CN110379690A - 采用射频激励场发射电子束的冷阴极电子枪 - Google Patents
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Abstract
该发明属于一种采用射频激励场发射产生电子束的冷阴极电子枪。包括阴极腔体及座体，内导体及其阴极头、设于阴极头上的电子发射层，聚焦极、阳极及对应的支撑环、电源接头，上、下壳体，密封板，射频输入端口；该发明利用四分之一波长同轴谐振腔对电场的增强作用，通过谐振腔在阴极发射面上激励均匀的强电磁场，并利用电场均匀的内导体端面/阴极头发射面区域实现场致发射。该发明适用范围宽，可在真空度高于10‑3Pa环境中工作，在输入百瓦量级射频功率时就能在阴极发射面产生107V/m以上的电场强度。因而，具有结构及生产工艺简单、体积小、使用寿命长，易于实现工业化生产，以及可广泛应用于发射电流大的真空电子器件且安全、可靠性高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及真空电子技术领域，特别是一种采用射频激励场发射产生电子束的冷阴极电子枪。
背景技术
微波真空电子器件在军事上和生活中都有着广泛的应用。电子枪作为微波真空电子器件的核心部件，其发射电子束的能力很大程度上决定了器件性能的优劣。
现有技术中，电子枪阴极多为热阴极。热阴极经过过去数十年的发展，技术不断优化, 具有比较稳定的性能，产生的发射电流密度也比较大。但是热阴极的加热功率大，启动时间长，工作效率低，提供给阴极的热能绝大部分以热辐射的形式损耗掉了；热阴极系统结构复杂且通常工作在上千度的高温环境下，器件中的各另部件等都需要耐高温，导致成本较高、整个电子枪的体积大且工作中热子灯丝易断裂或短路。
场致发射不需要加热阴极到高温度，而是依靠很强的外加电场来压抑阴极的表面势垒，使势垒高度降低、宽度变窄，发射体内的大量电子由于隧道效应就能穿透表面势垒逸出，形成场致电子发射。当发射体表面电场达到107V/cm时，隧道效应产生的电子发射就很明显。理论上，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。相对传统的热阴极,场致发射冷阴极可以除去热阴极系统所必不可少的加热组件，大幅度简化了阴极结构；现有场致发射阴极主要有Spindt阴极和碳纳米管冷阴极等。
在公开号为CN 105931931 A的专利文件中公开了《一种尖锥阵列场致发射三级结构及其制作方法》，该专利采用典型的Spindt型场发射阵列三级结构，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。该尖锥阵列场致发射三级结构先在硅衬底上沉积氧化层和牺牲层，然后在牺牲层上刻蚀出空腔图形，接着沉积金属铝作为分离层覆盖住氧化层上表面和空腔开口边沿区域，同时在空腔内垂直蒸发形成微尖阵列并覆盖住分离层并堵住空腔开口形成闭合层，之后腐蚀掉分离层和闭合层，清洗空腔内的杂质后再转移上石墨烯栅极，形成阵列场致发射三级结构。该结构将spindt 型三级结构中传统的金属栅极用石墨烯栅极代替。阴-栅间距约为1um左右，在制备栅极之前清洗空腔内杂质，在一定程度上能改善阴栅短路。但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、化学腐蚀法、光刻、热氧化法、电子束蒸发等多种工艺；由于该尖锥阵列场致发射三级结构在微米量级，尺寸非常小，数量非常多，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。栅极和阴极距离极近，阴极发射电子打到栅网上就会造成局部的发射电流过大，局部发热，使得器件极易损坏，影响冷阴极阵列的使用寿命。为了避免栅极和冷阴极短路，在栅极与冷阴极之间要加入氧化层绝缘介质。然而，介质层较薄，在微米量级，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，因此施加的电压越大越好，但是电压高、阴栅间距小，使其极易击穿绝缘层造成阴极与栅极短路，出现打火现象，损毁器件的工作。因此，该结构器件的耐压性差，无法产生大的电流。因而，这种尖锥阵列场致发射三级结构冷阴极电子枪不宜用于电真空辐射源器件或需要大电流的器件中。
碳纳米管冷阴极多是三极管结构，是在距阴极亚毫米的位置设置几kV电压的网状栅极控制阴极发射电子，在阳极加几十kV的高电压拉出电子。但是阳极电压越高，与栅极或阴极之间的绝缘性能要求就越高，否则很容易发生高压打火而烧毁电子枪，因而，此类冷阴极存在技术难度大，成本高等弊端。
在专利号为CN105590820A、发明名称为《一种基于碳纳米管冷阴极的行波管电子枪》的专利文件中，公开了一种基于碳纳米管冷阴极的行波管电子枪，该冷阴极电子枪包括：阴极、聚焦极和阳极，其中阴极的电子发射面为碳纳米管平面，聚焦极和阳极中设有电子通道，聚焦极的电子通道上(前端)设有栅网，阳极包括：沿电子传播方向依次设置的第一阳极、第二阳极和第三阳极。该电子枪采用的阴极碳纳米管发射平面的半径为0.8-1mm，与栅网距离为0.3mm，聚焦极延伸长度为2.3mm，第一阳极与聚焦极，阳极间距离为0.5mm。该电子枪在栅网上加电压2-4kV，第一阳极加电压15-18kV，第二阳极加电压20-23kV，第三阳极加电压 23-25kV使阴极发射电子。该电子枪阳极电压15-25kV，在如此高的电压下工作，电极之间的绝缘性要求极高，大幅度提高了制作成本；而且该电子枪栅极为网状结构，阴极发射的电子必然会打上栅网，长时间的电子轰击会使栅极表面温度不断升高进而可能烧毁栅极，降低了电子枪的使用寿命。为了尽可能延长栅极寿命，现有的三极管结构场发射阴极只能工作在低的脉冲环境及小功率的器件中等缺陷。
在文献“MICROWAVE DEVICES-Carbon nanotubes as cold cathodes”中公开了一种采用微波二极管结构，利用高Q值的谐振腔，在它内部的同轴支柱末端安放CNT阵列阴极发射电子，通过阳极接收电子。但是该结构为实现高Q值，谐振腔的体积非常庞大笨重，因此实际应用受到很大限制。
而在公告号CN204733448U、发明名称为《一种大气可调谐微波等离子炬装置》的基于传统四分之一波长同轴谐振腔的基本原理设计的一种大气可调谐微波等离子炬装置，包括同轴谐振腔外壳、设于腔体内中轴线上的阶梯(梯形)圆柱形内导体、同轴传输线以及调谐结构, 其中调谐结构包括与腔体外底部固定连接并与内导体下部可滑动连接带外螺纹的圆形桶(筒体)，以及与该筒体通过螺纹可调式连接且底端封闭的桶形套体、桶形套体的内底面与内导体底端固定，通过旋转桶形套体即可调节内导体在谐振腔内的长度，从而实现对频率的调谐。该装置利用内导体顶端边缘(棱边)的尖端放电击穿空气形成的等离子体火焰，从而达到点火等效果；该装置在常规环境中工作，主要用于发动机点火器及等离子体光谱分析系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术热阴极预热时间长，冷阴极激励电压高、使用寿命短等问题，研究设计出一种采用射频激励场发射电子束的冷阴极电子枪；以达到结构及生产工艺简单、体积小、使用寿命长，易于实现工业化生产，以及可应用于发射电流大的真空电子器件等特点。该冷阴极及电子枪可广泛地与行波管、X射线管、线性注微波管等真空电子器件配套使用。
本发明电子枪巧妙利用四分之一波长同轴谐振腔对电场的增强作用，通过谐振腔在阴极发射面上激励均匀的强电磁场，使阴极发射体表面势垒高度降低、宽度变窄，并利用电场均匀的内导体端面/阴极头发射面实现场致发射，阴极的静电场在聚焦极、阳极的聚焦和激励作用下，得到理想的电子束，电子束穿过聚焦极和阳极之后进入行波管、X射线管等实现功率放大；本发明采用聚焦极代替常规场致发射三级结构中的栅极或聚焦极+栅极，取消栅极、避免了阴极发射的电子打到栅网上造成局部的发射电流过大及发热现象，促使电子通过率高，聚焦极在聚焦的同时又对电子束进行调节，以有效提高其工作电流、电子的通过率及器件的使用寿命。本发明在作为发动机点火器等的《一种大气可调谐微波等离子炬装置》的基础上，取消包括与腔体外底部固定连接并与内导体下部可滑动连接带外螺纹的圆形桶(筒体)在内的调谐结构，而在阴极腔体及内导体前端增设一聚焦极和阳极以及作为适应真空环境工作而具有密封及支承功能的上、下壳体，阴极腔座和密封环；从而实现其发明目的。因此，本发明包括阴极腔体及射频输入端口，设于阴极腔体轴心线位置的内导体，关键在于作为阴极头的内导体端部的外环面为圆弧形环面、以避免尖端放电，在内导体的上端沿轴线方向还依次间隔设有聚焦极及阳极，在阴极腔体下部还设有一带排气孔的座体,以及设于聚焦极、阳极、阴极腔体及座体外侧的上、下壳体，在下壳体底部还设有密封板；射频输入端口穿过下壳体及阴极腔体的下侧腔体，其中的射频导入杆则进入内腔并嵌入内腔底部，射频输入端口本体则通过密封固定座与下壳体密封固定；阴极腔体通过座体与下壳体固定成一体，聚焦极、阳极则分别通过聚焦极支撑环及阳极支撑环与上壳体密封固定，并通过设于各相应支撑环上的电源接头与外电源连接。
所述采用射频激励场发射电子束的冷阴极电子枪，其中：聚焦极与阴极头发射面之间的轴向距离为0.1～20mm，阳极与阴极头发射面之间的轴向距离为10-30mm。
为了有效提高阴极头的发射效果，便于在阴极头的发射面增设电子发射层，其阴极头为与内导体端头可拆卸式联接的组合式阴极头，在阴极头的端面(发射面)上还设有一场增强因子大于100的电子发射层。
所述场增强因子大于100的电子发射层为碳纳米管层、石墨烯层、硅纳米线层、氧化锌纳米线层、钼尖、或钼尖阵列层。
而所述射频输入端口包括端口连接头，端口固定座，射频导入杆。
为了便于与行波管、X射线管、线性注微波管等配套使用，在上壳体的端口处还设有一连接用法兰环。
本发明利用四分之一波长同轴谐振腔对电场的增强作用，通过谐振腔在阴极发射面上激励均匀的强电磁场，使阴极发射体表面势垒高度降低、宽度变窄，并利用电场均匀的内导体端面/阴极头发射面区域实现场致发射；再在聚焦极、阳极与阴极的静电场聚焦和激励作用下，得到理想的电子束，电子束穿过聚焦极和阳极之后进入行波管、X射线管、线性注微波管等，实现功率放大；本发明采用仅设有一个中心孔电子通道的聚焦极，去掉网状结构的栅极对电子的阻滞，电子直接通过聚焦极的中心孔可有效提高其工作电流、电子的通过率及器件的使用寿命；因此也可广泛应用于发射电流大的器件。本发明适用范围宽：射频频率300KHz～ 30GHz、射频输入能量可为0.1-1000W，阴极可在真空度高于10-3Pa环境中工作；本发明在输入射频功率百瓦量级就能在阴极发射体表面产生107V/m以上的电场强度。因而，本发明具有结构及生产工艺简单、体积小、使用寿命长，易于实现工业化生产，以及可广泛应用于发射电流大的真空电子器件且安全、可靠性高等特点。
附图说明
图1为本发明冷阴极电子枪结构示意图；
图中：1.阴极腔体、1-1.内腔，2.内导体、2-1.阴极头，3.射频输入端口、3-1.(端口) 密封固定座、3-2.射频导入杆，4.(阴极腔)座体、4-1.排气孔，5.下壳体，6.上壳体，7.聚焦极、7-1.聚焦极支撑环、7-1.1.聚焦极电源接头，8.阳极、8-1.阳极支撑环、8-1.1.阳极电源接头，9.密封板，10.(连接用)法兰环。
图2.图为实施例1阴极头2-1发射面电场分布(a)与背景技术同规格的高压激励的冷阴极电子枪阴极表面电场分布(b)的CST仿真对比图。
图3为实施例2电子流通率及电子注轨迹仿真图；其中：(a)显示其电子流通率为100％； (b)为本实施例电子枪的电子注轨迹仿真图。
具体实施方式
实施例1
本实施例以阴极头2-1发射面设置氧化锌纳米线电子发射层，谐振频率为2.45GHz的冷阴极电子枪为例：
其中，阴极腔体1四周和底部壁厚均为2mm，内腔1-1下部圆柱形内腔直径15mm、高5mm，上部圆锥体内腔下底直径15mm、高24mm，顶端开口直径8mm；内导体2总长29mm，其中：上部长为25mm、直径为2mm，下部长度4mm、直径1.6mm，阴极头2-1轴向高2.5mm、下部与内导体固定连接处高2.3mm、直径1.6mm，上部厚0.2mm其圆周加工成圆弧、下部大径2mm、顶端平面直径1.8mm，端平面上采用热蒸发蒸(镀)法制得场增强因子大于100的氧化锌纳米阵列电子发射层；射频输入端口3中的端口接头为市售标准接头、即螺纹接口直径5mm、长6mm，端口密封固定座3-1采用带密封固定座的(法兰式)密封固定座、与外壳体配合处直径8mm、外部固定盘直径10mm、与端口接头连接的螺纹外径8mm，射频导入杆3-2 直径为0.6mm、在距内腔1-1的内底面高4mm处经密封固定座中心孔插入内腔，进入内腔 3mm处再垂直向下嵌入内腔底部内固定；(阴极腔)座体4为梯形座体，高度4mm、内径19mm、外环面上部直径31mm、下部直径32mm，与阴极腔体1的下部固定，排气孔4-1为(抽真空所设) 工艺孔；下壳体5外直径33mm、高度20mm、壁厚1mm；上壳体6外直径33mm、高30mm、壁厚2mm，从下至上由三个高度分别为10mm、5mm、5mm陶瓷环组合而成，下环与中环之间嵌入聚焦极支撑环7-1的支承体、环体上抽出一电源接头作为聚焦极电源接头7-1.1，中环与上环之间嵌入阳极支撑环8-1的支承体、环体上抽出一电源接头作为阳极电源接头8-1.1；聚焦极7为中心开喇叭形孔的聚焦极、轴向高5mm，喇叭形中心孔下口直径6mm、上口直径 8mm、喇叭口轴向高3mm，聚焦极顶端内、外径分别为10mm及15mm，聚焦极7与阴极头 2-1发射面之间的轴向距离为0.3mm；阳极8中心开有圆锥台及圆柱形的复合孔、孔高度 10mm，其中：圆锥台孔底口直径5mm、上口部直径3mm、高5mm，圆柱形孔直径3mm，阳极8与阴极头2-1发射面之间的轴向距离为10mm；本实施例设置(连接用)法兰环10，环体高6mm、内径28mm、外径33mm。本实施例采用CST仿真软件进行电磁场仿真，在输入射频功率为200W时，在阴极头2-1发射面产生大于107V/m且较为均匀的强电场，在强电场下氧化锌纳米阵列产生场致电子发射。
图2为本实施例阴极头2-1发射面电场分布(a)与高压激励的冷阴极电子枪阴极表面电场分布(b)的CST仿真对比图；
即：与同规格的高压电场激励的冷阴极电子枪相比：本实施例当阴极输入射频功率1W，阴极和聚焦极7接地，阳极8加电压1000V时，阴极头2-1表面最高电场强度为：5.57╳105V/m，最低电场强度：4.27╳105V/m，电场值相差30.4％、表面电场分布均匀；附图2(a)即本实施例阴极头2-1表面电场分布仿真图。而高压电场激励的冷阴极电子枪，当阴极接地，聚焦极施加电压4000V，阳极电压6000V时，阴极发射面最高电场强度为：1.96╳106V/m，最低电场强度为：3.72╳106V/m，电场值相差89.8％；图2(b)即为该高压电场激励的冷阴极电子枪发射面电场分布仿真图。
实施例2
本实施例以阴极头2-1发射面设置石墨烯电子发射层，谐振频率仍为2.45GHz的冷阴极电子枪为例：
聚焦极7与阴极头2-1发射面之间的轴向距离本实施例为0.5mm，阳极8与阴极头2-1 发射面之间的轴向距离为15mm，其余结构及参数与实施例1同。
本实施例阴极头2-1端面采用丝网印刷法设置一层低开启场发射材料石墨烯电子发射层，其方法是：先在阴极头2-1端面印刷一层导电银浆作为过渡层，然后在银浆层上印刷石墨烯材料，再经高温退火去除杂质并提高石墨烯与阴极头的附着性和导电性，最后得到场增强因子大于1000的石墨烯薄膜电子发射层；经CST仿真软件进行粒子轨迹仿真，该电子枪在输入射频功率为100W时，阴极头2-1发射面产生大于107V/m且较为均匀的强电场，在强电场下石墨烯薄膜产生场致电子发射，聚焦极7将阴极发射的电子进行聚焦形成所需的电子注，阳极8上加正电压，将电子束抽出，形成穿过阳极(8)的电子束。
本实施例将阴极接地，聚焦极7加电压1000V，阳极8加电压2000V，同时阴极输入射频功率100W进行仿真实验，通过仿真可看出，本实施例射频激励冷阴极电子枪可实现电子通过率100％，聚焦极7无电子截获。
图3即为本实施例电子流通率及电子注轨迹仿真图；其中：(a)显示其电子流通率为100％； (b)为本实施例电子枪的电子注轨迹仿真图：
实施例3.
本实施例以阴极头2-1发射面设置碳纳米管电子发射层，谐振频率仍为2.45GHz，聚焦极7与阴极头2-1发射面之间的轴向距离本实施例为1.2mm，阳极8与阴极头2-1发射面之间的轴向距离仍为20mm，其余结构及参数均与实施例2同的冷阴极电子枪为例：
本实施例阴极头2-1端面采用压印法设置一层低开启场发射材料碳纳米管电子发射层，其方法是先在阴极头2-1端面印刷一层导电银浆作为过渡层，然后在银浆层上压印碳纳米管，再经高温退火去除杂质并提高碳纳米管与阴极头的导电性和附着性，得到场增强因子大于 1000的碳纳米管薄膜电子发射层；经CST仿真软件进行粒子轨迹仿真，其发射电流明显较阴极不加射频功率时大。
仿真实验中：当阴极加射频功率200W、阴极接地、聚焦极7电压为4000V，阳极8加电压6000V时，发射电流22.5mA。
Claims (6)
1.一种采用射频激励场发射电子束的冷阴极电子枪，包括阴极腔体及射频输入端口，设于阴极腔体轴心线位置的内导体，其特征在于作为阴极头的内导体端部的外环面为圆弧形环面、以避免尖端放电，在内导体的上端沿轴线方向还依次间隔设有聚焦极及阳极，在阴极腔体下部还设有带排气孔的座体,以及设于聚焦极、阳极、阴极腔体及座体外侧的上、下壳体，在下壳体底部还设有密封板；射频输入端口穿过下壳体及阴极腔体的下侧腔体，其中的射频导入杆则进入内腔并嵌入内腔底部，射频输入端口本体则通过密封固定座与下壳体密封固定；阴极腔体通过座体与下壳体固定成一体，聚焦极、阳极则分别通过聚焦极支撑环及阳极支撑环与上壳体密封固定，并通过设于各相应支撑环上的电源接头与外电源连接。
2.按权利要求1所述采用射频激励场发射电子束的冷阴极电子枪，其特征在于聚焦极与阴极头发射面之间的轴向距离为0.1～20mm，阳极与阴极头发射面之间的轴向距离为10-30mm。
3.按权利要求1所述采用射频激励场发射电子束的冷阴极电子枪，其特征在于所述阴极头为与内导体端头可拆卸式联接的组合式阴极头，在阴极头的端面上还设有场增强因子大于100的电子发射层。
4.按权利要求3所述采用射频激励场发射电子束的冷阴极电子枪，其特征在于所述场增强因子大于100的电子发射层为碳纳米管层、石墨烯层、硅纳米线层、氧化锌纳米线层、钼尖、或钼尖阵列层。
5.按权利要求1所述采用射频激励场发射电子束的冷阴极电子枪，其特征在于所述射频输入端口包括端口连接头，端口固定座，射频导入杆。
6.按权利要求1所述采用射频激励场发射电子束的冷阴极电子枪，其特征在于在上壳体的端口处还设有一连接用法兰环。
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