Радиотехника и электроника, 2022, T. 67, № 10, стр. 1030-1043

2.1. Численное моделирование автоэмиссионных ячеек

Были рассмотрены автоэмиссионные ячейки (см. рис. 1г), основные размеры которых представлены в табл. 1.

Отношение высоты эмиттера к радиусу кривизны его вершины h/R составило 86, 305 и 650 для эмиттеров 1–3 соответственно.

Для получения большей величины электрического поля на поверхности эмиттера, вершины эмиттеров ячеек были погружены в отверстие сетки (d₁ = 40 мкм).

Типичное распределение потенциала в ячейке без эмиттера и с эмиттером, расположенным по центру ячейки при d₁ = Δ, представлено на рис. 1д–1е, а изменение величины электрического поля на вершине эмиттера при d₁ = Δ в зависимости от отношения D/R и h/R – на рис. 2а, 2б.

Рис. 2.

Зависимость величины электрического поля E от величины D/R (а) при постоянном h и от величины h/R (б) при постоянном D для одиночного эмиттера, а также зависимость напряженности поля на острие от кривизны острия (в): 1 – острие в виде полусферы R = 5 мкм, 2–4 – острие в виде половины кругового эллипсоида вращения с полуосями a_y = 4 (2), 3 (3), 2 мкм (4) и а_x = R.

Поскольку распределение напряженности электрического поля зависит от величины радиуса кривизны вершины эмиттера, то за счет изменения этой величины можно существенным образом менять распределение плотности тока на поверхности эмиттера (см. рис. 2в).

Смещение вершины иглы от центра отверстия к его краю позволило сделать автоэмиссионную ячейку более низковольтной, чем при расположении иглы по центру отверстия, однако при этом чрезмерное заглубление вершины эмиттера привело к существенному оседанию пучка на сетку (рис. 3а). Анализ результатов расчета ячейки № 1 (рис. 3а)⁴⁴ показал, что при подаче потенциала на сетку, равного U = 2350 В, на ней локально оседало 42% эмитированного тока, что соответствовало выделяемой мощности около 8 Вт. Площадь оседания составляла около 2.8% от площади боковой поверхности отверстия в сетке, таким образом, плотность мощности оседания составила 130 кВт/см².

Рис. 3.

Ход траекторий (а–в) и распределение электрического поля на вершине эмиттера (г) в ячейке № 1: а) d = 50 мкм, d₁ = 40 мкм; б) d = 240 мкм, d₁ = 0 мкм; в) d = 240 мкм, d₁ = 140 мкм (см. рис. 1г); г) d = 240 мкм, d₁ = 140 мкм (кривые 1 и 2), 3 – d = 50 мкм, d₁ = 40 мкм (кривая 3); U = 3000 (1), 2350 (2) и 2350 В (3).

В табл. 2 представлена расчетная зависимость величины тока с острия эмиттера ячейки № 1 от величины его радиального смещения в ячейке в направлении от края отверстия к его центру при неизменном напряжении на аноде, равном U = = 2350 В, и величине заглубления острия в отверстие, равной d₁ = 40 мкм (рис. 3б, 3г).

В табл. 3 представлена аналогичная зависимость величины тока с острия эмиттера той же ячейки при размещении эмиттера по оси отверстия (d = 240 мкм) от величины d₁ (рис. 3б, 3в).

Следует отметить, что при расположении эмиттера 1 по оси отверстия и d₁ = 40 мкм (см. рис. 3) для восстановления величины напряженности электрического поля⁵⁵ на вершине эмиттера (соответственно, для восстановления величины тока до прежнего значения тока в ячейке), достаточно увеличить напряжение на сетке с 2350 до 3000 В.

При размещении эмиттера ячейки № 1 по центру отверстия, а его вершины на уровне верхнего края отверстия, для восстановления прежней величины тока достаточно напряжения на сетке, равного 2850 В. Зависимость величины тока эмиттера ячейки № 1 от величины диаметра отверстия в сетке при таком расположении вершины эмиттера приведена в табл. 4.

Для ячейки № 2 при U = 2350 В, при том же заглублении вершины эмиттера и его размещении на расстоянии d = 130 мкм от края отверстия значение тока получилось больше за счет большего аспектного отношения.

Размещение вершины эмиттера ячейки № 3 ниже отверстия в сетке, несмотря на меньший радиус кривизны вершины эмиттера, привело к существенному падению тока при напряжении 2350 В и оседанию части тока на сетку.

Из анализа результатов расчетов (см. рис. 1) следует, что для ячеек, в которых электрод, вытягивающий ток, имеет отверстие, изменение величины электрического поля на вершине эмиттера в гораздо большей степени зависит от аспектного отношения D/R, нежели от аспектного отношения h/R.⁶⁶ При величинах D/R > 100 или h/R > 100 изменения величины электрического поля на вершине эмиттера становятся незначительными и их дальнейшее увеличение нецелесообразно⁷⁷.

2.2. Формирование потока электронной пушкой

Основные причины, затрудняющие формирование пучка электронной пушкой, связаны с большой расходимостью потока вблизи эмиттера (рис. 4а). Как отмечалось еще в работе [11] углы наклона электронных траекторий вблизи поверхности автоэмиттера могут достигать 60°…80°. Попытки “повернуть” электронные траектории, стартующие с периферии автоэмиттера, для уменьшения углов наклона к оси ЭОС приводят к пересечению этих траекторий с оставшейся частью расходящегося потока и к образованию разброса электронов по углам наклона. При формировании сходящегося электронного потока на выходе из пушки получается поток с еще большим разбросом по углам наклона. Если же катод электронной пушки содержит несколько автоэмиссионных эмиттеров, то разброс по углам наклона возникает из-за пересечения траекторий, стартующих с разных эмиттеров. Тем не менее при определенном распределении потенциала вдоль оси электронной пушки (см. рис. 4а) может быть сформирован электронный поток, имеющий кроссовер в области анода (см. рис. 4б), причем так называемый ореол пучка (обозначен серым цветом) содержит не более 2…3% общего тока.

Рис. 4.

Осевое распределение потенциала (а), конфигурация электродов и траектории пучка в области электронной пушки (б), траектории электронов в пушке с диафрагмой при U_к = U_c = 5.75 кВ, U_д = 6.0 кВ, ток катода 1.7 мА (в).

На этой основе могут быть построены электронные пушки для различных применений, например для рентгеновских трубок, электронно-лучевой сварки или для ЭОС приборов О-типа миллиметрового диапазона [12–14]. Для уменьшения диаметра пятна на мишени при использовании автоэмиттеров для рентгеновских трубок или для электронно-лучевой сварки достаточно (как и при использовании обычных термокатодов) “отсечь” ореол пучка с помощью диафрагм. Аналогичные функции выполняют коллиматоры, размещаемые между электронной пушкой и замедляющей системой в обычных ЭОС с термокатодами ЛБВ миллиметрового диапазона.

3.1. Макет и схема установки

Были рассмотрены одиночные автоэмиссионные катодные ячейки с эмиттерами из различных материалов (табл. 5).

Экспериментально исследовался макет электронной пушки (см. рис. 5а), в котором могло быть размещено от одного до четырех эмиттеров. Диаметр отверстия сетки был равен D = 490 мкм, а толщина сетки 140 мкм. Эмиттеры были изготовлены методом лазерного фрезерования [5, 10] и установлены в экспериментальный макет без предварительной химической или плазменной очистки катода (некоторые эмиттеры подвергали ультразвуковой очистке). Макет использовался в режиме работы автоэмиссионной ячейки (катод, сетка, коллектор) или в режиме электронной пушки при дополнительном размещении фокусирующего электрода и анода. В первом случае на управляющую сетку и коллектор пушки подавался одинаковый потенциал, вследствие чего электронный поток распространялся в эквипотенциальном пространстве. Во втором случае на дополнительные электроды подавались необходимые потенциалы. Токи на сетку и анод, а также ток катода регистрировали независимо. Для визуализации пучка в макете был установлен коллектор-мишень в виде пластины с нанесенными на нее люминофором и равноотстоящими (шаг 2.0 мм) рисками.

Рис. 5.

Экспериментальный макет многолучевой электронной пушки (а, б) и схема измерений (в) R_б = 1.19 МОм, R₁ = = 11.4 МОм, R₂ = 9.5 кОм, R₃ = 300 Ом; 1 – катод, 2 – держатель, 3 – фокусирующий электрод, 4 – коллектор. Все размеры в миллиметрах.

Схема измерений представлена на рис. 5в. Измерения зависимостей тока от времени при различных напряжениях на сетке проведены при давлении остаточных газов 5.8 × 10^–7 Торр в режиме питания автоэмиссионной ячейки от источника постоянного напряжения и при непрерывном процессе откачки объема вакуумной камеры.

Минимальный интервал записи экспериментальных измерений с каналов 1…3 аналогово-цифровой платы составлял 0.2 с. Перед испытаниями экспериментальный макет прошел проверку электрической прочности изоляции при напряжении до 14.5 кВ (табл. 6).

3.2. Автоэмиссионная ячейка из гафния

Была рассмотрена автоэмиссионная ячейка с одиночным острийным эмиттером из гафния, высота иглы 1.028 мм, радиус кривизны острия 8.35 мкм (рис. 6а). Образец проходил ультразвуковую очистку в трихлорэтане.

Рис. 6.

Фото катодно-сеточного узла автоэмиссионной ячейки (а), вид эмиттера до испытаний (б) и после (в), зависимость тока от времени при напряжении на сетке U = 5900 В (один из этапов измерений).

Режим подачи напряжения между катодом и сеткой непрерывный. Давление в вакуумной камере 10^–7 Торр.

Макет содержал катод, сетку и коллектор (фокусирующий электрод и анод с отверстием не устанавливали).

Максимальное значение тока катода было достигнуто при начальных измерениях и составило 3.6 мА при напряжении катод–сетка 5300 В, при этом токооседание на сетку составляло 2%. Однако при дальнейших измерениях величина тока была нестабильной и происходила постепенная деградация эмиссии, поэтому испытания на долговечность не проводили.

Вид эмиттера до и после испытаний представлен на рис. 6б, 6в, а результаты измерений на одном из этапов испытаний на рис. 6г.

Измерения размеров эмиттера из гафния после испытаний с помощью электронного микроскопа показали, что высота эмиттера уменьшилась на 120 мкм, а радиус кривизны острия увеличился до 24 мкм.

3.3. Автоэмиссионная ячейка из молибдена

Была рассмотрена автоэмиссионная ячейка с одиночным острийным эмиттером из молибдена, высота иглы 0.847 мм, радиус кривизны острия 19 мкм (рис. 7а). Образец был очищен с помощью химического травления и отжига.

Рис. 7.

Фото эмиттера из молибдена до испытаний (а, б) и зависимость тока от времени при U = 5100 В (в).

Режим подачи напряжения между катодом и сеткой непрерывный. Давление в вакуумной камере 2.8 × 10^–8 Торр.

Макет содержал катод, сетку и коллектор (фокусирующий электрод и анод с отверстием не устанавливали).

Максимальное значение тока катода было достигнуто при начальных измерениях и составило 3.6 мА при напряжении катод–сетка 5300 В, при этом токооседание на сетку составляло 2%. Измерения проводили в течение 10 мин, падение величины тока за этот период времени составило 19%.

3.4. Автоэмиссионная ячейка из стеклоуглерода СУ-2000

Была рассмотрена автоэмиссионная ячейка с одиночным острийным эмиттером из стеклоуглерода. Образец не проходил предварительную ультразвуковую очистку. Режим подачи напряжения между катодом и сеткой непрерывный. Давление в вакуумной камере составляло 10^–7 Торр.

Макет содержал катод, сетку, коллектор (фокусирующий электрод и анод с отверстием не устанавливались) и диафрагму с отверстием диаметром 41.6 мм, которая расположена между коллектором и сеткой (22 мм от вершины острия) для оценки размера электронного потока. Для этой же цели служил и нанесенный на коллектор люминофор.

Достигнутое максимальное значение тока с острия катода составило 250…300 мкА для иглы высотой 1.3 мм, радиусом кривизны острия 3.0 мкм при подаче напряжения на сетку 2000…2100 В и при напряжении на сетке 3600 В для другой иглы. При этом токопрохождение через диафрагму составило ~ 70%, а ток на сетку практически отсутствовал.

Зависимости тока от времени представлены на рис. 8а, 8б. Деградация тока катода составила 40% за 30 ч.

Рис. 8.

Зависимость тока от времени (а, б) для эмиттеров из стеклоуглерода СУ-2000 при U = 2100 (а), 3600 В (б) и вид эмиттера до (в) и после испытаний (г).

Результаты измерений эмиттеров из стеклоуглерода СУ-2000 в непрерывном режиме показали, что острия эмиттеров подвергались сильной эрозии (рис. 8в–8г), заметно менялась не только форма острий, но и высота эмиттеров (после пятичасовой работы высота эмиттера уменьшилась на 70 мкм).

3.5. Автоэмиссионная ячейка из вольфрама

Была рассмотрена автоэмиссионная ячейка с одиночным острийным эмиттером из вольфрама, высота иглы 1.08 мм, радиус кривизны острия 3.3 мкм. Образец не проходил ультразвуковую очистку.

Макет содержал катод, сетку, коллектор (фокусирующий электрод и анод с отверстием не устанавливали). Режим подачи напряжения между катодом и сеткой непрерывный, давление в вакуумной камере составляло 2 × 10^–7 Торр.

Максимальный ток катода составил 1.22 мА при напряжении катод–сетка 4637 В, токооседание на сетку составило 4% (53 мкА).

Были проведены испытания на долговечность в течение 12 ч при постоянном напряжении катода 4350 В (рис. 9).

Рис. 9.

Зависимость тока с острийного вольфрамового катода от времени.

Скорость деградации тока катода составила 250 мкА/ч в промежутке от 0 до 2 ч и 13 мкА/ч в промежутке от 2 до 12 ч.

Результаты измерений эмиттера из вольфрама, проведенные до и после испытаний в непрерывном режиме на протяжении семи часов, показали, что эрозия острия эмиттеров незначительна, а высота эмиттера не изменилась (рис. 10).

Рис. 10.

Фото вершины острия вольфрамового катода до (а) и после испытаний (б).

Были проведены испытания автоэмиссионной ячейки при повышенных значениях напряжений на сетке. Так, для вольфрамового эмиттера высотой 1.44 мм и радиусом кривизны острия 4.7 мкм при напряжении катод–сетка 5000 В максимальное значение тока катода составило 5.4 мА (ток на сетку и анод с отверстием составил 5%). Однако в течение 2 мин ток катода уменьшился до 2.6 мА и испытания были прекращены.

Анализ временных зависимостей катодного тока показал, что при непрерывном режиме работы автоэмиссионных ячеек ток с эмиттера подвержен быстро меняющимся амплитудным изменениям, которые уменьшаются по мере общего спада тока (рис. 11). Анализ “временной развертки” начального участка зависимости тока от времени (см. рис. 11б) показал, что амплитудные изменения обусловлены периодическими колебаниями с экспоненциальным фронтом нарастания величины тока и резким конечным падением в конце при постоянном напряжении на сетке, что косвенно свидетельствует о процессах тепломассопереноса на острие эмиттера и именно устранение этого фронта позволит увеличить длительность работы автоэмиссионной ячейки. Однако подтверждение этого требует проведения дополнительных экспериментов.

Рис. 11.

Зависимости тока с острия вольфрамового катода от времени при пятичасовом испытании (а) и увеличенный фрагмент начального участка (б): высота острия 1.56 мм, радиус кривизны острия 12.3 мкм, напряжение на сетке U = = 5000 В.

Были проведены испытания макета, в котором при подаче напряжения на сетку и коллектор (фокусирующий электрод и анод с отверстием не устанавливали) одновременно измеряли токи от двух и трех автоэмиссионных ячеек. Режим подачи напряжения между катодом и сеткой и коллектором – непрерывный, давление в вакуумной камере составляло 5 × 10^–8 Торр.

При испытаниях на долговечность макета с двумя эмиттерами из вольфрама продолжительностью измерений 30 мин был достигнут максимальный ток катода 2.7 мА при напряжении катод–сетка 4500 В, при этом токооседание на сетку 17%. Деградация тока на этом интервале составила 20%.

При испытаниях макета с тремя эмиттерами из вольфрама продолжительность измерений⁸⁸ составила 10 мин, а максимальное значение тока катода 4.27 мА при напряжении катод-сетка 4500 В, при этом токооседание на сетку составило 20%.

3.6. Автоэмиссионная ячейка в ЭОС с магнитным полем

Была рассмотрена автоэмиссионная ячейка с одиночным острийным вольфрамовым эмиттером, входящая в состав ЭОС с магнитным полем, создаваемом катушкой с током. Образец не проходил ультразвуковую очистку. Давление в вакуумной камере составляло 4 × 10^–8 Торр.

Макет ЭОС представлял собой электронную пушку, содержащую катод, сетку, фокусирующий электрод, анод с отверстием и токоприемник-коллектор с нанесенным люминофором. При напряжении катод-сетка 5324 В максимальное значение тока катода составляло 1.4 мА. Между электронной пушкой и коллектором была расположена катушка-соленоид протяженностью 26 мм и внутренним диаметром отверстия 32.5 мм. Ток катушки мог плавно изменяться от 0 до 5 А, при этом максимальное значение осевой компоненты индукции магнитного поля в центре катушки плавно изменялось от 0 до 0.06 Тл (рис. 12а). Расстояние от вершины эмиттера до плоскости коллектора составляло 50 мм.

Рис. 12.

Экспериментальные распределения (1) осевой компоненты индукции магнитного поля с учетом магнитопроводов при токе соленоида 3А (а), свечение люминофора от пучка на коллекторе в отсутствие магнитного поля (б) и с учетом магнитного поля при токе соленоида 2А (в) и расчетные распределения (2) траекторий в плоскости x–z (г, д) и x–y (е, ж).

Измерения диаметра пучка в зависимости от величины магнитного поля проводили при токе катода, равном 0.435 мА и напряжении катод–сетка 5200 В (токооседание на сетку составляло ~1%). Анализ результатов измерений показал, что при изменении величины магнитного поля диаметр пучка уменьшался от 40 мм (в отсутствие магнитного поля) до 16 мм (при амплитуде магнитного поля 0.024 Тл), что хорошо соответствовало расчетным значениям (см. рис. 12). При кратковременном увеличении магнитного поля до 0.06 Тл диаметр пучка уменьшался до 8 мм, однако центральная часть пучка начинала выжигать люминофор и магнитное поле выключали.