказываются включенными параллельно в цепи катод анод. На чертеже контакты обоих типов не показаны. Каркасы 7 соленоидов 6 могут быть прикреплены к поверхности катододержателя 1.

Магнитострикционные элементы 3 выполняются на основе, например, интерметаллического соединения SmFe₂, обладающего гигантской магнитострикцией.

Работает предлагаемый многоострийный ненакаливаемый катод следующим образом.

При подаче отрицательного потенциала к катододержателю 1 и остриям 5 с последних эмиттируется электронный пучок, являющийся суммой пучков от каждого эмиттера. Эти парциальные пучки возбуждают в соответствующих соленоидах 6 магнитные поля, оказывающие сжимающее действие на магнитострикционные элементы 3. Степень их сжатия зависит от соответствующего парциального тока так, что при протекании через соленоид 6 большего тока магнитострикционный элемент сжимается сильнее и наоборот. Таким образом, в катоде происходит автоматическое выравнивание плотности тока по сечению суммарного пучка электронов.

Оценим величину сжатия магнитострикционных элементов. Пусть с отдельного эмиттера снимается ток величиной i 100 А. Такая величина тока с отдельного острия в диодах, использующих взрывную эмиссию электронов, является типичной для многоострийных ненакаливаемых катодов (см. Сливков И.Н. Процессы при высоком напряжении в вакууме. М. Энергоатомиздат, 1986, с. 102). При использовании соленоида с n 200 витками на сантиметр длины этот ток возбуждает внутри соленоида магнитное поле величиной Н i n 100 200 2 10⁴ А/см, что соответствует относительному сжатию магнитострикционного элемента из SnFe₂: l/l -2,5 10^-3 (см. Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. М. Наука, 1987, с. 102). Для магнитострикционного элемента высотой h 5 см абсолютное сжатие элемента составляет l 0,125 мм, что может компенсировать неточность изготовления эмиттера по высоте, так как технически возможно реализовать катод с более высокой точностью изготовления эмиттеров.

Итак, использование предлагаемого катода позволяет упростить автоматическую стабилизацию равномерности распределения плотности тока по сечению электронного пучка, так как указанная стабилизация осуществляется без применения внешних управляющих устройств. Это также повышает надежность его работы.

Формула изобретения

МНОГООСТРИЙНЫЙ НЕНАКАЛИВАЕМЫЙ КАТОД, содержащий металлический катододержатель, матрицу острийных эмиттеров и средство для обеспечения равномерного распределения плотности тока с острийных эмиттеров, отличающийся тем, что указанное средство выполнено в виде магнитострикционных элементов, в полости которых расположены пружины в предварительно растянутом состоянии, один конец каждой из которых закреплен на поверхности катододержателя, а другой прикреплен к изолирующей прокладке, размещенной между острийными эмиттерами и магнитострикционными элементами, ориентированными так, что магнитное поле соленоидов оказывает на них сжимающее действие, и расположенными на поверхности катододержателя, к каждому из которых через изолирующую прокладку прикреплены острийные эми

РИСУНКИ

Рисунок 1