CN108091529A - 一种场发射阴极电子源及其应用 - Google Patents

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    • H01J1/304—Field-emissive cathodes

Abstract

本发明公开了一种场发射阴极电子源及其应用，包括有场发射阴极和场发射门极，场发射阴极和场发射门极之间设置有场发射电压，场发射门极对应场发射阴极电子源的场发射方向的外端位置设置有环形电极，环形电极对应场发射阴极电子源的场发射方向的外端位置为环形带栅孔电极，环形带栅孔电极的径向外侧套设有环形辅助外电极，其中辅助外电极可以是电子源的外壳。该场发射电子源的主要功能和优点是是为真空电子器件（包括X射线管、微波管等）提供电子束流或在真空电子器件中进行气体压强监控。

Description

一种场发射阴极电子源及其应用
技术领域
本发明涉及一种电子源器件，具体是指一种场发射阴极电子源及其在气体压强测量上的应用。
背景技术
场发射阴极在施加一定电场的条件下便可发射出电子，可以有效改善传统热阴极因加热至上千度高温导致的热辐射、高能耗、放气、气体脱附等效应，同时，场电子发射还具有响应速度快、电流易于调制、器件易于小型化等特点。因此，场致发射阴极电子源在真空电子器件（包括X光射线、微波管器件等）应用上具有显著的技术优势。
真空电子器件通常是一次性密封系统、或长期在密闭条件下工作，这一方面要求电子源具有优异的工作寿命和稳定性，另一方面要求器件能够长期维持良好的真空性能。然而，即使部分器件配有吸气剂，甚至一些大型设备如CT系统有离子泵等维持真空，系统内压强通常会逐步升高。真空电子器件很容易出现失效。引起器件失效的因素很多,在贮存阶段,真空度下降是引起器件失效的最主要因素。对密封良好的系统，压力升高主要来自管内表面、部件放气；如果器件出现漏气，则器件内压力呈线性增加，而电子真空器件极易出现漏气现象。对CNT场发射阴极，工作特性与真空性能密切相关，CNT阴极一般在优于10-5 Pa的真空下具有稳定的发射性能。真空度恶化不但会严重损害场发射阴极的性能和寿命，还会损害器件的功能，如X光管的反射镜及分光仪表面会产生吸附污染，使X射线光学性能变差。因此，维持真空性能是决定电真空器件性能与寿命的关键因素，而对真空性能进行有效的监测担负极为重要的作用。
目前监测密闭真空电子器件内的压强通常有两种手段，即放电电流法和热阴极电离计法。放电电流法需要器件内残余气体达到一定压强以产生潘宁放电，器件真空度一般要在10-1 ―10-4 Pa区间。因此，不适于工作在更高真空（通常<10-4 Pa）的场发射器件。而热阴极电离计法通常利用器件内的电极对残气进行电离与收集，不同器件需分别研究确定其电离与离子收集结构，并进行校准。因此，热阴极电离计法技术难度大，不能适用于所有器件。场发射X光、微波管等电真空器件对真空度要求高、结构空间紧凑，需要采用不同的压强测量手段。目前在场发射真空电子器件的研制中，普遍没有对真空性能进行监控，极大限制了器件的高可靠、高质量应用。
发明内容
本发明目的所要解决的技术问题在于，提供一种场发射阴极电子源。
本发明的第二个目的是提供一种场发射阴极电子源在真空电子器件中的应用方法。
为实现本发明的第一个目的，其技术方案是包括有场发射阴极和场发射门极，场发射阴极和场发射门极之间设置有场发射电压，场发射门极对应场发射阴极电子源的场发射方向的外端位置设置有环形电极，环形电极对应场发射阴极电子源的场发射方向的外端位置为环形带栅孔电极，环形带栅孔电极的径向外侧套设有环形外电极，环形带栅孔电极电位大于环形电极电位设置。
进一步设置是在电子聚焦应用中，通常环形电极电位高于环形带栅孔电极电位设置。
进一步设置是在电子束汇聚到阳极的应用中，环形电极电位和环形带栅孔电极电位均低于阳极。
进一步设置是所述的环形电极的截面为圆环形。
进一步设置是环形带栅孔电极为整体呈螺旋柱状形状，也可以为其它带孔隙的柱状外壁结构。
进一步设置是环形外电极的形状为圆环形。
进一步设置是环形带栅孔电极对应场发射阴极电子源的场发射方向的外端位置还设置有第二环形电极。
本发明还提供一种如所述的场发射阴极电子源在真空电子器件中的应用，其特征在于：该场发射阴极电子源为真空电子器件提供电子束流，真空电子器件包括X射线管、微波管、电子束加工设备等。
本发明还提供一种如所述的场发射阴极电子源在真空电子器件中进行气体压强监控的方法：
（1）将该场发射阴极电子源设置于真空电子器件的真空系统中；
（2）通过在环形电极、环形带栅孔电极和环形外电极上施加一定的电位组合，将场发射阴极电子源所发射的电子束运动轨迹限定在环形电极、环形接地电极的内部区域内，电子撞击真空系统的气体分子使其电离，离子流和压强可以满足线性关系：I+=I-KP,其中I+是离子电流；I-是电子电流；P是空间压强；K是灵敏度因子，由电极结构和电位决定，从环形电极上读取离子电流，从环形带栅孔电极读取电子电流，即可达到测量监控真空系统的气体压强的目的。
进一步设置是环形电极的电位在-100 V到100 V区间，环形带栅孔电极电位在100V到300 V区间，所述的外电极的电势为接地电势。
本发明公开了场发射阴极电子源，电子源的第一个功能是为真空电子器件（包括X光射线管、微波管等）提供电子束流，并可根据需要，对电子束进行聚焦。
本发明的第二个功能是应用场发射电子源的自身结构实现对真空电子器件内压强的原位测量。
本发明专利研制了一种基于场发射技术的新型阴极电子源组件设计。实验与理论研究表明，该电子源不但可以为真空电子器件提供电子束流并根据需要对束流进行聚焦；通过施加不同的电极电位组合，该电子源还可以对器件真空度进行测量，并具有工作电压低、灵敏度高、工作压强范围宽等优势。该新型场发射阴极在真空电子器件领域有广泛应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1本发明实施例1场发射阴极电子源结构图；
图2 本发明实施例2场发射阴极电子源结构图；
图3本发明具体实施例：碳纳米管场阴极薄膜的SEM图；
图4本发明具体实施例：碳纳米管场发射阴极I-V曲线；
图5本发明具体实施例一：碳纳米管场发射阴极电子源结构1的聚焦效果；
图6本发明具体实施例一：碳纳米管场发射阴极电子源结构1的真空度测试特性图；
图7本发明具体实施例二：碳纳米管场发射阴极电子源结构2的聚焦效果；
图8本发明具体实施例二：碳纳米管场发射阴极电子源结构2的聚焦的实验结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例中，本发明的一种场发射阴极电子源结构如图1所示，主要由场发射阴极1、场发射门极2、环形电极3、环形带栅孔电极4、环形外电极5组成。在本具体实施例中采取了碳纳米管（CNT）作为场发射电子阴极材料，碳纳米管通过化学气相沉积（CVD）直接制备在304不锈钢基底上，CNT与基底的结合力强，工作性能稳定。碳纳米管形貌如图3所示，碳纳米管直径分布在30~50nm之间。该碳纳米管阴极具有优越的场发射性能，工作电压低，场发射电流-电压（I-V）性能如图4所示，在350V门极电压下场发射电流即可达到76μA。
图5为本发明具体实施例1电子源的聚焦效果图，阳极置于距电子源顶端3cm处。实验表明该电子源能够达到较好的聚焦效果。通过计算机模拟，运用Vector Field电磁模拟软件，证实对一个电子发射面积为直径1mm的场发射阴极，在场发射阴极、场发射门极、环形电极、环形带栅孔电极和阳极分别施加0V、100V、 250 V、380 V 和 10000 V时，在经过该电子源聚焦，在阳极上可得到直径0.3 mm的电子束斑。
对电子源结构1在10-10~10-5Torr区间的的压强测量性能进行了实验，在实施过程中，对场发射阴极1、场发射门极2、环形电极3、环形带栅孔电极4、环形外电极５分别施加0V、600V、0 V、150 V、0V。环形电极作为离子收集极，环形带栅孔电极作为电子收集极。场发射电子离开门极后，经环形电极低电位区间降低能量进入环形带栅孔电极－环形外电极区间，在该区间震荡运动，对气体分子进行电离。由于空间电位分布关系，电子将被高电位的环形带栅孔电极收集，而正离子将被0电位的环形电极 收集。本实验中，场发射阴极总电流为80μA，其中57μA被门极截获，23μA电流进入电离空间最后被环形带栅孔电极（电子收集极）收集。图6 为通入测试氮气后，正离子电流Ii，与压强的关系曲线（Iion—P）。在10-10-10- 5Torr区间，离子流与压强间展示了良好的测量线性，清楚的表明该电子源优异的真空测量性能。
实施例2
下面通过实施例2对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可以根据上述发明的内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
本发明场发射阴极电子源结构2是在结构1的基础上，添加了一个用于聚焦的第二环形电极6。其压强测量功能可以参照实例1的实验结果，只需将第二环形电极6开路即可。
我们模拟研究了电子源结构2的电子聚焦性能，如图7所示。在场发射阴极、场发射门极、环形电极、环形带栅孔电极、电极3和阳极分别施加0V、200 V、800V、250V、700V和10000V时，可以将1mm直径的电子束聚焦到0.24mm以下，聚焦效果比结构1有所增强。同时，我们对电子聚焦性能进行了实验研究，经该三级式结构聚焦后，可以聚焦至0.26mm，与模拟结果基本一致。见图8 所示。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种场发射阴极电子源，包括有场发射阴极和场发射门极，场发射阴极和场发射门极之间设置有场发射电压，其特征在于：场发射门极对应场发射阴极电子源的场发射方向的外端位置设置有环形电极，环形电极对应场发射阴极电子源的场发射方向的外端位置为环形带栅孔电极，环形带栅孔电极的径向外侧套设有环形外电极。
2.根据权利要求1所述的场发射阴极电子源，其特征在于：环形电极电位高于环形带栅孔电极电位设置。
3.根据权利要求1或2所述的场发射阴极电子源，其特征在于：所述的环形电极的截面为圆环形。
4.根据权利要求1或2所述的场发射阴极电子源，其特征在于：环形带栅孔电极为整体呈螺旋柱状形状。
5.根据权利要求1或2所述的场发射阴极电子源，其特征在于：环形外电极的形状为圆环形。
6.根据权利要求1或2所述的场发射阴极电子源，其特征在于：环形带栅孔电极对应场发射阴极电子源的场发射方向的外端位置还设置有第二环形电极。
7.一种如权利要求1-2之一所述的场发射阴极电子源在真空电子器件中的应用，其特征在于：该场发射阴极电子源为真空电子器件提供电子束流，真空电子器件包括X射线管、微波管或电子束加工设备。
8.一种如权利要求1-2之一所述的场发射阴极电子源在真空电子器件中进行气体压强监控的方法：其特征在于：
（1）将该场发射阴极电子源设置于真空电子器件的真空系统中；
（2）通过在环形电极、环形带栅孔电极和环形外电极上施加电位，其中环形电极电位低于环形带栅孔电极电位，将场发射阴极电子源所发射的电子束运动轨迹限定在环形电极、环形接地电极的内部区域内，电子撞击真空系统的气体分子使其电离，离子流和压强可以满足线性关系：I+=I-KP,其中I+是离子电流；I-是电子电流；P是空间压强；K是灵敏度因子，由电极结构和电位决定，从环形电极上读取离子电流，从环形带栅孔电极读取电子电流，即可达到测量监控真空系统的气体压强的目的。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：环形电极的电位在-100 V到100 V区间，环形带栅孔电极电位在100 V到300 V区间，所述的环形外电极的电势为接地电势。
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