Электронная пушка с автоэмиссионным катодом на основе углеродных нанотрубок для мощного клистрона с распределенным взаимодействием миллиметрового диапазона

Аннотация

Представлены результаты исследования возможности применения автоэмиссионных катодно-сеточных узлов в электронно-оптической системе клистрона с распределенным взаимодействием миллиметрового диапазона. Приводятся результаты теоретического анализа разработанной конструкции электронной пушки с высокой компрессией.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Полевая эмиссия холодных катодов является ведущим кандидатом на замену действующих термоэлектронных источников электронов в компактных терагерцовых электровакуумных усилителях и генераторах. Основой развития современных компактных вакуумных микроэлектронных систем являются холодные автоэлектронные катоды на основе массивов углеродных нано-трубок (УНТ), которые имеют несколько преимуществ перед термокатодами: отсутствие цепи накала, безинерционность, малые размеры, малый разброс эмитируемых электронов по энергиям. Тем не менее все еще существуют различные проблемы, мешающие созданию вакуумных устройств с холодным катодом из УНТ. Основной из них является трудность достижения стабильной плотности тока с протяженных катодов выше 1 А‧см^–2. Однако в работе [1] сообщается о разработке катода на УНТ с плотностью тока 4.5 А‧см^–2.

В обычных сеточных триодах с плоским холодным катодом из УНТ неоднородные распределения электрического поля часто появляются на поверхности катода. Такие устройства демонстрируют большие плотности эмиссионного тока непосредственно под сеткой из-за более высокого локального электрического поля с уменьшенным током эмиссии в центре отверстий сетки из-за более низкого эффективного электрического поля. В результате возникает большой ток перехвата и, следовательно, потеря электронов. Экспериментальные результаты показали, что низкая прозрачность луча может привести к малому току эмиссии, высоким потерям сетки, образованию дуг и нежелательной деформации сетки [2, 3].

В работе [4] была предложена новая архитектура с полевой эмиссией и двумя сетками на основе холодного катода УНТ. УНТ синтезируются непосредственно на поверхности катода. Первая разделительная сетка прикреплена к поверхности катода УНТ для формирования катодной матрицы УНТ. Вторая разделительная сетка отвечает за контролируемое извлечение электронов из эмиттеров УНТ. Распределение электрического поля на поверхности катода значительно лучше по сравнению с обычными плоскими катодами. Такие триодные катоды являются весьма перспективными для использования в электронных пушках электровакуумных микроэлектронных приборов.

В настоящей работе представлены результаты теоретического исследования конструкции и достижимых параметров электронной пушки с триодным катодом на основе УНТ для мощного клистрона с распределенным взаимодействием (КРВ) на частоту 105 ГГц при ускоряющем напряжении 15 кВ. Численные исследования проводились с использованием программного комплекса PARS [5]. В результате исследований и оптимизации параметров была разработана конструкция электронно-оптической системы прибора, обеспечивающая формирование электронного потока силой тока 200 мА и его дальнейшую транспортировку с коэффициентом токопрохождения 100% через систему взаимодействия КРВ.

КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ПУШКИ

Для детального исследования электронно-оптической системы с катодом на основе УНТ необходим весьма трудоемкий численный анализ с помощью трехмерных программ, позволяющий смоделировать как сам процесс автоэлектронной эмиссии, так и последующую динамику эмитированных электронов в приборе в условиях магнитной фокусировки. Однако для проведения оценочных расчетов можно разделить электронно-оптическую систему на два отдельных модуля. В качестве первого модуля будем рассматривать диодную часть прибора, которая состоит из непосредственно матричного УНТ катода и двух сеток, подобно той конструкции, что была описана в работе [4]. В качестве второго модуля будем рассматривать остальную часть прибора, включающую фокусирующий электрод, анод, магнитно-фокусирующую систему и систему взаимодействия. За счет экранирующего действия сеток первый модуль можно рассматривать отдельно, считая, что электростатические поля из второго модуля не проникают в область первого и не оказывают заметного влияния на движение электронов и автоэлектронную эмиссию в первом модуле. Характеристики электронов на второй сетке диодной пушки, включая плотность тока эмиссии и угловой разброс, могут быть получены либо в результате 3D численного анализа, либо по результатам экспериментальных измерений. В качестве левой границы второго модуля выступает вторая сетка триода, с границы которой эмитируются электроны с заданными плотностью тока и угловым разбросом.

Электронно-оптическая система выбранного для оценки прибора должна обеспечить транспортировку сплошного цилиндрического электронного пучка с током 200 мА в пролетном канале с радиусом 200 мкм. Поскольку требование компактности разрабатываемого КРВ ограничивает применение мощных соленоидов, то для фокусировки сформированного электронного пучка предполагается использовать систему на постоянных магнитах с индукцией магнитного поля на оси прибора B_z = 0.9 Тл. Плотность тока в таком электронном пучке должна составлять около 200 А‧см^–2. При расчетах предполагалось, что катодный модуль обеспечивает плотность тока 2 А‧см^–2. Поэтому разрабатываемая электронная пушка должна формировать электронный пучок с коэффициентом компрессии 120. Помимо очень высокой компрессии сложность задачи состояла в том, что катодно-сеточный узел имеет плоскую форму и не позволяет использовать классическую сходящуюся оптику пушки Пирса. Также при продвижении в миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны проблемы формирования и фокусировки плотных электронных потоков усложняются значительным уменьшением размеров электронно-оптических систем, что затрудняет изготовление электродов электронной пушки с необходимой точностью. По этой причине в конструкции электронной пушки не использовались элементы со сложной для изготовления конфигурацией. Форма электродов пушки и осевое распределение магнитного поля были оптимизированы в результате многочисленных расчетов с помощью программы PARS. В силу аксиальной симметрии конструкции расчеты проводились в квазитрехмерном приближении с учетом радиальной и продольной компонент фокусирующего магнитного поля и электрических полей, а также с учетом всех трех компонент импульса электронов. При этом учитывалось влияние собственного пространственного заряда электронного пучка. При расчетах потенциал фокусирующего электрода и второй сетки, с поверхности которой осуществляется эмиссия электронов, относительно катода составлял 750 В.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На рис. 1 представлены продольное распределение осевого магнитного поля (а), конструкция электронной пушки, эквипотенциали и траектории электронов при начальном нулевом угловом разбросе электронов, эмитированных с катодно-сеточного узла. Катодно-сеточный узел частично экранирован от фокусирующего магнитного поля. Величина индукции продольной компоненты магнитного поля на поверхности второй сетки равна 6.5 мТл. При данных параметрах обеспечивается формирование электронного пучка с максимальным радиусом 170 мкм и его 100% токопрохождение через канал транспортировки прибора.

Рис. 1. Распределение продольной компоненты фокусирующего магнитного поля на оси (а). Рассчитанные в программе PARS эквипотенциали и траектории электронов при нулевом угловом разбросе эмитированных электронов (б).

Данная конструкция была исследована на устойчивость фокусировки к угловому разбросу эмитированных с катодно-сеточного узла электронов. При этом предполагалось, что угловое распределение является однородным, что соответствует результатам, полученным в работе [6]. В результате исследований было установлено, что конструкция позволяет обеспечить 100% токопрохождение в приборе при условии, что начальный угловой разброс эмитированных электронов не превышает 2°. Большой коэффициент компрессии в данной конструкции приводит к сильному влиянию аберрации со стороны электродов электронной пушки и снижает стабильность фокусировки. На рис. 2а приведены результаты расчета траекторий электронов пучка для случая углового разброса эмитированных электронов 2°. Максимальный радиус сформированного электронного пучка составляет 190 мкм. Также на рис. 2 представлены распределения радиальной (б), продольной (в), и угловой (г) компонент импульсов электронов в выходном сечении электронной пушки. Величина поперечного эмиттанса пучка, характеризующего его фазовый объем, в этом сечении составляет 40 мрад‧мм.

Рис. 2. Рассчитанные в программе PARS эквипотенциали и траектории электронов (а), распределения продольной (б), поперечной (в) и угловой (г) компонент импульсов электронов в электронном пучке в выходном сечении электронной пушки при угловом разбросе эмитированных электронов 2°.

Для проверки полученных с помощью комплекса программ PARS результатов расчета был проведен трехмерный численный анализ формирования и транспортировки электронного пучка через систему взаимодействия с помощью программы CST Studio Suite [7]. Для этого в среде этой программы была построена теоретическая модель разработанной электронной пушки. На рис. 3а представлен разрез модели электронной пушки без магнитной фокусирующей системы. Траектории электронов, установившиеся в результате итераций по пространственному заряду, для случая начального углового разброса 2° представлены на рис. 3б. Изображенные на рисунке траектории показывают, что в статическом режиме в системе взаимодействия клистрона не происходит оседания электронов на стенки трубы дрейфа. Максимальный радиус сформированного электронного пучка составил 190 мкм, что полностью согласуется с результатами, полученными с помощью программы PARS.

Рис. 3. Конструкция электронной пушки (а) и траектории электронов, рассчитанные с помощью программы CST Studio (б).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований разработана конструкция частично магнитно-экранированной электронной пушки с катодом на УНТ с коэффициентом компрессии, равным 120, обеспечивающая формирование и 100% токопрохождение электронного потока с силой тока 200 мА через систему взаимодействия прибора в статическом режиме. Значение полной энергии полученного электронного потока, равное 3 кВт, при разработке эффективной конструкции системы взаимодействия КРВ позволит получить выходную мощность клистрона от 300 до 800 Вт.

Работа выполнена в рамках темы государственного задания ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН (в части “Эффективные мультиспектральные источники излучения и технологии на их основе”).