CN101075515B - 高电流密度异形束电子源 - Google Patents
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Abstract
一种高电流密度异型束电子源,属电真空领域,特别涉及某些毫米波、亚毫米波段微波真空电子器件所需电子源的制造方法。目前常用的获得异型束的方法是利用磁聚焦将圆形束转化为不同形状的电子束,为此须用强永久磁场,这就增加了器件的体积和重量。本发明涉及的高电流密度异形束直接由阴极发射,无需或只需简单压缩便可获得所需形状和电流密度,大大简化聚焦系统、减小压缩比。该电子源主要由高电流密度含钪扩散阴极及覆盖于其上的异型束成形结构构成,这两部分组合后与钼套筒装配,并配以适当的热子构成高电流密度异型束电子源。电子源的面积可以在几十平方微米到几平方厘米之间,能够提供电流密度在50A/cm2以上特定形状的电子束。
Description
技术领域
本发明涉及一种高电流密度异形束电子源,属电真空领域,特别涉及某些毫米波、亚毫米波段微波真空电子器件所需阴极的制造方法。
背景技术
随着毫米波、亚毫米波段微波真空电子器件的发展,迫切需要一种能够提供高电流密度异形束的电子源。所谓异型束是指不同于常规圆形束的电子束,例如矩形束或环状束。这种形状的电子束有利于发射电子与高频电路的互作用,从而提高器件的效率。目前常用的获得异型束的方法是利用磁聚焦将圆形束转化为不同形状的电子束例如矩形束。为此须用强永久磁场,这将大大增加器件的体积和重量。直接由阴极发射异型电子束,特别是高电流密度的异型束将显著简化聚焦系统、减小压缩比,特别适用于如太赫兹返波振荡器等毫米波和亚毫米波段微波真空电子器件。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种真空电子器件中高电流密度异形束电子源及其制备方法。该电子源的面积可以从几十平方微米到几平方厘米。电流密度可以在10A/cm2到150A/cm2。
为了达到上述目的,本发明提供一种在含钪扩散阴极上覆盖异形束成型结构以得到特定形状和尺寸的高电流密度异形束电子源的方法。电子源的结构由含钪扩散阴极、支持阴极的钼套筒和与之相配的热子及覆盖于阴极表面的异形束成形结构组成。为实现高电流密度电子发射,本发明采用氧化钪掺杂浸渍型和压制型扩散阴极。与其他扩散阴极相比,在同样的工作温度下,氧化钪掺杂浸渍型和压制型扩散阴极的空间电荷限制发射电流可以提高10倍,在900℃-950℃的工作温度下可以提供50-100A/cm2的发射。
本发明提供的异形束电子源的特征在于,包括钼套筒1,与钼套筒配合的热子2,与钼套筒装配的阴极3;其特征在于:
阴极表面在覆盖层的开口区域内形成发射区6,而被覆盖层覆盖的结构构成非发射区7;
阴极表面的覆盖层分单层型或两层型两种,当阴极表面的覆盖层是单层型时,由难熔金属、难熔合金或贵金属之一的实体覆盖层;
当阴极表面的覆盖层是两层型时,覆盖层由直接覆盖在阴极面上的第一覆盖层4和覆盖于第一覆盖层4上的第二覆盖层5组成,第一覆盖层4是难熔金属、难熔合金或贵金属之一的实体覆盖层,或者是难熔金属、难熔合金或贵金属之一的薄膜覆盖层,第二覆盖层5是抑制发射金属钛、锆或铪之一的薄膜覆盖层。
上述两种类型异形束成形结构中所述的实体或薄膜覆盖层中的难熔金属是钨、钼或钨钼合金;贵金属是钽、铌。
当阴极表面覆盖层是单层型时,覆盖层的厚度在10-100微米范围内;当阴极表面覆盖层是两层型结构时,第一覆盖层是实体覆盖层时,厚度在10-100微米范围内,是难熔金属薄膜覆盖层时,膜厚在1-10微米范围内;第二覆盖层的厚度在0.1-10微米范围内。覆盖层上开孔的面积可以是几十平方微米到几平方厘米,开孔的侧壁可以垂直于覆盖层表面也可以与表面成20-80度角,为了减小电子束的边缘效应以20-30度角为佳。
实体覆盖层上的开孔可以通过激光微细加工、电火花加工等微细加工技术获得;薄膜覆盖层的获得可以采用射频磁控溅射、真空蒸发、化学气相沉积、多弧离子镀、脉冲激光沉积等方法获得,而薄膜覆盖层上开孔的加工则可以借助光刻、离子刻蚀等微细加工技术得到。
异形束的形状和电流密度可以通过电子发射均匀性测试装置得到的电流分布图直观的显示出来。在电子发射均匀性测试装置中,阳极的中心有一小孔(直径可以根据电子源发射电流大小在几个微米到几十个微米之间),当阳极和阴极之间加上脉冲高压时,通过该小孔的阴极局部发射电流被放大器放大后输出。该装置的阳极可以在纳米电机的带动下作平面内运动,因此可获得发射面的电流分布。本发明根据获得的电流分布图确定所形成的电子束的形状和电流密度大小。
覆盖层的厚度对电场分布影响很大。当覆盖层上开孔侧壁垂直于表面时,电场会在开孔边缘集中,这种畸变的电场分布会直接影响发射电流的大小和分布均匀性。为了减少或消除电场集中,可以设计成开孔的侧壁与阴极表面具有不同的倾角的结构。具体的倾角大小应该依据该结构在发射系统中的电场分布模拟结果来确定。借助Magic模拟程序对二维空间中等离子体物理过程的有限差分时域粒子的运动进行模拟,该软件可以模拟由于空间电荷分布所产生的电场和电子的运动轨迹。对电场的模拟结果表明,当覆盖层的厚度达到数十微米以上时,开孔边缘由于电场集中分布,使得该处的电场强度为开孔内部场强的数倍;而覆盖层的厚度为几个微米时,这种影响变得比较微弱,覆盖层的厚度应该在能够阻挡发射的前提下越小越好。
除了减小覆盖层的厚度减少电场集中外,也可以通过改变开孔的形状来达到同一效果。如果覆盖层上的开孔侧壁与覆盖层表面成20-80度的角度,则可减小边缘电场集中的影响。例如,厚度60微米的覆盖层上的开孔边缘设计成与覆盖层表面成30度角,开孔内部的电场强度也可以达到边缘场强的3/4。
本发明中所述的电子源所用阴极可以是高电流密度氧化钪掺杂浸渍型阴极,也可以是高电流密度氧化钪掺杂压制型阴极,还可以推广为浸渍型氧化钪阴极或其他含钡扩散型阴极。所述的电子源所用阴极可以提供电流密度50A/cm2以上的特定形状的电子束。
本发明将通过优选的实施例结合附图加以说明。
附图说明
图1为本发明所提供的高电流密度矩形束电子源的结构示意图;
图2为本发明所提供的高电流密度矩形束电子源结构的俯视图,图上显示电子发射区和非发射区。
图3为本发明提供的高电流密度方形束电子源的结构示意图;
图4为本发明提供的高电流密度方形束电子源结构的俯视图,图上显示电子发射区和非发射区。
图5为本发明提供的高电流密度矩形束电子源的电流分布图,图上显示的矩形发射区域两边长分别为200微米和800微米。
图6为边长为200微米和800微米的矩形束电子源发射区域的电流分布图主视图。
图7为本发明提供的高电流密度方形束电子源的电流分布图,图上显示的方形发射区域边长为600微米。
图8为边长为600微米的方形束电子源发射区域的电流分布图主视图。
图9为本发明提供的高电流密度圆形束电子源的电流分布图,图上显示的圆形发射区域直径为3毫米。
图10为直径为3毫米的圆形束电子源发射区域的电流分布图主视图。
具体实施方式
实施例1用于提供高电流密度异形束电子源的结构,包括Mo套筒,和钼套筒配合的热子,和钼套筒装配的氧化钪掺杂浸渍型阴极,以及难熔金属钨的实体覆盖层。将阴极与钼套筒通过激光焊焊接在一起,套筒下方埋入热子用来加热阴极。采用电火花加工在厚度为50微米的钨覆盖层上加工出开孔侧壁与表面成60度角的矩形区域,两边长分别为200微米和800微米,该矩形束电子源在900℃b工作时,发射区平均电流密度达到55A/cm2,边缘最大发射85A/cm2,且在此条件下稳定工作120小时。(结构参见图3,矩形束形状和电流分布参见图5和图6)
实施例2用于提供高电流密度异形束电子源的结构,包括Mo套筒,和钼套筒配合的热子,和钼套筒装配的氧化钪掺杂压制型阴极,以及贵金属铌的实体覆盖层。将阴极与钼套筒通过激光焊焊接在一起,套筒下方埋入热子用来加热阴极。采用激光微加工技术在厚度为100微米的铌覆盖层上加工出开孔侧壁与表面成80度角的矩形区域,两边长分别为100微米和400微米,该矩形束电子源在900℃b工作时,发射区平均电流密度达到50A/cm2,边缘最大发射85A/cm2,且在此条件下稳定工作200小时。
实施例3用于提供高电流密度异形束电子源的结构,包括Mo套筒,和钼套筒配合的热子,和钼套筒装配的氧化钪掺杂浸渍型阴极,以及钨钼合金的实体覆盖层。将阴极与钼套筒通过激光焊焊接在一起,套筒下方埋入热子用来加热阴极。采用电火花加工在厚度为10微米的钨钼合金覆盖层上加工出开孔侧壁与表面垂直的矩形区域,两边长分别为40微米和600微米,该矩形束电子源在900℃b工作时,发射区平均电流密度达到55A/cm2,边缘最大发射90A/cm2,且在此条件下稳定工作200小时。
实施例4用于提供高电流密度异形束电子源的结构,包括Mo套筒,和钼套筒配合的热子,和钼套筒装配的氧化钪掺杂压制型阴极,以及难熔金属钼的实体覆盖层。将阴极与钼套筒通过激光焊焊接在一起,套筒下方埋入热子用来加热阴极。采用激光微加工技术在厚度为60微米的钼覆盖层上加工出开孔侧壁与表面成20度角的方形区域,边长为600微米。该方形束电子源在950℃b工作时,发射区平均电流密度达到70A/cm2,边缘最大发射85A/cm2,该电子源的发射均匀性显著提高,且在此条件下稳定工作300小时。(结构参见图3,方形束形状和电流分布参见图7和图8)
实施例5用于提供高电流密度异形束电子源的结构,包括Mo套筒,和钼套筒配合的热子,和钼套筒装配的氧化钪掺杂浸渍型阴极,以及难熔金属钼实体覆盖层和抑制发射金属锆薄膜共同组成的发射阻挡层。将阴极与钼套筒通过激光焊焊接在一起,套筒下方埋入热子用来加热阴极。采用电火花加工在厚度为40微米钼覆盖层上加工出开孔侧壁与表面成20度角的方形区域,边长为120微米。接着采用射频磁控溅射在钼层表面沉积0.1微米厚锆膜,最后采用激光焊接的方法将覆盖有锆薄膜的金属钼实体覆盖层与钼套筒焊接在一起。该方形束电子源在950℃b工作时,发射区平均电流密度达到70A/cm2,边缘最大发射75A/cm2,该电子源的发射均匀性显著提高,且在此条件下稳定工作90小时。
实施例6用于提供高电流密度异形束电子源的结构,包括Mo套筒,和钼套筒配合的热子,和钼套筒装配的氧化钪掺杂压制型阴极,以及贵金属铌实体覆盖层和抑制发射金属铪薄膜共同组成的发射阻挡层。将阴极与钼套筒通过激光焊焊接在一起,套筒下方埋入热子用来加热阴极。采用激光微加工技术在厚度为80微米的铌覆盖层上加工出开孔侧壁与表面成30度角的圆形区域,直径为50微米。采用化学气相沉积技术在钼层表面沉积5微米厚铪膜。最后采用激光焊接的方法将覆盖有铪薄膜的金属铌实体覆盖层与钼套筒焊接在一起。该圆形束电子源在900℃b工作时,发射区平均电流密度达到65A/cm2,边缘最大发射75A/cm2,该电子源的发射均匀性比较好,且在此条件下稳定工作110小时。
实施例7用于提供高电流密度异形束电子源的结构,包括Mo套筒,和钼套筒配合的热子,和钼套筒装配的氧化钪掺杂浸渍型阴极,以及难熔金属钨和抑制发射金属锆组成的组合薄膜覆盖层。将阴极与钼套筒通过激光焊焊接在一起,套筒下方埋入热子用来加热阴极。借助脉冲激光沉积方法在阴极表面沉积3微米厚的钨膜和0.5微米厚的锆膜,采用镓离子源聚焦离子束在钨锆组合薄膜覆盖层上刻蚀出形状规则的矩形区域,两边长分别为30微米和700微米。该矩形束电子源在900℃b工作时,发射区平均电流密度达到60A/cm2,且在此条件下稳定工作近100小时。
实施例8用于提供高电流密度异形束电子源的结构,包括Mo套筒,和钼套筒配合的热子,和钼套筒装配的氧化钪掺杂压制型阴极,以及贵金属钽和抑制发射金属铪组成的组合薄膜覆盖层。将阴极与钼套筒通过激光焊焊接在一起,套筒下方埋入热子用来加热阴极。借助多弧离子镀技术在阴极表面沉积10微米厚的钽膜和3微米厚的铪膜,采用掩膜后氩离子束刻蚀在钽铪组合薄膜覆盖层上刻蚀出形状规则的圆形区域,直径为3毫米。该圆形束电子源在950℃b工作时,发射区平均电流密度达到100A/cm2,在此条件下稳定工作200小时。(结构参见图3,圆形束形状和电流分布参见图9和图10)
实施例9用于提供高电流密度异形束电子源的结构,包括Mo套筒,和钼套筒配合的热子,和钼套筒装配的氧化钪掺杂压制型阴极,以及贵金属铌和抑制发射金属钛组成的组合薄膜覆盖层。将阴极与钼套筒通过激光焊焊接在一起,套筒下方埋入热子用来加热阴极。采用脉冲激光沉积技术在阴极表面沉积7微米厚铌膜和10微米厚的钛膜,采用镓离子源聚焦离子束在铌钛薄膜覆盖层上刻蚀出形状规则的环形区域,内外环直径分别为60微米和2毫米。该环形束电子源在950℃b工作时,环形发射区平均电流密度达到95A/cm2,并在此条件下稳定工作150小时。
Claims (5)
1. 一种高电流密度异形束电子源,包括钼套筒(1),与钼套筒配合的热子(2),与钼套筒装配的阴极(3);其特征在于:
阴极表面在覆盖层的开口区域内形成发射区(6),而被覆盖层覆盖的结构构成非发射区(7);
阴极表面的覆盖层分单层型或两层型两种,当阴极表面的覆盖层是单层型时,由难熔金属、难熔合金或贵金属之一的实体覆盖层;
当阴极表面的覆盖层是两层型时,覆盖层由直接覆盖在阴极面上的第一覆盖层(4)和覆盖于第一覆盖层(4)上的第二覆盖层(5)组成,第一覆盖层(4)是难熔金属、难熔合金或贵金属之一的实体覆盖层,或者是难熔金属、难熔合金或贵金属之一的薄膜覆盖层,第二覆盖层(5)是抑制发射金属钛、锆或铪之一的薄膜覆盖层。
2. 按照权利要求1的电子源,其特征在于:上述两种类型异形束成形结构中所述的实体或薄膜覆盖层中的难熔金属是钨、钼或钨钼合金;贵金属是钽、铌。
3. 按照权利要求1的电子源,其特征在于:当阴极表面覆盖层是单层型时,覆盖层的厚度在10-100微米范围内;当阴极表面覆盖层是两层型结构时,第一覆盖层是实体覆盖层时,厚度在10-100微米范围内,是难熔金属薄膜覆盖层时,膜厚在1-10微米范围内;第二覆盖层的厚度在0.1-10微米范围内。
4. 按照权利要求1的电子源,其特征在于:覆盖层上开孔的面积为几十平方微米到几平方厘米。
5. 按照权利要求1的电子源,其特征在于:覆盖层上开孔的侧壁垂直于覆盖层表面或者与表面成20-80度角。
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