CN111161988A - 一种基于碳纳米管阴极的低能电子束枪 - Google Patents

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张虎忠
成永军
郭美如
赵澜
陈联
陈会颖
张瑞年
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Abstract

本发明公开了一种基于碳纳米管阴极的低能电子束枪，通过设计采用由引出电极和减速电极形成的减速电场实现对电子的减速操作，降低了电子的能量，并且通过采用聚焦电极将电子聚束，从而形成了近似平行分布的低能电子束，有效解决了普通二级式电子枪电子能量过高及无法有效聚焦的问题。

Description

一种基于碳纳米管阴极的低能电子束枪
技术领域
本发明属于阴极电子技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管阴极的低能电子束枪。
背景技术
碳纳米管阴极作为电子源具有功耗低、响应快、耐环境冲击等优异性能，在 X射线管、真空计、质谱计、电推进等领域具有重要的应用前景。
碳纳米管的优异性能使其有望替代热灯丝，应用于真空测量领域，但是碳纳米管阴极通常需要高电压引出电极，基于肖特基量子隧穿原理从材料表面拉出电子，出射的电子能量达到数百电子伏或者更高，高能电子在高压阳极的加速电场作用下，易于聚焦成束，但是电子能量达到数千电子伏，这种原理电子枪通常应用于X射线管、电推进中和器等领域具有一定优势，但是，对于真空测量仪器，需要能量为几十电子伏特的电子束，实现电离区域分子样品的有效碰撞电离。由于缺乏有效的减速和聚焦手段，目前的基于碳纳米管阴极的真空计或者质谱计均采用能量较高的电子束，极大的降低了电子碰撞电离效率，且高能电子易造成样品过度电离，碎片峰过多等问题。
文献《CNT-Based MEMS/NEMS Gas Ionizers for Portable Mass SpectrometryApplications,Journal of microelectromechanical systems,2010(19)：48》中报道了一种基于CNT阴极的质谱计，采用了二级式设计，将引出电极拉出的电子通过电场加速，引入电离室，获得的电子未能很好的聚焦成束，且电子能达到数百电子伏特，影响了被分析样品的有效电离。
综上所述，现有技术中存在电子未能聚焦成束，且电子能过高的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于碳纳米管阴极的低能电子束枪，通过对电子的引出、减速和聚焦操作，能够形成近似平行分布的低能电子束。
本发明提供的一种基于碳纳米管阴极的低能电子束枪，包括碳纳米管阴极 101、引出电极102、减速电极103和聚焦电极104，所述聚焦电极104的内表面为锥台，半径较小的一端为所述电子束枪的电子出口，电子从所述碳纳米管阴极 101逸出到达引出电极102后，经过由所述减速电极103与引出电极102之间形成的减速电场减速，再由所述聚焦电极104聚焦形成电子束输出。
进一步地，采用绝缘垫片105按照设定距离将所述碳纳米管阴极101、引出电极102、减速电极103及聚焦电极104之间绝缘间隔。
进一步地，所述绝缘垫片105为陶瓷薄片。
进一步地，所述引出电极102及减速电极103均为采用钼或钨金属制作的栅网结构。
进一步地，所述碳纳米管阴极101为圆形阵列分布
有益效果：
本发明通过设计采用由引出电极和减速电极形成的减速电场实现对电子的减速操作，降低了电子的能量，并且通过采用聚焦电极将电子聚束，从而形成了近似平行分布的低能电子束，有效解决了普通二级式电子枪电子能量过高及无法有效聚焦的问题。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于碳纳米管阴极的低能电子束枪的结构示意图。
图2为本发明提供的一种基于碳纳米管阴极的低能电子束枪的软件模拟电子运动轨迹示意图。
其中，101-碳纳米管阴极，102-引出电极，103-减速电极，104-聚焦电极，105- 绝缘垫片。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供的一种基于碳纳米管阴极的低能电子束枪，如图1所示，包括碳纳米管阴极101、引出电极102、减速电极103和聚焦电极104。电子束枪通过对电子引出、减速和聚焦，形成近似平行分布的低能电子束，低能电子束能量通过碳纳米管阴极电位和电子束接收区域的电位决定。
其中，碳纳米管阴极101的电位设置根据工作区域的电压和电子能量要求进行设定，引出电极102设置电压高于碳纳米管阴极101，通常达到数百伏特的电势差，电子从阴极101表面通过量子隧穿效应逸出，进入真空环境，然后在减速电极103上施加低于引出电极102的电压，对电子进行减速，减速电场的强弱决定电子的通过效率，最后采用更低电位的聚焦电极104，对穿过减速电极103 的电子进行聚焦并引入工作区域。
碳纳米管电极101为圆形阵列分布，面积根据所需工作电流大小进行选择，碳纳米管可通过直接生长制备、丝网印刷等方法制备。碳纳米管生长或者粘接用的衬底材料通常选用导电性能较好的不锈钢。
引出电极102为具有一定电子透过率的栅网结构，材料选用耐电子轰击的钼、钨等金属。网孔结构可选用圆形、正方形、长方形或者六边形，通常采用激光刻蚀或者化学刻蚀的方法制备。
减速电极103为具有一定电子透过率的栅网结构，可与引出电极的结构相同，也可选用不同结构，目的是降低引出电极102出射电子的动能，材料也选用耐电子轰击的钼、钨等金属。
聚焦电极104聚焦电极为锥形圆柱状结构，内表面为锥形结构，电极两端分别为半径不同的圆形电子入口和出口，外表面可采用柱型或其它形状以便于安装，材料选用钼、钨、不锈钢、钛等材料。
实施例1：
本实施例中，采用绝缘垫片105按照设定距离绝缘间隔碳纳米管阴极101、引出电极102、减速电极103及聚焦电极104。本实施例选用陶瓷薄片作为绝缘垫片105实现各个电极的绝缘和间距控制，如图1所示。
实施例2：
本实施例中，采用的碳纳米管电极101为圆形阵列分布，面积为直径1毫米的圆面，采用1.5mm的不锈钢衬底，并通过化学气相沉积的方法直接制备获得，碳纳米管长度15微米到20微米，直径50纳米到60纳米之间。
实施例3：
本实施例中，采用的引出电极102和减速电极103均为电子透过率80％的栅网结构，通过化学刻蚀钨片制成，栅网外径1.5mm。引出电极102与碳纳米管衬底的间距控制为300微米，引出电极与减速电极间距控制为200微米。
实施例4：
本实施例中，采用的聚焦电极104为60度的锥形结构，材料选用不锈钢，与减速电极103的间距为200微米，通过陶瓷绝缘块105控制间距。
实施例5：
本实施例中，采用的碳纳米管阴极101的电位设置为对地负70伏特，引出电极102设置电压高于碳纳米管阴极101，设置为对地400伏特到500伏特，电子流从阴极101表面通过量子隧穿效应逸出，进入真空环境，然后在减速电极 103上施加200伏特减速电压，部分电子被减速电极103拦截，穿过电压50伏特的减速电极103的电子流在聚焦电场作用下，运动速度和方向逐渐发生偏转，最终形成近似于平行的聚焦电子束。
在本实施例电压条件设置下，电子被引出、减速并最终聚焦成束引入工作区域，工作区域电场设置为对地零伏特，电子能量约为70电子伏，电子运动轨迹107显示电子透过率约为30％。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于碳纳米管阴极的低能电子束枪，其特征在于，包括碳纳米管阴极(101)、引出电极(102)、减速电极(103)和聚焦电极(104)，所述聚焦电极(104)的内表面为锥台，半径较小的一端为所述电子束枪的电子出口，电子从所述碳纳米管阴极(101)逸出到达引出电极(102)后，经过由所述减速电极(103)与引出电极(102)之间形成的减速电场减速，再由所述聚焦电极(104)聚焦形成电子束输出。
2.根据权利要求1所述的电子束枪，其特征在于，采用绝缘垫片(105)按照设定距离将所述碳纳米管阴极(101)、引出电极(102)、减速电极(103)及聚焦电极(104)之间绝缘间隔。
3.根据权利要求1所述的电子束枪，其特征在于，所述绝缘垫片(105)为陶瓷薄片。
4.根据权利要求1所述的电子束枪，其特征在于，所述引出电极(102)及减速电极(103)均为采用钼或钨金属制作的栅网结构。
5.根据权利要求1所述的电子束枪，其特征在于，所述碳纳米管阴极(101)为圆形阵列分布。
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