CN109065428A - 一种双栅控制式冷阴极电子枪及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及真空电子器件技术领域，公开了一种双栅控制式冷阴极电子枪及其制备方法。通过本发明创造，提供了一种工艺简单、使用寿命长和性能优良的新型电子枪，即采用冷阴极作为真空电子器件的发射源，并利用阴极栅网阵列化冷阴极表面，可有效削弱大面积冷阴极材料发射电子的静电屏蔽效应，提高大面积冷阴极材料的发射电流，同时将阴极衬底表面设计为一整个平面，不但可规避加工毛刺等问题，改善边缘效应及打火等现象，还可以使阴极衬底表面的电场分布较为平坦，有利于提高发射电流密度的均匀性，实现大电流发射目的，进而可适用于真空电子辐射元器件或产生大电流及高密度电子注的器件中。
Description
技术领域
本发明属于真空电子器件技术领域，具体涉及一种双栅控制式冷阴极电子枪及其制备方法，可适用于真空电子辐射元器件或产生大电流及高密度电子注的器件中。
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。同时由于绝缘层的存在，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。
在公开号为CN 104810225 A的专利文件《一种栅极外置式冷阴极电子源及其构成的电子枪》和公号CN 104934280 A的专利文件《一种外置式栅控冷阴极阵列电子枪》中公开的两种电子枪的阴极阵列源都采用的是凸起的柱状结构。该阴极面在工艺加工时避免不了存在边缘毛刺，根据场致发射特性，该弊端会导致边缘效应，因此这两种电子枪阴极表面电场分布不均匀，导致发射电流密度不均匀，边缘毛刺存在打火现象，影响阴极使用寿命。
因此，这三种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
为了解决现有技术中所存在的缺陷，本发明目的在于提供一种双栅控制式冷阴极电子枪及其制备方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种双栅控制式冷阴极电子枪，包括电子枪绝缘外壳、环形电极片、阴极底座、阴极衬底、管型绝缘连接体、阴极栅网、外置栅网和管型聚束极，其中，所述电子枪绝缘外壳的内部为真空且由下套筒和上套筒组成，所述环形电极片设置在所述下套筒与所述上套筒之间，所述阴极底座呈二级台阶柱体结构且密封所述下套筒的下端口，所述阴极衬底呈柱体结构且在上表面设有冷阴极材料层，所述管型绝缘连接体的内部空腔呈二级台阶柱体结构；
所述阴极栅网和所述外置栅网的中部区域分别开有若干栅孔，其中，所述阴极栅网的环形边缘区域连接所述管型绝缘连接体的内台阶面，所述外置栅网的环形边缘区域连接所述管型绝缘连接体的上端面，形成一个双栅结构；
所述阴极衬底、所述双栅结构和所述管型聚束极分别位于所述电子枪绝缘外壳的内部，其中，所述阴极衬底安装在所述阴极底座的顶部，所述管型绝缘连接体的下端口固定套在所述阴极衬底的上部外周，所述管型聚束极固定安装在所述外置栅网的上表面，所述外置栅网的环形边缘区域连接所述环形电极片。
优化的，还包括密封所述上套筒的上端口的应用器件。
优化的，还包括线圈磁场发生器，其中，所述电子枪绝缘外壳位于所述线圈磁场发生器的磁场中且与所述线圈磁场发生器同轴设置。
优化的，所述阴极衬底、所述管型绝缘连接体、所述阴极栅网、所述外置栅网和所述管型聚束极同轴设置。
优化的，所述阴极栅网的栅孔与所述外置栅网的栅孔在形状方面完全相同，并使所述阴极栅网的栅孔与所述外置栅网的栅孔一一对应且中心对齐。
优化的，所述阴极衬底通过螺纹配合结构固定安装在所述阴极底座的顶部。
优化的，所述管型聚束极的内空腔上部呈柱体结构，所述管型聚束极的内空腔下部呈倒锥台体。
优化的，所述冷阴极材料层为石墨烯层、金刚石薄膜层、类金刚石薄膜层、碳纳米管层、氧化铜纳米线层、氧化锌纳米线层或氧化物纳米线层。
本发明所采用的另一种技术方案为：
一种如前所述双栅控制式冷阴极电子枪的制备方法，包括如下步骤：
S101.加工制得呈二级台阶柱体结构的阴极底座；
S102.加工制得呈柱体结构的阴极衬底，然后将该阴极衬底安装在所述阴极底座的顶部，最后在该阴极衬底的上表面种植冷阴极材料层；
S103.加工制得内部空腔呈倒置二级台阶柱体结构的管型绝缘连接体；
S104.加工制得阴极栅网和外置栅网，然后将该阴极栅网的环形边缘区域焊接在所述管型绝缘连接体的内台阶面上，将该外置栅网的环形边缘区域焊接在所述管型绝缘连接体的上端面，最后将所述管型绝缘连接体的下端口固定套在所述阴极衬底的上部外周；
S105.加工制得管型聚束极，将该管型聚束极固定安装在所述外置栅网的上表面上；
S106.加工制得电子枪绝缘外壳的下套筒、上套筒以及环形电极片，然后从下至上依次密封安装所述阴极底座、所述下套筒、所述环形电极片和所述上套筒，并使所述外置栅网的环形边缘区域连接所述环形电极片；
S107.密封所述上套筒的上端口；
S108.通过抽气，使电子枪绝缘外壳的内部为真空。
优化的，在所述步骤S104中，分别按照如下步骤加工制得阴极栅网和外置栅网：
S401.通过切片工艺，获取厚度介于0.04～0.10mm之间的金属薄片；
S402.采用激光刻蚀工艺，对所述金属薄片的中部区域进行钻孔刻蚀，得到按照矩阵排列的若干栅孔。
本发明的有益效果为：
(1)本发明创造提供了一种工艺简单、使用寿命长和性能优良的新型电子枪，即采用冷阴极作为真空电子器件的发射源，并利用阴极栅网阵列化冷阴极表面，可有效削弱大面积冷阴极材料发射电子的静电屏蔽效应，提高大面积冷阴极材料的发射电流，同时将阴极衬底表面设计为一整个平面，不但可规避加工毛刺等问题，改善边缘效应及打火等现象，还可以使阴极衬底表面的电场分布较为平坦，有利于提高发射电流密度的均匀性，实现大电流发射目的，进而可适用于真空电子辐射元器件或产生大电流及高密度电子注的器件中；
(2)通过对腔内部件的同轴设置和/或对上下层栅孔进行一一对应且中心对齐设置，可提高腔内场致发射电子的通过率，并减小了电子对外置栅网的轰击，延长外置栅网的使用寿命；
(3)与现有Spindt-type式和在阴极衬底上加工凸起式冷阴极阵列相比，采用冷阴极材料阵列化结构具有如下几大优势：(a)加工工艺简单，精度高，一致性好；(b)由于阴极表面为非尖端和非凸起的阴极阵列，有效地解决尖端打火问题，保护阴极表面材料，使用寿命长；(c)由于阴极表面只需冷阴极材料种植在一整个平面上，种植难度低，易种植出优良性能的冷阴极材料，降低了最终产品的废品率；(d)由于阴极表面的特殊结构，使得表面电场分布较为平坦，保证了发射电流的均匀性；(e)由于是双栅控制式，阴极表面的阵列化是用紧贴的阴极栅网实现，无需绝缘体介质隔离，大大提高了器件的耐压性；
(4)可利用管型聚束极的电场优势，在结合外加磁场后可有效地对电子注进行压缩，进一步提高冷阴极电子源的发射电流密度，使得更好地应用在毫米、亚毫米及太赫兹等真空辐射源中。
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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的双栅控制式冷阴极电子枪的基本结构示意图。
图2是本发明提供的在双栅控制式冷阴极电子枪中双栅结构与阴极衬底的安装结构示意图。
图3是本发明提供的阴极栅网的平面结构示意图。
图4是本发明提供的双栅控制式冷阴极电子枪的具体实施案列结构示意图。
图5是本发明提供的线圈磁场发生器的磁场强度随器件高度变化的分布图。
图6是本发明提供的阴极表面电场在阴极表面直径处的分布图。
上述附图中：101-下套筒；102-上套筒；2-环形电极片；3-阴极底座；4-阴极衬底；401-冷阴极材料层；5-管型绝缘连接体；6-阴极栅网；7-外置栅网；8-管型聚束极；9-阳极；901-管型阳极；902-有机玻璃窗片；10-线圈磁场发生器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
实施例一
如图1～6所示，本实施例提供的所述双栅控制式冷阴极电子枪，包括电子枪绝缘外壳、环形电极片2、阴极底座3、阴极衬底4、管型绝缘连接体5、阴极栅网6、外置栅网7和管型聚束极8，其中，所述电子枪绝缘外壳的内部为真空且由下套筒101和上套筒102组成，所述环形电极片2设置在所述下套筒101与所述上套筒102之间，所述阴极底座3呈二级台阶柱体结构且密封所述下套筒101的下端口，所述阴极衬底4呈柱体结构且在上表面设有冷阴极材料层401，所述管型绝缘连接体5的内部空腔呈二级台阶柱体结构。
如图1～3所示，在所述双栅控制式冷阴极电子枪的结构中，所述下套筒101和所述上套筒102用于组成电子枪的绝缘外壳，其可以但不限于为由聚四氟乙烯材质或陶瓷材质制成的空心圆柱体，其中，所述下套筒101的具体尺寸参数如下：圆柱外直径Φ43mm，内直径为Φ33mm，高度为18.86mm；所述上套筒102可开放式设计，以便于密封接入到注波互作用腔、阳极9或其他应用器件，其内部空腔可如图1所示为圆柱体，也可以如图2所示为倒置二级台阶圆柱体，此时的具体尺寸参数如下：空心圆柱外直径为Φ43mm，内部空心上圆柱体直径为Φ11mm，高度为5mm，内部空心下圆柱体直径为Φ33mm，高度为30mm。此外，所述电子枪绝缘外壳的内部真空度可达到10-5帕以上。
所述环形电极片2用于向电子枪内部的所述外置栅网7和所述管型聚束极8导入高电压电位，其可以但不限于为由不锈钢材质制成的圆环片，具体尺寸参数如下：外直径为Φ51mm，内直径为Φ29mm，高度为1.5mm。所述阴极底座3用于密封所述下套筒101的下端口，承载所述阴极衬底4，以及向所述阴极栅网6导入低电压电位，其可以但不限于为由不锈钢材质制成的二级台阶圆柱体，具体尺寸参数如下：下台阶圆柱直径为Φ43mm、高度为5mm；上台阶圆柱直径为Φ13mm、高度为10mm。
所述阴极衬底4用于提供具有平面结构的电子发射面，可以但不限于为由诸如无氧铜材质、不锈钢材质或镍材质等的强硬度金属制成的圆柱体，具体尺寸参数如下：圆柱直径为Φ13mm，高度为10mm。所述冷阴极材料层401用于提供冷阴极表面，其可以但不限于为石墨烯层、金刚石薄膜层、类金刚石薄膜层、碳纳米管层、氧化铜纳米线层、氧化锌纳米线层、氧化物纳米线层或新型的场致发射纳米冷阴极材料层等。所述管型绝缘连接体5用于作为所述阴极栅网6和所述外置栅网7的固定承载体，使它们位于所述阴极衬底4的正上方，其可以但不限于为由聚四氟乙烯材质制成的空心圆柱体，其内部空腔呈二级台阶圆柱体，具体尺寸参数如下：圆柱体外直径为Φ26.5mm，空心上圆柱直径为Φ21.5mm，高度为0.36mm，空心下圆柱直径为Φ13mm，高度为5mm。
如图2和3所示，所述阴极栅网6用于作为下层栅网结构，阵列化冷阴极表面，实现有效削弱大面积冷阴极材料发射电子的静电屏蔽效应和提高大面积冷阴极材料的发射电流的目的，其可以但不限于为由不锈钢材质制成的且在圆形中心区域开设若干栅孔的圆形薄片，同时所述栅孔可以但不限于为圆形孔、椭圆形孔、正方形孔或多边形孔等通孔结构，举例的，在本实施例中，所述栅孔可为正方形孔，具体尺寸参数如下：圆形薄片外直径为Φ21.5mm，中部区域圆直径为Φ13mm，薄片厚度为0.06mm，栅孔边长为0.6mm，网丝宽度为0.1mm。所述外置栅网7用于作为上层栅网结构，并在电连接高于所述阴极底座1电位的电位后，能够在上下层栅网之间存在致发电子的强电场，同时将其设计为栅孔结构，方便致发电子穿过(所述外置栅网7的栅孔相对于所述阴极栅网6的栅孔大小比例，可根据电子注通过率的情况自由设定，以便尽量保证电子注通过率高达100％)；所述外置栅网7的结构、形状和材质均可与所述阴极栅网6相同，但是整个面积尺寸可大、可小或相等，具体尺寸参数可如下：圆形薄片外直径为Φ47mm，中部区域圆直径为Φ21.5mm，薄片厚度为0.06mm，栅孔边长为0.6mm，网丝宽度为0.1mm。
所述管型聚束极8用于作为调制阳极，对从内部穿过的致发电子注起到聚束作用，以便使它们集中式地朝上发射出去，其可以但不限于为由不锈钢材质制成的空心圆柱体。同时，为了利于逆径向压缩致发电子注，确保能够起到聚束作用，优化的，所述管型聚束极8的内空腔上部呈柱体结构，所述管型聚束极8的内空腔下部呈倒锥台体。在本实施例中，内空腔上部分可为圆柱体，内空腔下部分可为倒置圆台，具体尺寸参数如下：空心圆柱体外直径为Φ29mm，内部空心圆柱体直径为Φ27mm，高度为7mm，内部空心圆台上底面直径为Φ27mm，下底面直径为Φ23mm，高度为3mm。
所述阴极栅网6和所述外置栅网7的中部区域分别开有若干栅孔，其中，所述阴极栅网6的环形边缘区域连接所述管型绝缘连接体5的内台阶面，所述外置栅网7的环形边缘区域连接所述管型绝缘连接体5的上端面，形成一个双栅结构。
所述阴极衬底4、所述双栅结构和所述管型聚束极8分别位于所述电子枪绝缘外壳的内部，其中，所述阴极衬底4安装在所述阴极底座1的顶部，所述管型绝缘连接体5的下端口固定套在所述阴极衬底4的上部外周，所述管型聚束极8固定安装在所述外置栅网7的上表面，所述外置栅网7的环形边缘区域连接所述环形电极片2。优化的，所述阴极衬底4可以但不限于通过螺纹配合结构固定安装在所述阴极底座3的顶部，例如在所述阴极底座3的顶部上表面设置型号为M2的螺钉，在所述阴极衬底4的底面开设与所述螺钉螺纹配合的螺孔，即可应用前述螺纹配合结构实现固定安装目的。
前述双栅控制式冷阴极电子枪的制备方法，可以但不限于包括如下步骤：S101.加工制得呈二级台阶柱体结构的阴极底座3；S102.加工制得呈柱体结构的阴极衬底4，然后将该阴极衬底4安装在所述阴极底座3的顶部，最后在该阴极衬底4的上表面种植冷阴极材料层401；S103.加工制得内部空腔呈倒置二级台阶柱体结构的管型绝缘连接体5；S104.加工制得阴极栅网6和外置栅网7，然后将该阴极栅网6的环形边缘区域焊接在所述管型绝缘连接体5的内台阶面上，将该外置栅网7的环形边缘区域焊接在所述管型绝缘连接体5的上端面，最后将所述管型绝缘连接体5的下端口固定套在所述阴极衬底4的上部外周；S105.加工制得管型聚束极8，将该管型聚束极8固定安装在所述外置栅网7的上表面上；S106.加工制得电子枪绝缘外壳的下套筒101、上套筒102以及环形电极片2，然后从下至上依次密封安装所述阴极底座3、所述下套筒101、所述环形电极片2和所述上套筒102，并使所述外置栅网7的环形边缘区域连接所述环形电极片2；S107.密封所述上套筒102的上端口；S108.通过抽气，使电子枪绝缘外壳的内部为真空。
在所述步骤S104中，优化的，分别按照如下步骤加工制得阴极栅网6和外置栅网7：S401.通过切片工艺，获取厚度介于0.04～0.10mm之间的金属薄片；S402.采用激光刻蚀工艺，对所述金属薄片的中部区域进行钻孔刻蚀，得到按照矩阵排列的若干栅孔。由此通过由前述步骤S101～S108所描述的简单工艺，可以很方便的制备得到前述的双栅控制式冷阴极电子枪。
由此通过前述电子枪结构的详细描述，本实施例可提供一种使用寿命长和性能优良的双栅控制式冷阴极电子枪，即采用冷阴极作为真空电子器件的发射源，并利用阴极栅网阵列化冷阴极表面，可有效削弱大面积冷阴极材料发射电子的静电屏蔽效应，提高大面积冷阴极材料的发射电流，同时将阴极衬底表面设计为一整个平面，不但可规避加工毛刺等问题，改善边缘效应及打火等现象，还可以使阴极衬底表面的电场分布较为平坦，有利于提高发射电流密度的均匀性，实现大电流发射目的，进而可适用于真空电子辐射元器件或产生大电流及高密度电子注的器件中。此外，本实施例的双栅控制方案与现有Spindt-type式和在阴极衬底上加工凸起式冷阴极阵列相比，其采用冷阴极材料阵列化结构具有如下几大优势：(a)加工工艺简单，精度高，一致性好；(b)由于阴极表面为非尖端和非凸起的阴极阵列，有效地解决尖端打火问题，保护阴极表面材料，使用寿命长；(c)由于阴极表面只需冷阴极材料种植在一整个平面上，种植难度低，易种植出优良性能的冷阴极材料，降低了最终产品的废品率；(d)由于阴极表面的特殊结构，使得表面电场分布较为平坦，保证了发射电流的均匀性；(e)由于是双栅控制式，阴极表面的阵列化是用紧贴的阴极栅网实现，无需绝缘体介质隔离，大大提高了器件的耐压性。
优化的，还包括密封所述上套筒102的顶部端口的应用器件。如图4所示，所述应用器件为阳极9，用于对待射出的电子注进行最后地应用性处理，以便发射出目标电子流(需要在阳极9电连接高于所述环形电极片2电位的电位，以便使在腔内致发的电子注通过并发射出去)。如图4所示，所述阳极9为上端口被有机玻璃窗片902封闭的管型阳极901，其中，所述管型阳极901可以但不限于为由不锈钢材质制成的空心圆柱体，具体尺寸参数如下：圆柱外直径为Φ11mm，内直径为Φ8mm，高度为110mm；所述有机玻璃窗片902可以但不限于选用蓝宝石材质制成。此外，所述应用器件还可以但不限于为注波互作用腔或其它应用型器件。
优化的，还包括线圈磁场发生器10，其中，所述电子枪绝缘外壳位于所述线圈磁场发生器10的磁场中且与所述线圈磁场发生器10同轴设置。如图4所示，所述线圈磁场发生器10用于提供轴向电磁场，进一步提高电子注汇聚效果，将压缩倍数从几倍提高到十几倍甚至几十倍。在实际应用中，由于所述阴极底座3连接低电位(例如0V)，使得所述冷阴极材料层401和所述阴极栅网6同电位(也即为0V)，所述外置栅网7的电位高于所述阴极底座1的电位(例如1.5kV)，所述管型阳极901的电位高于所述外置栅网7的电位(例如40kV)，并通过所述线圈磁场发生器10提供随器件高度而使磁场强度呈非线性变化的轴向磁场，其分布如图5所示，横轴坐标为电子枪绝缘外壳的高度(单位：mm)，纵坐标为轴向磁场的磁场强度(单位：特斯拉T)。通过软件的模拟仿真，处于该应用结构中的致发电子通过率高达100％，并通过管型聚束极8以及磁场对电子注进行很好的压缩，阴极发射面积为132.7mm2的电子注经过压缩得到输出的电子注截面积为3.14mm2，电子注截面积压缩比约为42。图6描述了阴极表面电场在阴极表面直径位置的分布图，可知该电子枪由于阴极表面的特殊结构，使其阴极表面有分布较为平坦的电场值，因此该电子枪的发射电流密度比较均匀，可以获得稳定的大发射电流，该电子枪电子注电流为137mA。
优化的，所述阴极衬底4、所述管型绝缘连接体5、所述阴极栅网6、所述外置栅网7和所述管型聚束极8同轴设置。如图1所示，通过前述同轴设计，可确保所有的致发电子都能够沿轴向发射出去。此外，进一步优化的，所述阳极9也需要与它们同轴设置，如图4所示。
优化的，所述阴极栅网6的栅孔与所述外置栅网7的栅孔在形状方面完全相同，并使所述阴极栅网6的栅孔与所述外置栅网7的栅孔一一对应且中心对齐。通过前述双栅结构的具体设计，可提高腔内场致发射电子的通过率，并可减小电子对外置栅网的轰击，延长外置栅网的使用寿命。此外，所述外置栅网7的栅孔在尺寸大小方面可大于、小于或等于所述阴极栅网6的栅孔，可根据具体情况或具体要求进行选择。
综上，采用本实施例所提供的双栅控制式冷阴极电子枪及其制备方法，具有如下技术效果：
(1)本实施例提供了一种工艺简单、使用寿命长和性能优良的新型电子枪，即采用冷阴极作为真空电子器件的发射源，并利用阴极栅网阵列化冷阴极表面，可有效削弱大面积冷阴极材料发射电子的静电屏蔽效应，提高大面积冷阴极材料的发射电流，同时将阴极衬底表面设计为一整个平面，不但可规避加工毛刺等问题，改善边缘效应及打火等现象，还可以使阴极衬底表面的电场分布较为平坦，有利于提高发射电流密度的均匀性，实现大电流发射目的，进而可适用于真空电子辐射元器件或产生大电流及高密度电子注的器件中；
(2)通过对腔内部件的同轴设置和/或对上下层栅孔进行一一对应且中心对齐设置，可提高腔内场致发射电子的通过率，并减小了电子对外置栅网的轰击，延长外置栅网的使用寿命；
(3)与现有Spindt-type式和在阴极衬底上加工凸起式冷阴极阵列相比，采用冷阴极材料阵列化结构具有如下几大优势：(a)加工工艺简单，精度高，一致性好；(b)由于阴极表面为非尖端和非凸起的阴极阵列，有效地解决尖端打火问题，保护阴极表面材料，使用寿命长；(c)由于阴极表面只需冷阴极材料种植在一整个平面上，种植难度低，易种植出优良性能的冷阴极材料，降低了最终产品的废品率；(d)由于阴极表面的特殊结构，使得表面电场分布较为平坦，保证了发射电流的均匀性；(e)由于是双栅控制式，阴极表面的阵列化是用紧贴的阴极栅网实现，无需绝缘体介质隔离，大大提高了器件的耐压性；
(4)可利用管型聚束极的电场优势，在结合外加磁场后可有效地对电子注进行压缩，进一步提高冷阴极电子源的发射电流密度，使得更好地应用在毫米、亚毫米及太赫兹等真空辐射源中。
前述已经结合附图对本发明的一个具体应用结构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双栅控制式冷阴极电子枪有一个清楚的认识。此外，前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。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (10)
1.一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：包括电子枪绝缘外壳、环形电极片(2)、阴极底座(3)、阴极衬底(4)、管型绝缘连接体(5)、阴极栅网(6)、外置栅网(7)和管型聚束极(8)，其中，所述电子枪绝缘外壳的内部为真空且由下套筒(101)和上套筒(102)组成，所述环形电极片(2)设置在所述下套筒(101)与所述上套筒(102)之间，所述阴极底座(3)呈二级台阶柱体结构且密封所述下套筒(101)的下端口，所述阴极衬底(4)呈柱体结构且在上表面设有冷阴极材料层(401)，所述管型绝缘连接体(5)的内部空腔呈二级台阶柱体结构；
所述阴极栅网(6)和所述外置栅网(7)的中部区域分别开有若干栅孔，其中，所述阴极栅网(6)的环形边缘区域连接所述管型绝缘连接体(5)的内台阶面，所述外置栅网(7)的环形边缘区域连接所述管型绝缘连接体(5)的上端面，形成一个双栅结构；
所述阴极衬底(4)、所述双栅结构和所述管型聚束极(8)分别位于所述电子枪绝缘外壳的内部，其中，所述阴极衬底(4)安装在所述阴极底座(1)的顶部，所述管型绝缘连接体(5)的下端口固定套在所述阴极衬底(4)的上部外周，所述管型聚束极(8)固定安装在所述外置栅网(7)的上表面，所述外置栅网(7)的环形边缘区域连接所述环形电极片(2)。
2.如权利要求1所述的一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：还包括密封所述上套筒(102)的上端口的应用器件。
3.如权利要求1所述的一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：还包括线圈磁场发生器(10)，其中，所述电子枪绝缘外壳位于所述线圈磁场发生器(10)的磁场中且与所述线圈磁场发生器(10)同轴设置。
4.如权利要求1所述的一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：所述阴极衬底(4)、所述管型绝缘连接体(5)、所述阴极栅网(6)、所述外置栅网(7)和所述管型聚束极(8)同轴设置。
5.如权利要求1所述的一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：所述阴极栅网(6)的栅孔与所述外置栅网(7)的栅孔在形状方面完全相同，并使所述阴极栅网(6)的栅孔与所述外置栅网(7)的栅孔一一对应且中心对齐。
6.如权利要求1所述的一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：所述阴极衬底(4)通过螺纹配合结构固定安装在所述阴极底座(3)的顶部。
7.如权利要求1所述的一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：所述管型聚束极(5)的内空腔上部呈柱体结构，所述管型聚束极(10)的内空腔下部呈倒锥台体。
8.如权利要求1所述的一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：所述冷阴极材料层(401)为石墨烯层、金刚石薄膜层、类金刚石薄膜层、碳纳米管层、氧化铜纳米线层、氧化锌纳米线层或氧化物纳米线层。
9.一种如权利要求1～8任意一项所述双栅控制式冷阴极电子枪的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101.加工制得呈二级台阶柱体结构的阴极底座(3)；
S102.加工制得呈柱体结构的阴极衬底(4)，然后将该阴极衬底(4)安装在所述阴极底座(3)的顶部，最后在该阴极衬底(4)的上表面种植冷阴极材料层(401)；
S103.加工制得内部空腔呈倒置二级台阶柱体结构的管型绝缘连接体(5)；
S104.加工制得阴极栅网(6)和外置栅网(7)，然后将该阴极栅网(6)的环形边缘区域焊接在所述管型绝缘连接体(5)的内台阶面上，将该外置栅网(7)的环形边缘区域焊接在所述管型绝缘连接体(5)的上端面，最后将所述管型绝缘连接体(5)的下端口固定套在所述阴极衬底(4)的上部外周；
S105.加工制得管型聚束极(8)，将该管型聚束极(8)固定安装在所述外置栅网(7)的上表面上；
S106.加工制得电子枪绝缘外壳的下套筒(101)、上套筒(102)以及环形电极片(2)，然后从下至上依次密封安装所述阴极底座(3)、所述下套筒(101)、所述环形电极片(2)和所述上套筒(102)，并使所述外置栅网(7)的环形边缘区域连接所述环形电极片(2)；
S107.密封所述上套筒(102)的上端口；
S108.通过抽气，使电子枪绝缘外壳的内部为真空。
10.如权利要求9所述的一种双栅控制式冷阴极电子枪的制备方法，其特征在于，在所述步骤S104中，分别按照如下步骤加工制得阴极栅网(6)和外置栅网(7)：
S401.通过切片工艺，获取厚度介于0.04～0.10mm之间的金属薄片；
S402.采用激光刻蚀工艺，对所述金属薄片的中部区域进行钻孔刻蚀，得到按照矩阵排列的若干栅孔。
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