CN102832085B - 一种大电流发射的复合阴极结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大电流发射的复合阴极结构，热阴极材料和场发射材料采用有序交错分布的方式制备在阴极基底表面，充分利用了材料的互补特性，即利用复合结构中场发射材料发射所产生的局部高温加热热阴极材料促其产生热电子发射，并在一定程度上弥补了高温下场发射阴极损伤带来的发射电流跌落，使电子发射的电流密度显著提升，阴极可靠性得到保证，在大功率电子器件中有极强的应用潜力。

Description

一种大电流发射的复合阴极结构
技术领域
本发明属于真空电子器件领域，涉及一种热阴极材料与场发射材料的复合结构。
背景技术
大电流密度阴极电子发射源，是大功率电子器件（如大功率微波放大器、回旋加速器等）的关键技术之一。电子器件的阴极材料主要分为场发射材料（冷阴极材料）和热发射阴极材料等，其中热发射阴极材料的电子发射机理是：阴极材料受热达到一定的温度时，内部电子能量大到足以克服表面势垒作用时，便会形成热电子发射。热阴极材料性能稳定，发射电流密度大，但其电子发射需要高温加热，这就导致热阴极功耗大、温度高以及不能即时响应，难以实现微型化、集成化，如今较为广泛使用的热阴极材料为钪系热阴极材料，主要是在铝酸钡盐中加入微量的含钪物质；而冷阴极一般是指场发射阴极，在强电场作用下发生量子隧穿效应，使电子逸出固体表面，这种阴极仍处于应用的中初级阶段，现在其采用的场发射材料主要为碳纳米管、金刚石薄膜、石墨烯和纳米尺度氧化物等。
为获得更佳的性能，人们对场发射材料尝试了多种复合方式，主要集中在富勒烯/碳纳米管、富勒烯/石墨烯等材料的复合制备方式上。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种发射寿命长，稳定性好，结构简单的大电流发射的复合阴极结构。       
技术方案：本发明的大电流发射的复合阴极结构，包括阴极基底和设置在阴极基底一侧的一个圆形的敷设区和至少一个圆环形的敷设区，圆环形的敷设区与圆形的敷设区同心、并由内至外排列在圆形的敷设区外侧，所有敷设区上均敷设有阴极材料，任一敷设区上只敷设一种阴极材料，两相邻敷设区上敷设的阴极材料相异，分别为热阴极材料和场发射材料，敷设热阴极材料的敷设区的半径或圆环宽度均小于敷设场发射材料的敷设区的圆环宽度或半径。其中的圆环宽度是指圆环的大圆半径与小圆半径之差。
本发明中，阴极基底为金属基片。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的复合阴极结构避免了热阴极使用中必须高温加热来获得电流发射，同时改善了场发射阴极（冷阴极）的发射性能，提高了能量利用率。
本发明复合结构中阴极基底的材质为金属基片，金属材料具有优良的导热导电性，其不但有助于阴极热量的散失，而且使得场发射材料产生的热量快速传递至热阴极材料区，有助于电流发射。
该复合结构中使用的场发射主体材料为碳纳米管，场发射材料在电子发射后期阶段产生大量的热量，同时热阴极材料吸收其中的部分热量产生电子发射，这使得阴极温度不至于持续升高而使场发射材料熔化烧毁，在保证发射电流稳定的同时，延长了场发射材料的寿命。
本发明的这种复合结构充分利用了场发射材料与热阴极材料的性能互补：初始阶段阴极发射的电子主要来自场发射材料，随着电流的增大及时间的增加，阴极基底快速升高，当达到某一临界温度时，热阴极材料开始发射电子，使得发射电流密度得到提高或维持，延长了阴极的寿命，提高了整体性能。这种性能互补的结构模式，不需要额外增加加热装置，有效提高了能量利用率，并且保留了场发射阴极快速响应的特点，显著提高了阴极的发射性能。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例2的结构示意图。
图3为本发明实施例3的结构示意图。
图中有：阴极基底1、热阴极材料2、场发射材料3。
具体实施方式
现以热阴极材料钪系铝酸盐及场发射材料碳纳米管为例，通过以下实施例进一步说明本发明的大电流发射的复合阴极结构。
本发明的大电流发射的复合阴极结构，包括阴极基底1和设置在阴极基底1一侧的一个圆形的敷设区和至少一个圆环形的敷设区，圆环形的敷设区与圆形的敷设区同心、并由内至外排列在圆形的敷设区外侧，所有敷设区上均敷设有阴极材料，任一敷设区上只敷设一种阴极材料，两相邻敷设区上敷设的阴极材料相异，分别为阴极材料为热阴极材料2和场发射材料3，敷设热阴极材料的敷设区的半径或圆环宽度均小于敷设场发射材料的敷设区的圆环宽度或半径。
本发明中，阴极基底为金属基片。
实施例1：
1）如图1，在阴极基底1的中心位置处敷设热阴极材料2，形成一个圆形的敷设区，本实施例中热阴极材料2采用铝酸盐；
2）在阴极基底1中心的圆形的敷设区外敷设场发射材料3，形成一个圆环形的敷设区，圆环形的敷设区的宽度大于圆形的敷设区的直径，本实施例中场发射材料3采用碳纳米管；
3）将上述敷设有阴极材料的金属基底置于氢气氛围内加热至1200℃，恒温2小时，冷却后制得阴极。
实施例2：
1）如图2，在阴极基底1的中心位置及由内向外第二个圆环处敷设场发射材料3，形成一个圆形的敷设区和一个圆环形的敷设区，本实施例中场发射材料3采用碳纳米管；
2）在圆形的敷设区向外第一个圆环处敷设热阴极材料2，形成一个圆环形的敷设区，本实施例中热阴极材料2采用铝酸盐，其中敷设场发射材料3的敷设区的宽度均大于敷设热阴极材料2的敷设区的宽度；
3）将上述敷设有阴极材料的金属基底置于氢气氛围中加热至1200℃，恒温2小时，冷却后制得阴极。
实施例3：
1）如图3，在阴极基底1的中心位置及由内向外第二个圆环处敷设热阴极材料2，形成一个圆形敷设区和一个圆环敷设区，本实施例中热阴极材料2采用铝酸盐；
2）在圆形敷设区向外第一个圆环和第三个圆环处敷设场发射材料3，形成两个圆环敷设区，其中敷设场发射材料3的敷设区的宽度均大于敷设热阴极材料2的敷设区的宽度，本实施例中场发射材料3采用碳纳米管；
3）将上述敷设有阴极材料的金属基底置于氢气氛围内加热至1200℃，恒温2小时，冷却后制得阴极。

Claims (2)

1.一种大电流发射的复合阴极结构，其特征在于，该复合阴极结构包括阴极基底(1)和设置在所述阴极基底(1)一侧的一个圆形的敷设区和至少一个圆环形的敷设区，所述圆环形的敷设区与圆形的敷设区同心、并由内至外排列在圆形的敷设区外侧，所有敷设区上均敷设有阴极材料，任一敷设区上只敷设一种阴极材料，两相邻敷设区上敷设的阴极材料相异，分别为热阴极材料(2)和场发射材料(3)，敷设热阴极材料(2)的敷设区的半径或圆环宽度均小于敷设场发射材料(3)的敷设区的圆环宽度，或者：敷设热阴极材料(2)的敷设区的圆环宽度均小于敷设场发射材料(3)的敷设区的圆环宽度或半径。
2.根据权利要求1所述的大电流发射的复合阴极结构，其特征在于，所述的阴极基底为金属基片。
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