TWI911289B

TWI911289B - 場發射陰極裝置及形成場發射陰極裝置之方法

Info

Publication number: TWI911289B
Application number: TW110135803A
Authority: TW
Inventors: 健章
Original assignee: 美商Ｎｃｘ公司
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2026-01-11

Abstract

場發射陰極裝置包括場發射陰極，場發射陰極包括圓柱形基板及沉積於其圓柱面上的場發射材料。場發射陰極界定縱軸線。螺線管繞圓柱面同心地延伸、以及於該螺線管與該圓柱面之間界定間隙。螺線管界定與縱軸線垂直的相對的開口端。電流源將沿螺線管形成磁場的固定極性（直流）電流導向螺線管。電連接至螺線管或場發射陰極的閘極電壓源與螺線管或場發射陰極相互作用，以產生誘發場發射陰極將來自場發射材料的電子發射入間隙內的電場。發射的電子回應於磁場以對應於螺線管中的電流流動而在間隙內並繞該縱軸線以螺旋通過螺線管的第一開口端。

Description

場發射陰極裝置及形成場發射陰極裝置之方法

本申請案與場發射陰極裝置有關，且更具體地與一種場發射陰極裝置及形成場發射陰極裝置之方法有關。

典型的場發射陰極組件包括其間具有某個間隙距離的場發射陰極與提取閘極結構，其實例被顯示於圖1中。於這樣的先前技術實例中，外部電壓（VG）被施加至閘極，而陰極被電接地，以從陰極表面提取出場發射電子。

場發射陰極在典型情境中僅在某個最大電流密度下穩定操作。如此一來，為了達成穩定高電流，一般而言要求具有大面積之陰極。電子發射面積（例如，對應於電子束截面）藉由對應陰極面積界定，如圖1所例示的。大陰極一般而言產生具有大束截面的電子束。然而，對於許多應用，寬電子束（大束截面）必須被進一步聚焦/聚縮，以便達成較小且更聚焦的束截面尺寸。然而，往往難以達成對具有大發射面積的陰極達成要求的電子束聚焦。

因此，存在對用於具有大面積陰極、達成亦能夠從場發射電子形成聚焦的小電子束截面的穩定高電流的場發射陰極組件的裝置及形成方法的需要。也就是說，期望達成一種場發射陰極組件，其能夠增加給定面積（例如，閘極尺寸）發射的場發射電子（例如，電流）的總數，而不顯著增加電子束截面，且同時保護陰極不受離子轟擊。

上述及其他需要藉由本揭露的態樣滿足，本揭露的態樣包含而不限於下面的範例性實施方式，且在一個特定態樣中，本揭露提供一種場發射陰極裝置，其包括：場發射陰極，該場發射陰極包括圓柱形基板，圓柱形基板具有沉積於其圓柱面上的場發射材料，該場發射陰極界定縱軸線；螺線管，該螺線管繞場發射陰極的圓柱面同心地延伸、以及於螺線管與圓柱面之間界定間隙，該螺線管界定與縱軸線垂直的相對的第一及第二開口端；電流源（V_I），該電流源（V_I）電連接至螺線管且被設置為將固定極性（直流）電流（I）導向螺線管，螺線管中的直流電流（I）沿螺線管形成磁場（B）；以及閘極電壓源（V_G），該閘極電壓源（V_G）電連接至螺線管或場發射陰極、且被設置為與螺線管或場發射陰極相互作用，以產生誘發場發射陰極將來自場發射材料的電子（e）發射入間隙內的電場（E），發射的電子回應於磁場以對應於螺線管中的電流流動而在間隙內並繞縱軸線以螺旋通過螺線管的第一開口端。

另一個範例性態樣提供一種形成場發射陰極裝置的方法，包括：將場發射陰極的圓柱形基板插入螺線管中，使得螺線管繞基板的圓柱面同心地延伸並於螺線管與圓柱面之間界定間隙，場發射陰極界定縱軸線、且螺線管界定與縱軸線垂直地延伸的相對的第一及第二開口端；將固定極性（直流）電流（I）從電連接至螺線管的電流源（V_I）導向至螺線管，螺線管中的直流電流（I）沿螺線管形成磁場（B）；以及用電連接至螺線管或場發射陰極的閘極電壓源（V_G）產生電場（E），該電場（E）誘發場發射陰極將來自場發射材料的電子（e）發射入間隙內，發射的電子回應於磁場以對應於螺線管中的電流流動而在間隙內並繞縱軸線以螺旋通過螺線管的第一開口端。因此，本揭露包括而不限於以下範例性實施方式：

範例性實施方式 1 ：一種場發射陰極裝置，包括：場發射陰極，該場發射陰極包括圓柱形基板，圓柱形基板具有沉積於圓柱形基板的圓柱面上的場發射材料，該場發射陰極界定縱軸線；螺線管，該螺線管繞該場發射陰極的圓柱面同心地延伸、以及於螺線管與圓柱面之間界定一間隙，螺線管界定與縱軸線垂直地延伸的相對的第一及第二開口端；電流源，該電流源電連接至螺線管並被設置為將固定極性（直流）電流導向至螺線管，螺線管中的直流電流沿該螺線管形成磁場；以及閘極電壓源，該閘極電壓源電連接至螺線管或場發射陰極、並被設置為與螺線管或場發射陰極相互作用，以產生誘發場發射陰極將來自場發射材料的電子發射入間隙中的電場，發射的電子回應於磁場以對應於螺線管中的電流流動而在間隙內並繞縱軸線以螺旋通過螺線管的第一開口端。

範例性實施方式 2 ：任何前述範例性實施方式的裝置或其組合，包括：陽極，該陽極以與螺線管的第一開口端的隔開關係被設置；以及高電壓源，該高電壓源電連接至陽極且被設置為對陽極施加至少約10 kV的電壓，陽極回應於對該陽極施加電壓以吸引從螺線管的第一開口端發射的電子。

範例性實施方式 3 ：任何前述範例性實施方式的裝置或其組合，其中電子被吸引至陽極的速度與對陽極施加的電壓成比例。

範例性實施方式 4 ：任何前述範例性實施方式的裝置或其組合，其中經由螺線管的第一開口端發射的電子的量與為產生電場而由閘極電壓源施加的電壓成比例。

範例性實施方式 5 ：任何前述範例性實施方式的裝置或其組合，其中從螺線管的第一開口端發射的電子的焦距（focus）與第一開口端的直徑成比例。

範例性實施方式 6 ：任何前述範例性實施方式的裝置或其組合，其中從螺線管的第一開口端發射的電子的焦距與第一開口端處的場發射陰極的圓柱面與螺線管之間的間隙的尺寸成比例。

範例性實施方式 7 ：任何前述範例性實施方式的裝置或其組合，其中圓柱形基板由導電材料或金屬材料構成。

範例性實施方式 8 ：任何前述範例性實施方式的裝置或其組合，其中沉積於圓柱面上的場發射材料包括奈米管、奈米線、石墨烯、非晶碳、或其組合。

範例性實施方式 9 ：任何前述範例性實施方式的裝置或其組合，其中圓柱形基板具有約1 mm與約5 cm之間的直徑，以及該間隙在約100 µm與約1 mm之間。

範例性實施方式 10 ：任何前述範例性實施方式的裝置或其組合，其中螺線管的第一及第二開口端具有約1 mm與約5 cm之間的直徑。

範例性實施方式 11 ：一種形成場發射陰極裝置的方法，包括：將場發射陰極的圓柱形基板插入螺線管中，使得螺線管繞基板的圓柱面同心地延伸並於螺線管與圓柱面之間界定間隙，場發射陰極界定縱軸線且螺線管界定與縱軸線垂直地延伸的相對的第一及第二開口端；將一固定極性（直流）電流從電連接至該螺線管的電流源導向至螺線管，螺線管中的直流電流沿螺線管形成磁場；以及用電連接至螺線管或場發射陰極的閘極電壓源產生電場，該電場誘發場發射陰極將來自場發射材料的電子發射入間隙中，該發射的電子回應於磁場以對應於螺線管中的電流流動而在間隙內並繞縱軸線以螺旋通過螺線管的第一開口端。

範例性實施方式 12 ：任何前述範例性實施方式的方法或其組合，包括於基板的圓柱面上沉積場發射材料。

範例性實施方式 13 ：任何前述範例性實施方式的方法或其組合，包括從高電壓源對以與螺線管的第一開口端的隔開關係被設置的陽極施加至少約10 kV的電壓，陽極回應於對該陽極施加電壓以吸引從螺線管的第一開口端發射的電子。

範例性實施方式 14 ：任何前述範例性實施方式的方法或其組合，包括改變螺線管的第一開口端的直徑，以成比例地改變從第一開口端發射的電子的焦距。

範例性實施方式 15 ：任何前述範例性實施方式的方法或其組合，包括改變螺線管的第一開口端處的場發射陰極的圓柱面與螺線管之間的間隙的尺寸，以成比例地改變從第一開口端發射的電子的焦距。

範例性實施方式 16 ：任何前述範例性實施方式的方法或其組合，包括由導電材料或金屬材料形成圓柱形基板、以及將由奈米管、奈米線、石墨烯、非晶碳、或其組合構成的場發射材料沉積於圓柱形基板的圓柱面上。

範例性實施方式 17 ：任何前述範例性實施方式的方法或其組合，其中將圓柱形基板插入螺線管中包括將具有約1 mm與約5 cm之間的直徑的圓柱形基板插入螺線管中，使得間隙在約100 µm與約1 mm之間。

範例性實施方式 18 ：任何前述範例性實施方式的方法或其組合，包括形成螺線管，使得螺線管的第一及第二開口端具有約1 mm與約5 cm之間的直徑。

從與附圖一起閱讀以下詳細描述，本揭露的這些及其他特徵、態樣及優點將變得清楚，下面將簡單描述附圖。本揭露包括此揭露中闡釋的二、三、四或更多個特徵或元件的任一組合，而與此等特徵或元件是否明確地被組合或是否詳述於本文中的特定實施方式的描述中無關。預期此揭露被全盤地閱讀，使得應當根據預期（即，可組合）看待本揭露的任何態樣及實施方式中的任何可分離特徵或元件，除非本揭露的上下文另外清楚地指定。

應明白，提供本文中的發明內容僅為了概略說明一些範例性態樣以提供對本揭露的基本理解的目的。就其本身而言，應明白，上面描述的範例性態樣僅是實例、且不應認為以任何方式使本揭露的範圍或精神變窄。應明白，除了本文中概略說明的態樣，本揭露的範圍涵蓋許多可能的態樣，下面將進一步描述其中一些態樣。此外，根據以下結合附圖進行的詳細描述，本文中揭露的其他態樣或此等態樣的優點變得清楚，作為實例，附圖例示所描述的態樣的原理。

現在將在下文中參考附圖更全面描述本揭露，其中顯示本揭露的一些態樣，而非全部態樣。的確，本揭露可以許多不同的形式被具體實施，而且不應當被認為限於本文闡述的態樣；相反，提供此等態樣是為了此揭露滿足適用的法律要求。在各處，相似的元件符號指相似的元件。

圖2A、圖2B、圖3A、圖3B、圖4A至圖4C及圖5闡明場發射陰極裝置100的各種態樣及形成場發射陰極裝置100的方法。於一個範例性態樣中，如圖2A及圖2B所示，場發射陰極裝置100包括場發射陰極200，場發射陰極200包括圓柱形基板225，該圓柱形基板225具有沉積於圓柱形基板225的圓柱面上的場發射材料250（參見例如圖1）。場發射陰極200界定縱軸線275，及於一個態樣中，場發射陰極200電連接至地（參見例如圖3A及圖4B）。螺線管300繞場發射陰極200的圓柱面（例如，場發射材料250的層）同心地延伸、並圓柱面與螺線管300之間界定間隙150。螺線管300進一步界定與縱軸線275垂直地延伸的相對的第一及第二開口端300A、300B。於一個態樣中，閘極電壓源400（V_G）電連接（浮動）至螺線管300（參見例如圖3A及圖4B）、且被設置為於螺線管300（例如，閘極電極）與場發射陰極200之間產生電場500（E）。場發射陰極200回應於電場500（E）以將來自場發射材料250的電子（e）發射入間隙150中（參見例如圖3B）。電流源600（V_I）電連接至螺線管300（參見例如圖3A及圖4B）、且被設置為將固定極性（直流）電流（I）導向至螺線管300，其中螺線管300中的直流電流（I）沿螺線管300誘發磁場（B），這樣束縛電子而不在徑向上穿過螺線管300。回應於電場（E）而從陰極200發射的電子進一步回應於（被）磁場（B）（束縛）以對應於螺線管300中的電流流動（I）而在間隙150內且繞縱軸線275以螺旋通過螺線管300的第一開口端300A（參見例如圖4A）。因此，通過第一開口端300A的螺旋電子流形成電子束700（參見例如圖5）。代替陰極200被電連接至地及螺線管300/閘極電極在正閘極電壓（V_G）浮動，如圖4B所示，陰極200可在負閘極電壓（-V_G）處被加偏壓，而螺線管300被電連接至地（參見例如圖4C）。

於特定態樣中，界定陰極200的圓柱形基板225由導電材料或金屬材料構成。於這樣的態樣中，沉積於基板225的圓柱面上的場發射材料250包括奈米管、奈米線、石墨烯、非晶碳、或其組合的層。舉例而言，螺線管300由合適尺寸的線的線圈構成。此外，於一些態樣中，螺線管300的第一及第二開口端300A、300B具有約幾公釐（例如，1 mm）與約幾公分（例如，5 cm）之間的直徑（例如，線圈的內部尺寸）。於一些態樣中，圓柱形基板225具有約幾公釐（例如，1 mm）與約幾公分（例如，5 cm）之間的直徑，及界定於螺線管300與基板225的圓柱面之間的間隙150在約100 µm與約1 mm之間。

舉例而言，如圖2A及圖2B所示，陰極200被插入螺線管300中，使得螺線管300繞基板225的圓柱面（例如，場發射材料250的層）同心地延伸。於場發射陰極裝置100的背景中，螺線管300相對於陰極200被設置為場發射閘極電極。間隙150的尺寸是藉由陰極200相對於螺線管300的尺寸（例如，內徑）（對應於第一及第二開口端300A、300B的尺寸）的選定尺寸（例如，外徑）確定的。

如圖3A、圖3B、及圖4B所示，為了產生場發射（電子），螺線管300（閘極電極）被電連接至電源400（閘極電壓源，V_G），而陰極200被電連接至地。無論是閘極電壓源400（V_G）對螺線管300施加的電壓為固定極性（直流）連續電壓還是電源（V_G）對螺線管300施加脈衝直流電壓都引起於陰極200與螺線管300之間建立電場500。電源400（V_G）對螺線管300施加的電壓產生電子發射電流。在替代方案中，陰極200可在負閘極電壓（-V_G）處被加偏壓，而螺線管300被電連接至地（參見，包括，圖4C），以產生電場（E）。在二個範例中，於一些態樣中，從陰極200的圓柱面（例如，場發射材料250的層）產生並發射的電子的量與藉由電源400（V_G或-V_G）對螺線管300或陰極200施加的電壓的量值成比例。此外，從電流源600（V_I）導向螺線管300的直流電流（I）引起直流電流（I）沿螺線管300的線圈流動、並沿螺線管300建立磁場（B），例如，如圖3A、圖3B、及圖4A所示。藉由控制沿螺線管300的線圈的直流電流（I）、且因此控制磁場（B）的量值，由於磁場的影響，從陰極200發射的電子被誘發以在間隙150中以螺旋運動行進，否則該磁場限制電子在徑向上被向外引導通過螺線管300的線圈。

於此種設置中，經由螺線管300的第一開口端300A發射的電子的量是從陰極200的圓柱面（例如，場發射材料250的層）發射的電子，且因此，該電子量與對螺線管300施加的直流電壓（連續的或脈衝的）成比例。此外，在電子經由螺線管300的第一開口端300A離開時，於間隙150內的發射電子的經誘發的螺旋運動繼續。因此，所得電子束的截面（發射電極的螺旋投影-參見，例如，圖5中的元件900）是藉由螺線管300的第一開口端300A的尺寸而被確定，而非藉由陰極200的總發射面積（圓柱面）被確定。在離開第一開口端300A時，發射的電子不被間隙150或圓柱面/陰極200的設置進一步束縛。如此一來，螺旋束將限制（減小截面積）及使電子束聚焦。據此，於一些態樣中，從螺線管300的第一開口端300A發射的電子（例如，電子束900）的焦距與第一開口端300A的直徑及/或與第一開口端300A處的場發射陰極200的圓柱面與螺線管300之間的間隙150的尺寸成比例。於其他態樣中，電子束900的特性亦可被於螺線管300的第一開口端300A附近的陰極200的組態/形狀影響。

舉例而言，本文揭露的場發射陰極裝置的態樣的一個應用包括X射線管。於此種應用中，例如，如圖5所示，陽極800以與螺線管300的第一開口端300A的隔開關係被設置。此外，高電壓源850被電連接至陽極800並被設置為對陽極800施加至少約10 kV的電壓。陽極800回應於對其施加的電壓以吸引從螺線管300的第一開口端300A發射的電子（亦即，吸引電子束900）。於一些態樣中，電子（例如，電子束900）被吸引至陽極800的速度與對陽極800施加的電壓成比例。

也就是說，對施加有高電壓（HV）的陽極800以相對於場發射陰極裝置100的隔開關係被設置。在施加有高電壓的陽極800的影響下，通過間隙150內的螺旋運動的電子被陽極800吸引並朝向陽極800。由於電子由螺線管300產生的磁場而被局限於間隙150內，所以離開螺線管300的第一開口端300A的電子束900的截面與螺線管300的第一開口端300A的尺寸成比例且至少部分地由螺線管300的第一開口端300A的尺寸確定。然而，由於形成電子束900的電子從陰極200的側面（例如，基板的圓柱面）被發射，所以場發射陰極裝置100的總發射面積大於螺線管300的第一開口端300A的尺寸、且不受陰極本身的發射面積的截面（尺寸）的限制。因此，本揭露之此類態樣提供一種場發射陰極裝置100，該場發射陰極裝置100能夠達成穩定高電流，同時亦從場發射電子形成聚焦的小電子束截面，而且被導向通過螺線管的第一開口端的場發射電流提供額外保護陰極不受離子轟擊。

得益於前面的描述和有關附圖中呈現的教導的這些揭露的實施方式，所屬領域中的通常知識者會想到本文闡釋的本發明的許多修改及其他實施方式。因此，應理解，本發明的實施方式並不限於所揭露的具體實施方式，而且修改及其他實施方式旨在被包括於本發明的範圍內。另外，儘管前面的描述及有關圖式在元件及/或功能的某個範例性組合的情境下描述了範例性實施方式，但應明白，可由替代實施方式提供元件及/或功能的不同組合，而不脫離本揭露的範圍。於此方面，舉例而言，在本揭露的範圍內，與上面明確描述的那些元件及/或功能的組合不同的元件及/或功能的組合亦被構思。儘管本文中採用特定術語，但這些術語僅以通用及描述性意義被使用，而沒有限制性目的。

應當理解，儘管本文中可使用術語第一、第二等描述各種步驟或計數，但此等步驟或計數不應當受這些術語的限制。這些術語僅用於將一個操作或計數與另一個操作或計數區別。舉例而言，第一計數可被稱為第二計數，且類似地，第二步驟可被稱為第一步驟，而不脫離本揭露的範圍。如本文中使用的，術語“及/或”及“/”符號包含一或多個有關列項的任一或全部組合。

如本文中使用的，單數形式“一（a）”及“一（an）”旨在亦包含複數形式，除非上下文另外清楚地表明。應當進一步理解，術語“包括（comprises）”、“包括（comprising）”、“包括（includes）”及/或“包括（including）”當在本文中使用時說明存在所陳述的特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件，但不排除存在或附加一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其群組。因此，本文中使用的術語僅出於描述特定實施方式的目的，而不旨在限制性。

100:場發射陰極裝置 150:間隙 200:場發射陰極 225:圓柱形基板 250:場發射材料 275:縱軸線 300:螺線管 300A、300B:開口端 400、V_G:閘極電壓源 500、E:電場 600、V_I:電流源 700、900:電子束 800:陽極 850:高電壓源 B:磁場 e:電子 HV:高電壓 I:直流電流

因此，已以一般術語描述了本揭露，現在將闡釋附圖，附圖未必按比例繪製，且其中：圖1示意性地闡明場發射陰極裝置的習知技術實例；圖2A示意性地闡明根據本揭露一個態樣的場發射陰極裝置的透視圖；圖2B示意性地闡明根據圖2A所示本揭露的態樣的場發射陰極裝置的截面圖；圖3A示意性地闡明根據圖2A所示本揭露的態樣的與陰極及螺線管具有電連接的場發射陰極裝置的透視圖；圖3B示意性地闡明根據圖2B所示本揭露的態樣的與陰極及螺線管具有電連接的場發射陰極裝置的截面圖；圖4A示意性地闡明根據本發明一個態樣，顯示電場及與其關聯的磁場的場發射陰極裝置的透視圖；圖4B示意性地闡明根據圖4A所示的本揭露的態樣的具有於正閘極電壓（V_G）處浮動的螺線管/閘極電極的場發射陰極裝置的電路圖；圖4C示意性地闡明根據圖4A所示本揭露的態樣的具有於負閘極電壓（- V_G）處被加偏壓的陰極的場發射陰極裝置的電路圖；以及圖5示意性地闡明根據本揭露一個態樣的具有陰極及與其相互作用的具有高電壓陽極的螺線管的場發射陰極裝置。

100:場發射陰極裝置

200:場發射陰極

275:縱軸線

300:螺線管

300A、300B:開口端

400:閘極電壓源

600:電流源

B:磁場

I:直流電流

Claims

一種場發射陰極裝置，包括：一場發射陰極，該場發射陰極包括一圓柱形基板，該圓柱形基板具有被沉積於該圓柱形基板的一圓柱面上的一場發射材料，該場發射陰極界定一縱軸線；一螺線管，該螺線管繞該場發射陰極的該圓柱面同心地延伸、以及於該螺線管與該圓柱面之間界定一間隙，該螺線管界定與該縱軸線垂直地延伸的相對的第一及第二開口端；一電流源，該電流源被電連接至該螺線管並被設置為將一固定極性（直流）電流導向該螺線管，該螺線管中的該直流電流沿該螺線管形成一磁場；以及一閘極電壓源，該閘極電壓源被電連接至該螺線管或該場發射陰極、並被設置為與該螺線管或該場發射陰極相互作用，以產生誘發該場發射陰極將來自該場發射材料的電子發射入該間隙中的一電場，該發射的電子回應於該磁場以對應於該螺線管中的該電流流動而在該間隙內並繞該縱軸線以螺旋通過該螺線管的該第一開口端。
如請求項1所述的裝置，包括：一陽極，該陽極以與該螺線管的該第一開口端的一隔開關係被設置；以及一高電壓源，該高電壓源被電連接至該陽極並被設置為對該陽極施加至少約10 kV的一電壓，該陽極回應於對該陽極施加該電壓以吸引從該螺線管的該第一開口端發射的該電子。
如請求項2所述的裝置，其中該電子被吸引至該陽極的一速度與對該陽極施加的該電壓成比例。
如請求項1所述的裝置，其中經由該螺線管的第一開口端發射的該電子的一量與為產生該電場而由該閘極電壓源施加的一電壓成比例。
如請求項1所述的裝置，其中從該螺線管的該第一開口端發射的該電子的一焦距與該第一開口端的一直徑成比例。
如請求項1所述的裝置，其中從該螺線管的該第一開口端發射的該電子的一焦距與該第一開口端處的該場發射陰極的該圓柱面與該螺線管之間的該間隙的一尺寸成比例。
如請求項1所述的裝置，其中該圓柱形基板由一導電材料或一金屬材料構成。
如請求項1所述的裝置，其中被沉積於該圓柱面上的該場發射材料包括奈米管、奈米線、石墨烯、非晶碳、或其組合。
如請求項1所述的裝置，其中該圓柱形基板具有約1 mm與約5 cm之間的一直徑，以及該間隙在約100 µm與約1 mm之間。
如請求項1所述的裝置，其中該螺線管的該第一及第二開口端具有約1 mm與約5 cm之間的一直徑。
一種形成一場發射陰極裝置的方法，包括：將一場發射陰極的一圓柱形基板插入一螺線管中，該圓柱形基板具有被沉積於該圓柱形基板的一圓柱面上的一場發射材料，使得該螺線管繞該基板的該圓柱面同心地延伸並於該螺線管與該圓柱面之間界定一間隙，該場發射陰極界定一縱軸線且該螺線管界定與該縱軸線垂直地延伸的相對的第一及第二開口端；將一固定極性（直流）電流從被電連接至該螺線管的一電流源導向該螺線管，該螺線管中的該直流電流沿該螺線管形成一磁場；以及用被電連接至該螺線管或該場發射陰極的一閘極電壓源產生一電場，該電場誘發該場發射陰極將來自該場發射材料的電子發射入該間隙中，該發射的電子回應於該磁場以對應於該螺線管中的該電流流動而在該間隙內並繞該縱軸線以螺旋通過該螺線管的該第一開口端。
如請求項11所述的方法，包括於該基板的該圓柱面上沉積該場發射材料。
如請求項11所述的方法，包括從一高電壓源對以與該螺線管的該第一開口端的隔開關係被設置的一陽極施加至少約10 kV的一電壓，該陽極回應於對該陽極施加該電壓而吸引從該螺線管的該第一開口端發射的該電子。
如請求項11所述的方法，包括改變該螺線管的該第一開口端的一直徑，以成比例地改變從該第一開口端發射的該電子的一焦距。
如請求項11所述的方法，包括改變該螺線管的該第一開口端處的該場發射陰極的該圓柱面與該螺線管之間的該間隙的一尺寸，以成比例地改變從該第一開口端發射的該電子的一焦距。
如請求項11所述的方法，包括由一導電材料或一金屬材料形成一圓柱形基板、以及將由奈米管、奈米線、石墨烯、非晶碳、或其組合構成的該場發射材料沉積於該圓柱形基板的該圓柱面上。
如請求項11所述的方法，其中將該圓柱形基板插入該螺線管中包括將具有約1 mm與約5 cm之間的一直徑的該圓柱形基板插入該螺線管中，使得該間隙在約100 µm與約1 mm之間。
如請求項11所述的方法，包括形成該螺線管，使得該螺線管的該第一及第二開口端具有約1 mm與約5 cm之間的一直徑。