Патент на изобретение №2387042

(54) УСИЛИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к вакуумной электронике и может быть использовано в клистронах, мощных СВЧ лампах и устройствах защиты от мощных СВЧ импульсов. Усилитель электронного потока для электронно-оптического преобразователя содержит покрытую с обеих сторон металлической пленкой проводящую пластину с периодически расположенными сквозными отверстиями, причем указанная проводящая пластина содержит, по крайней мере, участки поверхности, состоящие из проводящей алмазной пленки, при этом на пластину нормально к ее поверхности падает первичный поток электронов, создающий вторичную эмиссию электронов с обратной стороны пластины. Указанные отверстия выполнены в виде щелей, расположенных к поверхности указанной пластины под определяемым экспериментальным путем оптимальным углом , обеспечивающим наибольшую вторичную эмиссию для падающего потока электронов, причем толщина пластины Н и ширина щели h связаны соотношением h=H cos, при этом упомянутыми участками поверхности, состоящими из проводящей алмазной пленки, является внутренняя поверхность щелей, а удельное сопротивление указанной проводящей пластины не более 0.1 Ом·см, а поверхностное сопротивление металла на поверхности пластины не более 0.01 Ом/. Технический результат – увеличение коэффициента усиления за счет повышения энергии падающих электронов. 2 ил.

Изобретение относится к вакуумной электронике и может быть использовано в клистронах, мощных СВЧ лампах и устройствах защиты от мощных СВЧ импульсов.

Известны микроканальные пластины приборов ночного видения Дедал – 200 [1] и Даркос NGB/1 [2], используемые в качестве усилителей электронного потока в электронно-оптических преобразователях

Усилители электронного потока (УЭП) [3] представляют собой микроканальную пластину (МКП) со сквозными микроканалами, в которых падающий электронный поток под действием поля рождает вторичные электроны, обеспечивающие усиление электронного потока в (100-1000) раз, но такое усиление достигается только при очень малых плотностях тока, не более 10^-4 А/см².

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является усилитель электронного потока [4], выполненный на проводящей алмазной пленке. Конструкция усилителя электронного потока представлена на фиг.1. На кремниевой рамке 1 находится алмазная пленка 2. В алмазной пленке находятся периодически расположенные отверстия 3 микронного размера. При падении на алмазную пленку 2 первичного электронного потока (см. фиг.1) электроны этого потока рождают вторичные электроны [5]. Ускоряющее электрическое поле, приложенное между пленкой 2 и электродом 4, проникает через отверстия 3 на сторону пленки, с которой выходят вторичные электроны, и через отверстия 3 вытягивает вторичные электроны на сторону пленки, обращенную к электроду 4, тем самым создавая усиленный вторичный поток электронов. При данной конструкции усилителя и начальной энергии электронов в 1 кэВ получается усиление 30. Однако при дальнейшем увеличении энергии электронов происходит быстрое падение коэффициента усиления.

Это объясняется тем, что вторичные электроны рождаются на большей глубине и до поверхности пленки доходит все меньше и меньше вторичных электронов в силу конечной величины диффузионной длины, которая в поликристаллических алмазных пленках может составлять всего доли микрона. Рождение на большой глубине вторичных электронов имеет еще и тот недостаток, что вторичным электронам требуется больше времени на достижение поверхности пленки, а это резко ухудшает частотные характеристики СВЧ приборов, в которых предлагается использовать усилитель электронного потока.

Целью изобретения является повышение коэффициента усиления за счет повышения энергии падающих электронов (или получение максимального коэффициента усиления электронов с определенной энергией Е).

Поставленная цель достигается тем, что в усилителе электронного потока для электрооптического преобразователя, содержащем покрытую с обеих сторон металлической пленкой проводящую пластину с периодически расположенными сквозными отверстиями, причем указанная проводящая пластина содержит, по крайней мере, участки поверхности, состоящие из проводящей алмазной пленки, при этом на пластину нормально к ее поверхности падает первичный поток электронов, создающий вторичную эмиссию электронов с обратной стороны пластины, предусмотрено следующее:

указанные отверстия выполнены в виде щелей, расположенных к поверхности указанной пластины под определяемым экспериментальным путем оптимальным углом , обеспечивающим наибольшую вторичную эмиссию для падающего потока электронов, причем толщина пластины Н и ширина щели h связаны соотношением h=H cos, при этом упомянутыми участками поверхности, состоящими из проводящей алмазной пленки, является внутренняя поверхность щелей, удельное сопротивление указанной проводящей пластины не более 0.1Ом·см, а поверхностное сопротивление металла на поверхности пластины не более 0.01 Ом/.

Таким образом, преодолеть указанные недостатки можно, если первичный электрон, обладающий энергией Е, направить к поверхности, эмиттирующей вторичные электроны под оптимальным углом , при котором достигается максимальный коэффициент умножения электронов для данной энергии Е.

Конструктивное решение проблемы представлено на фиг.2.

На фиг.2 изображена конструкция усилителя электронного потока, где:

1 – кремниевая пластина КЭФ 4.5 толщиной Н от десятков до сотен микрон;

2 – металлическая пленка Сr толщиной 1 мкм, образующая омический контакт к кремнию;

3 – периодически расположенные одинаковые щели шириной h от нескольких микрон до десятков и имеющие наклон к поверхности пластины под углом , причем h=HCos;

4 – алмазная пленка р-типа, покрывающая стенки щели;

5 – стенки щели минимальной толщины, достигаемой при используемой технологии изготовления усилителя электронного потока.

Конструкция усилителя электронного потока представлена на фиг.2. В кремниевой пластине 1, покрытой с обеих сторон слоем хрома 2, сформированы одинаковые и периодически расположенные щели 3, наклонные под оптимальным для данной энергии электронов Е углом , причем ширина щели h, толщина пластины Н и угол связаны соотношением h=HCos. Стенки щелей 5 покрыты алмазной пленкой 4 р-типа проводимости.

Усилитель изготавливается следующим образом. В кремниевой пластине КЭФ 4.5 толщиной 100-300 мкм и покрытой с обеих сторон слоем хрома 2 каким-либо образом (например, лазерным лучом) под углом а к поверхности формируются щели 3 шириной 10-50 мкм. Затем в ультразвуковой ванне с суспензией алмазного порошка обрабатывают кремниевую пластину, создавая тем самым центры нуклеации алмазной пленки, после чего в плазме CVD методом формируется алмазная пленка р-типа 4.

Оптимальный угол для данной энергии электронов Е и данной технологии покрытия стенок алмазной пленки определяется следующим образом. На плоской поверхности пластины формируют алмазную пленку. Затем пластину помещают в электронный микроскоп и добиваются при данной энергии падающих электронов Е изменением угла падения электронов наибольшей яркости во вторичных электронах Угол, при котором добиваются максимальной яркости изображения пластины, и является оптимальным. Принцип действия усилителя такой же, как и для усилителя [4]. Отличие состоит в том, что коэффициент умножения электронов в данной конструкции достигает своего максимального значения при данной энергии электронов и это значение сохраняется при плотностях падающего тока до 1.0 А/см², что при коэффициенте усиления 10-100 позволяет получать поток вторичных электронов в 10-100 А/см². Оптимальность коэффициента усиления достигается, во-первых, за счет оптимального угла , а во-вторых, за счет соотношения h=HCos. Действительно, если h, то вторичные электроны будут рождаться в щели дальше от отверстия, через которое электрическое поле вытягивает их на сторону, противоположную стороне, на которую падают первичные электроны. Следовательно, эффективность использования вторичных электронов будет ниже. Если h>HCos, то часть первичных электронов будет проходить щель насквозь, не рождая вторичных электронов, и, следовательно, коэффициент умножения первичных электронов тоже уменьшится.

При плотностях тока первичных электронов 0.1 А/см² – 1.0 А/см² необходимо предпринимать меры, чтобы не было чрезмерного нагрева усилителя, приводящего к его разрушению. Есть неизбежный нагрев, связанный с рассеиванием энергии первичных электронов и рождением вторичных электронов. Кроме этого неизбежного нагрева усилитель нагревается за счет протекания тока, необходимого для компенсации рожденных в слое алмаза р-типа дырок. Вот эти потери необходимо устранить или свести к минимуму, что достигается сопротивлением пластины не более 0.1 Ом·см и поверхностным сопротивлением металла на поверхности пластины не более 0.01 Ом/. Действительно, при протекании тока I для компенсации дырок выделяемая мощность на 1 см² пластины будет складываться из мощности, выделяемой током, протекающим по металлическим покрытиям, что составляет не более 0.01I²/2 Вт, и мощности, выделяемой этим же током, протекающим перпендикулярно к поверхности пластины толщиной не более 300 мкм, что составляет не более 0.03I²·0.1. В то же время, неизбежная мощность рассеивания, вызванная первичными электронами, составляет 2Е_gКI/3е(К-1), где Е_g5эВ – ширина запрещенной зоны алмаза, К – коэффициент усиления электронного потока, е – заряд электрона. Таким образом, отношение мощности неизбежно выделяемой к мощности обусловленной резистивными потерями составит

Поскольку II_вых, то резистивные потери достигают всего 24% от необходимых потерь в самом худшем случае, когда I_вых100 А/cм². При I_вых<10 A /cм² они менее 3%.

Достоинством конструкции является получение больших коэффициентов усиления за счет увеличения энергии электронов Е. Так, при Е3 кэВ коэффициент усиления может достичь величины 100 и, следовательно, при плотности первичного потока электронов в 0,1 А/см² на выходе можно получить поток электронов в 10 А/см². Кроме того, падение электронов под оптимальным углом к поверхности обеспечивает в основном рождение вторичных электронов в алмазной пленке на одной и той же глубине, не превышающей диффузионную длину, а это значит, что при увеличении плотности тока не будет ухудшаться частотная характеристика усилителя, что важно при его использовании в СВЧ приборах.

Источники информации

3. А.Г.Берковский. Электронные умножители. «Электроника и ее применение» (итоги науки и техники), 1973, т.5, стр.43-85.

4. Патент RU 2222072 «Усилитель электронного потока», приоритет от 16.11.2000 г. (прототип).

5. J.E.Yater, A.Shih, and R.Abraws. Electron transport and emission properties of diamond, J.Vac. Sci. Technol. A 16930, May/Jun 1998, pp.913-918.

Формула изобретения

Усилитель электронного потока для электронно-оптического преобразователя, представляющий собой покрытую с обеих сторон металлической пленкой проводящую пластину с периодически расположенными сквозными отверстиями, при этом указанная проводящая пластина содержит, по крайней мере, участки поверхности, состоящие из проводящей алмазной пленки, причем на пластину нормально к ее поверхности падает первичный поток электронов, создающий вторичную эмиссию электронов с обратной стороны пластины, отличающийся тем, что указанные отверстия выполнены в виде щелей, расположенных к поверхности упомянутой пластины под определяемым экспериментальным путем оптимальным углом , обеспечивающим наибольшую вторичную эмиссию для падающего потока электронов, причем толщина Н пластины и ширина h щели связаны соотношением h=HCos, при этом упомянутыми участками поверхности, состоящими из проводящей алмазной пленки, является внутренняя поверхность щелей, а удельное сопротивление упомянутой проводящей пластины не более 0,1 Ом·см, а поверхностное сопротивление металла на поверхности пластины не более

РИСУНКИ