Автоелектронний емітер тліючого розряду

1. Автоелектронний емітер тліючого розряду, що включає електропровідну підкладку, на поверхні якої знаходиться тонка діелектрична плівка окису металу, вибраного із ряду - Al, Mg, Ca, B, Be, Cs, Zr, Th, Ta, який відрізняється тим, що на краю підкладки припасовано мішень у вигляді стрічки з металу, з окису якого сформовано діелектричну плівку, при цьому площа мішені складає 2-5 відсотків від площі діелектричної плівки, а над поверхнею діелектричної плівки розміщено діелектричний концентратор таким чином, що між його краєм і поверхнею діелектричної плівки є щілина, площа якої складає 25-60 відсотків площі діелектричної плівки, а C2 2 (19) 1 3 81339 характеристики порівняно з плоским емітером, але у нього також відсутній ефект аномальної емісії. Ефект аномальної емісії Досягається у відомому автоелектронному емітері [Guntherschulze Α., Fricke H. "Die allgememen Bedingungen fur die Glimmentladung ohne Kathodenfall und Dunkelraum." Zeitschrift fur Physik, Bd.86, Heft 12, 1933, s.821], який розміщений в тліючому електричному розряді в середовищі розрідженого газу з домішкою кисню (повітря, водяна пара) та складається з плоскої підкладки, виготовленої із матеріалу з низькою електропровідністю, наприклад, із заліза, карборунду чи графіту, на яку нанесено тонку діелектричну плівку окису алюмінію Аl2О3. Для запуску та підтримки аномальної вторинної емісії на поверхні тонкої діелектричної плівки збуджується сторонніми засобами та безперервно підтримується позитивний електричний заряд 2030 вольт. Недоліками емітера є те, що його робота пов'язана з необхідністю постійного користування зовнішнім приладом для збудження позитивного заряду на діелектричній плівці та те, що із-за деструкції діелектричної плівки термін служби емітера обмежений. Указані недоліки обумовлені тим, що тонка діелектрична плівка дуже неоднорідна по товщині і навіть при величині її поверхневого заряду в кілька вольтів напруженість електричного поля в окремих її ділянках сягає 106в/см, що відповідає порогу її електричної міцності. Тому в плівці поряд з емісійним процесом водночас проходить деструкція плівки із-за електричних мікропробоїв. Через пошкодження діелектричної плівки скорочується її активна поверхня та зменшується позитивний заряд. Деструктивні явища в плівці додатково посилюються при підвищенні емісійного струму ізза посилення бомбардування її поверхні позитивними іонами тліючого електричного розряду. Усе це зумовлює низькі експлуатаційні характеристики емітера, що не дає змоги для його широкого використання. Відомий автоелектронний емітер з аномальною вторинною емісією [Добрецов Л.Н., Гомонова МБ. Эмиссионная электроника. М., Изво "Наука", Гл.ред.Физ.-Мат.ли т., 1966, стр.441 (прототип)], що складається з металевої підкладки, на яку нанесено тонку діелектричну плівку окису магнію MgO. Перед початком використання емітера за рахунок дії стороннього джерела швидких електронів на поверхні діелектричної плівки збуджується стартовий позитивний заряд, який надалі підтримується самостійно за рахунок позитивних іонів тліючого газового розряду. По-перше, недоліком цього емітера є необхідність користування зовнішнім приладом для стартового збудження позитивного заряду на плівці. По-друге, із-за руйнування плівки емітер має обмежений термін служби. Причини цих недоліків пов'язані не тільки з деструкцією діелектричної плівки, а обумовлені також тим, що густина позитивних іонів тліючого газового розряду є недостатньою для збудження необхідної кількості позитивних зарядів на поверхні діелектричної плівки для стартового запуску 4 аномальної емісії емітера і здатна лише деякий час забезпечувати часткове відшкодування збитків позитивних зарядів на поверхні діелектричної плівки після вимкнення сторонніх засобів їх збудження. Ці недоліки є типовими для емітерів з аномальною вторинною емісією і не удалось їх уникнути в жодній сучасній пропозиції таких емітерів. Низькі експлуатаційні характеристики цього емітера не дають можливості його широкого використання в промислових електровакуумних приладах. В основу винаходу поставлено задачу: посилити процес збудження позитивних зарядів на окисній діелектричній плівці за рахунок позитивних іонів тліючого розряду до рівня достатнього, як для запуску емітера в режимі аномальної вторинної емісії, так подальшої її підтримки. А також забезпечити відновлення товщини діелектричної плівки окису, що потерпає із-за деструкції під час емісії. Вирішення задачі забезпечує винаходу позитивний технічний ефект покращення експлуатаційних характеристик автоелектронного емітера з аномальною вторинною емісією за рахунок забезпечення йому можливості самозапуску та самопідтримки аномальної емісії, а також подовження терміну служби емітера. Поставлена задача вирішується тим, що в автоелектронний емітер з аномальною вторинною емісією для тліючого розряду в середовищі з вмістом кисню, що включає електропровідну підкладку, на поверхні якої знаходиться тонка діелектрична плівка'окису металу, вибраного із ряду - Аl, Mg, Са, В, Be, Cs, Sr, Zr, Th, Та, внесено нові відрізняльні ознаки, які полягають у тому, що на краю підкладки припасовано мішень у вигляді стрічки з металу, з окису якого сформовано діелектричну плівку, при цьому площа мішені складає 2-5 відсотків від площі діелектричної плівки, а над поверхнею діелектричної плівки розміщено діелектричний концентратор таким чином, що між його краєм і поверхнею діелектричної плівки є щілина, площа якої складає 25-60 відсотків площі діелектричної плівки, а ширина щілини приблизно дорівнює товщині краю діелектричного концентратора. Пропонуються також варіантні технічні вирішення, які об'єднані з попереднім рішенням єдиним творчим задумом. Згідно до цих пропозицій відрізняльними ознаками є те, що - відстань між центральними ділянками діелектричної плівки та діелектричного концентратора перевершує відстань між їхніми периферійними ділянками, - концентратор виконаний куполоподібним з порожниною, повернутою до плоскої підкладки, - підкладка виконана куполоподібною з порожниною, повернутою до плоского концентратора, концентратор і підкладка виконані куполоподібними та повернуті порожнинами один до одного. Пропонується також технічне рішення в матеріалі кожного із запропонованих пристроїв відрізняльними ознаками якого є те, що підкладка 5 81339 виготовлена із графіту, мішень - із алюмінієвого сплаву, діелектрична плівка - із окису алюмінію Аl2О 3, а концентратор - із діелектричної кераміки. Суть запропонованого винаходу пояснюється ілюстраціями. На Фіг.1 схематично показано газорозрядний проміжок, до якого входить колектор 1 та запропонований автоелектронний емітер з аномальною вторинною емісією для тліючого розряду в середовищі з вмістом кисню, який відповідає пп.1, 2, 3 формули винаходу. Як видно з Фіг.1 всі елементи емітера закріплюються на провідниковій підкладці 2. По краю підкладки 2 припасовано мішень 3, яка виготовлена у вигляді стрічки з металу. При цьому мішень 3 може бути як у вигляді суцільної стрічки по всьому краю підкладки 2 так і мати поперечні розриви. В кожному випадку мішень 3 має електричне з'єднання з підкладкою 2. На поверхню підкладки 2 нанесена тонка діелектрична плівка 4 окису металу, вибраного із ряду - АІ, Mg, Са, В, Be, Cs, Sr, Zr, Th, Та. Мішень 3 виготовлена з металу, з якого сформована діелектрична плівка 4 окису металу. Над діелектричною плівкою 2 одним із відомих способів, наприклад, на кількох діелектричних опорах (на фігурі не подані) закріплений діелектричний концентратор 5. Колектор 1 разом з емітером утворюють електричний розрядний проміжок, який заповнений розрідженим до 0,1-3,0 Тор газом з вмістом кисню у вигляді молекул чи атомів, наприклад: повітря, водяної пари, чадного чи вуглекислого газу, тощо. Розміри елементів емітера задані відносно площі діелектричної плівки 4, яка чисельно близька до площі поперечного перерізу тліючого розряду; відносно цієї площі - площа щілини між поверхнею діелектричної плівки 4 та краєм діелектричного концентратора 5 складає 25-60 відсотків, а площа мішені 3 складає 2-5 відсотків. Згідно до п.2 формули винаходу відстань між центральними ділянками діелектричної плівки 4 та діелектричного концентратора 5 перевершує відстань між їхніми периферійними ділянками, тобто, близько до центру емітера, між ними виникає порожнина, яка з'єднується з розрядним проміжком через щілину, що існує між краєм діелектричного концентратора 5 та поверхнею діелектричної плівки 4. Як показано на Фіг.1 порожнина виникає завдяки куполоподібній формі діелектричного концентратора 5, але в інших випадках порожнина може формуватись також завдяки куполоподібній формі поверхні підкладки 2 - Фіг.2 або водночас куполоподібною формою концентратора 5 та підкладки 2 - Фіг.3. Згідно до п.1 формули винаходу не виключається також виконання концентратора 5 та підкладки 2 рівновіддаленими, як в центральній ділянці так і по краю, тобто, з невиявленою порожниною. Кожен із пристроїв, показаних на Фіг.1, Фіг.2 та Фіг.3, може бути виконаним з матеріалів, обумовлених в п.6 формули винаходу. На конкретному прикладі конструкції пристрою, показаному на Фіг.1 (пп.1, 2, 3 формули винаходу), розглянемо можливість здійснення винаходу поданому узагальненими ознаками за 6 п.1 формули винаходу. При вмиканні автоелектронного емітера з аномальною вторинної емісією для тліючого розряду в середовищі з вмістом кисню електрони під впливом напруги на колекторі 1 почнуть рухатись з поверхні підкладки 2 в напрямку до колектора 1 починає діяти відомий механізм звичайної автоелектронної емісії. Через тонку діелектричну плівку 4 електрони проникають в газовий розрядний проміжок, прискорюються електричним полем колектора 1 і, наштовхуючись на молекули газу, іонізують їх та породжують вторинну емісію (розмноження емісійних електронів). При цьому позитивні іони почнуть рухатись в напрямку до підкладки 2 де, зустрівши перешкоду в вигляді куполоподібного діелектричного концентратора 5, іони згустяться в щілині між концентратором 5 і поверхнею підкладки 2. Ступінь згущення позитивних іонів в щілині обумовлюється співвідношенням площі поперечного перерізу тліючого розряду,1 яка близька до площі діелектричної плівки 4, та площі щілини між краєм діелектричного концентратора 5 та діелектричною плівкою 4. Для винаходу ступінь згущення позитивних іонів вибрана 1,7-4 рази. Підвищення густини позитивних іонів приводить до наступних наслідків. По-перше, такої густини позитивних іонів достатньо для електризації позитивним зарядом поверхні діелектричної плівки 4 до рівня вище 10 вольт. При цих умовах в діелектричній плівці 4 починається і надалі підтримується аномальне підсилення електричним полем первинної автоелектронної емісії з підкладки 2. Коефіцієнт підсилення сягає десятків тисяч. В такий спосіб в запропонованому емітері самозбуджується та самопідтримується режим аномально і вторинної автоелектронної емісії в тліючому розряді. До цього можна добавити про роль порожнини, яка виникає при куполоподібній формі підкладки 2 чи концентратора 5. В процесі автоелектронної емісії над поверхнею діелектричної плівки 4 під концентратором 5 накопичуються вільні електрони, які породжують негативний об'ємний заряд, що гальмує процес автоелектронної емісії. Для попередження цього явища за пп.1,2 формули винаходу пропонується конструктивно забезпечувати порожнину між центральними ділянками діелектричної плівки 4 та концентратора 5, в якій негативний об'ємний заряд електронів має змогу віддалятися від поверхні діелектричної плівки 4 в сторону позитивно зарядженого діелектричного концентратора 5. По-друге, підвищення густини позитивних іонів в щілині приведе до посиленого розпилювання металу з мішені 3 та прискорить деструкцію діелектричної плівки 4. В середовищі розрідженого газу з вмістом кисню в тліючому розряді металевий пил з мішені 3 окислюється, а потім окис металу конденсується на холодній поверхні діелектричної плівки 4. Внаслідок цього під час емісії поверхня діелектричної плівки 4, зазнаючи безперервної деструкції, водночас безперервно відновлюється; відновлюється на ній також і позитивний заряд за рахунок інтенсивного осідання позитивних іонів. Оскільки швидкість деструкції діелектричної плівки 7 81339 4 залежить від густини позитивних іонів над нею, а швидкість відновлення товщини дієлектричної плівки 4 залежить ще й від площі мішені 3, то для заданого розрядного струму і складу газового середовища є можливість досягти балансу швидкостей деструкції та відновлення. Стабілізація оптимальної товщини діелектричної плівки 4 досягається за рахунок вибору площі щілини між краєм концентратора 5 і діелектричною плівкою 4 та площі мішені 3. Оптимальне значення цього співвідношення відносно площі діелектричної плівки 4 складає 25-60 відсотків для площі щілини та 2-5 відсотків - для площі мішені 3. В запропонованому винаході в процесі роботи емітера безперервно діє механізм відновлення діелектричної плівки 4 до оптимального значення для аномальної вторинної автоелектронної емісії стану. В такому разі термін служби запропонованого емітера не обмежується деструкцією діелектричної плівки 4, а залежить лише від необхідного для її відновлення запасу матеріалу в мішені 3 та в підкладці 2. При зменшенні ступеня концентрації позитивних іонів (коли щілина має площу більше 60 відсотків) механізм самовідновлення уже недостатньо ефективний, і запропонований винахід не мав би переваг відносно прототипу. При збільшенні ступеня концентрації позитивних іонів (щілина має площу менше 25 відсотків) швидкість деструкції діелектричної плівки 4 перевищує швидкість її напилювання, що понижує аномальну емісію. Як наслідок, виникає емісійна конкуренція діелектричної плівки 4 з металевою мішенню 3, що може порушити режим аномальної вторинної емісії емітера. Металева мішень 3 є емісійним конкурентом емітеру аномальної вторинної емісії, хоч і не здатна дати аномальної емісії. Тому площа металевої мішені (не більше 5 відсотків ) вибрана з принципу мінімальної достатності для розпилу металу, але при площі менше 2 відсотків ефективність розпилу металу вже буде недостатньою, що порушить її функцію відновлення діелектричної плівки 4. В умовах тліючого електричного розряду межі запропонованих допустови х інтервалів на відносні розміри елементів емітера достатні не тільки для стартового самозапуску емітера та самовідновлення діелектричної плівки 4 в процесі емісії, але також забезпечують самовихід емітера на режим аномальної вторинної емісії навіть при відсутності діелектричної плівки 4 в момент старту. В цьому випадку запропонований емітер починає працювати в режимі звичайної автоелектронної вторинної емісії і напилювати на підкладку 2 діелектричну плівку 4 окису металу та збуджувати на ній позитивний заряд. Як тільки товщина діелектричної плівки 4 та її поверхневий заряд досягнуть оптимальних значень, в емітері виникає аномальна вторинна емісія і далі емітер працює по вище викладеній схемі. Запропонований емітер - єдиний серед відомих пристроїв автоелектронного емітера аномальної вторинної емісії, який не потребує для старту ні стороннього засобу для збудження позитивних зарядів на поверхні діелектричної плівки 4, ні 8 формування заздалегідь діелектричної плівки 4 окису металу, та ще здатний в процесі емісії відновлювати діелектричну плівку 4 до оптимального стану по товщині та поверхневому заряду. Весь опис роботи пристрою за п.1 та за пп.1, 2, 3 (Фіг.1) може бути в повній мірі застосований до пристроїв за пп.1, 2, 4 (Фіг.2), за пп.1, 2, 5 (Фіг.3) та за пп.1, 6, бо ці пристрої пов'язані єдиним творчим задумом і являються конкретизацією варіантів здійснення винаходу, наведеному у незалежному пункті формули винаходу. Самозапуск і самопідтримка режиму аномальної емісії емітера та самовідновлення і самоформування в ньому діелектричної плівки 4 надають можливість прикладного використання такого емітера. Успішна апробація винаходу була проведена для двох конструкцій емітера відповідно до пп.1, 2, 3, 6 та до пп.1, 2, 4, 6 формули винаходу. В відповідності до формули винаходу за пп.1, 2, 4, 6 (Фіг.2) був виготовлений та пройшов апробацію автоелектронний емітер з аномальною вторинною емісією для роботи в газовому HCNлазері. Емітер складався з підкладки 4 графітовий циліндр діаметром 40мм при висоті 150мм, мішені 3 - із дюралюмінію, діаметр 45мм при висоті 1,5-4,5мм, концентратора 5 із діелектричної кераміки діаметром 25-35мм товщиною 2,5-7,5мм. Емісійний струм 400-950mА, при використанні розрядної суміші газів - повітря та метану в пропорції 9:16 при тиску 1 Тор. Запуск емітера проводиться без попереднього нанесення на графітову підкладку 2 діелектричної плівки 4 з окису алюмінію АІ2О 3 та без застосування сторонніх засобів збудження позитивних зарядів на діелектричній плівці 4. Термін першого виходу емітера на режим аномальної вторинної емісії (самоформування плівки та самозапуск емісії) з моменту увімкнення розрядного потенціалу складав кільканадцять секунд. При повторному увімкненні емітера режим аномальної вторинної емісії (самозапуск) встановлювався за 1-2 секунди. В межах допустимої варіації конструктивних розмірів емітера спостерігалась стабільна аномальна емісія. Відносно режиму порожнинного емітера (формально експериментальний емітер без плівки 4 окису алюмінію є порожнинний автоемітер) автоелектронний емітер з аномальною вторинною емісією забезпечив при постійному струмі емісії зниження напруги розряду з 1300-1350В до 650-670В, завдяки чому коефіцієнт корисної дії лазеру зріс майже вдвічі та настільки ж полегшився його тепловий режим. Вихідна потужність випромінювання лазеру також зросла десь на 30%, що можна пояснити особливістю складу електронної емісії емітера з аномальною вторинною емісією - її енергетичний спектр електронів складається переважно з високо енергетичних "швидких" електронів, які ефективніші за "повільних" електронів для енергетичного накачування робочої газової суміші лазера. В складі HCN-лазера емітер працював стабільно по 8 годин в день. Дослідження відпрацьованого емітера показало, що ерозія 9 81339 дюралевої мішені 3 була малопомітною, а ерозія графітової підкладки 2 складала до 0,03мм/год. Це дослідження експериментально підтверджує можливість здійснення винаходу та досягнення з його допомогою нових позитивних технічних властивостей автоелектронного емітера з аномальною вторинною емісією в умовах тліючого розряду в середовищі з вмістом кисню. Винайдений пристрій забезпечує якісне покращення експлуатаційних характеристик емітера з аномальною вторинною емісією та надає нову можливість його прикладного використання в електровакуумній промисловості, наприклад, в газових проточних лазерах, зокрема, в HCNлазерах. 10