CN114203500A - 发射基体组件的制备方法、发射基体组件和电子枪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发射基体组件的制备方法、发射基体组件和电子枪，涉及特种加工技术领域，发射基体组件的制备方法通过采用微纳加工工艺可以实现亚毫米、微米和纳米量级的发射基体本体的制备，从而使包含有发射基体本体的发射基体组件具有高频、尺寸小、易集成、响应速度快和功耗低的特点，以解决现有的用于发射基体组件的制备方法所制备的发射基体组件存在尺寸大、不易于集成、响应速度慢和功耗高等问题。

Description

发射基体组件的制备方法、发射基体组件和电子枪

技术领域

本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及一种发射基体组件的制备方法、发射基体组件和电子枪。

背景技术

电子枪是产生、加速及汇聚高能量密度电子束流的装置，它发射出具有一定能量、一定束流以及速度和角度的电子束，其工作原理是在电子枪里，对钨丝等灯丝进行通电加热后，表面产生大量的热电子，在阳极和阴极之间的高压电场作用下，热电子加速向阳极方向高速移动，并获得很高的动能，从而发射出电子束。

目前的电子发射源有热阴极和场发射阴极两种，场发射阴极由于其发射机理的特殊性，目前仍处于研究和开发阶段，尚需时日才能装配并应用在真空器件中，而热阴极虽然发射稳定，但加热功耗大，不利于器件微型化和集成化的发展趋势，现有的用于制备作为热阴极的发射基体组件的方法不能使发射基体组件小型化，所制备的发射基体组件尺寸较大，不仅会导致功耗高的问题，还会导致响应速度慢和不易于集成等缺陷。

发明内容

本发明提供一种发射基体组件的制备方法、发射基体组件和电子枪，以解决现有的用于发射基体组件的制备方法所制备的发射基体组件存在尺寸大、不易于集成、响应速度慢和功耗高等问题。

本发明的第一方面提供的一种发射基体组件的制备方法，包括：

通过微纳加工工艺制备所述发射基体本体，所述发射基体本体用于在受热情况下发射电子束。

进一步地，还包括：

通过微纳加工工艺制备含有若干空隙的海绵基体，所述“通过微纳加工工艺制备含有若干空隙的海绵基体”进一步包括：

根据发射基体组件对所述发射基体本体的发射能力的要求，确定设置于所述海绵基体的空隙体积与所述海绵基体的体积的比例值，并制备相应比例值的所述海绵基体；

所述“通过微纳加工工艺制备所述发射基体本体”进一步包括：

通过微纳加工工艺的方式将所述发射基体本体填充在所述海绵基体上。

进一步地，所述“通过微纳加工工艺制备含有若干通孔的海绵基体”进一步包括：

通过微纳加工工艺将所述海绵基体制备为扁平结构。

进一步地，所述“通过微纳加工工艺制备含有若干空隙的海绵基体”进一步包括：

通过微纳加工工艺将所述海绵基体制备为栅状结构。

进一步地，还包括：

通过微纳加工工艺制备用于对所述发射基体本体进行加热的加热丝。

进一步地，所述“通过微纳加工工艺制备用于对所述发射基体本体进行加热的加热丝”进一步包括：

使所述加热丝以平面分布的方式覆盖在所述海绵基体的表面。

具体地，所述“通过微纳加工工艺制备加热丝并使所述加热丝以平面分布的方式覆盖在所述海绵基体的表面。”进一步包括：

通过微纳加工工艺将所述加热丝制备为涡旋结构。

进一步地，所述“通过微纳加工工艺制备含有若干通孔的海绵基体”进一步包括：

通过微纳加工工艺将所述海绵基体制备为扁平结构；

所述“通过微纳加工工艺制备用于对所述发射基体本体进行加热的加热丝”进一步包括：

通过微纳加工工艺制备将所述加热丝制备为绕设于所述海绵基体的周侧的扁平结构。

进一步地，所述“通过微纳加工工艺制备含有若干空隙的海绵基体”进一步包括：

通过可导电并在通电后自身可升温的材料制备所述海绵基体，通过使所述海绵基体直接通电的方式以使所述海绵基体升温进而对所述发射基体本体进行加热。

本发明的第二方面提供的一种发射基体组件，通过本发明的第一方面提供的所述的发射基体组件的制备方法获得。

本发明的第三方面提供的一种电子枪，包括：

本发明的第二方面提供的一种发射基体组件；

壳体，所述发射基体设置于所述壳体的内部，所述壳体设有用于连通所述壳体的内部与所述壳体的外部的发射口；

阳极材料件，设置于作用对象，所述发射口朝向所述阳极材料件，通过对所述发射基体进行加热以使所述发射基体产生的电子束经所述发射口朝向阳极材料件发射进而发射至作用对象。

本发明的第一方面提供的发射基体组件的制备方法的有益效果为：

采用微纳加工工艺可以实现亚毫米、微米和纳米量级的发射基体本体的制备，从而使包含有发射基体本体的发射基体组件具有高频、尺寸小、易集成、响应速度快和功耗低的特点，避免了现有的用于发射基体组件的制备方法所制备的发射基体组件存在尺寸大、不易于集成、响应速度慢和功耗高等问题。

可理解地，由于本发明的第二方面提供的发射基体组件和第三方面提供的电子枪均包括有第一方面提供的发射基体组件的制备方法，本发明的第二方面提供的发射基体组件和第三方面提供的电子枪均具有第一方面提供的发射基体组件的制备方法的所有有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明的一种实施例提供的发射基体组件的结构示意图；

图2是图1的发射基体组件的内部结构示意图；

图3是用于制备图1的发射基体组件的制备方法的工艺流程示意图；

图4是本发明的另一种实施例提供的发射基体组件的结构示意图之一；

图5是本发明的另一种实施例提供的发射基体组件的结构示意图之二；

图6是用于制备图4或图5的发射基体组件的制备方法的工艺流程示意图；

图7是本发明的又一种实施例提供的发射基体组件的结构示意图；

图8是本发明的实施例提供的电子枪的结构示意图；

附图标记说明：

1、发射基体本体；2、海绵基体；3、加热丝；4、基底；501、二氧化硅层；502、第一光刻胶层；503、第一安装槽；504、第二安装槽；505、第一CVD种子层；506、第一加热丝层；507、第二光刻胶层；508、第三安装槽；509、第二CVD种子层；510、第一阴极金属材料层；511、第一发射材料层；601、第三光刻胶层；602、第四安装槽；603、第三CVD种子层；604、第二加热丝层；605、第四光刻胶层；606、第五安装槽；607、第二阴极金属材料层；608、第四CVD层；609、第二发射材料层；7、壳体；71、发射口；8、阳极材料件。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，特征在第二特征“上”或“下”可以是和第二特征直接接触，或和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示特征水平高度高于第二特征。特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“方面实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-8描述本发明提供的发射基体组件的制备方法、发射基体组件和电子枪。

如图1-3所示，本发明的第一方面提供的发射基体组件的制备方法，包括：

通过微纳加工工艺制备发射基体本体1，发射基体本体1用于在受热情况下发射电子束。

具体地，发射基体组件除了包括发射基体本体1，还包括基底4，基底4由二氧化硅或硅为原材料制备得到，原材料也可通过纯硅或者氧化铝和氧化镁等陶瓷材料进行替换，也可通过满足衬底要求的金属进行替换。

采用微纳加工工艺可以实现亚毫米、微米和纳米量级的发射基体本体1的制备，从而使包含有发射基体本体1的发射基体组件具有高频、尺寸小、易集成、响应速度快和功耗低的特点，避免了现有的用于发射基体组件的制备方法所制备的发射基体组件存在尺寸大、不易于集成、响应速度慢和功耗高等问题。

根据本发明提供的一种实施例，还包括：

通过微纳加工工艺制备含有若干空隙的海绵基体2，“通过微纳加工工艺制备含有若干空隙的海绵基体2”进一步包括：

根据发射基体组件对发射基体本体1的发射能力的要求，确定设置于海绵基体2的空隙体积与海绵基体2的体积的比例值，并制备相应比例值的海绵基体2；

“通过微纳加工工艺制备发射基体本体1”进一步包括：

通过微纳加工工艺的方式将发射基体本体1填充在海绵基体2上。

海绵基体2主要功能如下：海绵基体2是由发射材料构成的发射基体本体1的载体和通道，它的孔度(即空隙体积与总体体积之比)、孔的直径以及均匀性都影响到阴极的发射能力、蒸发率、寿命及抗中毒能力。一般来说，阴极孔度越大，发射物质浸渍越多，海绵基体2与发射基体本体1共同组成阴极部分的发射能力越大，但孔度太大，阴极的蒸发率也随之成倍增加。

海绵基体2可以不接电源，则海绵基体2本身不起加热作用，也可以通过接上电源的方式，以进一步提高电子辐射效率。

用于组成阴极部分的海绵基体2除了使用金属钨，还可以使用其他具有耐热性强的金属材质，例如镍海绵基体2，镍钪海绵氧化物阴极等。

根据本发明提供的一种实施例，“通过微纳加工工艺制备含有若干通孔的海绵基体2”进一步包括：

通过微纳加工工艺将海绵基体2制备为扁平结构。

微纳加工工艺能实现海绵基体2的扁平化加工，扁平结构的海绵基体2厚度小，使发射基体组件更易于实现小型化。

根据本发明提供的一种实施例，“通过微纳加工工艺制备含有若干空隙的海绵基体2”进一步包括：

通过微纳加工工艺将海绵基体2制备为栅状结构。

栅状结构的各个条形结构之间形成均匀的空隙，使阴极部分的发射能力、蒸发率、寿命及抗中毒能力更强。

根据本发明提供的一种实施例，还包括：

通过微纳加工工艺制备用于对发射基体本体1进行加热的加热丝3。

相较于通过使海绵基体2自身通电以使发射基体本体1受热的方式，通过加热丝3来对填充于海绵基体2的发射基体本体1进行加热，使发射基体组件能应用于对功率要求更高的电子枪中。

根据本发明提供的一种实施例，“通过微纳加工工艺制备用于对发射基体本体1进行加热的加热丝3”进一步包括：

使加热丝3以平面分布的方式覆盖在海绵基体2的表面。

具体地，“通过微纳加工工艺制备加热丝3并使加热丝3以平面分布的方式覆盖在海绵基体2的表面。”进一步包括：

通过微纳加工工艺将加热丝3制备为涡旋结构。

平面分布的加热丝3厚度小，使发射基体组件更易于实现小型化，且能使海绵基体2和填充在海绵基体2的发射基体本体1均匀受热。

如图3所示，本实施例的微纳加工工艺具体包括以下步骤：

步骤(a)：在二氧化硅层501上涂一层第一光刻胶层502，需要说明的是，可通过纯硅或者氧化铝和氧化镁等陶瓷材料进行替换，也可通过满足衬底要求的金属进行替换；

步骤(b)：根据预设加热丝3的结构图案，通过光刻方式对第一光刻胶层502刻出相应图案以容置加热丝3的第一安装槽503，第一安装槽503贯穿光刻胶；

步骤(c)：在第一安装槽503的基础上，通过刻蚀方式在二氧化碳层继续刻出相应图案以容置加热丝3的第二安装槽504，需要说明的是，在二氧化硅的除第一安装槽503以外的位置部分因第一光刻胶层502的保护作用而没有受到刻蚀作用；

步骤(d)：在二氧化碳层的用于连接第一光刻胶层502的一侧通铺一层第一CVD种子层505，具体地，第一CVD种子层505覆盖在第一光刻胶层502的远离二氧化硅层501的一侧和第二安装槽504的远离二氧化硅层501的一侧；

步骤(e)：通过电铸方式将加热丝3金属材料设置在第一CVD种子层505的远离二氧化硅层501的一层，形成第一加热丝3层；

步骤(f)：通过CMP加工方式将位于二氧化硅层501上方的第一加热丝3层和第一CVD种子层505去除，通过去胶方式将二氧化硅层501上方的第一光刻胶层502去除，保留第二安装槽504内的第一加热丝3层和第一CVD种子层505；

步骤(g)：将二氧化硅层501进行翻转，以二氧化硅层501的远离设有第二安装槽504的端面作为加工面，旋涂第二光刻胶层507；

步骤(h)：通过光刻的方式在第二光刻胶层507刻出用于容置第一阴极金属材料层510的第三安装槽508，第三安装槽508贯穿第二光刻胶层507；

步骤(i)：在二氧化碳层的设有第三安装槽508的一侧通铺一层第二CVD种子层509，具体地，第二CVD种子层509覆盖在第二光刻胶层507的远离二氧化硅层501的一侧和第三安装槽508的远离二氧化硅层501的一侧；

步骤(j)：通过电铸方式将第一阴极金属材料层510设置在第二CVD种子层509的远离二氧化硅层501的一层；

步骤(k)：通过CMP加工方式将除第三安装槽508以外的第一阴极金属材料层510和第二CVD种子层509去除，通过去胶方式将除第三安装槽508以外的第二光刻胶层507去除，保留第三安装槽508内的第一阴极金属材料层510和第二CVD种子层509。

步骤(l)：通过在第一阴极金属材料层510形成的各个间隙中填充发射材料以形成第一发射材料层511。

需要说明的是，第一阴极金属材料层510作为本实施例的海绵基体2，第一发射材料层511作为本实施例的发射基体本体1。

如图4-图6所示，根据本发明提供的另一种实施例，“通过微纳加工工艺制备含有若干通孔的海绵基体2”进一步包括：

通过微纳加工工艺将海绵基体2制备为扁平结构；

“通过微纳加工工艺制备用于对发射基体本体1进行加热的加热丝3”进一步包括：

通过微纳加工工艺制备将加热丝3制备为绕设于海绵基体2的周侧的扁平结构。

通过将海绵基体2与加热丝3在基底4上同片制备，两者相互绝缘，加热区域与阴极不导通，通过外层加热丝3烧热阴极达到发射电子的温度，进而辐射电子，海绵基体2的形状可采用多种形式，如图5类型3所示，只要满足发射要求及微纳工艺制备要求即可。同时，需要说明的是，上述两种方案可以结合使用，进而实现更高的发射功率

根据本实施例，海绵基体2的形状可采用多种形式，海绵基体2可以为如图4所示的栅状结构，也可以为如图5所示的涡旋结构，只要满足发射要求及微纳工艺制备要求即可，需要说明的是，上述两种结构的海绵基体2还可以通过叠加的方式结合使用，进而实现更高的发射功率。

如图6所示，本实施例的微纳加工工艺具体包括以下步骤：

步骤(a)：在二氧化硅层501上涂一层第三光刻胶层601，需要说明的是，二氧化硅层501可通过纯硅或者氧化铝和氧化镁等陶瓷材料进行替换，也可通过满足衬底要求的金属进行替换；

步骤(b)：根据预设加热丝3的结构图案，通过光刻方式对第三光刻胶层601刻出相应图案以容置加热丝3的第四安装槽602，第四安装槽602贯穿第三光刻胶层601；

步骤(c)：在二氧化碳层的用于连接第三光刻胶层601的一侧通铺一层第三CVD种子层603，具体地，第三CVD种子层603覆盖在第三光刻胶层601的远离二氧化硅层501的一侧和第四安装槽602的远离二氧化硅层501的一侧；

步骤(d)：通过电铸方式将加热丝3金属材料设置在第三CVD种子层603的远离二氧化硅层501的一层，形成第二加热丝3层；

步骤(e)：通过CMP加工方式将位于二氧化硅层501上方的除第四安装槽602以外的第二加热丝3层和第三CVD种子层603去除，通过去胶方式将二氧化硅层501上方的第三光刻胶层601去除，保留第四安装槽602内的第二加热丝3层和第三CVD种子层603；

步骤(f)：在二氧化硅层501的用于设置第三CVD层的一侧通铺一层第四光刻胶层605，具体地，第四光刻胶层605覆盖在二氧化硅的用于设置第三CVD层的一侧端面和在第二加热丝3层的远离二氧化硅层501的一侧端面；

步骤(g)：通过光刻的方式在第四光刻胶层605刻出用于容置第二阴极金属材料层607的第五安装槽606，第五安装槽606贯穿第四光刻胶层605；

步骤(h)：在二氧化硅层501的用于设置第三CVD层的一侧通铺一层第四CVD层608，具体地，第四CVD层608覆盖在第五安装槽606和第四光刻胶层605的远离二氧化硅的一侧端面，通过电铸的方式将第二阴极金属材料层607通铺在第四CVD层608的远离二氧化硅层501的一侧端面；

步骤(i)：通过CMP加工方式将第五安装槽606的远离二氧化硅层501的一侧的第二阴极金属材料层607和第四CVD层608去除，保留第五安装槽606内的第二阴极金属材料层607和第四CVD种子层。

步骤(j)：去除第四光刻胶层605。

步骤(k)：在第二阴极金属材料层607形成的各个间隙中填充发射材料以形成第二发射材料层609，具体地，第二发射材料层609作为本实施例的发射基体本体1。

如图7所示，根据本发明提供的又一种实施例，“通过微纳加工工艺制备含有若干空隙的海绵基体2”进一步包括：

通过可导电并在通电后自身可升温的材料制备海绵基体2，通过使海绵基体2直接通电的方式以使海绵基体2升温进而对发射基体本体1进行加热。

本实施例通过对海绵基体2进行直接加热的方式，形成直热式阴极结构，结构比较简单，但只能用于小功率的电子枪。

本发明的第二方面提供的一种发射基体组件，通过本发明的第一方面提供的发射基体组件的制备方法获得。

如图8所示，本发明的第三方面提供的一种电子枪，包括：

本发明的第二方面提供的一种发射基体组件；

壳体7，发射基体设置于壳体7的内部，壳体7设有用于连通壳体7的内部与壳体7的外部的发射口71；

阳极材料件8，设置于作用对象，发射口71朝向阳极材料件8，通过对发射基体进行加热以使发射基体产生的电子束经发射口71朝向阳极材料件8发射进而发射至作用对象。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种发射基体组件的制备方法，其特征在于，包括：

通过微纳加工工艺制备所述发射基体本体，所述发射基体本体用于在受热情况下发射电子束。

2.根据权利要求1所述的发射基体组件的制备方法，其特征在于，还包括：

通过微纳加工工艺制备含有若干空隙的海绵基体，所述“通过微纳加工工艺制备含有若干空隙的海绵基体”进一步包括：

根据发射基体组件对所述发射基体本体的发射能力的要求，确定设置于所述海绵基体的空隙体积与所述海绵基体的体积的比例值，并制备相应比例值的所述海绵基体；

所述“通过微纳加工工艺制备所述发射基体本体”进一步包括：

通过微纳加工工艺的方式将所述发射基体本体填充在所述海绵基体上。

3.根据权利要求2所述的发射基体组件的制备方法，其特征在于，所述“通过微纳加工工艺制备含有若干通孔的海绵基体”进一步包括：

通过微纳加工工艺将所述海绵基体制备为扁平结构。

4.根据权利要求2或3所述的发射基体组件的制备方法，其特征在于，所述“通过微纳加工工艺制备含有若干空隙的海绵基体”进一步包括：

通过微纳加工工艺将所述海绵基体制备为栅状结构。

5.根据权利要求2所述的发射基体组件的制备方法，其特征在于，还包括：

通过微纳加工工艺制备用于对所述发射基体本体进行加热的加热丝。

6.根据权利要求5所述的发射基体组件的制备方法，其特征在于，所述“通过微纳加工工艺制备用于对所述发射基体本体进行加热的加热丝”进一步包括：

使所述加热丝以平面分布的方式覆盖在所述海绵基体的表面。

7.根据权利要求5所述的发射基体组件的制备方法，其特征在于，所述“通过微纳加工工艺制备含有若干通孔的海绵基体”进一步包括：

通过微纳加工工艺将所述海绵基体制备为扁平结构；

所述“通过微纳加工工艺制备用于对所述发射基体本体进行加热的加热丝”进一步包括：

通过微纳加工工艺制备将所述加热丝制备为绕设于所述海绵基体的周侧的扁平结构。

8.根据权利要求2所述的发射基体组件的制备方法，其特征在于，所述“通过微纳加工工艺制备含有若干空隙的海绵基体”进一步包括：

通过可导电并在通电后自身可升温的材料制备所述海绵基体，通过使所述海绵基体直接通电的方式以使所述海绵基体升温进而对所述发射基体本体进行加热。

9.一种发射基体组件，其特征在于，通过权利要求1-8任一项所述的发射基体组件的制备方法获得。

10.一种电子枪，其特征在于，包括：

权利要求9所述的发射基体组件；

壳体，所述发射基体设置于所述壳体的内部，所述壳体设有用于连通所述壳体的内部与所述壳体的外部的发射口；

阳极材料件，设置于作用对象，所述发射口朝向所述阳极材料件，通过对所述发射基体进行加热以使所述发射基体产生的电子束经所述发射口朝向阳极材料件发射进而发射至作用对象。

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