CN100508100C - 场发射冷阴极 - Google Patents

Abstract

一种在真空管中使用的场发射冷阴极(11)。碳丝绒材料(25)由垂直于基体材料嵌入的高纵横比的碳纤维组成。碳丝绒材料(25)的尖端和/或杆部上涂覆有低功函铯盐。碳丝绒材料(25)的基体材料被结合到阴极表面(27)。冷阴极(11)当施加电场时发射电子，即使在小于900℃的操作温度下。

Description

场发射冷阴极

美国政府权益声明

做出本发明的条件使得，根据Executive Order第1(a)款，赋予由空军部长代表的美利坚合众国政府其中所有的权利，资格以及权益，包括在外国的权利。

技术领域

本发明属于真空管领域，更具体地涉及作为真空管中电子发射器的场发射冷阴极。

背景技术

阴极是很多种真空管中使用的电子发射器，例如在电视机中使用的阴极射线管和在雷达和通信中使用的各种微波管。所有这些阴极都必须保持在高真空下，并且被加热到非常高的温度，即至少900℃，来正常工作。高真空需要使用特殊的制造技术，例如具有被密封的设备，以及剧烈的烘烤步骤。此外，如果将阴极从真空中移出，那么这些类型的阴极易受污染。因此，高真空引起了与管处理、操作和储存相关联的相当多的限制。

对高温操作的要求产生了几个重大的设计限制。首先，高温要求使用能够经受住阴极高温操作的特殊材料。此外，加热器降低了能量效率，并增加了系统的体积、重量和复杂度。

因此，需要下面的阴极，其可以在低温下操作且对真空要求不这么严格，却同时可以提供与传统真空管阴极相同的电子发射特性。

本发明的公开

本发明通过提供在冷温和比现有技术的场发射阴极更低的真空度下操作的场发射冷阴极，解决了现有技术的上述缺点。更具体地，本发明包括碳丝绒(carbon velvet)材料，其由垂直嵌入在基体材料中的高纵横比碳纤维组成。使碳丝绒材料附着到阴极上。在纤维上沉积铯盐(cesiated salt)。当对阴极施加足够的电压时，将发射电子。

本发明的第二方面提供了场发射阴极的制造方法，包括形成铯盐溶液，用溶液涂覆碳丝绒材料，以及将材料结合到阴极上。本发明的第三方面提供了场发射冷阴极的制造方法，包括将汽化的铯盐溶液沉积到碳丝绒材料的纤维上，在纤维上形成铯盐晶体，以及将碳丝绒材料结合到阴极上。

本发明的第四方面提供了涂覆附着到阴极的碳丝绒材料来制造场发射冷阴极的方法，包括用铯盐和去离子水的溶液喷涂所述材料，在至少100℃的温度下、在被抽空到小于1乇的真空炉中烘烤被涂覆的碳丝绒材料约1小时，然后使用干燥的氮气对真空炉通气以达到大气压。

本发明的第五方面提供了制造场发射冷阴极的方法，包括在碳丝绒材料多个纤维的每一个上都形成厚度为1埃到10微米的铯盐膜，以及将所述碳丝绒材料结合到阴极上。本发明的第六方面提供了制造场发射冷阴极的方法，包括将具有纤维的碳丝绒材料附着到阴极上，将所述纤维浸入熔融铯盐溶液中，以及在所述纤维浸在所述溶液中的同时冷却所述溶液。本发明的第七方面提供了制造场发射冷阴极的方法，包括将具有纤维的碳丝绒材料附着到阴极上，将所述纤维浸入熔融铯盐溶液中，将所述纤维从所述溶液中移出，以及冷却所述纤维。

传统的真空管需要高真空和必须被加热到至少900℃以正常操作的阴极单元。虽然术语“冷阴极”指在室温下或接近室温下操作的阴极，以及在低于900℃的温度下操作的阴极，但是本发明的冷阴极在室温下操作，因此免除了现有技术中的加热以及高操作温度要求。它也在比现有技术的阴极更低的真空度下操作。本发明的阴极能够取代任何类型真空管的被加热阴极且带来优点，所述真空管包括速调管、行波管、磁控管、磁旋管(Magnicon)以及Klystrode/IOT电视发射器。

在下面结合附图的详细描述中，通过实例说明了本发明的原理，本发明冷阴极的其他方面和优点将变得很清楚。

附图的简要描述

附图是用于测试本发明场发射冷阴极的实验设备的示意图，包括本发明场发射冷阴极的横截面。

实施本发明的最佳模式

附图是用于测试本发明场发射冷阴极11的实验设备的示意图，并且示出了冷阴极11的横截面。该设备包括真空室13和阴极安装台17。杆19伸入到真空室13中，并且可以相对于冷阴极11缩回和伸出。阳极21安装在杆19一端。间隙23是分开阴极11和阳极21的距离，并且可通过缩回或伸出杆19来调节。

冷阴极11由高压衬套24、碳丝绒材料25和阴极表面27组成。如随后将详细描述的，碳丝绒材料25用低功函铯盐处理，并且被结合到阴极表面27。碳丝绒材料25由垂直于基体材料而嵌入的高纵横比碳纤维组成。这种类型的具体材料是

附饰物(applique)，其是Energy Science Laboratories公司的专有产品。

附饰物由嵌在粘性基体中的高纵横比碳纤维组成，并且由于其光学特性而被开发，即，作为光学系统中用于超低反射率和漫射光抑制的黑附饰物。

碳丝绒材料25是柔性的，并且可以很容易地被结合到任何形状的冷阴极11上。在阴极表面27是金属时，可以使用导电的环氧树脂将碳丝绒材料25粘结到阴极表面27。或者，可以使热解结合(pyrobonding)将碳丝绒材料25结合到碳基底。通过在碳丝绒材料25纤维的尖端上形成铯盐晶体，并在纤维杆部上沉积厚度为1埃到10微米的膜，来实现冷电子发射。

为了仅仅涂覆碳丝绒材料25的纤维杆部，在纤维尖端上应用铯盐不能附着到其上的掩膜。在将铯盐涂覆到纤维上之后，通过刻蚀去除该掩膜。

可以通过几个不同的方法将低功函铯盐沉积到碳丝绒材料25上。有两种方法使用高度纯化的铯盐与去离子水的溶液作为铯盐沉积的介质。更具体地，首先将铯盐与去离子水混合。然后，使用雾化器将铯盐溶液喷涂到碳丝绒材料25上。使用五级干燥氮气来提供雾化器的背压。涂覆二到四个涂层。然后，将冷阴极11放到被抽空到小于1乇的真空炉中，在足够的温度下烘烤足够的时间以蒸发去离子水(在100℃以上进行约1小时)，然后使用五级干燥的氮气进行通气使其达到大气压。

可以使用很多种低功函铯盐，包括碘化铯(CsI)、碲酸铯(CsTeO₄)和溴化铯(CsBr)。虽然单个周期将改善阴极性能并减少脱气，但是附加的周期将进一步改善冷阴极11的工作性能。但是，这种改善最高只能达到某个点，在该点之上再附加周期就会增加所需的接通场，即，电子开始从阴极11流向阳极21时的电场大小。

或者，碳丝绒材料25的纤维可以浸到铯盐溶液中。然后，将由冷阴极11和溶液池构成的组件在大气压下烘烤到约110℃，直到溶液在碳丝绒材料25的尖端和/或杆部上结晶。在这个阶段中，将冷阴极11从池中退出，并且在真空炉中进行烘烤以蒸发尖端和/或杆部上所有残留的水。然后，使用干燥氮气对真空炉通气以达到大气压。

在另一个可选的情况中，可以通过将冷阴极11浸到熔融铯盐的坩锅中使纤维被浸没，以在碳丝绒材料25的纤维上沉积铯盐。然后，使熔融铯盐与仍被浸没的纤维一起冷却，直到铯盐在尖端和/或杆部上结晶。可以通过化学气相沉积，使得在尖端和/或杆部上形成铯盐晶体，来在碳丝绒材料25的尖端和/或杆部上沉积铯盐。这些方法中每一个都比使用铯盐的去离子水溶液更昂贵和耗时。但是，每一个都能形成更均匀的铯盐涂层，并且也不需要烘烤冷阴极11来去除过多的水蒸汽。

当在冷阴极11上施加负电压时，电子从阴极表面27发射出来，通过阳极-阴极间隙23加速，然后撞击阳极21。接通场已经低到0.2kV/cm。这远小于传统真空管的一般接通场。电压源可以是脉冲的或连续的。冷阴极11可以具有任何形状，例如球形的、圆柱形的或平面的。阳极-阴极间隙23可以是任何相互作用的区域或者其他在其中使用被发射电子的区域。阳极21可以是收集被发射电子的任何区域或结构。

冷阴极11的接通场可以以几种方式改变，以满足将对其进行使用的设备的要求。相对于碳丝绒材料25，更长、更窄的纤维尖端和更低的束密度允许在纤维尖端产生更大的场增强，并从而减小冷阴极11的接通场。并且还发现纤维长度的分布倾向于减小接通场。

也可以通过改变与去离子水的溶液中的铯盐浓度(density)，以及变化涂覆到碳纤维尖端和杆部上的涂层的数量，来改变接通场，即，增加浓度或涂层数量(最高达某个点)会减小接通场。例如，在某些微波管中，期望直到电压达到其满值时才有电子流。这就可以通过增加束密度并减小所应用的铯盐量来实现，或者通过通过减小涂层数量或者通过减小与离子水的溶液中的铯盐浓度来实现。

Claims (8)

1.一种场发射冷阴极，其特征在于：

阴极；

附着到所述阴极上的碳丝绒材料；并且

所述碳丝绒材料包括纤维，所述纤维具有不一致的长度且所述纤维具有沉积在其上的铯盐。

2.根据权利要求1所述的冷阴极，其特征在于：

每一个纤维由杆部和尖端组成；并且

铯盐沉积在所述尖端或所述杆部上，或者沉积在所述尖端也沉积在所述杆部上。

3.根据权利要求1所述的冷阴极，其特征在于，在该纤维上沉积厚度为1埃到10微米的该铯盐膜。

4.根据权利要求1-3任何一项所述的冷阴极，其特征在于，所述铯盐是选自碘化铯、碲酸铯和溴化铯的低功函铯盐。

5.根据权利要求1-3任何一项所述的冷阴极，其特征在于，所述阴极在至少10^-3乇的真空下操作。

6.根据权利要求1-3任何一项所述的冷阴极，其特征在于：

所述阴极包括碳基底；并且

所述碳丝绒材料通过与所述碳基底的热解结合被附着到所述阴极。

7.根据权利要求1-3任何一项所述的冷阴极，其特征在于：

所述阴极包括金属表面；并且

所述碳丝绒材料通过导电环氧树脂被结合到该金属表面。

8.一种制造场发射冷阴极的方法，其特征在于：

形成铯盐溶液；

用所述铯盐溶液涂覆碳丝绒材料，所述碳丝绒材料包括具有不一致长度的纤维；以及

将所述碳丝绒材料结合到阴极上。

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