CN114446738B - 一种栅极结构、场发射电子枪及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种栅极结构、场发射电子枪及其应用，所述栅极结构包括栅网和固定结构，所述栅网包括层叠的粗栅网与细栅网，所述固定结构内设置有通孔，所述栅网设置于固定结构的一侧表面并覆盖所述通孔，其中，所述粗栅网一侧贴近所述固定结构表面。本发明所述粗栅网能够固定细栅网，同时保证电子具有高通过率和阴极具有较高场发射电流密度；细栅网能够使阴极与栅极之间的电场更均匀，本发明所述栅极结构采用粗细结合的栅网。本发明所述栅极结构调节后的阴极表面电场分布均匀，栅极结构的电子通过率高、阳极电流大，栅极结构有利于提高场发射型电子枪的整体性能。
Description
技术领域
本发明属于场发射电子枪的结构设计领域，涉及栅极结构，尤其涉及一种栅极结构、场发射电子枪及其应用。
背景技术
常见的电子枪多为热发射型电子枪和场发射型电子枪，热阴极技术相对成熟，已经实现了较大规模的商业化生产，热发射型电子枪在工作中需要给阴极灯丝施加电压，长时间加热使得材料中的电子突破势垒才能稳定发射电子。场发射型电子枪工作时不需要对阴极材料进行加热，场发射型电子枪是通过在栅极上施加电压，强电场使阴极表面势垒降低，电子以遂穿效应越过阴极表面势垒，它具有响应速度快、电子发射方向集中、电流密度高、单色性好等特点。
获得更小焦斑和更高亮度电子束斑是当前对电子枪性能要求的主要目标。比如在X射线管中，电子束的焦斑尺寸越小，产生的X射线分辨率越高，能显著的提高X射线成像效果；在扫描电镜中，扫描电镜的分辨率不能小于扫描电子束直径，热发射型电子束远大于场发射型电子束，因此场发射型扫描电镜分辨率更高；在行波管中，可以通过控制栅极电压，决定是否激发电子、以及电子束能量的高低，从而对电子束进行调制，又称为栅控电子枪。
场发射型电子枪的结构包括阴极、栅极、聚焦极与阳极。阳极电流和电子束有效焦点尺寸是电子枪的重要性能参数。有效焦点尺寸越小，阳极电流越大，电子束尺寸越小，电子枪的性能越好。对于X射线管以及扫描电镜而言，系统的成像分辨率越高，能够分辨物体的细节也越小。栅极提供用于激发电子的电场，均匀的电场能够提高激发的电子数目，进而提高阳极电流。
在场发射电子枪结构中，栅极结构的作用是调制电场分布，栅极与阴极之间的电场越均匀，电子的初始方向越一致，电子束将会尽可能的朝着同一个方向发射，极大的方便了后续对电子束的聚焦和加速。但是电子通过栅网时，部分电子会被栅网的栅丝截获。在栅丝宽度不变的情况下，增大栅网的栅孔会提高栅网电子通过率，提高阳极电流，但过大的栅孔会导致阴极表面电场不均匀，靠近栅丝的区域电场强，远离栅丝的区域电场弱，降低阴极表面的发射电流，从而降低阳极电流。在栅网的栅孔不变的情况下，减小栅丝宽度会提高栅网电子通过率，提高阳极电流，但栅丝宽度过小同样会导致阴极表面电场不均匀，降低阴极发射电流，从而导致阳极电流降低。栅极厚度、电压、栅极边缘尺寸等栅极结构还会影响有效焦点尺寸。
CN108447754A公开了一种高电子透过率的冷阴极X射线管栅极结构及制作方法，包括栅极法兰、铜网、金属栅极片、栅极套筒、阴极底座和阴极发射材料；栅极法兰设有法兰中心通孔和法兰凹槽；铜网嵌套在法兰凹槽中，铜网的一侧包覆有纳米级厚度的碳膜；金属栅极片设在铜网的下方，金属栅极片与栅极法兰相连接，套筒内腔中设有阴极底座，阴极底座通过陶瓷垫片与栅极套筒可拆卸连接；阴极底座的高度能够调整，阴极底座的顶部设有阴极发射材料。但是该冷阴极X射线管栅极结构的结构复杂，制备成本高，不适应大规模推广使用。
CN112420468A公开了一种用于场发射电子源的高电子透过率的石墨烯栅极结构的制备方法，该复合栅极结构是由导电薄膜、石墨烯海绵和金属电极构成。但是，该用于场发射电子源的高电子透过率的石墨烯栅极结构采用石墨烯薄膜作为栅极结构的部件，由于石墨烯的脆性较高且硬度较低，极易发生损坏，因此该用于场发射电子源的高电子透过率的石墨烯栅极结构使用寿命较短。
CN113675057A公开了一种自对准石墨烯场发射栅极结构及其制备方法，属于真空电子器件领域，自对准石墨烯场发射栅极结构包括：衬底；绝缘层沉积在衬底上，且绝缘层在衬底上间隔设置；栅极沉积在绝缘层上；发射锥尖设置在各绝缘层之间的衬底上；石墨烯平铺在栅极上；栅压电源一极加在衬底上，另一极加在栅极上，用于在衬底和栅极之间施加不同大小的栅压，进而对石墨烯进行可控刻蚀，形成自对准的栅极孔。同样的，该自对准石墨烯场发射栅极结构的使用寿命较短。
目前公开的栅极结构与场发射电子枪都有着无法避免的缺陷，存在着电子通过率低、阳极电流小、制备成本高使用寿命短的缺陷。因此开发一种新的栅极结构与场发射电子枪至关重要。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种栅极结构、场发射电子枪及其应用，本发明所述粗栅网能够固定细栅网，同时保证电子具有高通过率和阴极具有较高场发射电流密度；细栅网能够使阴极与栅极之间的电场更均匀，本发明所述栅极结构采用粗细结合的栅网。本发明所述栅极结构调节后的阴极表面电场分布均匀，栅极结构的电子通过率高、阳极电流大，栅极结构有利于提高场发射型电子枪的整体性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种栅极结构，所述栅极结构包括栅网和固定结构，所述栅网包括层叠的粗栅网与细栅网，所述固定结构内设置有通孔，所述栅网设置于固定结构的一侧表面并覆盖所述通孔，其中，所述粗栅网一侧贴近所述固定结构表面。
本发明所述细栅网焊接于粗栅网上，所述粗栅网可以一体加工于固定结构的表面，也可以将粗栅网与细栅网焊接后再嵌入固定结构的凹槽中。
本发明所述粗栅网能够固定细栅网，同时保证电子具有高通过率和阴极具有较高场发射电流密度；细栅网能够使阴极与栅极之间的电场更均匀，本发明所述栅极结构采用粗细结合的栅网。本发明所述栅极结构调节后的阴极表面电场分布均匀，栅极结构的电子通过率高、阳极电流大，栅极结构有利于提高场发射型电子枪的整体性能。
作为本发明一种优选的技术方案，所述粗栅网的占空比为0.7-0.9，例如可以是0.7、0.75、0.8、0.85或0.9，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述粗栅网的占空比为粗栅网的栅孔总面积除以粗栅网的栅孔总面积与粗栅网的栅丝总面积之和。
本发明限定了粗栅网的占空比为0.7-0.9，当粗栅网的占空比偏小时，大量部分电子会被粗栅网的栅丝截获，栅极结构的电子通过率降低，当粗栅网的占空比偏大时，会导致阴极表面电场不均匀，靠近粗栅网的栅丝的区域电场强，远离粗栅网的栅丝的区域电场弱，阴极表面的发射电流变小，从而导致阳极电流的降低。
优选地，所述细栅网的占空比为0.7-0.9，例如可以是0.7、0.75、0.8、0.85或0.9，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述细栅网的占空比为细栅网栅孔总面积除以细栅网栅孔总面积与细栅网栅丝总面积之和。
本发明限定了细栅网的占空比为0.7-0.9，当细栅网的占空比偏小时，大量部分电子会被细栅网的栅丝截获，栅极结构的电子通过率降低，当细栅网的占空比偏大时，会导致阴极表面电场不均匀，靠近细栅网的栅丝的区域电场强，远离细栅网的栅丝的区域电场弱，阴极表面的发射电流变小，从而导致阳极电流的降低。
优选地，所述细栅网的占空比与粗栅网的占空比相同。
作为本发明一种优选的技术方案，所述粗栅网的栅丝宽度为1-200μm，例如可以是1μm、5μm、10μm、20μm、40μm、60μm、80μm、100μm、120μm、140μm、160μm、180μm或200μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述粗栅网的厚度为0.05-0.2mm，例如可以是0.05mm、0.07mm、0.09mm、0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.18mm或0.2mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述细栅网的栅丝宽度为0.1-20μm，例如可以是0.1μm、0.3μm、0.5μm、0.8μm、1μm、2μm、4μm、6μm、8μm、10μm、12μm、14μm、16μm、18μm或20μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述细栅网的厚度为1-10μm，例如可以是1μm、2μm、4μm、6μm、8μm或10μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述细栅网的栅丝宽度为粗栅网的栅丝宽度的0.05-0.2倍，例如可以是0.05倍、0.07倍、0.09倍、0.1倍、0.12倍、0.14倍、0.16倍、0.18倍或、0.2倍，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述粗栅网的栅孔形状与细栅网的栅孔形状分别独立地为多边形、轮毂形或同心环形。
本发明所述多边形包括三角形、四边形、五边形或六边形中的任意一种或至少两种以上的组合，例如可以是三角形与四边形的组合，四边形与五边形的组合，五边形与六边形的组合，或三角形、四边形与五边形的组合，其中多边形之间的组合为360度紧密镶嵌。
优选地，所述细栅网的栅孔形状与粗栅网的栅孔形状相同。
作为本发明一种优选的技术方案，所述通孔为圆形孔。
优选地，所述圆形孔的半径为1-2mm，例如可以是1mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm或2mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述固定结构的厚度为0.1-0.5mm，例如可以是0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm或0.5mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述固定结构、粗栅网与细栅网的材质分别独立地为纯金属、合金或导电非金属材料中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是纯金属与合金的组合，合金与导电非金属材料的组合，或纯金属、合金与导电非金属材料的组合。
优选地，所述导电非金属材料包括碳基材料、硅基材料或半导体材料中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是碳基材料与硅基材料的组合，硅基材料与半导体材料的组合，碳基材料与半导体材料的组合，或碳基材料、硅基材料与半导体材料的组合。
第二方面，本发明提供了一种场发射电子枪，所述场发射电子枪包括依次层叠的阴极固定结构、阴极基底、阴极、栅极结构、聚焦极与阳极，所述栅极结构为第一方面所述的栅极结构。
作为本发明一种优选的技术方案，所述阴极的形状为圆柱体，所述圆柱体的底面半径为0.5-1.9mm，例如可以是0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm、1.5mm、1.7mm或1.9mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述圆柱体的底面半径比所述栅极结构中圆形孔的半径小0.1-0.5mm。
优选地，所述圆柱体的高度为0.2-0.8mm，例如可以是0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm或0.8mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
第三方面，本发明提供了一种第二方面所述的场发射电子枪的应用，所述场发射电子枪用于作为X射线管、扫描电镜、粒子加速器或行波管的制造。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所述粗栅网能够固定细栅网，同时保证电子具有高通过率和阴极具有较高场发射电流密度；细栅网能够使阴极与栅极之间的电场更均匀，本发明所述栅极结构采用粗细结合的栅网。本发明所述栅极结构调节后的阴极表面电场分布均匀，栅极结构的电子通过率高、阳极电流大，栅极结构有利于提高场发射型电子枪的整体性能。
附图说明
图1为包括层叠的粗栅网与细栅网的栅极结构的正面结构示意图。
图2为包括层叠的粗栅网与细栅网的栅极结构的侧面结构示意图。
图3为包括层叠的粗栅网与细栅网的栅极结构的正面的放大结构示意图。
图4为仅包括栅孔形状为三角形的粗栅网的栅极结构示意图。
图5为仅包括栅孔形状为四边形的粗栅网的栅极结构示意图。
图6为仅包括栅孔形状为六边形的粗栅网的栅极结构示意图。
图7为仅包括栅孔形状为轮毂形的粗栅网的栅极结构示意图。
图8为场发射电子枪结构示意图。
图9为实施例1中栅极结构及其周围的电场分布与电场线分布示意图。
图10为对比例1中栅极结构及其周围的电场分布与电场线分布示意图。
其中，1-栅网；2-固定结构；3-阴极固定结构；4-阴极基底；5-阴极；6-聚焦极；7-阳极；11-粗栅网；12-细栅网。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，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的限制。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种栅极结构，如图1-2所示，所述栅极结构包括栅网1和固定结构2，如图3所示，所述栅网1包括层叠的粗栅网11与细栅网12，所述固定结构2内设置有通孔，所述栅网1设置于固定结构2的一侧表面并覆盖所述通孔，其中，所述粗栅网11一侧贴近所述固定结构2表面。
本发明所述细栅网12焊接于粗栅网11上，所述粗栅网11可以一体加工于固定结构2的表面，也可以将粗栅网11与细栅网12焊接后再嵌入固定结构2的凹槽中。
本发明所述粗栅网11能够固定细栅网12，同时保证电子具有高通过率和阴极5具有较高场发射电流密度；细栅网12能够使阴极5与栅极之间的电场更均匀，本发明所述栅极结构采用粗细结合的栅网1。本发明所述栅极结构调节后的阴极5表面电场分布均匀，栅极结构的电子通过率高、阳极电流大，栅极结构有利于提高场发射型电子枪的整体性能。
进一步地，所述粗栅网11的占空比为0.7-0.9。
本发明所述粗栅网11的占空比为粗栅网11的栅孔总面积除以粗栅网11的栅孔总面积与粗栅网11的栅丝总面积之和。
本发明限定了粗栅网11的占空比为0.7-0.9，当粗栅网11的占空比偏小时，大量部分电子会被粗栅网11的栅丝截获，栅极结构的电子通过率降低，当粗栅网11的占空比偏大时，会导致阴极表面电场不均匀，靠近粗栅网11的栅丝的区域电场强，远离粗栅网11的栅丝的区域电场弱，阴极表面的发射电流变小，从而导致阳极电流的降低。
进一步地，所述细栅网12的占空比为0.7-0.9。
本发明所述细栅网12的占空比为细栅网12栅孔总面积除以细栅网12栅孔总面积与细栅网12栅丝总面积之和。
本发明限定了细栅网12的占空比为0.7-0.9，当细栅网12的占空比偏小时，大量部分电子会被细栅网12的栅丝截获，栅极结构的电子通过率降低，当细栅网12的占空比偏大时，会导致阴极表面电场不均匀，靠近细栅网12的栅丝的区域电场强，远离细栅网12的栅丝的区域电场弱，阴极表面的发射电流变小，从而导致阳极电流的降低。
进一步地，所述细栅网12的占空比与粗栅网11的占空比相同。
进一步地，所述粗栅网11的栅丝宽度为1-200μm。
进一步地，所述粗栅网11的厚度为0.05-0.2mm。
进一步地，所述细栅网12的栅丝宽度为0.1-20μm。
进一步地，所述细栅网12的厚度为1-10μm。
进一步地，所述细栅网12的栅丝宽度为粗栅网11的栅丝宽度的0.05-0.2倍。
进一步地，如图4-7所示，所述粗栅网11的栅孔形状与细栅网12的栅孔形状分别独立地为多边形、轮毂形（如图7所示）或同心环形。
本发明所述多边形包括三角形（如图4所示）、四边形（如图5所示）、五边形或六边形（如图6所示）中的任意一种或至少两种以上的组合，例如可以是三角形与四边形的组合，四边形与五边形的组合，五边形与六边形的组合，或三角形、四边形与五边形的组合，其中多边形之间的组合为360°紧密镶嵌。
进一步地，所述细栅网12的栅孔形状与粗栅网11的栅孔形状相同。
进一步地，所述通孔为圆形孔。
进一步地，所述圆形孔的半径为1-2mm。
进一步地，所述固定结构2的厚度为0.1-0.5mm。
进一步地，所述固定结构2、粗栅网11与细栅网12的材质分别独立地为纯金属、合金或导电非金属材料中的任意一种或至少两种的组合。
进一步地，所述导电非金属材料包括碳基材料、硅基材料或半导体材料中的任意一种或至少两种的组合。
在另一个具体实施方式中，如图8所示，本发明提供了一种场发射电子枪，所述场发射电子枪包括依次层叠的阴极固定结构3、阴极基底4、阴极5、栅极结构、聚焦极6与阳极7，所述栅极结构为第一方面所述的栅极结构。
进一步地，所述阴极5的形状为圆柱体，所述圆柱体的底面半径为0.5-1.9mm。
本发明所述圆柱体的底面半径比所述栅极结构中圆形孔的半径小0.1-0.5mm。
进一步地，所述圆柱体的高度为0.2-0.8mm。
实施例1
本实施例提供了一种栅极结构，所述栅极结构包括栅网和固定结构，所述栅网包括层叠的占空比为0.8的粗栅网与占空比为0.8的细栅网；粗栅网的栅丝宽度为100μm，厚度为0.1mm；细栅网的栅丝宽度为10μm，厚度为5μm；粗栅网的栅孔形状为四边形，细栅网的栅孔形状为四边形；所述固定结构内设置有圆形孔，圆形孔的半径为1.5mm，固定结构的厚度为0.3mm；所述栅网设置于固定结构的一侧表面并覆盖所述通孔，其中，所述粗栅网一侧贴近所述固定结构表面；所述固定结构的材质为铜，粗栅网的材质为铜，细栅网的材质为铜。
本实施例还提供了一种场发射电子枪，所述场发射电子枪包括依次层叠的阴极固定结构、阴极基底、阴极、栅极结构、聚焦极与阳极，所述阴极的形状为圆柱体，所述圆柱体的底面半径为1.2mm，高度为0.5mm。通过测试得到栅极结构及其周围的电场分布与电场线分布示意图，如图9所示。
实施例2
本实施例提供了一种栅极结构，所述栅极结构包括栅网和固定结构，所述栅网包括层叠的占空比为0.7的粗栅网与占空比为0.9的细栅网；粗栅网的栅丝宽度为10μm，厚度为0.2mm；细栅网的栅丝宽度为2μm，厚度为10μm；粗栅网的栅孔形状为三角形，细栅网的栅孔形状为正方形；所述固定结构内设置有圆形孔，圆形孔的半径为2mm，固定结构的厚度为0.5mm；所述栅网设置于固定结构的一侧表面并覆盖所述通孔，其中，所述粗栅网一侧贴近所述固定结构表面；所述固定结构的材质为镍，粗栅网的材质为镍，细栅网的材质为铜。
本实施例还提供了一种场发射电子枪，所述场发射电子枪包括依次层叠的阴极固定结构、阴极基底、阴极、栅极结构、聚焦极与阳极，所述阴极的形状为圆柱体，所述圆柱体的底面半径为1.9mm，高度为0.2mm。
实施例3
本实施例提供了一种栅极结构，所述栅极结构包括栅网和固定结构，所述栅网包括层叠的占空比为0.9的粗栅网与占空比为0.7的细栅网；粗栅网的栅丝宽度为200μm，厚度为0.05mm；细栅网的栅丝宽度为10μm，厚度为1-10μm；粗栅网的栅孔形状为轮毂形，细栅网的栅孔形状为六边形；所述固定结构内设置有圆形孔，圆形孔的半径为1mm，固定结构的厚度为0.1mm；所述栅网设置于固定结构的一侧表面并覆盖所述通孔，其中，所述粗栅网一侧贴近所述固定结构表面；所述固定结构的材质为铜锌合金，粗栅网的材质为铝合金，细栅网的材质为铜。
本实施例还提供了一种场发射电子枪，所述场发射电子枪包括依次层叠的阴极固定结构、阴极基底、阴极、栅极结构、聚焦极与阳极，所述阴极的形状为圆柱体，所述圆柱体的底面半径为0.5mm，高度为0.8mm。
实施例4
本实施例提供了一种栅极结构及场发射电子枪，除栅极结构中粗栅网与细栅网的占空比均为0.5外，其余均与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供了一种栅极结构及场发射电子枪，除栅极结构中粗栅网与细栅网的占空比均为0.95外，其余均与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供了一种栅极结构及场发射电子枪，除栅极结构的中的细栅网的占空比为0.5外，其余均与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供了一种栅极结构及场发射电子枪，除栅极结构的中的细栅网的占空比为0.95外，其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种栅极结构及场发射电子枪，除将层叠的占空比为0.8的粗栅网与占空比为0.8的细栅网替换为占空比为0.8的粗栅网外，其余均与实施例1相同。通过测试得到栅极结构及其周围的电场分布与电场线分布示意图，如图10所示，由图10可以看出在仅存在粗栅网的情况下，电场强度分布出现大幅度振荡，且电场方向在阴极和栅极之间出现侧向偏转，该分布会造成电子发射方向偏转，进而不易后端聚焦。图10中的电场强度分布与方向准直性方面远不如图9。
对实施例1-7与对比例1得到的场发射电子枪进行测试，所得结果如表1所示。
表1
由表1的数据可得：
（1）实施例1-3中栅极结构的电子通过率高，阳极电流较大，本发明所述粗栅网能够固定细栅网，同时保证电子具有高通过率和阴极具有较高场发射电流密度；细栅网能够使阴极与栅极之间的电场更均匀，本发明所述栅极结构采用粗细结合的栅网。本发明所述栅极结构调节后的阴极表面电场分布均匀，栅极结构的电子通过率高、阳极电流大，栅极结构有利于提高场发射型电子枪的整体性能。
（2）通过实施例1与实施例4-7的对比可知，占空比会影响栅极结构的电子通过率与阳极电流，当粗栅网的占空比偏小时，大量部分电子会被粗栅网的栅丝截获，栅极结构的电子通过率降低，当粗栅网的占空比偏大时，会导致阴极表面电场不均匀，靠近粗栅网的栅丝的区域电场强，远离粗栅网的栅丝的区域电场弱，阴极表面的发射电流变小，从而导致阳极电流的降低。当细栅网的占空比偏小时，大量部分电子会被细栅网的栅丝截获，栅极结构的电子通过率降低，当细栅网的占空比偏大时，会导致阴极表面电场不均匀，靠近细栅网的栅丝的区域电场强，远离细栅网的栅丝的区域电场弱，阴极表面的发射电流变小，从而导致阳极电流的降低。
（3）通过实施例1与对比例1的对比可知，包括层叠的粗栅网与细栅网的栅极结构附近的电势高，栅网的栅孔中心的电势低，阴极表面以及阴极边缘的电场分布较较为均匀；仅包括粗栅网的栅极结构与阴极之间的电场分布不均匀，在栅丝的周围存在一个电场的偏转角度α。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (18)
1.一种栅极结构，其特征在于，所述栅极结构包括栅网和固定结构，所述栅网包括层叠的粗栅网与细栅网，所述固定结构内设置有通孔，所述栅网设置于固定结构的一侧表面并覆盖所述通孔，其中，所述粗栅网一侧贴近所述固定结构表面；
所述粗栅网的占空比为0.7-0.9，所述细栅网的占空比为0.7-0.9。
2.根据权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述细栅网的占空比与粗栅网的占空比相同。
3.根据权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述粗栅网的栅丝宽度为1-200μm。
4.根据权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述粗栅网的厚度为0.05-0.2mm。
5.根据权利要求3或4所述的栅极结构，其特征在于，所述细栅网的栅丝宽度为0.1-20μm。
6.根据权利要求3或4所述的栅极结构，其特征在于，所述细栅网的厚度为1-10μm。
7.根据权利要求3或4所述的栅极结构，其特征在于，所述细栅网的栅丝宽度为粗栅网的栅丝宽度的0.05-0.2倍。
8.根据权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述粗栅网的栅孔形状与细栅网的栅孔形状分别独立地为多边形、轮毂形或同心环形。
9.根据权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述细栅网的栅孔形状与粗栅网的栅孔形状相同。
10.根据权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述通孔为圆形孔。
11.根据权利要求10所述的栅极结构，其特征在于，所述圆形孔的半径为1-2mm。
12.根据权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述固定结构的厚度为0.1-0.5mm。
13.根据权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述固定结构、粗栅网与细栅网的材质分别独立地为纯金属、合金或导电非金属材料中的任意一种或至少两种的组合。
14.根据权利要求13所述的栅极结构，其特征在于，所述导电非金属材料包括碳基材料、硅基材料或半导体材料中的任意一种或至少两种的组合。
15.一种场发射电子枪，其特征在于，所述场发射电子枪包括依次层叠的阴极固定结构、阴极基底、阴极、栅极结构、聚焦极与阳极，所述栅极结构为权利要求1-14任一项所述的栅极结构。
16.根据权利要求15所述的场发射电子枪，其特征在于，所述阴极的形状为圆柱体，所述圆柱体的底面半径为0.5-1.9mm。
17.根据权利要求16所述的场发射电子枪，其特征在于，所述圆柱体的高度为0.2-0.8mm。
18.一种权利要求15-17任一项所述的场发射电子枪的应用，其特征在于，所述场发射电子枪用于作为X射线管、扫描电镜、粒子加速器或行波管的制造。
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| CN110993474A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-04-10 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 用于离子源的栅网装置 |
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