Автоэмиссионный холодный катод

009410 Заявление относительно заинтересованности правительства США Это изобретение было создано при таких условиях, что в соответствии с п.1(а) Правительственного постановления 10096 правительству Соединенных Штатов Америки, представленному министром военно-воздушных сил (ВВС), предоставляются все права, правовой титул и интерес в нем, включая иностранные права. Область техники Изобретение относится к области электровакуумных приборов, а более конкретно относится к автоэмиссионному холодному катоду, функционирующему в электровакуумном приборе в качестве эмиттера электронов. Уровень техники Катоды представляют собой эмиттеры электронов, используемые в целом ряде различных электровакуумных приборов, таких как применяемые в телевидении электронно-лучевые трубки и различные микроволновые приборы, применяемые в радиолокации и средствах связи. Для надлежащей работы все эти катоды должны поддерживаться при высоком вакууме и нагреваться до очень высокой температуры,т.е. по меньшей мере 900 С. Высокий вакуум неизбежно влечет за собой использование специальных технологий производства для получения прибора, который герметизирован, а также протяженных процедур отжига. Кроме того, катоды этих типов чувствительны к загрязнению в том случае, если катод удаляют из вакуума. Поэтому высокий вакуум обуславливает существенные ограничения, связанные с манипулированием, работой и хранением таких приборов. Необходимость работы при высокой температуре создает несколько важных конструктивных ограничений. Во-первых, высокая температура требует использования специальных материалов, способных выдерживать высокую температуру при работе катода. В дополнение к этому, подогреватель (катода) снижает энергетический коэффициент полезного действия и повышает объем, массу и сложность системы. Поэтому имеется необходимость в катоде, который может работать при низких температурах с менее строгими требованиями к вакууму и, наряду с этим, имеет такие же характеристики эмиссии электронов, как и традиционные катоды электровакуумных приборов. Раскрытие изобретения Настоящее изобретение направлено на устранение указанных выше недостатков предшествующего уровня техники путем создания автоэмиссионного холодного катода (катода с автоэлектронной эмиссией), который работает при низких температурах и при меньшем вакууме (разрежении) по сравнению с автоэмиссионными катодами согласно предшествующему уровню техники. Более конкретно, настоящее изобретение включает в себя углеродный бархатный материал (так называемый углеродный бархат от англ. carbon velvet), состоящий из углеродных волокон с высоким отношением длины к поперечному размеру, заделанных перпендикулярно в материал основы (основной материал). Такой углеродный бархатный материал прикреплен к катоду. На волокна нанесена (осаждена) цезиевая соль. Электроны испускаются, когда к катоду приложено достаточное электрическое напряжение. Согласно второму аспекту изобретения предложен способ изготовления автоэмиссионного холодного катода, включающий в себя образование раствора цезиевой соли, покрытие углеродного бархатного материала этим раствором и присоединение такого материала к катоду. Согласно третьему аспекту изобретения предложен способ изготовления автоэмиссионного холодного катода, включающий в себя осаждение парообразного раствора цезиевой соли на волокна углеродного бархатного материала, образование кристаллов цезиевой соли на этих волокнах и присоединение углеродного бархатного материала к катоду. Согласно четвертому аспекту изобретения предложен способ нанесения покрытия на прикрепленный к катоду углеродный бархатный материал для изготовления автоэмиссионного холодного катода,включающий в себя распыление раствора цезиевой соли и деионизированной воды на упомянутый материал, высушивание покрытого углеродного бархатного материала при температуре по меньшей мере 100 С в течение приблизительно 1 ч в вакуумной печи, откачанной до менее 1 Торр, и затем вентилирование вакуумной печи до атмосферного давления с использованием сухого азота. Согласно пятому аспекту изобретения предложен способ изготовления автоэмиссионного холодного катода путем образования пленки цезиевой соли, имеющей толщину от 1 до 10 мкм, на каждом из множества волокон углеродного бархатного материала и присоединения углеродного бархатного материала к катоду. Согласно шестому аспекту изобретения предложен способ изготовления автоэмиссионного холодного катода путем прикрепления углеродного бархатного материала, имеющего волокна, к катоду, погружения этих волокон в расплавленный раствор цезиевой соли и охлаждения раствора, пока волокна погружены в раствор. Согласно седьмому аспекту изобретения предложен способ изготовления автоэмиссионного холодного катода путем прикрепления углеродного бархатного материала, имеющего волокна, к катоду, погружения этих волокон в расплавленный раствор цезиевой соли, удаления волокон из раствора и охлаждения волокон. Для надлежащей работы обычных электровакуумных приборов требуется высокий вакуум и катодный элемент, который должен быть нагрет по меньшей мере до 900 С. Хотя термин холодный катод относится к катоду, который работает при комнатной температуре или около нее, а также к катодам, ко-1 009410 торые работают при температурах ниже 900 С, холодный катод согласно настоящему изобретению работает при комнатной температуре и поэтому исключает имеющуюся в предшествующем уровне необходимость в подогреве и высокой рабочей температуре. Он также работает при более низком уровне вакуума, чем катоды согласно предшествующему уровню техники. Холодный катод согласно настоящему изобретению может заменить, с достижением соответствующих преимуществ, подогревный катод (катод косвенного накала) электровакуумного прибора любого типа, включая клистроны, лампы бегущей волны, магнетроны, магниконы и клистроды/лампы с индуктивным выходным взаимодействием телевизионных передатчиков. Другие аспекты и преимущества холодного катода согласно настоящему изобретению станут понятными из нижеследующего подробного описания, приведенного в сочетании с сопровождающим чертежом, иллюстрирующим только в качестве примера принципы настоящего изобретения. Краткое описание чертежа Фигура представляет собой схему лабораторной установки, использованной для испытания автоэмиссионного холодного катода согласно настоящему изобретению, и включает в себя сечение автоэмиссионного холодного катода согласно настоящему изобретению. Лучший вариант осуществления изобретения На фигуре представлен схематичный чертеж лабораторной установки, использованной для испытания автоэмиссионного холодного катода 11 согласно настоящему изобретению, и показано сечение холодного катода 11. Установка включает в себя вакуумную камеру 13 и держатель 17 катода. Тяга 19 выступает в вакуумную камеру 13 и может быть отведена или придвинута относительно холодного катода 11. Анод 21 закреплен на конце тяги 19. Промежуток 23 представляет собой расстояние, разделяющее катод 11 и анод 21, и может регулироваться посредством отведения или выдвижения тяги 19. Холодный катод 11 состоит из проходного изолятора 24 высокого напряжения, углеродного бархатного материала 25 и катодной поверхности 27. Как будет впоследствии описано подробно, углеродный бархатный материал 25 обрабатывают цезиевой (цезированной) солью с низкой работой выхода и присоединяют к катодной поверхности 27. Углеродный бархатный материал 25 состоит из углеродных волокон с высоким отношением длины к поперечному размеру, заделанных перпендикулярно в материал основы. Конкретным материалом этого типа является аппликация Vel-Black, патентованный продукт фирмы Energy Science Laboratories, Inc. Аппликация Vel-Black состоит из закрепленных в клейкой основе углеродных волокон с высоким отношением длины к поперечному размеру и была разработана в расчете на ее оптические характеристики, то есть в качестве черной аппликации для сверхнизкого отражения и для подавления постороннего (рассеянного) света в оптических системах. Углеродный бархатный материал 25 является гибким и может быть без труда присоединен к холодному катоду 11 любой формы. В случае, когда катодная поверхность 27 является металлической, для присоединения углеродного бархатного материала 25 к катодной поверхности 27 может быть использована проводящая эпоксидная смола. В качестве альтернативы для присоединения углеродного бархатного материала 25 к углеродной подложке может быть использовано пиросоединение (пиросвязывание). Автоэлектронную эмиссию получают путем образования кристаллов цезиевой соли на кончиках волокон углеродного бархатного материала 25, а также путем осаждения пленки, имеющей толщину от 1 до 10 мкм,на тела (стержни) волокон. Чтобы покрыть только тела волокон углеродного бархатного материала 25, на кончики волокон наносят маску, к которой не может пристать цезиевая соль. После того, как цезиевая соль нанесена на волокна, эту маску удаляют травлением. Цезиевую соль с низкой работой выхода можно нанести на углеродный бархатный материал 25 несколькими различными способами. В двух из этих способов используют раствор цезиевой соли высокой очистки и деионизированной воды в качестве среды для осаждения цезиевой соли. Более конкретно, сначала цезиевую соль смешивают с деионизированной водой. Затем, используя распылитель, на углеродный бархатный материал 25 распыляют (опрыскивают его) раствор цезиевой соли. Чтобы создать противодавление в распылителе, используют сухой азот пятого класса чистоты. Наносят от двух до четырех покрытий. После этого холодный катод 11 помещают в вакуумную печь, откачанную до давления менее 1 Торр, высушивают при достаточных температуре и продолжительности для испарения деионизированной воды (свыше 100 С в течение приблизительно 1 ч) и затем вентилируют до атмосферного давления,используя азот пятого класса чистоты. Можно использовать ряд цезиезых солей с низкой работой выхода, включая иодид цезия (CsI), теллурат цезия (CsTeO4) и бромид цезия (CsBr). Хотя за один цикл характеристики катода улучшаются, а выход газов уменьшается, дополнительные циклы будут дополнительно улучшать рабочие характеристики холодного катода 11. Однако улучшение достигается только до того момента, после которого дополнительные циклы будут повышать необходимое поле включения (включающее поле), то есть уровень(напряженность) электрического поля, при котором электроны начинают протекать от катода 11 к аноду 21. В качестве альтернативы волокна углеродного бархатного материала 25 могут быть погружены в раствор цезиевой соли. Затем узел, состоящий из холодного катода 11 и ванны с раствором, нагревают-2 009410 приблизительно до 100 С при атмосферном давлении до тех пор, пока раствор не кристаллизуется на кончиках и/или телах (волокон) углеродного бархатного материала 25. На этой стадии холодный катод извлекают из ванны и высушивают в вакуумной печи для испарения любой сохранившейся воды с кончиков и/или тел. Затем вакуумную печь вентилируют до атмосферы, используя сухой азот. В другом альтернативном варианте цезиевая соль может быть нанесена на волокна углеродного бархатного материала 25 путем погружения холодного катода 11 в тигель с расплавленной цезиевой солью так, чтобы волокна были погружены в нее. Затем расплавленной цезиевой соли дают охладиться вместе со все еще погруженными волокнами до тех пор, пока цезиевая соль не кристаллизуется на кончиках и/или телах. Цезиевая соль может быть также осаждена на кончики и/или тела волокон углеродного бархатного материала 25 путем химического осаждения из паровой (газовой) фазы таким образом, что на кончиках и/или телах образуются кристаллы цезиевой соли. Каждый из этих процессов является более дорогостоящим и требующим больших затрат времени по сравнению с использованием раствора цезиевой соли в деионизированной воде. Однако каждый из них приводит к получению более равномерного покрытия из цезиевой соли, а также не требует сушки холодного катода 11 для удаления избыточного водяного пара. Когда к холодному катоду 11 прикладывается отрицательное электрическое напряжение, электроны испускаются с катодной поверхности 27, ускоряются при прохождении через промежуток 23 анод-катод и затем сталкиваются с анодом 21. Поле включения не превышало 0,2 кВ/см. Это намного ниже по сравнению с типичными полями включения в традиционных электровакуумных приборах. Источник электрического напряжения может быть импульсным или непрерывным. Холодный катод 11 может иметь любую форму, например сферическую, цилиндрическую или плоскую. Промежуток 23 анод-катод может представлять собой любую область взаимодействия или иную область, в которой используются эмитированные электроны. Анод 21 может представлять собой любую область или конструкцию (структуру),которая собирает эмитированные электроны. Чтобы прибор соответствовал требованиям того устройства, в котором он должен использоваться,поле включения холодного катода 11 можно быть изменено несколькими способами. Что касается углеродного бархатного материала 25, то более длинные, более узкие кончики волокон и меньшая густота ворса (плотность заделки волокон) обеспечивают большие уровни усиления поля на кончиках волокон и, следовательно, понижают поле включения для холодного катода 11. Также было обнаружено, что при распределении (варьировании) длин волокон наблюдается тенденция к снижению поля включения. Поле включения может также варьироваться путем изменения плотности (концентрации) цезиевой соли в растворе с деионизированной водой и путем варьирования числа покрытий, наносимых на кончики и тела углеродных волокон, то есть повышение плотности или числа покрытий (вплоть до некоторого момента) снижает поле включения. Например, в некоторых микроволновых приборах желательно не иметь потока электронов до тех пор, пока напряжение не достигнет полного (максимального) значения. Это может быть достигнуто путем повышения густоты ворса, а также путем уменьшения количества наносимой цезиевой соли либо путем уменьшения числа покрытий или снижения плотности цезиевой соли в растворе с деионизированной водой. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Автоэмиссионный холодный катод, содержащий проводящую подложку; углеродный бархатный материал, прикрепленный к упомянутой подложке; причем углеродный бархатный материал содержит волокна различной длины, покрытые цезиевой солью. 2. Холодный катод по п.1, отличающийся тем, что каждое волокно состоит из тела и кончика и упомянутая цезиевая соль покрывает либо кончики, либо тела либо покрывает волокна целиком. 3. Холодный катод по п.2, отличающийся тем, что нанесенное покрытие из упомянутой цезиевой соли представляет собой пленку, имеющую толщину от 1 до 10 мкм. 4. Холодный катод по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутая цезиевая соль представляет собой цезиевую соль с низкой работой выхода. 5. Холодный катод по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что упомянутая цезиевая соль выбрана из группы, состоящей из иодида цезия, теллурата цезия и бромида цезия. 6. Холодный катод по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что упомянутый углеродный бархатный материал представляет собой аппликацию Vel-Black. 7. Холодный катод по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что он является катодом, работающим в вакууме, составляющем по меньшей мере 10-3 Торр. 8. Холодный катод по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что проводящая подложка является либо углеродной, либо металлической, причем, когда подложка является металлической, углеродный бархатный материал присоединен к ее поверхности с помощью проводящей эпоксидной смолы. 9. Способ нанесения покрытия на углеродный бархатный материал, прикрепленный к проводящей подложке и содержащий волокна различной длины, для изготовления автоэмиссионного холодного като-3 009410 да, включающий в себя формирование раствора цезиевой соли с низкой работой выхода и деионизированной воды; распыление упомянутого раствора цезиевой соли так, чтобы обеспечивалось образование покрытых цезиевой солью волокон на углеродном бархатном материале; высушивание покрытого углеродного бархатного материала при температуре по меньшей мере 100 С в течение приблизительно 1 ч в вакуумной печи, откачанной до менее чем 1 Торр; и вентилирование упомянутой вакуумной печи до атмосферного давления с использованием сухого азота. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что упомянутый этап распыления включает в себя создание давления в распылительном средстве с помощью сухого азота. 11. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что упомянутую цезиевую соль выбирают из группы,состоящей из иодида цезия, теллурата цезия и бромида цезия. 12. Способ по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что упомянутые этапы формирования, распыления, высушивания и вентилирования повторяют до тех пор, пока на множестве волокон углеродного бархатного материала не образуется пленка цезиевой соли, имеющая толщину от 1 до 10 мкм. 13. Способ изготовления автоэмиссионного холодного катода, включающий в себя формирование раствора цезиевой соли; покрытие углеродного бархатного материала, содержащего волокна различной длины, упомянутым раствором цезиевой соли; и присоединение упомянутого углеродного бархатного материала к проводящей подложке. 14. Способ изготовления автоэмиссионного холодного катода, включающий в себя осаждение парообразного раствора цезиевой соли на углеродный бархатный материал, содержащий волокна различной длины; формирование кристаллов цезиевой соли на упомянутых волокнах; и присоединение упомянутого углеродного бархатного материала к проводящей подложке. 15. Способ по п.14, отличающийся тем, что упомянутый раствор содержит деионизированную воду,а упомянутый этап формирования состоит в испарении этой деионизированной воды. 16. Способ изготовления автоэмиссионного холодного катода, включающий в себя формирование пленки цезиевой соли, имеющей толщину от 1 до 10 мкм, на углеродном бархатном материале, содержащем множество волокон различной длины; и присоединение упомянутого углеродного бархатного материала к проводящей подложке. 17. Способ изготовления автоэмиссионного холодного катода, включающий в себя прикрепление углеродного бархатного материала, содержащего волокна различной длины, к проводящей подложке; погружение упомянутых волокон в расплавленный раствор цезиевой соли; и охлаждение упомянутого раствора в то время, пока упомянутые волокна погружены в упомянутый раствор. 18. Способ изготовления автоэмиссионного холодного катода, включающий в себя прикрепление углеродного бархатного материала, содержащего волокна различной длины, к проводящей подложке; погружение упомянутых волокон в расплавленный раствор цезиевой соли; удаление упомянутых волокон из упомянутого раствора; и охлаждение упомянутых волокон.