CN110783158A - 一种小型化低能栅控冷阴极电子枪 - Google Patents

一种小型化低能栅控冷阴极电子枪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小型化低能栅控冷阴极电子枪，该装置包括阴极、栅极、静电聚焦电极与固定装配各电极的结构等；装配各电极的结构有：顶件、底座、陶瓷棒、绝缘垫片、阳极衬套、固定隔离支架、栅极衬套、弹簧、电极法兰；静电聚焦电极有：聚焦极、阳极、减速极；本发明利用COMSOL带电粒子追踪模块对电子枪的结构参数及电学参数进行优化修正，得到了电子枪中电极间距、厚度、电压等参数的较优数值。本发明发射出的电子束有束流强度大、束能量低、发散角小的优点，在各种离子源中有广泛的应用前景。

Description

一种小型化低能栅控冷阴极电子枪
技术领域
本发明属于电子加速器领域，更具体地涉及冷阴极电子枪。
背景技术
现有的小型化栅控冷阴极电子枪出射的电子束能量较高，电子束能量在500eV以上。小型化的电子枪中采用的是静电透镜对电子约束和聚焦。受限于高的栅网提取电压以及电子枪小型化的要求，电子束能量难以降低。当进一步压缩阴极与栅极的间距以减小栅网提取电压时，栅网的散射效应大大增加，电子枪中的静电透镜难以对电子束进行约束，将导致发射出的电子束呈发散状态。当不采用栅网以获得聚焦的电子束时，提取极的电压较高、冷阴极发射面发射出的电流不均匀且电子束束流强度较小，且此种形式的电子枪在低能的条件下产生的电子损耗率较高。
由此可见，现有的技术存在电子束能量小与束流强度大难以统一的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电子束能量较小、束流强度较大、电子束发散角小的小型化低能栅控冷阴极电子枪装置。
本发明小型化低能栅控冷阴极电子枪，其特点包括有：
一种小型化低能栅控冷阴极电子枪，其特征包括有：所述装置包括顶件、减速极、阳极、聚焦极、栅极、阴极、底座、电极法兰、陶瓷棒、绝缘垫片、阳极衬套、固定隔离支架、栅极衬套、弹簧、电极柱、电极保护罩。
所述的陶瓷棒通过螺纹孔固定在电极法兰上，弹簧套在陶瓷棒上；所述的底座通过通孔与陶瓷棒连接，底座通过弹簧支撑固定在电极法兰上；所述的各电极：阴极、栅极、聚焦极、阳极、减速极通过固定各电极的结构依次放置在底座上，各电极与底座通过通孔由陶瓷棒固定连接；所述的阴极与栅极之间用栅极衬套固定隔离；所述的固定隔离支架放置在底座上，并固定隔离栅极与聚焦极；所述的聚焦极与阳极之间用阳极衬套固定隔离；所述的阳极与减速极用绝缘垫片固定隔离；所述的电子枪整体结构用顶件固定。
所述的静电聚焦电极的形状、间距及施加电压用COMSOL带电粒子追踪模块进行仿真优化，电极形状包括聚焦极、阳极、减速极的厚度和内半径，电极间距包括阴极与栅极、栅极与聚焦极、聚焦极与阳极、阳极与减速极的间距，电极电压包括栅极、聚焦极、阳极与减速极的电压。
所述的减速极、阳极、聚焦极、栅极、阴极及装配各电极的结构表面粗糙度为0.4、0.2、0.1或0.05。
所述的聚焦极与阳极、阳极与减速极的平行度和同轴度的误差为0.005mm-0.02mm。
所述的阴极、栅极、减速极、阳极、聚焦极通过电极法兰上的电极柱连接到各电源；所述的阴极及减速极接地，栅极接数百伏特的正电压，聚焦极几十伏特的正电压，阳极接数百伏特的正电压，且阳极电压高于栅极电压。
使用COMSOL带电粒子追踪模块对电子枪进行建模仿真，改变聚焦极、阳极以及减速极电压并优化静电聚焦电极的形状及电极间距，并得到了满足仿真要求的电子枪模型。电子枪仿真性能为：电子枪表面场强的最低点大于1.5V/μm、束散角小于15°、电子束能量在100eV-150eV可调。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1.本发明采用了阴极、栅极、聚焦极、阳极、减速极的五电极结构，且聚焦极、阳极、减速极组成的静电透镜系统可以有效的对电子进行约束。
本发明采用了阴极、栅极、聚焦极、阳极、减速极的五电极结构，阴极通过栅极的高提取电压场致发射出电流，电子束流经过聚焦极、阳极、减速极组成的静电透镜系统减速和约束；利用COMSOL中带电粒子追踪模块优化电子枪中电极的形状和施加电压，且为了提高电子束的束流强度、降低电子束的能量及发散角，对电子枪中各电极的形状、施加电压进行多次优化。本发明中电子束具有束流强度大、电子束的发散角小，电子束能量低的优点，有较高的使用价值和广泛的应用前景。
2.本发明中缩小了阴极与栅极的间距，为30微米，且由于阴极与栅极间距的降低，在保持阴极表面场强不变的情形下，栅极和阳极的电压只有几百伏特，对比于其它冷阴极电子枪中提取极的电压，本发明中栅网上的提取电压降低了至少一个数量级，更适用于小型化离子源器件中。
3.本发明采用简单的金属圆环聚焦电极，其具有结构简单、安装便捷、原理清晰的特点。
附图说明
图1为本发明一种小型化低能栅控冷阴极电子枪的剖面示意图；
图2为本发明一种小型化低能栅控冷阴极电子枪的栅网的示意图；
图3为本发明一种小型化低能栅控冷阴极电子枪结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构。
图中标号：1顶件；2减速极；3阳极；4聚焦极；5栅极；6阴极；7底座；8电极法兰；9陶瓷棒；10绝缘垫片；11阳极衬套；12固定隔离支架；13栅极衬套；14弹簧；15电极柱；16电极保护罩；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述，如图1所示，本实例中的一种小型化低能栅控冷阴极电子枪包括有：顶件1；减速极2；阳极3；聚焦极4；栅极5；阴极6；底座7；电极法兰8；陶瓷棒9；绝缘垫片10；阳极衬套11；固定隔离支架12；栅极衬套13；弹簧14；电极柱15；电极保护罩16；
具体实施中陶瓷棒通过螺纹孔固定在电极法兰上，弹簧套在陶瓷棒上；底座通过通孔与陶瓷棒连接；底座通过弹簧支撑固定在电极法兰上；在陶瓷棒上通过通孔依次放置底座、阴极、栅极衬套、栅极、固定隔离支架、聚焦极、阳极衬套、阳极、绝缘垫片、阴极、顶件；阴极与栅极之间用栅极衬套固定隔离；栅极与聚焦极之间用固定隔离支架固定隔离；聚焦极与阳极之间用阳极衬套固定隔离；阳极与减速极用绝缘垫片固定隔离；电子枪整体结构用顶件固定。
具体实施中静电聚焦电极用COMSOL带电粒子追踪模块进行仿真优化，优化静电聚焦电极的电极形状、间距及施加电压，电极形状包括聚焦极、阳极、减速极的厚度和内半径，电极间距包括阴极与栅极、栅极与聚焦极、聚焦极与阳极、阳极与减速极的间距，电极电压包括栅极、聚焦极、阳极与减速极的电压
具体实施中减速极、阳极、聚焦极、栅极、阴极及装配各电极的结构表面粗糙度为0.4、0.2、0.1或0.05。
具体实施中聚焦极与阳极、阳极与减速极的平行度和同轴度的误差为0.005mm-0.02mm。
具体实施中阴极、栅极、减速极、阳极、聚焦极通过电极法兰上的电极柱连接到各电源；所述的阴极及减速极接地，栅极接数百伏特的正电压，聚焦极几十伏特的正电压，阳极接数百伏特的正电压，且阳极电压高于栅极电压。
具体实施中使用COMSOL带电粒子追踪模块对电子枪进行建模仿真，改变聚焦极、阳极以及减速极电压并优化聚焦电极的形状及电极间距，并得到了满足仿真要求的电子枪模型。电子枪仿真性能为：电子枪表面场强的最低点大于1.5V/μm、束散角小于15°、电子束能量在100eV-150eV可调。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，在本领域的普通技术人员在本发明的精神和原则之内还可对本发明做出修改、等同替换和改进，这些修改和改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小型化低能栅控冷阴极电子枪，其特征包括有：顶件(1)；减速极(2)；阳极(3)；聚焦极(4)；栅极(5)；阴极(6)；底座(7)；电极法兰(8)；陶瓷棒(9)；绝缘垫片(10)；阳极衬套(11)；固定隔离支架(12)；栅极衬套(13)；弹簧(14)；电极柱(15)；电极保护罩(16)；
所述的陶瓷棒(9)通过螺纹孔固定在电极法兰(8)上，弹簧(14)套在陶瓷棒(9)上；所述的底座(7)通过通孔与陶瓷棒(9)连接，底座(7)通过弹簧(14)支撑固定在电极法兰(8)上；所述的各电极：阴极(6)、栅极(5)、聚焦极(4)、阳极(3)、减速极(2)通过固定各电极的结构依次放置在底座(7)上，各电极与底座(7)通过通孔由陶瓷棒(9)固定连接；所述的阴极(6)与栅极(5)之间用栅极衬套(13)固定隔离；所述的固定隔离支架(12)放置在底座上(7)，并固定隔离栅极(5)与聚焦极(4)；所述的聚焦极(4)与阳极(3)之间用阳极衬套(11)固定隔离；所述的阳极(3)与减速极(2)用绝缘垫片(10)固定隔离；所述的电子枪整体结构用顶件(1)固定；所述的静电聚焦电极的形状、间距及施加电压用COMSOL带电粒子追踪模块进行仿真优化，电极形状包括聚焦极(4)、阳极(3)减速极(2)的厚度和内半径，电极间距包括阴极(6)与栅极(5)、栅极(5)与聚焦极(4)、聚焦极(4)与阳极(3)、阳极(3)与减速极(2)的间距，电极电压包括栅极(5)、聚焦极(4)、阳极(3)与减速极(2)的电压。
2.根据权利要求1所述的小型化低能栅控冷阴极电子枪，其特征是：阴极(6)与栅极(5)的间距为30微米，且栅极(5)与聚焦极(4)、聚焦极(4)与阳极(3)、阳极(3)与减速极(2)的间距及各电极的厚度、内半径都为毫米级别。
3.根据权利要求1所述的小型化低能栅控冷阴极电子枪，其特征是：具有阴极(6)、栅极(5)、聚焦极(4)、阳极(3)、减速极(2)五电极结构。
4.根据权利要求1所述的小型化低能栅控冷阴极电子枪，其特征是：阴极(6)及减速极(2)接地，栅极(5)接高电位的正电压，聚焦极(4)接低电位的正电压，阳极(3)接高电位的正电压，且聚焦极(4)电位为几十伏特，栅极(5)与阳极(3)电压为数百伏特。
5.根据权利要求1所述的小型化低能栅控冷阴极电子枪，其特征是：所述的阴极(6)、栅极(5)、减速极(4)、阳极(3)、聚焦极(2)通过电极法兰(8)上的电极柱连接到各电源。
6.根据权利要求1所述的小型化低能栅控冷阴极电子枪，其特征是：所述的减速极、阳极、聚焦极、栅极、阴极及装配各电极的结构表面粗糙度为0.4、0.2、0.1或0.05；所述的聚焦极与阳极、阳极与减速极的平行度和同轴度的误差为0.005mm-0.02mm。
7.根据权利要求1所述的小型化低能栅控冷阴极电子枪，其特征是：所述的静电聚焦电极的形状、间距及施加电压用COMSOL带电粒子追踪模块进行仿真优化的具体实现方式为：
使用COMSOL带电粒子追踪模块对电子枪进行建模仿真，改变聚焦极、阳极以及减速极电压并优化聚焦电极的形状及电极间距，得到满足仿真要求的电子枪模型；电子枪仿真性能为：电子枪表面场强的最低点大于1.5V/μm、束散角小于15°、电子束能量在100eV-150eV可调。
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