Вакуумный СВЧ диод с полевым УНТ катодом

Для применений полевых эмиссионных катодов на основе углеродных нанотрубок (УНТ) необходимо обеспечить высокую плотность тока эмиссии. Рекорд на сегодня принадлежит сотрудникам инженерного факультета Кембриджского университета (Англия). В работе [1] они описали микроволновый диод на катоде из УНТ, работающий при высокой частоте (1.5ГГц). Благодаря малому весу, малоинерционности и отсутствию нагрева прибор перспективен в телекоммуникационных системах. В резонатор введены линейки из вертикально ориентированных УНТ (см. рис.). Расстояния между соседними УНТ в линейках примерно равны удвоенной высоте, что соответствует минимальному влиянию эффекта экранирования на плотность тока эмиссии. Каждый из 16 катодов имеет активную площадь 0.5х0.5мм² и содержит около 2500 индивидуальных УНТ. Поскольку стенки резонатора и эмиттеры заземлены, высокочастотное электрическое поле существует только внутри резонатора, как показано на эквивалентной схеме (рис. 1с). Устройство работало при катодном токе 1мА в течение 40 часов, не проявляя признаков деградации. При напряженности переменного электрического поля 29МВ/м анодный ток достигал величины 3.2мА, что соответствует плотности тока 1.3А/см², пиковому значению тока 30мА и пиковому значению плотности тока 12А/см² (см. рис. 1 d).  

В современных микроволновых приборах используют термоионные источники электронов, которые работают либо при постоянных, либо низкочастотных токах, и в которых высокочастотная модуляция электронного пучка производится на выходе из источника. Это обусловливает значительные габариты устройств. В новом устройстве межэлектродный промежуток в УНТ катодах составляет несколько сот микрон, благодаря чему прибор имеет небольшую электрическую емкость, и, как следствие, малую инерционность, позволяющую работать при частотах мега- и гигагерцового диапазона. Следует также отметить высокую химическую стабильность катодов, которые, в отличие от металлических, меньше подвержены термическому разрушению.

Рис. 1. а -  Поперечное сечение резонатора, используемого для генерации высокочастотного электромагнитного поля. На вертикальной шкале цвет указывает величины приложенного электрического поля (кВ/м).

b - Микроизображение катода с эмиттерами из УНТ. Нанотрубки диаметром 49нм и высотой 3.5мкм расположены на расстоянии 10мкм друг от друга. Размер масштабной линейки 15мкм. На вставке представлена фотография 16 катодов. с) Эквивалентная электрическая цепь (CN – линейка из углеродных нанотрубок

d - Зависимость плотности тока от напряженности высокочастотного электрического поля, полученная при частоте 1.5ГГц. Кружком отмечена точка, соответствующая максимальному току (3.2 мА)

А.Елецкий

1. Nature 2005, 437, 968