CN104810225B - 一种栅极外置式冷阴极电子源阵列及其构成的电子枪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种栅极外置式冷阴极电子源阵列，解决了现有技术精度差、器件耐压性差、稳定性欠佳、工艺复杂等问题。该栅极外置式冷阴极电子源阵列包括冷阴极阵列固定支架（2）和若干阴极发射单元（3）；在所述冷阴极阵列固定支架（2）的上端面开设有若干数量与所述阴极发射单元（3）相同的固定孔，所述阴极发射单元（3）一一对应插入至所述冷阴极阵列固定支架上端面的开孔内并固定。本发明不仅工艺简单，精度高，一致性好等优点，提高了部件在加工中的良品率，便于大量集成，且由于单根的阴极发射单元是独立的，可以随时替换电子枪中受损或不良的阴极发射单元，节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种场致发射栅极外置式冷阴极电子源阵列，属于真空电子技术领域，用于真空电子辐射源器件或产生大电流、高密度电子注的器件中。
背景技术
场致电子发射是与热电子发射在性质上完全不同的一种电子发射形式。热电子发射是靠升高物体的温度，给与物体内部的电子以附加的能量，使一些高能电子能够越过物体表面上的势垒而逸出，热电子发射所能提供的电流密度最高不过几百A/cm2，而且还有一段时间的迟滞；但即使把金属加热到发生显著蒸发的高温，能够逸出的电子数也只占金属中自由电子总数的极小一部分，提供给阴极的热能绝大部分以热辐射的形式消耗掉了，这种热的耗散还给使用热阴极的电子器件以及整个仪器设备都带来不少麻烦。场致电子发射的原理不同，它并不需要供给固体内的电子以额外的能量，而是靠很强的外部电场来压抑物体表面的势垒，使势垒的高度降低并使势垒的宽度变窄。由此，物体内的大量电子就能穿透过表面势垒而逸出，场致发射阴极可以提供107A/cm2以上的电流密度，没有发射的时间迟滞。所以，冷阴极由于电子发射效率高，可控性强，响应快和能够实现大面积电子发射等优点，在真空微电子器件上有重要应用前景。
现有技术中，场发射电子源主要采用Spindt-type式的场发射结构， Spindt-type式的场发射电子源为三极结构，包括阴极、阳极和栅极，栅极位于阴极和阳极中间，栅极产生强电场从阴极基底拉出电子，通过阴极发射体的传导，在阳极电压的加速和聚焦电压聚焦作用下发射聚束电子馈入注波互作用腔或其他器件中。但在阴极发射尖锥的制备过程中，在衬底基片上大量集成包含微发射体锥尖，由于发射体锥尖是μm量级，尺寸非常的小，制作工艺复杂，在保证单根发射体锥尖发射电子理想的情况下，却难以保证大量的发射体锥尖尺寸形状一致，从而影响了电子发射的效率以及阴极发射体的寿命。且绝缘层的存在，易混入杂质且降低了阴极的耐压性，影响阴极的正常工作。
在公开号为CN 102709133 A的专利文件中公开了《一种具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列及其制作方法和应用》，该专利中的嵌入式电极的冷阴极电子源阵列也是采用了Spindt-type式的场发射结构。该冷阴极在其衬底上刻蚀出具有阴极电极条图案的刻蚀槽；接着在刻蚀槽上制作阴极电极条；然后在阴极电极条上沉积绝缘层薄膜；再在绝缘层薄膜上制作与阴极电极条垂直的栅极电极条；接着对绝缘层薄膜进行刻蚀；露出阴极电极条；然后在特定局域制作生长源薄膜；最后对基板进行热氧化，即得到以纳米线作为阴极材料的具有嵌入式电极结构的电子源阵列。该专利技术的制作过程十分复杂，同时，还涉及到等离子体刻蚀、化学气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发等多种加工工艺；由于该嵌入式电极的冷阴极电子源阵列在微米量级，尺寸非常小，电子源阵列在这种复杂的工艺下，势必会造成冷阴极发射单元以及栅极的一致性较差，良品率低，其单一发射单元出现问题，则会导致周围多个乃至整体的冷阴极发射单元无法产生电流或发射电流不均匀。而栅极在制作中也极易造成不均匀和混入杂质，就会使电子打到柵网上造成局部的发射电流过大，局部发热，使得器件极易损坏，影响冷阴极电子源阵列的使用寿命。
进一步的，因上述专利技术制作的是一种嵌入式电极的冷阴极电子源阵列，为了避免栅极与冷阴极短路，故在栅极与冷阴极之间加入了特定的绝缘介质。然而，正是由于加入了特定的绝缘介质，其介质较薄，在微米量级，使其在制作工艺中中易混入金属屑或杂质，从而导致介质表面存在电流，造成打火现象，损毁器件，影响器件的工作。同时，由于场致发射与表面电场强度有关，理论上电场强度越高越好，因此，对器件的耐压强度有极高的要求，但其结构中介质的引入，反而极大地降低了器件的耐压性，而无法产生大的电流。
因此，这种具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列不适用于电真空辐射源器件或需要大电流的器件中。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单，使用寿命长，性能优良的栅极外置式冷阴极电子源阵列。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种栅极外置式冷阴极电子源阵列，包括冷阴极阵列固定支架和若干阴极发射单元；在所述冷阴极阵列固定支架的上端面开设有若干数量与所述阴极发射单元相同的固定孔，所述阴极发射单元一一对应插入至所述冷阴极阵列固定支架上端面的开孔内并固定。有别于Spindt-type式的场发射结构，该冷阴极电子源阵列可以在宏观上即可制作完成，工艺简单，精度高，一致性好等优点，提高了部件在加工中的良品率，便于大量集成，且由于单根的阴极发射单元是独立的，可以随时替换电子枪中受损或不良的阴极发射单元，节约成本。
进一步的，在所述阴极发射单元上种植有纳米冷阴极材料。对冷阴极发射单元进行热氧化，即可以得到以纳米材料作为冷阴极材料的阴极发射单元阵列。纳米冷阴极材料如：石墨烯、金刚石薄膜、类金刚石薄膜、碳纳米管、氧化铜纳米线、氧化锌纳米线和氧化钨纳米线等。
进一步的，所述阴极发射单元的上端部呈圆形、弧形或尖锥形。通过上述设置，可以保证更大的有效发射面积，圆形、弧形或尖锥形的面积大小并不作特别限定。阴极发射单元的结构形状并不作特别限定，其可以是具有一节台阶的尖锥体，也可以是球形、梯形或其他的多边形。
进一步的，所述冷阴极发射单元通过机械加工或线切割工艺切割出。通过该工艺可以确保良好的一致性。
进一步的，所述阴极阵列固定支架呈倒置的“凹”字形结构。基于该结构，阴极阵列固定支架上的开孔设置在横边上，应用时，其扣在阴极底座上并固定。阴极阵列固定支架也可设置为其他形状，其只要满足安装阴极发射单元并连接阴极底座即可。
基于上述结构，本发明还提供了由栅极外置式冷阴极电子源阵列构成的电子枪，包括阴极底座，若干阴极发射单元，固定于所述阴极底座上且上端开设有若干数量与所述阴极发射单元相同的固定孔的冷阴极阵列固定支架，以及上端部为开口、下端部与所述阴极底座连接并密封的电子枪外壳；所述电子枪外壳内部为真空；所述阴极发射单元一一对应插入至所述冷阴极阵列固定支架上端面的开孔内并固定；其中，电子枪外壳上端部开放式设计便于可以接入到注波互作用腔或其他器件上得到更广泛应用；采用真空环境代替传统的绝缘介质，在真空中的击穿场强可以达到1.3 108V/m，远大于传统介质的耐压性，从而使场致发射的性能更好，效率更高；阴极底座由无氧铜或不锈钢材料加工而成，其结构并不作特别限定；
进一步的，所述电子枪外壳由下套筒和上套筒组成，在所述下套筒和上套筒之间设置有中部有通孔的栅极固定下底座，在所述栅极固定下底座上安装有外置式栅极，在所述外置式栅极上设置有栅极固定上底座；所述外置式栅极与所述阴极衬底之间的距离可调。其中，下套筒和上套筒根据所需栅极与冷阴极阵列发射单元的距离，二者的高度可调，当上述距离较大，则下套筒较高，反之，下套筒较低；外置式栅极通过均由无氧铜或不锈钢材料加工而成的栅极固定上底座和栅极固定下底座固定，基于外置式栅极的设置，通过前期的模拟仿真的结果，可以任意将不同形状的阴极发射单元与对应电子输出孔形状的栅极以及两者之间的距离进行匹配，从而提高了器件在工作中的稳定性，也提高了工作效率。栅极固定上底座可以作为调制阳极，起到将发射出来的电子注进行聚焦，因此根据不同的阴栅结构发射出的电子注，可以将其制作成不同的形状以及结构，以达到很好的聚焦效果。进一步的，在电子枪内加入特定的磁场，由此进一步提高了电子汇聚效果，较之只有栅极固定上底座（即调制阳极）的时候，电子注汇聚能压缩到几倍，加入特定磁场后，则可以压缩到十几倍至几十倍。
进一步的，所述阴极发射单元位于所述冷阴极阵列固定支架下方的部位到外置式栅极的距离大于阴极发射单元位于所述冷阴极阵列固定支架上方的部位到外置式栅极的距离。通过上述设置，栅极在阴极发射单元位于冷阴极阵列固定支架下方部位产生的场强不足以使其发射出电子，因此不需要填充绝缘介质，此即为采用真空环境代替绝缘介质的实现基础。
进一步的，所述外置式栅极呈圆形并在中部设置有若干网孔，所有网孔构成圆形或多边形，在所述外置式栅极的外边缘处开设有多个安装孔；所述网孔为电子输出孔，其形状为圆孔或多边形孔，且所述外置式栅极的电子输出孔的中央与所述阴极阵列发射单元的中央一一对应。
进一步的，所述外置式栅极电子输出孔通过激光刻蚀工艺刻蚀出。通过上述设置，栅极片上阵列式电子输出孔的大小及间距可调，对应的，阴极输出单元的安装位置也应当作相应的调整，增大了对应不同形状的冷阴极发射单元所发射出电子的通过率，且通过率可高达100%。
进一步的，所述阴极底座上设置有凸起部，所述阴极发射单元下端插入至冷阴极阵列固定支架并延伸至所述凸起部保持固定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明具有制作上工艺简单，精度高，一致性好等优点，提高了部件在加工中的良品率。
（2）本发明中的冷阴极阵列固定支架是将阴极发射单元固定在阴极底座上的装置，并可以保证阴极发射单元是独立的且具有规则排列，冷阴极固定支架上的开孔刚好可以使阴极发射单元通过，且得到固定，并使冷阴极阵列按冷阴极固定支架上的孔的位置排列；不仅工艺简单，精度高，一致性好等优点，提高了部件在加工中的良品率，便于大量集成，且由于单根的阴极发射单元是独立的，可以随时替换电子枪中受损或不良的阴极发射单元，节约成本。
（3）本发明中栅极是独立外置式的，通过前期的模拟仿真的结果，可以任意将不同形状的阴极发射单元与对应输出孔形状的栅极以及两者之间的距离进行匹配，从而提高了器件在工作中的稳定性，增大电子通过率，在仿真实验中，可达到100%的通过率。
（4）本发明中由于在阴极与栅极之间将一般的介质填充用真空替代，由此提高了器件的耐压特性，从而使场致发射的性能更好，效率更高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为阴极发射单元的制作流程图。
图3为外置式栅极的结构图。
图4为本发明所加磁场随器件高度变化的分布示意图。
附图中对应的附图标记名称如下：
1-阴极底座，2-冷阴极阵列固定支架，3-阴极发射单元，4-栅极固定下底座，5-外置式栅极，6-栅极固定上底座，7-1-下套筒，7-2-上套筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至3所示，本实施例提供了一种栅极外置式冷阴极电子源阵列，其主要包括阴极底座1、冷阴极阵列固定支架2、阴极发射单元3、电子枪外壳、外置式栅极5等部件；该电子枪的阴极电子源阵列可按要求制作各种不同规格，结构中无介质填充（为真空环境），且阴极与栅极之间的距离可控，阴极产生均匀的大电流并可以被压缩成高电流密度的电子注，可为电真空器件提供电子注源，有效扩大应用范围等目的。
外置式栅极的制作方法如下：首先加工出一定厚度的不锈钢金属切片，通过激光刻蚀，开设一组一定尺寸的多边形或圆形阵列式网孔，作为电子输出孔；外置式栅极的材料可为铬、钛、钨、金、钼或铌中的一种或几种、以及不锈钢等金属，栅极片厚度为0.01mm至0.5mm，其上用激光刻蚀工艺刻蚀出的电子输出孔的形状可以是圆形（半径为0.02mm至1mm）或方形（边长为0.02mm至1mm）以及其他的多边形（边长为0.02mm至1mm）等，本发明对此不作具体限定。
下面以阴极发射单元形状为类锥状及栅极网孔形状为圆形为例：
阴极底座由不锈钢金属制成，其尺寸如下：下底直径为Φ26mm、高度为3mm、上底直径为Ф6mm、高度为4.5mm；形状为二级的台阶圆柱；电子枪外壳中的下套筒7-1由99#陶瓷制成，其尺寸如下：内径为Φ20mm、外径Φ24mm、高度为6.75mm。
下套筒下端与阴极底座连接并密封，同时，下套筒上端与内径为Φ16mm、外径Φ26mm、高度为1mm，材料为不锈钢金属的栅极固定下底座4相连并密封。
如图2所示，用线切割工艺将直径为Φ1.4mm、高为3mm的不锈钢金属圆柱切割成下底直径为Φ1.4mm、高度为1mm、上底直径为Φ1mm、高度为2mm的柱状体，并通过进一步加工，在上半圆柱顶部的边缘以长度为0.4mm，角度为10°进行导角，再对其热氧化加工处理即得到单根的以碳纳米管作为冷阴极材料的阴极发射单元。然后重复以上工序，即可制作出37根冷阴发射单元3。
冷阴极阵列固定支架2呈倒置的“凹”字形结构，其高度为6mm、内径为Φ13mm、外径为Φ15mm、厚度为1mm，并在其表面钻孔，用来插入冷阴极阵列3的固定，孔的直径为1mm，并按六边形排列，间距为0.6mm。将制作的冷阴发射单元插入冷阴极阵列固定支架上，最后将植入插有阴极发射单元3的冷阴极阵列固定支架2用螺钉固定在阴极底座上。
如图3所示，在直径为Φ18mm、高度为0.1mm的不锈钢金属片上通过激光刻蚀技术刻蚀出Φ1.3mm的圆形网孔，间距为0.3mm，并且圆形网孔的排列方式与冷阴极阵列固定支架2表面开孔的排列方式一致，呈六边形排列。在外置式栅极的外边缘处开设有多个直径Φ0.8mm的螺钉固定孔，外置式栅极通过这些固定孔用于与栅极固定上底座和栅极固定下底座连接，具体如下：首先，外置式栅极装配到栅极固定下底座上并用螺钉固定，使得外置式栅极5下表面与阴极发射单元之间的距离为0.25mm，并使其各个网孔中心刚好与冷阴极固定支架上的孔中心对齐；然后再将斜面底部内径为Ф12mm、顶部内径为Ф16mm、斜面高度为5mm，外径为Ф18mm、总体高度为11mm，材料为不锈钢金属的栅极固定上底座（即调制阳极）也通过螺钉固定在栅极上，最后，将内径为Ф20mm、外径为Ф24mm、高度为22.15mm，材料为99#陶瓷的电子枪壳体的上套筒7-2下端与栅极固定下底座密封，同时上套筒的上端与阳极密封。上述装配完成后，通过真空排气台使整个电子枪形成真空室，真空度可以达到10-5帕以上。
本实施案例中冷阴极发射单元阵列上电压为0V，在栅极5上电压为2.5KV，阳极上电压为15KV，并在电子枪中，随电子枪的高度变化加入不同大小的磁场，其分布图如图4所示，横轴坐标为器件高度（大小为毫米mm），纵轴坐标为器件所加磁场（大小为特斯拉T）。通过软件的模拟仿真，其冷阴极电子枪发射电子全部通过柵网的网孔发射出来，并通过调制阳极（即栅极固定上底座）被很好的压缩了。阴极发射面积为79mm2的电子注经过压缩得到输出的电子注截面积为9mm2，电子注面积压缩比约为9倍，电子注电流为0.14A。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种栅极外置式冷阴极电子源阵列构成的电子枪，其特征在于，包括阴极底座（1），若干阴极发射单元（3），固定于所述阴极底座（1）上且上端开设有若干数量与所述阴极发射单元（3）相同的固定孔的冷阴极阵列固定支架（2），以及上端部为开口、下端部与所述阴极底座（1）连接并密封的电子枪外壳；所述电子枪外壳内部为真空；所述阴极发射单元（3）一一对应插入至所述冷阴极阵列固定支架上端面的开孔内并固定；
所述电子枪外壳由下套筒（7-1）和上套筒（7-2）组成，在所述下套筒（7-1）和上套筒（7-2）之间设置有中部有通孔的栅极固定下底座（4），在所述栅极固定下底座（4）上安装有外置式栅极（5），在所述外置式栅极（5）上设置有栅极固定上底座（6）；所述外置式栅极（5）与所述阴极底座之间的距离可调。
2.根据权利要求1所述的一种栅极外置式冷阴极电子源阵列构成的电子枪，其特征在于，所述阴极发射单元（3）位于所述冷阴极阵列固定支架（2）下方的部位到外置式栅极（5）的距离大于阴极发射单元（3）位于所述冷阴极阵列固定支架（2）上方的部位到外置式栅极（5）的距离。
3.根据权利要求2所述的一种栅极外置式冷阴极电子源阵列构成的电子枪，其特征在于，所述外置式栅极（5）呈圆形并在中部设置有若干网孔，所有网孔构成圆形或多边形，在所述外置式栅极（5）的外边缘处开设有多个安装孔；所述网孔为电子输出孔，其形状为圆孔或多边形孔，且所述外置式栅极（5）的电子输出孔的中央与所述阴极阵列发射单元（3）的中央一一对应。
4.根据权利要求3所述的一种栅极外置式冷阴极电子源阵列构成的电子枪，其特征在于，所述外置式栅极（5）电子输出孔通过激光刻蚀工艺刻蚀出。
5.根据权利要求1所述的一种栅极外置式冷阴极电子源阵列构成的电子枪，其特征在于，所述阴极底座（1）上设置有凸起部，所述阴极发射单元（3）下端插入至冷阴极阵列固定支架（2）并延伸至所述凸起部保持固定。
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