Spazio alle valvole, il futuro ne ha ancora bisogno

Il miglior dispositivo a catodo freddo realizzato ad oggi, sulla base della misura della emissione totale di corrente e di densità di corrente, è stato dimostrato da Spindt, da Christopher Holland e da Paul Schwoebel dello SRI. Questo catodo è costituito da decine di migliaia di coni micrometrici di molibdeno, depositati su un substrato circolare di silicio con un'area di circa un millimetro quadrato. Ciascun cono agisce da emettitore di elettroni e si colloca sul suo stesso pozzo, inciso in uno strato isolante di diossido di silicio dallo spessore di 2,5 micrometri. Infine una sottile pellicola metallica copre lo strato isolante e serve come elettrodo gate per l'array di emettitori a campo.

Questo dispositivo di laboratorio è la base su cui da circa una decina d'anni si lavora per realizzare un qualcosa di più pratico. I vari traguardi superati nel corso degli anni sono rappresentati dall'operatività di un TWT a catodo freddo a 100W alla frequenza di 4GHz-6GHz e il primo raggio di elettroni a 100 milliampere generato da un catodo freddo. Vi è poi stata la dimostrazione di un TWT con densità di corrente del catodo freddo superiore a 15 ampere per centimetro quadrato, ben oltre la tradizionale densità di 2 ampere per centimetro quadrato di un catodo termoionico. Con una così elevata densità di corrente si rende addirittura necessaria un'espansione del raggio perché possa passare attraverso l'elica, invece che una sua focalizzazione.

Questo catodo è riuscito a funzionare in maniera soddisfacente per oltre 150 ore prima di rompersi a causa di un cortocircuito. Questo è il principale problema, e la sfida più complessa, per gli emettitori a campo di questo tipo, perché per via degli elevati campi elettrici in gioco e della struttura del gate, un corto elettrico tra il gate ed uno qualsiasi dei migliaia di coni causa il danneggiamento dell'intero array, rendendolo inutilizzabile.

Di recente sempre al SRI è stata sviluppata una contromisura capace di mitigare gli effetti dannosi di questo genere di corti. Il cortocircuito viene interrotto tra la base dei coni ed il gate aggiungendo tra di essi uno strato dielettrico. Un test su catodi costruiti in questo modo, in un TWT da 10W a 18GHz (un record ad alta frequenza per i dispositivi a catodo freddo), ha mostrato una tolleranza e una resistenza del catodo significativamente superiori alla rottura di singoli emettitori.

Una sfida ancor difficile da affrontare riguarda l'elevata tensione operativa del TWT. Mentre il catodo ad emissione di campo può emettere elettroni a circa 100V, è necessaria una tensione molto più elevata per poter accelerare e concentrare il raggio di elettroni generato dal catodo affinché interagisca con il circuito ad elica. Parallelamente è necessario evitare l'innesco di un qualsiasi arco ad alta tensione tra l'anodo e il catodo: per questo si sta lavorando a modi che evitino la risalita del flusso da parte degli ioni erranti evitando quindi di colpire il gate del catodo e le punte dell'emettitore a effetto di campo impiegando una barriera ionica elettrostatica.

Resta ancora molto lavoro da fare sui TWT a catodo freddo, ma i passi avanti come quelli illustrati nelle pagine precedenti dimostrano come l'elettronica del vuoto sia ancora rilevante e vitale anche dopo un secolo dal suo sviluppo. Ad ulteriore conferma è utile sapere che il DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) ha annunciato negli scorsi mesi alcuni nuovi programmi mirati a spingere in avanti i confini di questo campo: la tecnologia del vuoto continua a demolire barriere di prestazioni e si apre a nuove aree applicative, mostrando la ferma volontà di non restare relegata al passato e di svanire nell'ombra: allo stato attuale delle cose vi sono tutte le premesse affinché entro i prossimi cinque anni sarà possibile avere un nuovo TWT, commercialmente realizzabile, basato sul catodo freddo.

Che l'elettronica del futuro sia un grande ritorno al passato, non solo per le telecomunicazioni ma anche per quanto riguarda la computazione, se consideriamo le attività di ricerca votate allo sviluppo del transistor vacuum-channel?