Вторично-эмиссионный катод

(23) Приоритет -Н О,1 1/3 сударствелный комите етень25 СССР Опубликовано 07.07.81. БюллДата опубликования описания 3) УДК 621.385.до делам лзобретенлй к открытий(54) ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫЙ КАТОД 3Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электровакуумных приборах (ЭВП) СВЧ-диапазона М-типа.Известны катоды, состоящие из пористых тонких (О - 40 мкм) диэлектрических слоев на металлическом держателе. Эмиссия в таких катодах вызывается самоподдерживающимся сильным электрическим полем, наводящимся в диэлектрическом слое в результате создания на нем положительного заряда и его электрического изображения в металлическом держателе при облучении системы первичными электронами.Известен также катод с полевой эмиссией, включающий расположенные на металлическом держателе слои диэлектрика и металла 2, на поверхности активного слоя которого, состоящего из окиси магния и расположенного на металлическом держателе, нанесен тонкий слой (порядка нескольких молекулярных слоев) металМ.Недостатками таких катодов с полевой эмиссией, ограничивающими их применение в ЭВП ( особенно М-типа) с большой выходной мощностью, являются низкая устойчивость к электронно-ионной и электротепловои эрозии, сравнительно узкии диапазон рабочих температур (необходимость специального терморегулирования) для обеспечения температурного оптимума (например, 600 в 7 С для слоев из окиси магния), отвечающего стационарности тока 5 эмиссии, а также из-за снижения коэффициента вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ) с нагреванием, появлением проводимости в диэлектрическом слое, делающей невозможным поддержание поверхностного 1 заряда. Все это приводит к ограничениютокоотбора в известных катодах с полевой эмиссией.Целью изобретения является повышениеустойчивости к электронно-ионной и электро- тепловой эрозии и увеличение коэффициен 1 в та вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ)с ростом температуры.Поставленная цель достигается тем, чтов катоде, включающем расположенные на металлическом держателе слои диэлектрика и металла, между слоями диэлектрика и 20 металла, выполненными из тугоплавких материалов с т. пл. выше 2000 С, расположен слой полупроводника, причем КВЭЭ материалов слоев возрастает в ряду полупровод845195 5 1 о 15 то 25 зо 35 40 45 50 55 ник-металл-диэлектрик. Слои металла и полупроводника имеют пористую структуру.Удельное электросопротивление металлического слоя 0,2 - 2 Ом,см, пористость слоя диэлектрика меньше 50/О. Толщина слоев диэлектрика, полупроводника и металла можетбыть равной 200 в 8; 0,5 - 2; 2 - 30 мкм,Металлический слой может бытв прямонакальным элементом, изготовлен из инертного тугоплавкого металла из группы рения,иридия, рутения, осмия, родия. Кроме того,металлический слой может быть изготовлениз рения или вольфрама и дополнительнопокрыт пленкой тугоплавкого инертного металла из группы иридия, осмия, родия, рутения.Нижний предел толщины слоя диэлектрика отвечает сохранению его механической, а верхний . - термомеханической прочности, При меньшей толщине слоя полупроводника не обеспечивается достаточноевлияние тянущего поля, а при большей ухудшаются прозрачность для электронов и распространение вытягивающего поля на приповерхностную область диэлектрическогослоя, граничащую с полупроводниковымслоем, При занижении толщины, указанной для слоя металла, не гарантируются достаточные устойчивость к электронно-ионнойбомбардировке, однородность и проводимость, а с дальнейшим ростом толщины ухудшается проницаемость для электронов.На чертеже схематически изображенпредложенный катод,Катод содержит слои диэлектрика (Д)1, широкозонного полупроводника (П) 2,металла (М) 3, а также металлический держатель 4, электрически соединенный с металлическим слоем 3. Металлический слой 3может быть подключен к цепи накала и может выполнять роль прямоканального элемента.На чертеже обозначены также экраныконтакторы 5, катодная ножка 6, тарелочка 7, швы аргонно-дуговой или лазернойсварки 8, траверса 9 и гайка 10,Эмиттерная система, состоящая из слоевдиэлектрик-полупроводник-металл (ДПМкатод), может иметь слой металла и нанеэмиттирующих сторонах (см. фиг. 1)для улучшения электроконтакта и теплоотвода, упрочнения диэлектрика, упрощениятехнологии изготовления (не требуется изоляция полости при обработке кислотой металла, образующего М слой).ДПМ-катод принадлежит к числу вторично-электронных эмиттеров, Его работа выхода достаточно велика л 5 эВ. Соответственно уровень собственных термошумовпренебрежимо мал, что особенно важнодля приборов, предназначенных дляработыв режиме с безмодуляторным питанием."Активации; ДПМ-катод не требует.Предлагаемый механизм работы ДПМ-катода определяет вторично-электронная эмиссия, усиленная полем и термостимуляцией. 4Благодаря положительной разности КВЭЭ слоев М и П при бомбардировке электронами от внешнего источника возникает тянущее поле, распространяющееся на границу полупроводника с диэлектриком, который является основным источником вторичных электронов. Нагрев ДПМ-катода приводит к увеличению токоотбора в силу термостимулирования и усиления тянущего поля за счет отрицательного температурного КВЭЭ выбранного П слоя.Массивное диэлектрическое основание во избежание ухудшения вторично-эмиссионных свойств системы должно иметь КВЭЭ выше 2,5 и пористость менее 5"/О (для предотвращения чрезмерного взаимопроникновения слоев, препятствующего возникновению тянущего поля).Промежуточным между металлическим и диэлектрическим слоями может быть слой широкозонного полупроводника или диэлект рика. Он характеризуется КВЭЭ, меньшим, чем М слой, т. е. 1+0,5, проницаемостью для электронов (из-за пористости и тонкости). Материалом П слоя может быть продукт взаимодействия Д слоя и рения, в частности алюминиевого окисного материала ре нал. Основное назначение П слоя наряду с обеспечением совместно с М слоем тянущего поля, распространяющегося на приповерхностную зону Д слоя - предотвращение в нем ударной ионизации. Металлическая оболочка катода, электрически соединенная с держателем выполнена из тонкого пористого слоя тугоплавкого металла. Она играет роль экрана, уменьшающего электронно-ионную и электро-тепловую эрозию, распределительного элемента (восполнителя донорных вакансий в Д и П слоях) и может быть использована в качестве прямоканального элемента с целью обезгаживания катода при откачке прибора, под держания температуры катоды, отвечающей максимальному КВЭЭ, термостимулирования вторичной эмиссии и облегчения миграционного восполнения акцепторных вакансий в П и Д слоях. Оптимальная проводимость М слоя, обеспечивающая равновесие процессов подзарядки слоев и стекания зарядов 0,2 - 2, Ом,см, соответствует толщине рения 30 - 2 мкм.Необходимым условием долговечности и надежности ДПМ-катода при использовании М слоя из металла типа вольфрама или рения является соблюдение рабочего вакуума в приборе не хуже 5.10мм рт. ст. Наряду с мерами обеспечения удовлетворительного рабочего вакуума с целью минимизации отрицательного влияния остаточных кислородсодержащих газов и взаимодействия слоев при высоких рабочих температурах, поверхностный пористый М слой может быть выполнен из инертного тугоплавкого металла типа родия, иридия, рутения, осмия или плакирован ими; в этом случае845195 Формула изобретения 1 О 5требования к вакууму снижаются на 1 - 2 порядка.Изготовление ДПМ-катода может быть осуществлено по следующей технологической схеме. Приготовляют массу (шихту) для Д слоя с КВЭЭ более 2,5, формуют заготовки катода (возможно секционирование) в виде цилиндра, шайбы или пластины (в зависимости от формы катода) методами литья под давлением, вытяжки из расплава, сушат и обжигают керомассы, шлифуют, создают П и М слои до достижения оптимального удельного электросопротивления М слоя, проводят вакуумный отжиг с целью освобождения каналов (пор) от остаточных окислов (рения) - при 1600 С и вакууме не хуже 1,10мм рт. ст. в течение 5 - 20 мин, собирают ДПМ (ДДМ) -системы с экранами-контакторами, держателями и т. п.Технико-экономическая эффективность предложенного ДПМ-катода определяется тем, что он имеет сравнительно высокий КВЭЭ при комнатной температуре (до 3), увеличивающийся с ростом температуры, На дежность, стабильность и долговечность обеспечиваются экранировкой слоя из тугоплавкого относительно инертного металла или инертного плакирующего слоя, а также вследствие высокой плотности и устойчивости материалов Г и Д слоев, наряду с повышенными когезией слоев, запасом активного вещества. Широкий допустимый диапазон рабочих температур (-80 в 16 С) позволяет исключить специальную систему терморегулирования катода при высоком уровне мощности обратной электронной бомбардировки (до 80 Вт/см и более). Высокая эффективность и экономичность обусловлены большим отношением общего тока эмиссии к протекающему через образец, упразднением накала или минимизацией уровня потребляемой удельной мощности накала (1,5 Вт/см) благодаря возможности использования прямонакальнго М слоя с локализацией зоны нагрева и улучшением условий теплопередачи для термостимулирования вторичной эмиссии. Не требуется активация. Упрощено конструкторско-технологическое обеспечение, определяющее воспроизводимость характеристик. Предложенный ДПМ-катод имеет сравнительно большой допустимый токоотбор (на 2 - 3 порядка выше, чем для МДМ-катода), улучшенные характеристики ЭВП из-за минимизации газовыделения, искрений, пробойных явлений, эрозии катодных материалов 8. Отсутствие термоэмиссии и низкий уровень шумов позволяют реализовать приборы, работающие в безмодуляторном режиме питания.Помимо ЭВП СВЧ М-типа область применения предлагаемого катода может вклк- чать и прочие ЭВП с каскадными процессами (умножения электронов). Вторично-эмиссионный катод, включающий расположенные на металлическом дер- жателе слои диэлектрика и металла, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости к электронно -ионной и электротепловой эрозии и увеличения коэффициента вторичной электронной эмиссии с ростом температуры, между диэлектриком иметаллом, выполненными из тугоплавких2 О материалов с температурой плавления выше 2000 С, расположен слой полупроводника, коэффициент вторичной электроннойэмиссии материалов слоев возрастает в ряду полупроводник-металл-диэлектрик, слоиполупроводника и металла имеют пористуюструктуру с удельным электросопротивлением металлического слоя 0,2 - 2 Ом. см, апористость слоя диэлектрика меньше 5"/,.2. Катод по п. 1, отличающийся тем, чтотолщины слоев диэлектрика, полупроводника, металла соответствуют 200 в 8, 0,5 - 2,2 - 30 мкм.3. Катод по п. 1, отличающийся тем, чтометаллический слой является прямонакальным элементом.4. Катод по п. 1, отличающийся тем, что35 металлический слой изготовлен из инертного тугоплавкого металла из группы рения,иридия, рутения, осмия, родня.5. Катод по п 4, отличающийся тем, чтометаллический слой изготовлен из рения иливольфрама и дополнительно покрыт плен 40кои тугоплавкого инертного металла из группы иридия, осмия, родня, рутения.Источники информации,.принятые во внимание при экспертизе1. Добрецов Л. Н. и Гомононова М. В.45 Эмиссионная электроника, М., 1966, с. 431 -451.2. Патент Японии382337, 99 А 2,опублик. 1963 (прототип).Редактор Л. Утехина Заказ 4 72/4 Составитель Л. Дикова Техред А. Бойкас Корректор Ю.Макаренко Тираж 784 Подписное ВНИИ ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4