CN112242276A - 场发射中和器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种场发射中和器，包括一底板以及至少一个阴极发射单元固定在该底板的表面，该阴极发射单元包括一基板，一壳体，一阴极发射体，一栅网，以及一屏蔽层，所述壳体位于该基板上，该阴极发射体固定在该壳体内部并与该栅网绝缘间隔设置，该栅网与该屏蔽层绝缘间隔设置，该壳体具有一开口，该栅网包括多个栅孔，该屏蔽层具有一通孔，该开口、栅孔和通孔贯穿设置，所述阴极发射体包括一阴极基底以及一石墨化的碳纳米管阵列，该阴极基底包括一基底主体以及一粘结剂层，该石墨化的碳纳米管阵列通过该粘结剂层固定在该基底主体上，且石墨化的碳纳米管阵列中的碳纳米管基本垂直于该基底主体。

Description

场发射中和器
技术领域
本发明涉及一种场发射中和器，尤其涉及一种采用石墨化的碳纳米管阵列作为电子发射体的场发射中和器。
背景技术
场发射中和器的主要功能是发射电子中和正离子电荷。场发射中和器应用领域十分广泛，例如，场发射中和器是太空电推进器的一个重要组成部分，中和器的主要功能是发射电子中和离子电荷防止系统电荷累积，如果中和器故障可能造成推进器无法启动，或者系统的电压瞬间升高上万伏。
碳纳米管具有很好的导电性能，发射电子效率较高，非常适用于阴极发射发射体中。然而，现有的采用碳纳米管发射体的场发射中和器中，一般采用无序排列的碳纳米管作为电子发射体，发射效率较低,而且碳纳米管都没有经过石墨化处理，碳纳米管的微观结构存在很大的生长缺陷，例如，存在乱层结构、微晶结构中存在位错和缺陷、含有非碳原子、无定形碳以及结晶度小等问题，在发射电子的过程中碳纳米管非常容易变成粉末，导致发射电子的效率比较低，甚至发射电子失败。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种场发射中和器，该场发射中和器的电子发射体的发射效率较高，且在发射过程中不易损坏，场发射中和器的使用寿命较长。
一种场发射中和器，包括一底板以及至少一个阴极发射单元，该至少一个阴极发射单元固定在所述底板的表面，所述阴极发射单元包括：
一基板；
一壳体，所述壳体位于所述基板上，所述壳体具有一开口；
一阴极发射体，所述阴极发射体固定在所述壳体内部；
一栅网，所述栅网包括多个栅孔并与阴极发射体绝缘设置；以及
一屏蔽层，所述屏蔽层具有一屏蔽层通孔并与所述栅网绝缘设置，
所述壳体的开口、栅网的栅孔以及屏蔽层通孔贯穿设置，所述阴极发射体包括一阴极基底以及一石墨化的碳纳米管阵列，该石墨化的碳纳米管阵列与该阴极基底电接触，所述阴极基底包括一基底主体以及一粘结剂层，该石墨化的碳纳米管阵列通过该粘结剂层固定在所述基底主体上，且石墨化的碳纳米管阵列中的碳纳米管基本垂直于所述基底主体。
与现有技术相比较，本发明提供的场发射中和器中阴极发射体中的电子发射结构为一石墨化的碳纳米管阵列，该石墨化的碳纳米管阵列中的碳纳米管基本不含有杂质，而且微观结构中基本没有位错和缺陷，结晶度较大，微晶趋向于三维有序的石墨结构，该石墨化的碳纳米管阵列具有良好的导电、导热、力学等性能，在使用过程中可以保持原始形态，不会变成粉末，发射效率较高；而且石墨化的碳纳米管阵列中的碳纳米管基本垂直于所述阴极基底，进而提高场发射中和器的发射效率和使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的场发射中和器的俯视结构示意图。
图2为本发明实施例提供的场发射阴极单元的结构拆解示意图。
图3为本发明实施例提供的阴极发射体的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的阴极发射体的结构示意图。
主要元件符号说明
场发射中和器 100
底板 10
场发射阴极单元 20
基板 21
壳体 22
阴极发射体 23
阴极基底 231
石墨化的碳纳米管阵列 232
栅网 24
屏蔽层 25
第一绝缘层 26
第二绝缘层 27
开口 221
栅孔 241
第一通孔 261
第二通孔 271
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，本发明实施例提供一场发射中和器100，该场发射中和器100包括一底板10以及至少一个场发射阴极单元20，该至少一个场发射阴极单元20间隔固定在所述底板10的表面。
所述场发射阴极单元20的数量可以根据实际需要进行设定。所述场发射阴极单元20可以通过粘结剂或螺栓等方式固定在所述底板10的表面。本实施例中，所述场发射中和器100包括4个场发射阴极单元20，该4个场发射阴极单元20采用螺栓固定在所述底板10的表面。
请参阅图2，该场发射阴极单元20包括一基板21，一壳体22，一阴极发射体23，一栅网24，以及一屏蔽层25。所述壳体22位于所述基板21上。所述阴极发射体23设置在所述壳体22的内部并与所述栅网24绝缘间隔设置。所述栅网24与所述屏蔽层25绝缘间隔设置。所述壳体22具有一开口221，所述栅网24包括多个均匀分布的栅孔241，所述屏蔽层25具有一屏蔽层通孔251，所述开口221、栅孔241以及屏蔽层通孔251贯穿设置，进而使得所述阴极发射体23发射的电子穿过所述开口221、栅孔241及屏蔽层通孔251发射出去。
请参阅图3，所述阴极发射体23包括一阴极基底231以及一石墨化的碳纳米管阵列232。该石墨化的碳纳米管阵列232是指碳纳米管阵列中的至少部分碳纳米管被石墨化。优选的，所述石墨化的碳纳米管阵列232中50-80％的碳纳米管被石墨化。由于碳纳米管在实际生长过程中会存在很多生长缺陷，例如：碳纳米管里层存在乱层结构、微晶结构中存在位错和缺陷、含有非碳原子、无定形碳以及结晶度小等问题。石墨化处理碳纳米管可以使碳纳米管中的微晶由乱层结构向石墨形态片层结构转化，排除非碳原子、微晶重排、微晶合并与长大、以及无定形碳实现石墨化。因此，石墨化的碳纳米管阵列232中的碳纳米管基本不含有杂质，例如，生长碳纳米管的过程中用到的催化剂等。而且微观结构中基本没有位错和缺陷，结晶度较大，微晶趋向于三维有序的石墨结构。因此该石墨化的碳纳米管阵列232具有良好的导电、导热、力学等性能，发射电子效率较高；在使用过程中，尤其在真空中使用时可以保持原始形态，不会变成粉末；而且所述石墨化的碳纳米管阵列232具有很好的热稳定性和化学稳定性，非常适合在真空环境中使用。本实施例中，所述石墨化的碳纳米管阵列232中的碳纳米管不含有杂质，而且微观结构中没有位错和缺陷，微晶趋向于三维有序的石墨结构。
在所述石墨化的碳纳米管阵列232中碳纳米管的延伸方向上，所述石墨化的碳纳米管阵列232包括一第一端以及与第一端相对的第二端。所述阴极基底231包括一基底主体2311以及一粘结剂层2312。所述石墨化的碳纳米管阵列232的第一端通过该粘结剂层2312固定在所述基底主体2311上，且石墨化的碳纳米管阵列232中的碳纳米管基本垂直于所述基底主体2311。该石墨化的碳纳米管阵列232为电子发射体。所述碳纳米管阵列232中远离所述基底主体2311的第二端为电子发射端。本实施例中，所述石墨化的碳纳米管阵列232的第一端插入到所述粘结剂层2312中。
可以理解，请参阅图4，在其它实施例中，所述阴极发射体23也可以包括多个石墨化的碳纳米管阵列232，该多个石墨化的碳纳米管阵列232并排或者间隔固定在所述阴极基底231的表面，可以增加电子的发射量，提高发射效率。某些实施例中，所述阴极发射体23包括2-4个石墨化的碳纳米管阵列232间隔固定在所述阴极基底231的表面。
所述石墨化的碳纳米管阵列232可以将一超顺排碳纳米管阵列在2800℃左右的惰性气体中进行石墨化处理得到。该高温石墨化热处理可以有效改善碳纳米管阵列中碳纳米管的微观结构，提高碳纳米管的结晶度，同时可以去除碳纳米管结构中金属催化剂等杂质。
该超顺排碳纳米管阵列由多个彼此平行且垂直于生长基底的碳纳米管组成。该超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。当然，所述超顺排碳纳米管阵列中存在少数随机排列的碳纳米管，这些随机排列的碳纳米管不会对超顺排碳纳米管阵列中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。
所述超顺排碳纳米管阵列的制备方法不限，可以为化学气相沉积法、电弧放电制备方法或气溶胶制备方法等。本实施例中，所述超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤请参阅冯辰等人在2008年8月13日公开的中国专利申请CN101239712A，在此不再陈述。
所述阴极发射体23的制备方法包括：对一超顺排碳纳米管阵列进行石墨化处理，使其形成石墨化的碳纳米管阵列232；采用所述阴极基底231粘贴该石墨化的碳纳米管阵列232的表面，将石墨化的碳纳米管阵列232转移到所述阴极基底231的表面，且该石墨化的碳纳米管阵列232与该阴极基底231形成电接触；固化该粘结剂层2312，使该石墨化的碳纳米管阵列232与该阴极基底231牢固结合。本实施例中，所述石墨化处理在2800℃Ar气气氛下进行。
在某些实施例中，所述石墨化的碳纳米管阵列232的表面进一步包括一积碳层，该积碳层均匀的包覆在所述石墨化的碳纳米管阵列232中碳纳米管的表面。该积碳层可以进一步增加所述石墨化的碳纳米管阵列232的机械性能，进而增加场发射中和器100的发射稳定性。
所述基底主体2311可选用绝缘材料，如陶瓷、玻璃、表面有氧化层的硅片等；也可选用导电材料，如金属、硅片、表面有导电层的玻璃等。粘结剂层2312可选用导电材料，如导电银浆料等，也可选用绝缘材料。粘结剂层2312的材质的选用应当与基底主体2311的材质相配合：当基底主体22为绝缘材料时，粘结剂层2312应该选用导电材料以使所述石墨化的碳纳米管阵列232能与该阴极基底231形成电接触；当基底主体2311为导电材料，粘结剂层2312可选用导电材料，也可选用绝缘材料，能确保所述石墨化的碳纳米管阵列232与阴极基底231形成电接触均可。粘结剂层2312可通过表面涂敷或丝网印刷等方法形成在基底主体2311表面。当基底主体2311为导电材料，粘结剂层2312为绝缘材料时，应当使所述石墨化的碳纳米管阵列20的第一端穿过粘结剂层2312与基底主体2311直接接触，进而与阴极基底231形成电接触。本实施例中，所述基底主体2311为一镍片，所述粘结剂层2312为银浆。
所述基板21的材料为绝缘材料，具体可以为玻璃、陶瓷或二氧化硅等绝缘材料。本实施例中，所述基板21的材料为陶瓷。所述基板21用于支撑所述壳体22。
所述壳体22的材料可以为导电材料或绝缘材料。本实施例中，所述壳体22的材料为不锈钢。所述壳体22用于容纳所述阴极发射体23，可以避免所述阴极发射体23受到污染，以及受到外力作用时损坏。所述壳体22的形状不限，只要能够保证所述阴极发射体23可以放置在里面，并通过其开口221向外发射电子即可。所述阴极发射体23固定在所述壳体22的内部可以通过将所述基底主体2311固定在所述壳体22的侧壁实现，具体可以采用粘结剂将基底主体2311粘结在所述壳体22的侧壁，或者采用螺栓将所述基底主体2311固定在所述壳体的内部等。
所述阴极发射体23与栅网24绝缘设置。当所述壳体22为导电材料时，所述壳体22和栅网24之间进一步包括一第一绝缘层26，该第一绝缘层26可以是一绝缘板，也可以是多个绝缘体间隔设置在所述壳体22和栅网24之间。本实施例中，所述第一绝缘层26为一绝缘板，该绝缘板包括一第一通孔261，该第一通孔261与所述壳体22上的开口221连通设置。
所述栅网24与所述屏蔽层25之间进一步包括一第二绝缘层27，使所述栅网24与所述屏蔽层25绝缘设置。该第二绝缘层27可以是一绝缘板，也可以是多个绝缘体间隔设置在所述栅网24与所述屏蔽层25之间。本实施例中，所述第二绝缘层27为一绝缘板，该绝缘板包括一第二通孔271，该第一通孔271与所述栅网24上的栅孔241连通设置。
所述第一绝缘层26的材料以及第二绝缘层27的材料均可以为玻璃、陶瓷或二氧化硅等绝缘材料。本实施例中，所述第一绝缘层26以及第二绝缘层27的材料均为陶瓷。
所述基板21、壳体22、第一绝缘层26、栅网24、第二绝缘层27、以及屏蔽层25依次层叠设置且固定在一起。所述基板21、壳体22、第一绝缘层26、栅网24、第二绝缘层27、以及屏蔽层25可以通过胶粘剂或者螺栓等方式固定在一起。本实施例中，采用螺栓将基板21、壳体22、第一绝缘层26、栅网24、第二绝缘层27、以及屏蔽层25固定在一起。
所述栅网24为一金属网状结构，其包括多个均匀分布的栅孔，该栅孔为通孔，所述石墨化的碳纳米管阵列232发射的电子可以通过该栅孔射出。所述栅网24与所述阴极发射体23之间的距离优选大于等于100微米小于等于200微米。本实施例中，所述栅网24为一正方形钼网，其与所述所述阴极发射体23之间的距离为150微米。
所述屏蔽层25的材料为导电材料。优选的，所述屏蔽层25的材料为金属或金属合金材料。本实施例中，所述屏蔽层25为一不锈钢板。
本实施例中，在基板21和壳体22之间进一步设置一导电层(图未示)，该导电层与所述阴极基底231的基底主体2311电接触。将一电极线连接到该导电层上，通过该电极线像阴极基底231输送电压。所述栅网24上连接另一电极线，向栅网24输送电压。可以理解，所述导电层并不是必需的，只要保正可以通过电极线为阴极基底231输送电压即可，例如当基底主体2311为导电材料时可以将电极线直接连接在基底主体2311上，当粘结剂层2312为导电材料时，可以将电极线直接连接在粘结剂层2312上。
所述场发射中和器100在应用时，分别向阴极基底231和栅网24施加不同电压，在阴极基底231和栅网24之间形成一电压差。石墨化的碳纳米管阵列232发出的电子在电场作用下，向栅网24的方向运动，然后通过屏蔽层25的屏蔽层通孔251发射出去。
本发明提供的场发射中和器具有如下优点：第一，石墨化的碳纳米管阵列中的碳纳米管基本不含有杂质，而且微观结构中基本没有位错和缺陷，结晶度较大，微晶趋向于三维有序的石墨结构，该石墨化的碳纳米管阵列具有良好的导电、导热、力学等性能，发射电子效率较高；在使用过程中，尤其在真空中使用时可以保持原始形态，不会变成粉末；而且所述石墨化的碳纳米管阵列具有很好的热稳定性和化学稳定性，非常适合在真空环境中使用。第二，石墨化的碳纳米管阵列中的碳纳米管基本垂直于所述阴极基底，进而提高场发射中和器的发射效率和使用寿命。第三，所述石墨化的碳纳米管阵列通过一粘结剂层固定剂阴极基底上，石墨化的碳纳米管阵列与阴极基底的结合力较大，在发射电子的过程中不会脱离阴极电极片，进而提高场发射中和器的发射效率和使用寿命。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种场发射中和器，包括一底板以及至少一个阴极发射单元，该至少一个阴极发射单元固定在所述底板的表面，所述阴极发射单元包括：
一基板；
一壳体，所述壳体位于所述基板上，所述壳体具有一开口；
一阴极发射体，所述阴极发射体固定在所述壳体内部；
一栅网，所述栅网包括多个栅孔并与阴极发射体绝缘设置；以及
一屏蔽层，所述屏蔽层具有一屏蔽层通孔并与所述栅网绝缘设置，
所述壳体的开口、栅网的栅孔以及屏蔽层通孔贯穿设置，其特征在于：所述阴极发射体包括一阴极基底以及一石墨化的碳纳米管阵列，该石墨化的碳纳米管阵列与该阴极基底电接触，所述阴极基底包括一基底主体以及一粘结剂层，该石墨化的碳纳米管阵列通过该粘结剂层固定在所述基底主体上，且石墨化的碳纳米管阵列中的碳纳米管基本垂直于所述基底主体。
2.如权利要求1所述的场发射中和器，其特征在于，所述阴极发射体包括多个石墨化的碳纳米管阵列，该多个石墨化的碳纳米管阵列并排或者间隔固定在所述阴极基底的表面。
3.如权利要求1所述的场发射中和器，其特征在于，所述石墨化的碳纳米管阵列中50-80％的碳纳米管被石墨化。
4.如权利要求1所述的场发射中和器，其特征在于，所述石墨化的碳纳米管阵列中的碳纳米管不含杂质，且微观结构中没有位错和缺陷，微晶结构趋向于三维有序的石墨结构。
5.如权利要求1所述的场发射中和器，其特征在于，所述石墨化的碳纳米管阵列的表面进一步包括一积碳层，该积碳层均匀的包覆在所述石墨化的碳纳米管阵列中碳纳米管的表面。
6.如权利要求1所述的场发射中和器，其特征在于，所述壳体的材料为导电材料，所述壳体和栅网通过一第一绝缘板绝缘，该第一绝缘板设置在所述壳体和栅网之间，该第一绝缘板包括一第一通孔，该第一通孔与所述壳体的开口连通设置。
7.如权利要求1所述的场发射中和器，其特征在于，所述栅网与所述屏蔽层通过一第二绝缘板绝缘，该第二绝缘板设置在所述栅网与所述屏蔽层之间，该第二绝缘板包括一第二通孔，该第二通孔与所述栅网上的栅孔连通设置。
8.如权利要求1所述的场发射中和器，其特征在于，所述栅网为钼网。
9.如权利要求1所述的场发射中和器，其特征在于，所述在基板和壳体之间进一步包括一导电层，该导电层与所述阴极基底的基底主体电接触，将一电极线连接到该导电层上，通过该电极线像阴极基底输送电压。
10.如权利要求1所述的场发射中和器，其特征在于，在所述石墨化的碳纳米管阵列中碳纳米管的延伸方向上，所述石墨化的碳纳米管阵列包括一第一端以及与第一端相对的第二端，所述石墨化的碳纳米管阵列的第一端插入至所述粘结剂层中。
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