Способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода из углеродного материала

Задачей изобретения является получение автоэмиссионного катода, который позволяет за счет компрессии электронного пучка по площади сечения пучка повысить плотность тока электронного пучка, формируемого электронной пушкой с таким катодом.

Решение данной задачи достигается тем, что способ изготовления включает в себя:

1) формирование на рабочей поверхности катодного диска криволинейной поверхности (например, сферической - для формирования аксиально-симметричного электронного пучка, либо цилиндрической - для формирования сходящегося ленточного электронного пучка);

2) формирование на криволинейной поверхности катодного диска поля конусообразных микроострий, оси симметрии каждого из которых направлены по радиусу кривизны поверхности.

Для обеспечения идентичности по форме и размерам формируемых на криволинейной поверхности микроострий фокус луча лазера в процессе микроразмерной лазерной гравировки всегда находится на криволинейной поверхности катодного диска в любой его точке.

Для выполнения данного принципиального условия оптическая ось лазерного луча совпадает с радиусом кривизны поверхности катодного диска в любой его точке, а перемещение фокуса лазерного луча по криволинейной поверхности катодного диска осуществляется путем перемещения катодного диска вокруг центра его кривизны.

Способы формирования поля микроострий для сферического и цилиндрического катодных дисков осуществляется следующим образом.

A. Для сферических катодных дисков (Фиг. 1)

Монолитную пластину стеклоуглерода разделяют на заготовки катодного диска 1 со стороной требуемого размера (например, на квадраты со стороной a=5 мм). На поверхности каждой из заготовок катодного диска 1 фрезеруют полость в виде вогнутой сферической поверхности 2 с требуемым радиусом кривизны R_кр (например, 50 мм) с центром кривизны O, лежащим в плоскости, перпендикулярной плоскости заготовки, и радиусом среза 0,5a (2,5 мм) с центром окружности O , лежащим в центре заготовки.

Далее проводят лазерную гравировку поверхности катода твердотельным YAG-лазером с длиной волны 1,06 мкм с параметрами: мощность 10-20 Вт, частота следования импульсов 1-10 кГц. При этом заготовка катодного диска 1 осуществляет качание по дуге относительно центра кривизны O с последовательным круговым смещением по окружности относительно центра O на угол , где d - диаметр основания острия 3 (~20 мкм). Каждое смещение на угол в плоскости заготовки катодного диска 1 происходит после однократного прохождения дуги сферической поверхности 2 относительно центра O. При этом в момент прохождения центра вогнутой сферы с радиусом 0,5a подача излучения лазера прерывается на время t=d/v, где d - диаметр основания острия, v - скорость перемещения заготовки.

Начальной точкой при качании относительно центра О принимается внешний край заготовки катодного диска 1; конечной - противоположный край по диаметру а вогнутой сферы заготовки. Линейная скорость качания вокруг центра О составляет 3 м/с. В результате гравировки на криволинейной поверхности формируются микроострия 3 конусообразной формы высотой 20 мкм, радиусом кривизны острия r_кр=1 мкм и плотностью упаковки 5×10 ⁵÷10⁶ см^-2. На поверхности каждого микроострия 3 при этом формируется самоорганизующаяся система наноострий.

В. Для цилиндрических катодных дисков (Фиг. 2)

Монолитную пластину стеклоуглерода разделяют на заготовки катодного диска 1 со сторонами требуемого размера (например, на прямоугольники со сторонами b=5 мм и c=10 мм). На поверхности каждой из заготовок катодного диска фрезеруют полость в виде вогнутой цилиндрической поверхности 2 с требуемым радиусом кривизны R_кр (например, 50 мм), длиной хорды среза b (5 мм).

Далее проводят микроразмерную лазерную гравировку поверхности катода твердотельным YAG-лазером с длиной волны 1,06 мкм с параметрами: мощность 10-20 Вт, частота следования импульсов 1-10 кГц. При этом заготовка катодного диска 1 осуществляет качание по дуге относительно центра кривизны O с последовательным линейным смещением вдоль стороны c с шагом D. Каждое линейное смещение в плоскости заготовки катодного диска 1 с шагом D (~20 мкм) происходит после однократного прохождения дуги цилиндрической поверхности относительно центра O.

Начальной точкой при качании относительно центра O принимается внешний край заготовки катодного диска; конечной - противоположный край по длине хорды среза b вогнутой цилиндрической поверхности 2 заготовки. Линейная скорость качания вокруг центра О составляет 3 м/с. На поверхности каждого микроострия 3 при этом формируется самоорганизующаяся система наноострий.

Полученная структура представляет собой поле микроострий 3 конусообразной формы с размерами основания одного острия от 10×10 мкм и высотой от 15 мкм, плотность упаковки микроострийной эмитирующей структуры составила порядка 5×10⁵-1×10 ⁶ см^-2. В дальнейшем эмитирующая структура катода подвергается катодно-плазменному заострению в среде кислорода (Патент РФ 2486625, МПК H01J 1/30, опубл. 27.06.2013 г.).

Полученный таким способом автоэмиссионный катод из углеродного материала с криволинейной эмитирующей поверхностью за счет компрессии электронного пучка по площади позволяет увеличить плотность тока в сечении пучка и ламинарность электронного пучка в 10 и более раз по сравнению с плотностью тока непосредственно на поверхности автоэмиссионного катода. Такая конструкция АЭК позволяет изготовить вакуумные СВЧ приборы с микросекундным временем готовности (ЛБВО, клистроны и др.) с холодным (безнакальным) катодом, что позволяет увеличить их КПД на 4-5% и повысить их долговечность (более 150000 часов).

Способ формирования поля микроострий на криволинейной поверхности методом микроразмерной лазерной гравировки позволит существенно упростить технологию их изготовления, отказавшись от многоэтапной технологической цепочки, характерной для тонкопленочной технологии. Отпадает необходимость в использовании дорогостоящего оборудования для осаждения тонких пленок, фотолитографии и т.д. Время изготовления единичного образца АЭК сокращается в 10-12 раз.

Источники информации

1. Патент РФ 2486625, МПК H01J 1/30, опубл. 27.06.2013 г.

2. Заявка на изобретение РФ 2002126716, МПК H01J 1/304, опубл. 27.04.2004 г.

3. Патент РФ 2526240, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, опубл. 20.08.14 г.

Формула изобретения

1. Способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода из углеродного материала, включающий формирование криволинейной поверхности катодного диска и дальнейшее формирование на этой поверхности матрицы микроострий путем микроразмерной лазерной гравировки, отличающийся тем, что в процессе гравировки перемещение фокуса луча лазера по поверхности осуществляется за счет перемещения катодного диска вокруг центра его кривизны, то есть фокус лазерного луча в процессе гравировки всегда находится на криволинейной поверхности катодного диска, а оптическая ось лазерного луча совпадает с радиусом кривизны поверхности диска в любой ее точке.

2. Способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода из углеродного материала по п. 1, отличающийся тем, что формируются конусообразные микроострия, оси симметрии каждого из которых направлены по радиусу кривизны поверхности

Имя изобретателя: Шалаев Павел Данилович (RU), Шестеркин Василий Иванович (RU), Сурменко Елена Львовна (RU), Соколова Татьяна Николаевна (RU), Конюшин Александр Валентинович (RU), Попов Иван Андреевич (RU)
Имя патентообладателя: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") (RU)
Почтовый адрес для переписки: 410033, г.Саратов, ул. Панфилова, 1, АО "НПП "Алмаз", патентная служба
Дата начала отсчета действия патента: 25.03.2014

Разместил статью: miha111
Дата публикации:  29-03-2016, 07:59

html-cсылка на публикацию		⇩ Разместил статью ⇩ Имя не указано  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!