×
20.01.2014
216.012.98f7

АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к устройствам вакуумной электроники, в частности к источникам для получения электронного потока - автоэмиттерам (холодным эмиттерам) электронов, материалам и способам их изготовления. Подобные катоды могут использоваться в качестве источников электронов в различных электронных приборах - электронных микроскопах, рентгеновских трубках, усилительных и генераторных приборах СВЧ электроники, источниках света и т.п. Технический результат изобретения - получение стабильного автоэмиссионного катода с высокой удельной проводимостью, плотностью автоэмиссионного тока до 20 мА/см. Результат достигнут использованием в автоэмиссионном катоде объемного композитного материала, содержащего частицы металла, окруженные наноструктурированным углеродным материалом (углеродные или углерод-азотные нанотрубки, углеродные нановолокна, фуллерены и им подобные материалы). При этом металл обеспечивает низкое удельное сопротивление, высокую теплопроводность и механическую прочность, а наноуглеродный материал - высокие эмиссионные свойства катода. Для повышения эффективности автоэлектронной эмиссии при изготовлении катода применены: дополнительная механическая обработка с удалением поверхностного слоя катода и последующей шлифовкой, химическое и плазменное травление рабочей поверхности. Полученный катод обеспечивает плотность автоэмиссионного тока на уровне 10-20 мА/см с высокой стабильностью и однородностью. 4 ил.
Основные результаты: Автоэмиссионный катод, содержащий наноуглеродный материал, отличающийся тем, что катод выполнен из металл-наноуглеродного композита, содержащего металл, выбранный из ряда: медь, аллюминий, магний, серебро, золото, цинк, кадмий и/или их сплавы, а в качестве наноуглеродного материала содержит компонент из ряда: углеродные нанотрубки, углерод-азотные нанотрубки, углеродные нановолокна, фуллерены, причем рабочая поверхность катода предварительно подвергнута шлифованию до шероховатости 50-20 мкм, структурированию химическим травлением и активированию плазменной обработкой.
Реферат Свернуть Развернуть

Настоящее изобретение относится к устройствам вакуумной электроники, в частности к источникам для получения электронного потока - автоэмиттерам (холодным эмиттерам) электронов, материалам и способам их изготовления. Подобные катоды используют в качестве источников электронов в различных электронных приборах - электронных микроскопах, рентгеновских трубках, усилительных и генераторных приборах СВЧ электроники, источниках света и т.п.

В настоящее время широко известны автоэмиссионные катоды на основе различных наноструктурированных углеродных (наноуглеродных) материалов и различные материалы для их изготовления.

Известен (патент РФ 2288890, кл. H01J 1/30 С01В 31/02 В82В 3/00, опубликован 20.03.2005) нановолоконный углеродный материал для холодных катодов. Материал изготовленный по предложенному способу пригоден для изготовления автоэмиссионных катодов, однако изготовленные обычными способами из этого материала катоды имеют недостаточную стабильность.

Известен холодноэмиссионный пленочный катод и способ его получения (Патент РФ 2194328, кл. H01J 1/30, 9/02 опубликован 10.12.2002). Такой катод получен методом газофазного синтеза, включающим зажигание тлеющего разряда постоянного тока в смеси водорода с углеродсодержащей добавкой и осаждения на расположенную на аноде подложку для углеродной пленки. При этом углеродные пленки осаждают последовательно, выдерживая соответствующие параметры температуры и давления. Такой катод позволяет добиться хорошей стабильности автоэлектронной (холодной) эмиссии электронов, но метод его нанесения дорог и сложен, кроме того предусматривает разогрев подложки до высоких температур, что не всегда приемлемо.

Известен графеновый полевой эмиттер (катод) и способ его формирования (патент РФ 2400858, кл. H01J 1/30, 1/62, 9/00 опубликован 27.09.2010). Такой катод формируется литографическими методами из специально подготовленных графеновых слоев. Такой способ требует литографического оборудования высокого разрешения а значит дорог, кроме того графен не всегда позволяет достичь оптимальных параметров эмиттера.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является холодный эмиттер электронов, изготовленный из нанопористого углерода (патент РФ 2249876, кл. H01J 1/30 опубликован 10.04.2005). Такой эмиттер (катод) включает электропроводящую подложку с углеродным слоем на ее поверхности, причем этот углеродный слой состоит из нанопористого углерода и имеет поры диаметром от 0,6 до 4 нм, при этом суммарный объем пор составляет от 50 до 90 объемных %. Существенным недостатком такого катода является недостаточно высокая плотность автоэмиссионного тока, которая составляет 100-200 мкА/см2. Для практических применений иногда требуется существенно большая плотность тока.

Задачей данного изобретения является создание автоэмиссионного катода (холодного эмиттера электронов) позволяющего получить стабильный эмиссионный ток плотностью существенно большей чем у прототипа (до 1-2 мА/см2).

Для решения поставленной задачи предлагаем изготавливать автоэмиссионный катод из объемного композита, в состав которого входит компонент из ряда наноуглеродных материалов, например, углеродные или углерод-азотные нанотрубки, углеродные нановолокна, фуллерены и им подобные материалы, либо их смесь и один из металлов из ряда Cu, Al, Mg, Ag, Au, Zn, Cd и/или сплавов на их основе. Рабочую поверхность катода подвергают механической обработке для удаления верхнего слоя глубиной 20-100 мкм и шлифованию до достижения средней шероховатости не более 20 мкм. Затем эту поверхность подвергают химическому травлению и плазменной обработке. Электроны будут эмитироваться из частиц наноуглеродного материала, оказавшихся на поверхности катода. Металл обеспечит низкое удельное сопротивление, механическую прочность и высокую теплопроводность. Ряд металлов ограничен требованием отсутствия влияния металла на целостность наноуглеродных частиц в диапазоне температур и давлений создания композита. Схематично заявляемый катод показан на Фиг.1. Автоэлектронная эмиссия может быть получена с любой из поверхностей композита. Для увеличения ее стабильности и однородности выбранную рабочую поверхность автоэмиссионного катода дополнительно обрабатывают.Механическая обработка рабочей поверхности катода (шлифование), последущее химическое травление (химическое структурирование), и плазменная обработка (активация) наноуглеродной компоненты на рабочей поверхности катода позволяют существенно повысить эмиссию электронов. В случае использования в качестве наноуглеродного материала углеродных нанотрубок или нановолокон возможно дополнительное изменение параметров автоэлектронной эмиссии путем изготовления композитного материала, например по способу, описанному в заявке на патент США US 2006/0269435 А1 кл. B22/F опубликован 30.11.2006. Согласно этому способу изготовления композита может быть обеспечено преимущественное направление наноуглеродной компоненты, причем в этом случае рабочую поверхность катода необходимо ориентировать перпендикулярно этому направлению. Это может быть использовано для автоэмиссионных катодов, для которых необходимо получение минимального порогового напряжения автоэмиссии, но не требуются максимально возможные автоэмиссионные токи, так как стойкость катода в этом случае может оказаться ниже, чем в случае отсутствия ориентации наноуглеродной компоненты.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми фигурами.

Фиг.1 схематично иллюстрирует устройство катода. Цифрой 1 на ней обозначен металл-наноуглеродный композит, цифрой 2 - рабочая поверхность катода.

На Фиг.2 приведено электронно-микроскопическое изображение медных наночастиц, окруженных слоем наноуглеродного материала толщиной около 2 нм.

На Фиг.3 показано изображение поверхности автоэмиссионного катода, полученного из металло-наноуглеродного композита CuC60 с весовым содержанием 10% С60, изготовленного по технологии, включающей химическое травление и плазменную обработку.

На Фиг.4 приведена вольт-амперная характеристика автоэмиссионного катода при включении его по схеме вакуумного диода с расстоянием катод - анод 300 мкм.

Пример реализации предлагаемого автоэмиссионного катода.

Для получения заявляемого типа автоэмиссионного катода был изготовлен металл-наноуглеродный композит. Металлической составляющей композита была выбрана медь исходя из ее свойств и доступности. В качестве второго (наноуглеродного) компонента был выбран фуллерен С60. Смесь меди и фуллерена С60 был подвергнута совместному измельчению исходных материалов взятых в виде гранул размером около 1 мкм в планетарной мельнице. Время обработки составило около 30 мин чистота исходных материалов не ниже 99,5%. Измельчение велось до уменьшения размера частиц меди порядка 10-30 нм. В начальной смеси содержалось 10% по весу наноуглеродного материала. Обработку производили в атмосфере аргона чистоты 99,999% (содержание кислорода менее 0.1 ppm). Полученный после обработки в планетарной мельнице материал был изучен на просвечивающем электронном микроскопе. Изображения (Фиг.2) показали, что вокруг медных наночастиц располагается слой наноуглеродного материала толщиной 2 нм. Далее полученный материал был подвергнут горячему прессованию при давлении 6,5 ГПа и температуре в 850°С, 1 минута. В результате был получен композит: металл-наноуглеродный материал, поверхность которого после дополнительной обработки становится высокоэффективным эмиттером автоэлектронов. Для исследований автоэлектронной эмиссии были изготовлены цилиндры диаметром 3 мм высотой 2 мм. Один из торцов (рабочая поверхность катода) был механически отшлифован до шероховатости примерно 50-20 мкм. Затем было проведено химическое травление. Был использован водный раствор хлорного железа FeCl3, так как он полностью инертен по отношению к углеродной составляющей. Результатом химической обработки стало получение поверхности, состоящей из наноструктурированной углеродной составляющей. Дополнительная активация автоэмиссионных свойств катода производилась обработкой катода в водородной плазме при давлении 35 Па с плотностью мощности 0,5 КВт/см2 при температуре подложки 150°С. Полученные образцы автоэмиссионного катода исследовали на электронном микроскопе. На Фиг.3 показано изображение поверхности автокатода, полученного из металло-наноуглеродного композита CuC60 с весовым содержанием 10% С60, изготовленного по описанной технологии включающей химическое травление и плазменную обработку, а на Фиг.4 вольтамперная характеристика данного катода при включении его по схеме вакуумного диода с расстоянием катод - анод 300 мкм. При этих измерениях автоэмиссионный катод показал хорошие токовые характеристики и высокую стабильность (плотность тока примерно в 5-10 раз выше, чем у прототипа).

При использовании исходного композита с другим процентным содержанием наноуглеродной компоненты результаты ухудшались. Например, при уменьшении содержания С60 до 5% по весу максимальный автоэмиссионный ток уменьшался примерно на 20%, а при увеличении до 20% существенно снижалась механическая прочность и становилась невозможной механическая обработка.

При использовании вместо меди металлов из перечисленного ряда, как и при использовании вместо фуллерена С60 других наноуглеродных компонентов, не происходит существенного изменения параметров автоэлектронной эмиссии при условии сохранения оптимального весового соотношения металл/наноуглеродный компонент.

Таким образом, предложенный способ позволяет создавать новый тип автоэмиссионных катодов из металл-наноуглеродных композитов. Технический результат изобретения - получение стабильного автоэмиссионного катода с высокой удельной проводимостью, плотностью автоэмиссионного тока до 20 мА/см2.

Автоэмиссионный катод, содержащий наноуглеродный материал, отличающийся тем, что катод выполнен из металл-наноуглеродного композита, содержащего металл, выбранный из ряда: медь, аллюминий, магний, серебро, золото, цинк, кадмий и/или их сплавы, а в качестве наноуглеродного материала содержит компонент из ряда: углеродные нанотрубки, углерод-азотные нанотрубки, углеродные нановолокна, фуллерены, причем рабочая поверхность катода предварительно подвергнута шлифованию до шероховатости 50-20 мкм, структурированию химическим травлением и активированию плазменной обработкой.
АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД
АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД
АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД
АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 19.
27.01.2013
№216.012.213d

Нанокомпозитный термоэлектрик и способ его получения

Изобретение относится к области наноструктурированных и нанокомпозитных материалов. Одним из основных применений изобретения являются термоэлектрики с улучшенной добротностью. Задачей изобретения является модификация электрических свойств материалов за счет изменения концентрации носителей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474010
Дата охранного документа: 27.01.2013
10.06.2013
№216.012.4764

Способ полировки алмазных пластин

Изобретение относится к обработке поликристаллических алмазных пластин и изделий из них и может быть использовано для производства элементов микроэлектроники, оптики инфракрасного, видимого и рентгеновского диапазонов. Осуществляют безабразивную полировку поверхности алмазных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002483856
Дата охранного документа: 10.06.2013
27.07.2013
№216.012.5afb

Способ изготовления диода шоттки

Изобретение относится к изготовлению полупроводниковых диодов с барьером Шоттки на основе синтетического алмаза, широко применяющихся в сильнотоковой высоковольтной и твердотельной высокочастотной электронике. Изобретение позволяет создать высокоэффективный диод с барьером Шоттки на основе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488912
Дата охранного документа: 27.07.2013
27.08.2014
№216.012.ef12

Почвообрабатывающий посевной агрегат

Почвообрабатывающий посевной агрегат содержит раму, опирающуюся на пневматические колеса. Рама имеет механизм и трубу подъема с гидроцилиндром, сницу с прицепным устройством. На раме установлена высевающая система из комбинированных ящиков для семян и туков, высевающих аппаратов,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002527021
Дата охранного документа: 27.08.2014
27.09.2014
№216.012.f6c9

Лампа вакуумная ультрафиолетового диапазона спектра

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при создании и применении ультрафиолетовых вакуумных ламп, в частности для обеззараживания воды и воздуха, сортировки и анализа минералов, в лазерной технике, в оптоэлектронике. Технический результат- продление срока службы и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529014
Дата охранного документа: 27.09.2014
27.09.2014
№216.012.f748

Способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора или синтетического алмаза для режущего инструмента

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению сверхтвердых композиционных материалов. Может использоваться для изготовления лезвийных инструментов, работающих в условиях непрерывного и прерывистого резания закаленных сталей, чугунов, твердых сплавов и других...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529141
Дата охранного документа: 27.09.2014
20.02.2015
№216.013.28e6

Многочастотный резонатор на объемных акустических волнах

Изобретение относится к СВЧ электроакустике и является основой для создания стабилизированных генераторов сетки частот, узкополосных фильтров, высокочувствительных сенсоров и других СВЧ частотозадающих элементов для средств связи, автоматики и радиолокации. Технический результат - обеспечение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002541927
Дата охранного документа: 20.02.2015
10.03.2015
№216.013.3087

Высокотвердый углеродный материал и способ его получения

Изобретение предназначено для аэрокосмической отрасли, оборонной промышленности и обработки твёрдых и сверхтвёрдых материалов. На молекулярный фуллерен С или фуллеренсодержащую сажу с добавкой серосодержащего соединения воздействуют давлением от 0,2 до 12 ГПа и температурой от 0 до 2000 С. В...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002543891
Дата охранного документа: 10.03.2015
10.07.2015
№216.013.622b

Способ получения композитного материала на основе углерода и композитный материал

Изобретении может быть использовано в ракетно-космической и авиационной отраслях, при металлообработке, обработке природных и искусственных камней, твердых и сверхтвердых материалов. Способ получения композитного материала включает воздействие на смесь углеродсодержащего материала, наполнителя...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002556673
Дата охранного документа: 10.07.2015
25.08.2017
№217.015.c17a

Мажоритарный элемент "8 и более из 15"

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в радиосредствах специальной радиосвязи для высоконадежной передачи данных по радиоканалу в условиях воздействия комплекса помех, а также может быть использовано как элемент более сложного устройства - блока логической...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002617588
Дата охранного документа: 25.04.2017
+ добавить свой РИД