Усилитель электронного потока

Усилитель электронного потока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 α, обеспечивающим наибольшую вторичную эмиссию для падающего потока электронов, причем толщина пластины Н и ширина щели h связаны соотношением h=H cosα, 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 α, 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 α, причем h=HCosα;

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 α, причем ширина щели h, толщина пластины Н и угол α связаны соотношением h=HCosα. 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 α 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 α, а во-вторых, за счет соотношения h=HCosα. Действительно, если h<HCosα, 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>HCosα, 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_g≈5эВ - 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 I≈I_вых, то резистивные потери достигают всего 24% от необходимых потерь в самом худшем случае, когда I_вых≈100 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 Е≈3 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

1. http://www.darkos.ru:8000/goggles/html.

2. http://www.Arsenal.com.

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.

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 α, обеспечивающим наибольшую вторичную эмиссию для падающего потока электронов, причем толщина Н пластины и ширина h щели связаны соотношением h=HCosα, 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