CN107591300A - 一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源，属于微波、毫米波、亚毫米波和太赫兹频段辐射源技术领域，包括电子枪、输入结构、输出结构、高频系统、收集极，电子枪包括阴极、第一阳极、第二阳极、第三阳极，阴极固定在电子枪底座上，阴极上设有用于发射电子注的碳纳米管；第一阳极正对碳纳米管，第一阳极、第二阳极、第三阳极沿电子注传播方向排列；电子枪、高频系统、收集极依次连接，输入结构、输出结构与高频系统的两头连接。本发明利用做螺旋运动的电子与高频场发生互作用，进而把做螺旋运动的电子的纵向能量交给高频场，实现电磁辐射，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。

Description

一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源

技术领域

本发明涉及微波、毫米波、亚毫米波和太赫兹频段的辐射源技术领域，特别涉及一种基于螺旋环形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机条；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机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

本发明旨在针对背景技术存在的缺陷，提出一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源，利用做螺旋运动的电子与高频场发生互作用，进而把做螺旋运动的电子的纵向能量交给高频场，实现电磁辐射，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。

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环形电子注冷阴极辐射源，包括电子枪、输入结构、输出结构、高频系统、收集极，

所述电子枪包括电子枪底座、阴极、第一阳极、第二阳极、第三阳极，所述阴极固定在电子枪底座上，阴极上设有用于发射电子注的碳纳米管；所述第一阳极正对碳纳米管，第一阳极、第二阳极、第三阳极沿电子注传播方向排列，第一阳极与第二阳极之间有间距，第二阳极与第三阳极之间有间距；所述电子枪底座、第一阳极、第二阳极、第三阳极之间均采用陶瓷封装；

所述高频系统设有电子注通道，所述电子注通道的左端与第三阳极连接，电子注通道的右端与收集极采用陶瓷连接封装；所述输入结构、输出结构分别以贯穿所述管壳10方式与所述管壳10密封连接；输入结构包括高频电磁场输入腔、高频输入窗，所述高频电磁场输入腔的一端与电子注通道连通，高频电磁场输入腔的另一端由高频输入窗封装；输出结构包括高频电磁场输出腔、高频输出窗，所述高频电磁场输出腔的一端与电子注通道连通，高频电磁场输出腔的另一端由高频输出窗封装。

工作时，要保持整个器件内部封闭处于真空状态，使微波信号尽可能无损耗地从管外传输线传送到管内的高频系统中或是从高频系统中传送到管外的传输线。电子枪发射出来的电子注经过调制之后进入高频系统，在高频系统中电子注与高频场发生互作用，把电子注的纵向能量交给高频场实现了高频信号的放大。电子注经过高频系统之后，交出其纵向能量给高频场，使电磁波信号放大，离开高频场的电子注仍然包含一部分相当大的能量，此时就是利用收集极来回收这部分能量。

本发明与传统回旋管不同，传统的回旋管中电子注的群聚在角向形成，电子注以横向能量W_⊥为主，能量交换也在横向上进行。本发明是利用螺旋环形电子注的纵向速度V_∥与高频场发生互作用，利用电子注的纵向能量W_∥与高频系统的高频场进行能量交换，实现电磁辐射。

优选的，所述输入结构、输出结构为同轴结构或波导结构。

优选的，所述高频输入窗、高频输出窗为陶瓷或蓝宝石材质。

进一步的，所述高频系统为螺旋线周期慢波结构、盘荷波导结构或开放式谐振腔结构。

进一步的，所述螺旋线周期慢波结构的高频系统包括管壳、夹持杆、螺旋线，所述螺旋线设置在电子注通道的侧壁，螺旋线与管壳之间通过夹持杆固定。

优选的，所述夹持杆的材质为氧化铍，所述螺旋线的材质为铜。

优选的，所述阴极为圆柱形，长方体或圆台形，阴极底面与电子枪底座连接，所述碳纳米管设置在阴极侧面；所述第一阳极、第二阳极、第三阳极为管状，所述阴极、第一阳极、第二阳极、第三阳极同轴设置。

进一步的，所述管状的横截面为圆形或矩形，管状为等径管或异径管。

进一步的，所述第一阳极的内径大于第二阳极的内径，所述第二阳极的内径大于第三阳极的内径。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明利用螺旋环形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.本发明利用第一阳极电场拉出阴极电子，利用第二、第三阳极形成的电场和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.本发明采用圆柱侧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.本发明利用环形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为本发明的结构示意图；

图2为电子枪发射螺旋环形电子注的示意图；

图中：阴极1；电子枪底座1-1；碳纳米管1-2；陶瓷a2；第一阳极3；陶瓷b4；第二阳极5；陶瓷c6；第三阳极7；输入结构8；高频输入窗8-1；输出结构9；高频输出窗9-1；管壳10；夹持杆11；螺旋线12；电子注通道13；陶瓷d14；收集极15。

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1-2所示，以制造X波段的辐射源为例，实施方式如下：

本发明公开的一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源，包括电子枪、输入结构8、输出结构9、高频系统、收集极15；

电子枪：由电子枪底座1-1，阴极1和多阳极组成。电子枪底座1-1由底面半径为6.78mm高度为1.11mm的圆柱体构成，材料为无磁不锈钢，它与阴极1连载在一起，起到固定阴极1的作用。其中阴极1为圆柱形状，圆柱底半径为1.45mm，圆柱高为9.3mm，同时在离阴极1底部距离3.2mm处开始在圆柱侧面嵌入高度为3.0mm的碳纳米管1-2发射面，碳纳米管1-2发射面与与圆柱侧面平行。电子枪采用多阳极结构设计，第一阳极3为圆筒形，圆筒内侧面与阴极1侧面平行，圆筒内半径为5.62mm，外半径为6.78mm，高度为7.6mm。第一阳极3与第二阳极5之间的空隙采用陶瓷b4连接封装，第二阳极5与第三阳极7之间的空隙采用陶瓷c6连接封装，陶瓷b4、陶瓷c6为圆筒行，圆筒内半径为5.62mm，外半径为6.78mm高度为3.21mm。第三阳极7与高频系统的外部管壳10和电子注通道13的入口密封对接。第二阳极5与第三阳极7内半径分别为3.84mm和1.69mm，外半径都为6.78mm，高度分别为6.72mm和9.49mm。电子枪的电子枪底座1-1与第一阳极3之间用陶瓷a2连接密封起来，陶瓷a2是圆筒行，圆筒内半径为5.62mm，外半径为6.78mm高度为3.21mm，以保证整个器件的真空密闭性。

输入结构8由厚度0.33mm，高度10.45mm，长度1.26mm，宽度1.26mm的矩形波导构成，材质为铜，输入结构8以贯穿所述管壳10方式与所述管壳10密封连接且与高频系统中的第一个螺旋慢波结构腔体相连。高频输入窗8-1采用氧化铝陶瓷窗片将输入结构进行密封。输出结构9由厚度0.33mm,高度10.45mm,长度1.26mm，宽度1.26mm的矩形波导构成，材质为铜，输入结构9以贯穿所述管壳10方式与所述管壳10密封连接且与高频系统中的最后一个螺旋慢波结构腔体相连。高频输出窗9-1采用氧化铝陶瓷窗片将输出结构进行密封。氧化铝陶瓷窗片为高1.02mm,长度1.26mm，宽度1.26mm的矩形结构。管壳10的右端与收集极15之间采用陶瓷d4密封。

本实施案例中互作用高频系统采用螺旋线周期慢波结构，螺旋线12的内半径为Φ1.51mm,外半径为Φ1.71mm，螺旋线12的厚度为0.2mm，单个周期P为2.08mm，材质为铜，整个螺旋线12高频结构共有20个周期也可以更多达到50个周期，为了固定螺旋慢波结构，本案例采用了两根夹持杆11来支撑周期慢波结构，夹持杆11为长方体结构尺寸为(长×宽×高)46.5×0.5×0.79mm，材质为氧化铍，夹持杆11位于管壳10与螺旋线12之间，起到固定支撑螺旋线12的作用。整个慢波结构和夹持杆11封装在金属的管壳10内管壳，管壳10为圆筒结构，圆筒的高度为46.53mm，圆筒内半径为2.45mm，外半径为4.4mm。最后在高频结构右端是收集极15，用于回收经在高频结构中互作用以后打出来的电子，收集极15结构为一端底面封闭的圆筒结构，圆筒内半径为3.0mm，外半径为4.4mm，高度为6.12mm。高频系统与收集极15之间用陶瓷d14密封连接，陶瓷d14结构为圆筒形，圆筒内半径为3.35mm，外半径4.4mm，高度为2.1mm。由螺旋线12的内径可知，高频系统的电子注通道13直径为3.0mm。利用微波电真空器件工艺将各个部件焊接成为一个整体，并对其进行抽气，使得整个微波电真空器件内部形成绝对的真空环境。

应用时，将电子枪底座1-1接负高压-19.2kV，阳极接地，阴极1发射电流为50mA，整个器件外部加8.0T的纵向引导磁场。为了让电子便于收集需要对电子进行减速，所以在收集极15上加负高压-4kV。从阴极1发射出来的电子在第二阳极5和第三阳极7形成的静电场的引导下使电子具有一个纵向速度V_∥，在电场与纵向磁场的作用下使电子作螺旋运动，利用电子纵向速度上的纵向能量W_∥与高频场进行能量交换以实现电磁辐射。把频率为10GHz，功率为50mW的高频输入信号能量经输入结构耦合到慢波线上，在慢波结构中螺旋环形电子注1-3与高频场持续有效的相互作用交换能量，实现高频信号的放大，高频信号能量经由输出结构9耦合到输出回路上去。

本发明的设计原理如下：电子枪形成的螺旋环形电子注1-3做螺旋运动，因此电子在做螺旋运动的时候同时具有一个横向速度V⊥和一个纵向速度V∥，当螺旋环形电子注1-3漂移进入高频系统后，利用电子注1-3的纵向能量W∥与从输入结构8进入高频系统的高频场进行能量交换，实现微波信号的放大，再通过一个耦合装置和陶瓷输出窗结构将放大的微波信号能量输出。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。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，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源，其特征在于：包括电子枪、输入结构(8)、输出结构(9)、高频系统、收集极(15)，

所述电子枪包括电子枪底座(1-1)、阴极(1)、第一阳极(3)、第二阳极(5)、第三阳极(7)，所述阴极(1)固定在电子枪底座(1-1)上，阴极(1)上设有用于发射电子注(1-3)的碳纳米管(1-2)；所述第一阳极(3)正对碳纳米管(1-2)，第一阳极(3)、第二阳极(5)、第三阳极(7)沿电子注(1-3)传播方向排列，第一阳极(3)与第二阳极(5)之间有间距，第二阳极(5)与第三阳极(7)之间有间距；所述电子枪底座(1-1)、第一阳极(3)、第二阳极(5)、第三阳极(7)之间采用陶瓷封装；

所述高频系统设有电子注通道(13)，所述电子注通道(13)的左端与第三阳极(7)连接，电子注通道(13)的右端与收集极(15)采用陶瓷连接封装；所述输入结构(8)、输出结构(9)分别以贯穿所述管壳(10)方式与所述管壳(10)密封连接；输入结构(8)包括高频电磁场输入腔、高频输入窗(8-1)，所述高频电磁场输入腔的一端与电子注通道(13)连通，高频电磁场输入腔的另一端由高频输入窗(8-1)封装；输出结构(9)包括高频电磁场输出腔、高频输出窗(9-1)，所述高频电磁场输出腔的一端与电子注通道(13)连通，高频电磁场输出腔的另一端由高频输出窗(9-1)封装。

2.根据权利要求1所述的一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述输入结构(8)、输出结构(9)为同轴结构或波导结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述高频输入窗(8-1)、高频输出窗(9-1)为陶瓷或蓝宝石材质。

4.根据权利要求1所述的一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述高频系统为螺旋线周期慢波结构、盘荷波导结构或开放式谐振腔结构。

5.根据权利要求4所述的一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述螺旋线周期慢波结构的高频系统包括管壳(10)、夹持杆(11)、螺旋线(12)，所述螺旋线(12)设置在电子注通道(13)的侧壁，螺旋线(12)与管壳(10)之间通过夹持杆(11)固定。

6.根据权利要求5所述的一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述夹持杆(11)的材质为氧化铍，所述螺旋线(12)的材质为铜。

7.根据权利要求1所述的一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述阴极(1)为圆柱形，长方体或圆台形，阴极(1)底面与电子枪底座(1-1)连接，所述碳纳米管(1-2)设置在阴极(1)侧面；所述第一阳极(3)、第二阳极(5)、第三阳极(7)为管状，所述阴极(1)、第一阳极(3)、第二阳极(5)、第三阳极(7)同轴设置。

8.根据权利要求7所述的一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述管状的横截面为圆形或矩形，管状为等径管或异径管。

9.根据权利要求7所述的一种基于螺旋环形电子注冷阴极辐射源，其特征在于：所述第一阳极(3)的内径大于第二阳极(5)的内径，所述第二阳极(5)的内径大于第三阳极(7)的内径。