CN107527779B - 一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源，涉及微波、毫米波、亚毫米波和太赫兹电真空器件技术领域，包括由阴极块、阴极发射面、阳极块以及电子枪封装绝缘体构成的螺旋带状电子注冷阴极电子枪、周期结构金属壳、收集极、导引磁场发生器，阴极发射面为矩形；阳极块的下表面为向右下倾斜的斜面，阳极块位于阴极块的右上方；周期结构金属壳开设有贯穿周期结构金属壳左右两端的电子注通道，电子注通道的中部设有沿电子注通道轴向延伸的高频结构；收集极、电子注通道、阴极发射面位于一条直线上。本发明提出一种结构简单，使用寿命长，性能优良的螺旋带状电子注冷阴极电子枪，利用其电子注纵向速度与高频场互作用交出能量，实现电磁辐射。

Description

一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源

技术领域

本发明涉及微波、毫米波、亚毫米波和太赫兹电真空器件技术领域，特别涉及一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源。

背景技术

场致电子发射是与热电子发射在性质上完全不同的一种电子发射形式。热电子发射是靠升高物体的温度，给予物体内部的电子以附加的能量，使一些高能电子能够越过物体表面上的势垒而逸出，热电子发射所能提供的电流密度最高不过几百A/cm²，而且还有一段时间的迟滞；但即使把金属加热到发生显著蒸发的高温，能够逸出的电子数也只占金属中自由电子数的极小一部分，提供给阴极的热能绝大部分以热辐射的形式消耗掉了，这种热的耗散还给使用热阴极的电子器件以及整个仪器设备都带来不少的麻烦。场致电子发射的原理不同，它并不需要供给固体内的电子以额外的能量，而是靠很强的外部电场来压抑物体表面的势垒，使势垒的高度降低并使势垒的宽度变窄。由此，物体内的大量电子就能穿透过表面势垒而逸出，场致发射阴极可以提供107A/cm²以上的电流密度，没有发射的时间迟滞。所以，冷阴极由于电子发射效率高，可控性强，响应快和能够实现大面积电子发射等优点，在真空微电子器件上有重要应用前景。

现有技术中，场致发射电子源主要采用Spindt-type式的场致发射结构，Spindt-type式的场发射电子源为三极结构，包括阴极、阳极和栅极，栅极位于阴极和阳极中间，栅极产生强电场从阴极基底拉出电子，通过阴极发射体的传导，在阳极电压的加速和聚焦电压聚焦作用下发射聚束电子馈入注波互作用腔或其他器件中。但在阴极发射尖锥的制备过程中，在衬底基片上大量集成包含微发射体锥尖，由于发射体锥尖是μm量级，尺寸非常的小，制备工艺复杂，在保证单根发射体锥尖发射电子理想的情况下，却难以保证大量的发射体锥尖尺寸形状一致，从而影响了电子发射的效率以及阴极发射体的寿命。且绝缘层的存在，易混入杂质且降低了阴极的耐压性，影响阴极的正常工作。

在公开号为CN 102709133 A的专利文件中公开了《一种具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列及其制作方法和应用》，该专利中的嵌入式电极的冷阴极电子源也是采用了Spindt-type式的场发射结构。该冷阴极在衬底上刻蚀出具有阴极电极条图案的刻蚀槽；接着在刻蚀槽上制作阴极电极条；然后在阴极电极条上沉积绝缘层薄膜；再在绝缘层薄膜上制作与阴极电极条垂直的栅极电极条；接着对绝缘层薄膜进行刻蚀；露出阴极电极条；然后在特定局域制作生长源薄膜；最后对基板进行热氧化，即得到以纳米线作为阴极材料的具有嵌入式电机结构的电子源阵列。该专利技术的制作过程十分复杂，同时，还涉及到等离子体刻蚀、化学气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发等多种工艺；由于该嵌入式电极的冷阴极电子源阵列在微米量级，尺寸非常小，电子源阵列在这种复杂的工艺下，势必会造成冷阴极发射单元以及栅极的一致性较差，良品率低，其单一发射单元出现问题，则会导致周围多个乃至整体的冷阴极发射单元无法产生电流或发射电流不均匀。则栅极在制作中也极易造成不均匀和混入杂质，就会使电子打到栅网上造成局部的发射电流过大，局部发热，使得器件极易损坏，影响冷阴极电子源阵列的使用寿命。

因上述专利技术制作的是一种嵌入式电极的冷阴极电子源阵列，为了避免栅极与冷阴极短路，故在栅极与冷阴极加入了特定的绝缘介质。然而，正是由于加入了特定的绝缘介质，其介质较薄，在微米量级，使其在制作工艺中易混入金属屑或杂质，从而导致介质表面存在电流，造成打火现象，损毁器件的工作。同时，由于场致发射与表面电场强度有关，理论上电场强度越高越好，因此，对器件的耐压强度有极高的要求，但其结构中介质的引入，反而极大的降低了器件的耐压性，而无法产生大的电流。

因此，这种具有嵌入式电极的栅控式冷阴极电子源阵列不适用于电真空辐射源器件或需要大电流的器件中。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，提出一种结构简单，使用寿命长，性能优良的螺旋带状电子注冷阴极电子枪，利用其电子注纵向速度与高频场互作用交出能量，实现电磁辐射。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明公开的一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源，包括阴极块、阴极发射面、阳极块、电子枪封装绝缘体、周期结构金属壳、收集极、导引磁场发生器，所述阴极块的上表面为向右下倾斜的斜面，所述阴极发射面为矩形，阴极发射面附着在阴极块的上表面，所述阳极块的下表面为向右下倾斜的斜面，阳极块位于阴极块的右上方；所述阴极块(含阴极发射面)、阳极块嵌入在电子枪封装绝缘体内，通过连接密封技术构成真空密封的螺旋带状电子注冷阴极电子枪；所述周期结构金属壳位于阴极块的右方，周期结构金属壳与电子枪封装绝缘体连接，周期结构金属壳开设有贯穿周期结构金属壳左右两端的电子注通道，所述电子注通道的中部设有沿电子注通道轴向延伸的高频结构；所述收集极位于周期结构金属壳的右方，收集极、电子注通道、阴极发射面位于一条直线上；所述导引磁场发生器设置在螺旋带状电子注冷阴极电子枪、周期结构金属壳、收集极的外围。

传统的磁控注入枪结构是利用螺旋带状电子注的横向速度和高频场互作用，而本发明是利用螺旋带状电子注的纵向速度和高频场互作用，具有结构和理论的区别。螺旋带状电子注在传输的过程中有两个分向速度，一个是横向速度v_⊥，一个是纵向速度v_z，传统的回旋管是利用传统磁控电子注的横向速度v_⊥与高频场进行注波互作用，而本发明是利用螺旋带状电子注的纵向速度v_z和高频场进行互作用，实现微波、毫米波、亚毫米波和太赫兹电磁辐射。螺旋带状电子注横向速度的v_⊥与纵向速度v_z比值为α，称为横纵速度比，通过调节矩形阴极发射面的倾斜角，即阴极块上表面的倾斜角来改变α值，从而改变电子注纵向速度v_z的大小，如图3-4所示。

优选的，所述高频结构包括交错双栅、谐振腔、耦合腔或折叠波导结构。

优选的，所述交错双栅的两端分别设有交错渐变结构。

进一步的，所述高频结构的两端向外依次分别设有矩形波导a、弯曲波导，所述弯曲波导为四分之一圆环形，弯曲波导一端与电子注通道同轴，弯曲波导另一端与电子注通道垂直；

两个弯曲波导的另一端分别依次连接矩形波导b、矩形波导c、弯曲波导、矩形波导d，所述矩形波导d的端口加蓝宝石窗片；所述弯曲波导为四分之一圆环形。

进一步的，所述导引磁场发生器包括电子枪磁场发生器、高频系统磁场发生器、收集极端磁场发生器，所述电子枪磁场发生器设置在螺旋带状电子注冷阴极电子枪外围，所述高频系统磁场发生器设置在周期结构金属壳外围，所述收集极端磁场发生器设置在收集极外围。

优选的，所述电子枪磁场发生器、高频系统磁场发生器、收集极端磁场发生器的磁场强度选择范围为0.01-10T。

进一步的，还包括绝缘体连接件，所述周期结构金属壳与收集极通过绝缘体连接件连接。

进一步的，所述电子枪封装绝缘体上、下表面各有一个矩形孔，用于装入阴极块、阳极块，矩形孔大小贴合阴极块、阳极块，下表面矩形孔位置紧贴电子枪封装绝缘体内腔腔壁，上表面矩形孔位置可以变化用于改变阴阳极距离。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用螺旋带状电子注电子枪来实现了基于冷阴极的微波、毫米波、亚毫米波和太赫兹电真空器件辐射源，进一步发展了冷阴极作为真空电子器件的发射源；

2、本发明利用阳极电场拉出阴极电子，利用纵向磁场改变电子注运动轨迹有效地解决了冷阴极栅控电子枪结构导致的电子截获、通过率低、发射电流不均匀、打火等一系列问题；

3、本发明采用矩形倾斜面作为发射面来提高阴极发射面积，从而增大阴极发射电流，进一步实现基于冷阴极的高功率辐射源；

4、本发明利用带状电子注增大电子注与高频场的互作用面积，进一步实现基于冷阴极的高效率辐射源；

5、本发明对冷阴极电真空器件做到高功率、高效率、稳定化和微型化具有积极意义。

附图说明

图1为本发明实施案例的纵截面示意图(y-z)；

图2为图1的A部放大示意图；

图3为本发明实施案例的横截面示意图(x-z)；

图4为图1中带状电子注传播方向示意图；

图5为图4的B部放大示意图；

图中：

z轴为电子注通道轴向方向，y轴为竖直方向，x轴为水平且垂直于z轴方向；

阴极块1-1、阴极发射面1-2、阳极块2、电子枪磁场发生器3-1、高频系统磁场发生器3-2、收集极端磁场发生器3-3、螺旋带状电子注4、电子枪封装绝缘体5、电子注通道6、周期结构金属壳8、交错双栅10、绝缘体连接件12、收集极13；

输入端的：

交错渐变结构9-1、矩形波导a7-1、弯曲波导7-2、矩形波导b7-3、矩形波导c14-1、弯曲波导14-2、矩形波导d14-3、蓝宝石窗片14-4；

输出端的：

交错渐变结构9-2、矩形波导a11-1、弯曲波导11-2、矩形波导b11-3、矩形波导c15-1、弯曲波导15-2、矩形波导d15-3、蓝宝石窗片15-4。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1-5所示，本实施案例提供了一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源，其中主要包括螺旋带状注电子枪(由阴极块1-1、阴极发射面1-2、阳极块2、电子枪封装绝缘体5构成)、引导磁场3(由电子枪磁场发生器3-1、高频系统磁场发生器3-2、收集极端磁场发生器3-3产生)、周期结构金属壳8和收集极13等部件，该螺旋带状电子注冷阴极辐射源系统无介质填充(为真空环境)。电子枪的阴极发射面1-2材料可按要求选择不同的材料，如：碳纳米管，金属尖端，石墨烯等。本案例选用的是碳纳米管材料。阴极发射面1-2倾角可以根据所需纵向速度的要求以及阳极电压大小的要求进行调节。阴极块1-1与阳极块2之间的距离可控，阴极产生均匀的大电流并可以被压缩成高电流密度的电子注，可为电真空器件提供电子注源。

该螺旋带状电子注电子枪制作方法如下：首先加工一个20mm×16mm×8mm(坐标：x×y×z,以下均是)不锈钢金属块，上表面离边长1cm以45°切除一块三角形柱形成直角梯形柱(即上表面为斜面)作为阴极块1-1，在阴极块1-1斜面种植一块3.6mm×0.868mm(与斜面平行坐标)平面大小的碳纳米管作为阴极发射面1-2，发射面中心位置与电子注通道中心位置在一条直线上。再加工一个20mm×11mm×8mm不锈钢金属块，下表面离边长1cm以45°切除一块三角形柱形成直角梯形柱(即下表面为斜面)作为阳极块2。进一步加工一个矩形陶瓷的电子枪封装绝缘体5，外尺寸为30mm×26mm×40mm，内部结构分为前端电子枪腔体和后端连接周期结构腔体，前端尺寸为20mm×18mm×15mm，后端尺寸为20mm×10mm×17mm，陶瓷左端封闭右端开口，陶瓷下表面沿内腔-z方向的腔壁切出尺寸为20mm×8mm×8mm的矩形孔，陶瓷上表面沿内腔+z方向的腔壁切出尺寸为20mm×3mm×8mm的矩形孔。阴极块1-1通过下表面矩形孔放入电子枪封装绝缘体内，阳极块2通过上表面矩形孔放入电子枪封装绝缘体内。本案例中，阴极发射电流为100mA，阴极加负高压-20kV，阳极接地，阴阳极z轴向距离2mm。阴极块1-1、阳极块2以及后面的周期结构金属壳8与电子枪封装绝缘体5采用焊接法密封。

如图1、2所示，8为周期结构金属壳，选用不锈钢材料，外壳尺寸为20mm×10mm×174.8mm,两端口电子注通道6为3.6mm×13mm×0.6mm。加工周期结构是采用一半加工方法，在两块20mm×5mm×174.8mm的不锈钢金属块上采用激光刻蚀，刻蚀出上(下)栅、输入端的交错渐变结构9-1、输出端的交错渐变结构9-2、输入端的矩形波导a7-1、输出端的矩形波导a 11-1、输入端的弯曲波导7-2、输出端的弯曲波导11-2、两端电子注通道6(该电子注通道与弯曲波导一端端口以及交错双栅同轴)、输入端矩形波导7-3、输出端矩形波导11-3，接着两块金属块组合成周期慢波结构。交错双栅10的栅块尺寸为5mm×1.8mm×0.8mm，周期为3mm，周期数为22，交错双栅10的交错距离为半周期。输入输出端都是采用6个交错渐变结构过渡，栅缝深度t、栅缝宽度g、栅块高度d、以及栅块宽度w都是按照等差数列变化，栅缝深度t以0.2mm公差减小，栅缝宽度g以0.3mm公差减小、栅块高度d以0.1mm公差减小，栅块宽度w以0.3mm公差增大。两端刻蚀5mm×2.7mm×19.5mm的输入端的矩形波导a7-1和输出端的矩形波导a11-1，然后分别接一段半径为5mm的1/4圆弯曲波导7-2(11-2)从周期结构的侧面输入输出，同样再分别连接5mm×2.7mm×7.5mm的输入端的矩形波导b7-3和输出端的矩形波导b11-3，整个周期结构的侧面输入输出再分别接5mm×2.7mm×7mm(z×y×x)的输入端的矩形波导c14-1和输出端的矩形波导c15-1，然后再分别接一段半径为5mm的1/4圆弯曲波导14-2(15-2)，再分别连接一段5mm×2.7mm×19.5mm的输入端的矩形波导d14-3和输出端的矩形波导d15-3，输入端的矩形波导d14-3端口加蓝宝石窗片14-4，输出端的矩形波导d15-3端口加蓝宝石窗片15-4。周期结构金属壳8侧面连接的输入结构14和输出结构15采用焊接法密封，输入结构14和输出结构15采用不锈钢材料且壁厚为5mm。

进一步，用空心矩形柱陶瓷绝缘体连接件12封装周期结构金属壳8和收集极13，陶瓷外尺寸为30mm×20mm×30mm，内尺寸为20mm×10mm×30mm，收集极13也采用不锈钢材料，与周期结构金属壳8的距离为10mm放置，外尺寸为20mm×10mm×30mm，内腔是一段6mm×2mm×2mm的电子注通道加一段14mm×4mm×20mm的矩形腔体，接着是一段底面14mm×4mm顶面1mm×1mm高度5mm的锥台腔体。周期结构金属壳8、收集极13和绝缘体连接件12采用焊接法密封。

为了让电子便于收集需要对电子进行减速，所以在收集极13上加负高压-2kV。整管是工作在内半径为40mm的三段导引磁场发生器3内，三段导引磁场发生器均为永磁体。电子枪磁场发生器3-1的磁场强度为1T，高频系统磁场发生器3-2的磁场强度为2T、收集极端磁场发生器3-3的磁场强度为0.5T。

上文已经结合附图对本发明的一个实施案例进行了详细描述，依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明螺旋带状电子注冷阴极辐射源有了清楚的认识，此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方案中提到的各种具体结构或形状。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案仍然与本发明一样，故其也在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源，其特征在于：包括阴极块(1-1)、阴极发射面(1-2)、阳极块(2)、电子枪封装绝缘体(5)、周期结构金属壳(8)、收集极(13)、导引磁场发生器，所述阴极块(1-1)、阴极发射面(1-2)、阳极块(2)封装在电子枪封装绝缘体(5)内构成螺旋带状电子注冷阴极电子枪；所述阴极块(1-1)的上表面为向右下倾斜的斜面，所述阴极发射面(1-2)为矩形，阴极发射面(1-2)附着在阴极块(1-1)的上表面；所述阳极块(2)的下表面为向右下倾斜的斜面，阳极块(2)位于阴极块(1-1)的右上方；所述周期结构金属壳(8)位于阴极块(1-1)的右方，周期结构金属壳(8)与电子枪封装绝缘体(5)连接，周期结构金属壳(8)开设有贯穿周期结构金属壳(8)左右两端的电子注通道(6)，所述电子注通道(6)的中部设有沿电子注通道(6)轴向延伸的高频结构；所述收集极(13)位于周期结构金属壳(8)的右方，收集极(13)、电子注通道(6)、阴极发射面(1-2)位于一条直线上；所述导引磁场发生器设置在螺旋带状电子注冷阴极电子枪、周期结构金属壳(8)、收集极(13)的外围，冷阴极辐射源利用所述螺旋带状电子注冷阴极电子枪发射出的螺旋带状电子注的纵向速度和高频场互作用。

2.根据权利要求1所述的一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述高频结构包括交错双栅(10)、谐振腔、耦合腔或折叠波导结构。

3.根据权利要求2所述的一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述交错双栅(10)的两端分别设有交错渐变结构(9-1、9-2)。

4.根据权利要求1所述的一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述高频结构的两端向外依次分别设有矩形波导a(7-1、11-1)、弯曲波导(7-2、11-2)，所述弯曲波导(7-2、11-2)为四分之一圆环形，弯曲波导(7-2、11-2)一端与电子注通道(6)同轴，弯曲波导(7-2、11-2)另一端与电子注通道(6)垂直；

两个弯曲波导(7-2、11-2)的另一端分别依次连接矩形波导b(7-3、11-3)、矩形波导c(14-1、15-1)、弯曲波导(14-2、15-2)、矩形波导d(14-3、15-3)，所述矩形波导d(14-3、15-3)的端口加蓝宝石窗片(14-4、15-4)；所述弯曲波导(14-2、15-2)为四分之一圆环形。

5.根据权利要求1所述的一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述导引磁场发生器包括电子枪磁场发生器(3-1)、高频系统磁场发生器(3-2)、收集极端磁场发生器(3-3)，所述电子枪磁场发生器(3-1)设置在螺旋带状电子注冷阴极电子枪外围，所述高频系统磁场发生器(3-2)设置在周期结构金属壳(8)外围，所述收集极端磁场发生器(3-3)设置在收集极(13)外围。

6.根据权利要求5所述的一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述电子枪磁场发生器(3-1)、高频系统磁场发生器(3-2)、收集极端磁场发生器(3-3)为周期磁场发生器、永磁体或线包磁体。

7.根据权利要求6所述的一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述电子枪磁场发生器(3-1)、高频系统磁场发生器(3-2)、收集极端磁场发生器(3-3)的磁场强度选择范围为0.01-10T。

8.根据权利要求1所述的一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源，其特征在于：还包括绝缘体连接件(12)，所述周期结构金属壳(8)与收集极(13)通过绝缘体连接件(12)连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于螺旋带状电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述电子枪封装绝缘体(5)的上、下表面各有一个用于装入阴极块(1-1)、阳极块(2)的矩形孔，矩形孔的大小分别与阴极块(1-1)、阳极块(2)适配。