CN104319215B - 一种圆台和柱形组合栅孔结构的圆形平面冷阴极的电子枪 - Google Patents
一种圆台和柱形组合栅孔结构的圆形平面冷阴极的电子枪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种圆台和柱形组合栅孔结构的圆形平面冷阴极的电子枪，包括阴极、栅极、第一阳极和第二阳极，所述阴极包括阴极基板和制作在阴极基板上表面的场发射阴极，所述场发射阴极覆盖住所述圆台状突起结构的上表面圆面部位，形成圆形平面阴极。本发明与传统场发射阴极电子枪技术相比，不仅具有发射面电场均匀分布且容易控制、发射均匀性好，能够有效的避免传统场发射阴极因边缘场过于集中带来的打火、阴极损伤；在栅极和第一阳极的组合控制下，还能够使得发射电子束的运动轨迹的汇聚的趋势更加明显。
Description
技术领域
本发明涉及电子枪领域，具体涉及一种圆台和柱形组合栅孔结构的圆形平面冷阴极的电子枪。
背景技术
传统的场发射阴极电子枪技术，特别是采用丝网印刷方法制作的场发射阴极电子枪，如图1所示，包括阴极、栅极、第一阳极和第二阳极，所述阴极包括阴极基板和制作在阴极基板表面上的阴极发射材料(冷阴极材料或场发射阴极)，所述栅极设置在阴极和第一阳极之间，在栅极上设置有与阴极发射材料对应的栅孔，所述第一阳极设置在栅极和第二阳极之间，在第一阳极上设置有与栅孔对应的第一阳极孔；一般阴极基板为平板金属结构，阴极发射材料制作在阴极基板的中心区域，所述栅极和第一阳极用于控制阴极发射材料的发射；在阴极上施加零电位，栅极上施加电压Vg以控制阴极发射材料发射电流，在第一阳极和第二阳极上施加同样大小的正高压Va以抽取电子。
在传统结构中，当栅极上施加控制阴极发射的正电位时，由于阴极基板边缘部分电场将比较强，如果阴极发射材料制作的面积完全覆盖阴极基板，则阴极发射材料在边缘部分的发射因为电场强而发射电流大，而中心区域因为电场相对弱而发射很少甚至不发射，产生发射的不均匀；因此要避免边缘效应的发生，一般将阴极发射材料制作在阴极基板的中心部分，面积做得比阴极基板的面积小。
在传统结构中，栅孔呈圆柱形，对电势分布的影响相对较弱，电子束的运动轨迹有的有微弱的汇聚，有的甚至没有汇聚效果。在传统结构中，第一阳极孔亦成圆柱形，对电势分布的影响相对较弱，电子束穿过第一阳极孔时，其运动轨迹不会得到改善。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供一种圆台和柱形组合栅孔结构的圆形平面冷阴极的电子枪，通过改变栅孔和发射阴极形状，避免传统场发射阴极因边缘场过于集中带来的打火、阴极损伤以及电子束轨迹发散等问题，解决了现有技术的不足。
技术方案:一种圆台和柱形组合栅孔结构的圆形平面冷阴极的电子枪，包括阴极、栅极、第一阳极和第二阳极，所述阴极包括阴极基板和制作在阴极基板上表面的场发射阴极，所述栅极设置在阴极和第一阳极之间，在栅极上设置有与场发射阴极对应的栅孔，所述第一阳极设置在栅极和第二阳极之间，在第一阳极上设置有栅极对应的栅孔；所述阴极基板上表面对应栅孔的位置设置有圆台状突起结构，所述场发射阴极覆盖住所述圆台状突起结构的上表面部位，形成圆形平面阴极。
所述圆台状突起结构，可以增加阴极基板周边区域相对于圆台状突起结构的上表面圆面区域与栅极的距离，减小阴极基板周边区域的电场强度；当栅极施加电压后，能够抵消在阴极基板边缘形成的边缘场效应，补偿场发射阴极中心区域与边缘区域的电场差。设计圆台状突起结构，突出上表面圆面区域，体现平面结构的电场强度分布均匀的优势。
所述栅孔的内径，沿其轴向先减小后不变再增大，形成两个燕尾与中间柱形过渡相对接的结构；以柱形上下底面为横截面，将栅极分为上中下三部分，阳极的一侧称为上极板，阴极的一侧称为下极板，以及中间柱形栅孔极板。下极板的坡口设计，可以减小栅极与场发射阴极之间的距离，从而获得较大的发射电场，进一步增大场发射阴极表面的电场强度，以更好地抵消边缘场效应；上极板的坡口设计，可以改变上极板附近的电势分布，从而改变电子束的运动轨迹，使得电子束的汇集趋势更加明显；而中间的柱形栅孔极板，起到了调节作用，一方面能够缓和因栅极下极板的电势分布而导致的电子束轨迹的发散，使得上极板附近的电势分布能够切实的改变电子束的运动轨迹；另一方面能够缓和因结构的尖锐变化而对周围电场带来的大强度的改变，使得阴极圆形发射平面表面保持匀强电场，更好的克服边缘场效应现象，提高阴极场发射表面的发射均匀性。
另外，上极板和下极板的坡口倾斜角度可以相同也可以不同；调节下极板坡口的倾斜角度，可以调整场发射阴极表面电场的均匀性，有效克服边缘场效应，提高阴极场发射表面的发射均匀性；调节上极板坡口的倾斜角度，可以调整栅极上极板附近的电势分布，使得电子束的运动轨迹汇聚。
同时，需要指出的是，以柱形栅孔结构将栅极分成上电极、柱形栅孔电极和下电极三部分，在保证中间柱形栅孔电极存在的前提下，可以仅设计上电极或仅设计下电极具备坡口结构，甚至栅极可以设计为不具备上电极或不具备下电极的结构。
所述第一阳极的内径，沿其轴向逐渐减小，形成圆台状第一阳极孔径结构。其坡口设计，可以调节第一阳极孔径附近的电势分布，从而调节电子束的运动轨迹，使得电子束的汇聚趋势更加的明显。
作为一种具体结构，所述场发射阴极覆盖住圆台状突起结构的上表面部位；当栅极施加电压后，能够更有效的减少在场发射阴极边缘形成的边缘场效应，并且减小栅极对电子束的截获率。
所述场发射阴极采用物理沉积、化学气相沉积、丝网印刷或电弧方法制作在阴极基板上表面上。
所述场发射阴极为纳米材料冷阴极、场发射阴极薄膜或场发射微尖阵列。
所述场发射阴极的材料为碳纳米管、纳米氧化锌、石墨烯中的一种或两种以上的混合。
本发明的设计原理，同样可以应用于设计X射线管、微波管，以及其他冷阴极真空电子器件中，用于提高阴极表面场发射均匀性，提高器件性能。
有益效果：本发明提供的圆形平面阴极与圆台、柱形组合栅孔对应的冷阴极电子枪，与传统场发射阴极电子枪技术相比，不仅具有阴极发射面电场均匀分布，发射均匀性好，能够避免传统场发射阴极因边缘场过于集中带来的打火、阴极损伤等问题，还可以有效的调节电子束的运动轨迹，使打在第二阳极基板上的电子束汇聚。
附图说明
图1为传统的冷阴极三级管结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图2所示，一种圆台和柱形组合栅孔结构的圆形平面冷阴极的电子枪，包括阴极、栅极3、第一阳极8和第二阳极10，所述阴极包括阴极基板1和制作在阴极基板1上表面的场发射阴极2，所述栅极3设置在阴极和第一阳极8之间，在栅极3上设置有与场发射阴极2对应的栅孔7，所述第一阳极8设置在栅极3和第二阳极10之间，在第一阳极上设置有与栅极3对应的第一阳极孔9；所述阴极基板1上表面对应栅孔7的位置设置有圆台状突起结构，所述场发射阴极2覆盖住所述圆台状突起结构的圆形平面部位，形成圆形平面阴极；所述栅孔7的内径，沿其轴向先减小后不变再增大，形成上下两个燕尾与中间柱形栅孔过渡组合对接结构；以柱形栅孔上下底面为横截面，将栅极3分为上中下两部分，靠近第一阳极8的一侧称为上极板6，靠近阴极1的一侧称为下极板4，以及中间的柱形栅孔极板5。
所述圆台状突起结构，可以增加阴极基板周边区域相对于圆台状突起结构的上表面圆面区域与栅极的距离，减小阴极基板周边区域的电场强度；当栅极施加电压后，能够抵消在阴极基板边缘形成的边缘场效应，补偿场发射阴极中心区域与边缘区域的电场差。设计圆台状突起结构，突出上表面圆面区域，体现平面结构的电场强度分布均匀的优势。
所述栅孔的内径，沿其轴向先减小后不变再增大，形成两个燕尾与中间柱形过渡相对接的结构；以柱形上下底面为横截面，将栅极分为上中下三部分，阳极的一侧称为上极板，阴极的一侧称为下极板，以及中间柱形栅孔极板。下极板的坡口设计，可以减小栅极与场发射阴极之间的距离，从而获得较大的发射电场，进一步增大场发射阴极表面的电场强度，以更好地抵消边缘场效应；上极板的坡口设计，可以改变上极板附近的电势分布，从而改变电子束的运动轨迹，使得电子束的汇集趋势更加明显；而中间的柱形栅孔极板，起到了调节作用，一方面能够缓和因栅极下极板的电势分布而导致的电子束轨迹的发散，使得上极板附近的电势分布能够切实的改变电子束的运动轨迹；另一方面能够缓和因结构的尖锐变化而对周围电场带来的大强度的改变，使得阴极圆形发射平面表面保持匀强电场，更好的克服边缘场效应现象，提高阴极场发射表面的发射均匀性。
另外，上极板和下极板的坡口倾斜角度可以相同也可以不同；调节下极板坡口的倾斜角度，可以调整场发射阴极表面电场的均匀性，有效克服边缘场效应，提高阴极场发射表面的发射均匀性；调节上极板坡口的倾斜角度，可以调整栅极上极板附近的电势分布，使得电子束的运动轨迹汇聚。
同时，需要指出的是，以柱形栅孔结构将栅极分成上电极、柱形栅孔电极和下电极三部分，在保证中间柱形栅孔电极存在的前提下，可以仅设计上电极或仅设计下电极具备坡口结构，甚至栅极可以设计为不具备上电极或不具备下电极的结构。
所述第一阳极的内径，沿其轴向逐渐减小，形成圆台状第一阳极孔径结构。其坡口设计，可以调节第一阳极孔径附近的电势分布，从而调节电子束的运动轨迹，使得电子束的汇聚趋势更加的明显。
作为一种具体结构，所述场发射阴极覆盖住圆台状突起结构的上表面部位；当栅极施加电压后，能够更有效的减少在场发射阴极边缘形成的边缘场效应，并且减小栅极对电子束的截获率。
所述场发射阴极采用物理沉积、化学气相沉积、丝网印刷或电弧方法制作在阴极基板上表面上。
所述场发射阴极为纳米材料冷阴极、场发射阴极薄膜或场发射微尖阵列。
所述场发射阴极的材料为碳纳米管、纳米氧化锌、石墨烯中的一种或两种以上的混合。
本发明的设计原理，同样可以应用于设计X射线管、微波管，以及其他冷阴极真空电子器件中，用于提高阴极表面场发射均匀性，提高器件性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种圆台和柱形组合栅孔结构的圆形平面冷阴极的电子枪，包括阴极、栅极(3)、第一阳极(8)和第二阳极(10)，所述阴极包括阴极基板(1)和制作在阴极基板(1)上表面的场发射阴极(2)，所述栅极(3)设置在阴极和第一阳极(8)之间，在栅极(3)上设置有与场发射阴极(2)对应的栅孔(7)；其特征在于：所述阴极基板(1)上表面对应栅孔(7)的位置设置有圆台状突起结构，所述场发射阴极(2)覆盖住圆台状突起结构的上表面，形成圆形平面阴极；所述栅孔(7)的内径沿其轴向先减小后不变再增大，形成上下两个燕尾与中间柱形栅孔过渡对接的结构；以柱形栅孔极板上下底面为横截面，将栅极(3)分为上中下三部分，靠近第一阳极(8)的一侧称为上极板(6)，靠近阴极的一侧称为下极板(4)，以及中间的柱形栅孔极板(5)；
所述第一阳极孔(9)的内径，沿其轴向逐渐减小，形成圆台状第一阳极孔结构；
所述场发射阴极(2)覆盖住圆台状突起结构的上表面部位；
所述场发射阴极(2)采用物理沉积、化学气相沉积、丝网印刷或电弧方法制作在阴极基板(1)上表面上。
2.根据权利要求1所述的一种圆台和柱形组合栅孔结构的圆形平面冷阴极的电子枪，其特征在于：所述场发射阴极(2)为纳米材料冷阴极、场发射阴极薄膜或场发射微尖阵列。
3.根据权利要求1所述的一种圆台和柱形组合栅孔结构的圆形平面冷阴极的电子枪，其特征在于：所述场发射阴极(2)的材料为碳纳米管、纳米氧化锌、石墨烯中的一种或两种以上的混合。
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