CN116825589A - 一种可改善电子束聚焦性能的场发射冷阴极电子枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可改善电子束聚焦性能的场发射冷阴极电子枪，属于真空电子器件技术领域。解决现有冷阴极电子枪难以聚束的缺陷，本发明的阴极包括阴极底座和冷阴极发射体，阴极底座开设凹槽，冷阴极发射体嵌入凹槽的内部，凹槽的内壁与冷阴极发射体的外壁贴合紧密，保证良好的电接触和增加结构的稳固性，调整冷阴极发射体的相对位置，改变电子枪内部的电场分布，阴极发射的电子束边缘的电子轨迹发散角明显减小，电子束聚焦性能极大提升；本发明场发射冷阴极电子枪应用于微波射频器件，不需要额外增加聚焦结构，在不影响器件射频性能的前提下有效改善射频激励电子枪的聚焦性能。

Description

一种可改善电子束聚焦性能的场发射冷阴极电子枪

技术领域

本发明属于真空电子器件技术领域，具体涉及一种可改善电子束聚焦性能的场发射冷阴极电子枪。

背景技术

真空电子器件具有高效率、大功率、耐高温和抗辐射等特点，是雷达、电子对抗、空间通信等军事电子系统的核心器件。另外，它还广泛应用于各种前沿科学研究领域以及民用电子系统中，如高能粒子加速器，扫描电子显微镜，电子束光刻，显示器，微波加热设备等。而阴极和电子枪在真空电子系统中占有举足轻重的地位，传统真空电子器件的电子枪多用热阴极电子源，但热阴极必须长时间预热才能启动工作，无法实现器件的快速启动；且高温的工作环境导致热阴极成分蒸发，影响使用寿命，也导致器件成本高、结构复杂、体积笨重，限制了热阴极电子枪的进一步发展。

场发射是指通过施加高压，在强电场作用下，材料表面势垒高度降低、宽度减小，材料中的电子通过隧穿向真空中发射的现象。因而，场发射冷阴极具有室温工作，无需预热，瞬时启动，抗辐射等特性，同时舍弃了热阴极系统中庞大复杂的加热结构，便于实现小型化和集成化。因而，以冷阴极作为真空电子器件的电子源有着十分诱人的前景。

传统的热阴极电子枪一般为皮尔斯电子枪结构，采用曲面阴极，具有预聚焦功能，而场发射冷阴极一般为平面结构，一方面，平面冷阴极制备更方便简单，曲面阴极的制作过程相对复杂；另一方面，曲面结构的冷阴极很难保障发射面上制备的发射材料的均匀性，也就很难保障发射的均匀性。另外，曲面冷阴极也要配备相应的曲面结构栅极，增加了工艺难度及器件制备成本。因此，目前应用于真空电子器件的冷阴极电子枪中的阴极一般为平面结构，阴极没有预聚焦功能，发射的电子束有自然发散的趋势，具有比曲面热阴极更大的横向初速度，电子发射出来后只能在聚焦极的作用下进行聚束，这就导致冷阴极电子枪对发射电子束的聚焦更加困难。

对于冷阴极，除了阴极发射材料制备的不均匀性会导致发射的不均匀，阴极电场分布不均匀也会导致发射电子束的不均匀，必须同时考虑发射电子束的均匀性和聚焦特性。因此冷阴极电子枪一般采用平面阴极，结构简单，易于控制电子均匀发射。针对平面冷阴极电子枪的聚焦一般是采用在阴极结构外围增加聚焦极电极来改变阴极附近的电场分布，从而改变电子束轨迹。但是当器件的尺寸减小，结构复杂的聚焦极就很难加工制作，成本也会提高；另外在对阴极结构有特殊要求的情况下，如射频激励的冷阴极电子枪，其冷阴极采用的是微波谐振腔结构，需要特别设计结构，不能随意在腔体增加其他结构，否则无法正常工作。

现有技术从阴极结构做出改善，以达到设计的要求。CN102709133A公开了一种具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列及其制作方法和应用，该冷阴极在其衬底上刻蚀出具有阴极电极条图案的刻蚀槽，接着在刻蚀槽上制作阴极电极条，然后在阴极电极条上沉积绝缘层薄膜，再在绝缘层薄膜上制作与阴极电极条垂直的栅极电极条；接着对绝缘层薄膜进行刻蚀，露出阴极电极条，然后在特定区域制作生长源薄膜；最后对基板进行氧化，即得到以纳米线作为阴极材料的具有嵌入式电极结构的电子源阵列。该专利设计了一种具有嵌入式电极的冷阴极电子源，其应用背景为场发射平板显示器件，所需的电子束电流很小，因此对电子束的聚焦性能要求不高，没有体现出嵌入式结构的聚焦优势。且其结构有所不同，还会在阴极上沉积纳米线，用于发射电子。该专利技术的制作过程十分复杂，同时涉及等离子体刻蚀、化学气相沉积、电子束蒸发等多种复杂加工工艺。文献《冷阴极X射线管关键部件的设计与仿真》在阴极材料周围增加导体凹槽，让导体凹槽和阴极材料形成等电位体，使阴极材料近似处在一个平板电场之间，电子得以近似地垂直于材料表面发射，采用在阴极材料周围增加导体凹槽的结构不适用于射频激励的冷阴极电子枪结构，因为射频激励的冷阴极谐振腔体的谐振特性与腔体的结构参数相关，增加导体凹槽就会改变冷阴极的结构，必然会影响其谐振特性，导致冷阴极电子枪无法使用，为实现使用，又必须增加其他辅助手段加以改善才有可能，比如增加调谐机构进行冷阴极发射体谐振频率和反射系数的调整，但是会进一步使结构复杂化，工艺难度增大，成本提高；并且，与导体凹槽之间不接触，留有缝隙，虽然增加发射电流，但是冷阴极发射体和导体凹槽需要单独的支撑结构进行固定安装，只在某些特定场合适用，无法适用于尺寸小的冷阴极电子枪，冷阴极发射体和导体凹槽之间的缝隙不好控制，加工难度大，即使在尺寸较大的情况下，采用直接生长的方法得到冷阴极发射体，且为直流电子枪，同时要想办法安装固定导体凹槽，这样设计下来，必然会导致冷阴极电子枪的结构复杂，实际实现方法难度增大；而采用转移法获得冷阴极发射体则更加困难，无法固定冷阴极发射体与阴极基底，工作过程中冷阴极发射体的稳定性较差，在电场力的拉力作用下很容易脱落。

发明内容

针对现有技术中冷阴极电子枪难以聚束的缺陷，本发明提供了一种可改善电子束聚焦性能的场发射冷阴极电子枪，冷阴极发射体直接嵌入阴极底座的凹槽中，整体结构稳固，实用性高，应用范围广。

为达到以上目的，本发明采取以下技术方案：一种可改善电子束聚焦性能的场发射冷阴极电子枪，包括共轴线依次设置的阴极、控制极、聚焦极和阳极，所述阴极包括阴极底座和冷阴极发射体，冷阴极发射体包括电子发射层和阴极支柱，电子发射层面向控制极的一面为阴极发射面；所述阴极底座开设凹槽，所述冷阴极发射体嵌入所述凹槽的内部，所述阴极发射面与所述阴极底座的外表面平齐。

进一步地，所述阴极底座包括嵌套固定的下阴极底座和上阴极底座，所述凹槽包括开设在所述上阴极底座上的通孔和开设在所述下阴极底座上与所述通孔相对应且相通的下凹槽，所述阴极支柱贯穿所述通孔并延伸至所述下凹槽内。

进一步地，所述阴极底座与所述冷阴极发射体为可拆卸式组合结构。

进一步地，所述凹槽的内壁与所述冷阴极发射体的外壁贴合紧密。

进一步地，所述凹槽为一个或多个。

进一步地，所述电子发射层的材料为碳纳米管、石墨烯、硅纳米线、氧化锌纳米线中的一种或几种。

上述的场发射冷阴极电子枪在直流高压器件、微波射频器件上的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)通过对阴极底座结构进行简单改造，冷阴极发射体嵌入阴极底座的凹槽结构，凹槽内壁与冷阴极发射体的外壁贴合紧密，保证良好的电接触和增加结构的稳固性，调整冷阴极发射体的相对位置，改变电子枪内部的电场分布，阴极发射的电子束边缘的电子轨迹发散角明显减小，电子束聚焦性能极大提升；

(2)冷阴极发射体与阴极底座为可拆卸式组合结构，可以减少阴极或电子枪整体结构对冷阴极发射体的制备方法的限制，电子发射层的制备方法多样，可以采用直接生长法，也可以采用转移法，装配方便，大大提高了阴极的实用性和稳定性，进一步扩大了冷阴极的应用范围；对于冷阴极发射体的更换和位置尺寸调整都更加方便，阴极底座可重复利用，节省成本，可以根据实际需要制备各种不同形状的冷阴极发射体，如圆形、椭圆、圆台、方形、多边形等；

(3)本发明场发射冷阴极电子枪应用于直流高压器件、微波射频器件，具有降低成本、提高稳定性和使用便捷性的优点；本发明具有预聚焦功能且冷阴极发射体为独立结构，可实现在微波射频器件中的应用；

(4)本发明场发射冷阴极电子枪应用于微波射频器件，不需要额外增加聚焦结构，在不影响器件射频性能的前提下有效改善射频激励电子枪的聚焦性能。

附图说明

图1为实施例1场发射冷阴极电子枪的结构示意图；

图2为实施例1中阴极的装配示意图；

图3为实施例1中阴极的整体结构示意图；

图4为实施例1中阴极的结构示意剖面图；

图5为实施例1和对比例1的整体模型及发射电子束轨迹图；

图6为实施例1和对比例1的冷阴极发射体附近的电场分布图；

图7为实施例2和对比例2的整体模型及发射电子束轨迹图；

图8为实施例2场发射冷阴极电子枪的结构示意图；

图9为实施例3和对比例3的整体模型及发射电子束轨迹图；

其中，1为阴极底座、11为下阴极底座、11-1为下凹槽、12为上阴极底座、12-1为通孔、2为冷阴极发射体、2-1为阴极发射面、2-2为电子发射层、2-3为阴极支柱、3为控制极、4为聚焦极、5为阳极、6为阴极腔体、6-1为内腔、6-11为圆柱形内腔、6-12为圆锥形内腔、7为射频输入端口、7-1为射频导入杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种可改善电子束聚焦性能的场发射冷阴极电子枪，如图1所示，包括共轴线依次设置的阴极、控制极3、聚焦极4和阳极5，各个电极之间采用陶瓷绝缘环相互隔离。阴极用于发射电子的电子源，控制极3用于控制冷阴极发射电流大小，聚焦极4用于控制发射电子束形状，阳极5用于给发射电子束加速。

如图1所示，阴极包括阴极底座1和冷阴极发射体2，冷阴极发射体2包括电子发射层2-2和阴极支柱2-3，电子发射层2-2面向控制极3的一面为阴极发射面2-1；阴极底座1开设凹槽，冷阴极发射体2嵌入凹槽的内部，阴极发射面2-1与阴极底座1的外表面平齐。通过设计凹槽的结构提供特定电场，改变阴极发射面附近的电场分布，使阴极发射材料近似处在一个平板电场之间，电子近似地垂直于阴极发射面表面发射，减小边缘电子的发散角，以获得理想的电子注。

与阴极底座无凹槽的结构对比，增加凹槽的阴极底座的结构更为复杂，需要考虑冷阴极发射体的固定方式，尤其还要考虑在射频激励电子枪中应用时不影响到整体结构的射频特性。如图2～图4所示，本发明设计的阴极底座1包括嵌套固定的下阴极底座11和上阴极底座12，凹槽包括开设在上阴极底座12上的通孔12-1和开设在下阴极底座11上与通孔12-1相对应且相通的下凹槽11-1，阴极支柱2-3贯穿通孔12-1并延伸至下凹槽11-1内。图2左图为阴极的结构示意图，阴极依次包括下阴极底座11、冷阴极发射体2、上阴极底座12；图2右图为冷阴极发射体的结构示意图，冷阴极发射体2依次包括阴极支柱2-3、电子发射层2-2、阴极发射面2-1。

冷阴极发射体2嵌入阴极底座1，二者同电位。凹槽的内壁与冷阴极发射体的外壁贴合紧密，保证良好的电接触和增加结构的稳固性。冷阴极发射体与阴极底座为可拆卸式组合结构，便于更换冷阴极发射体。

本发明凹槽为一个或多个。凹槽为多个，多个冷阴极发射体分别嵌入多个凹槽的内部。增加凹槽数，可以实现多发射体。阴极底座上的凹槽可采用电火花加工，光刻，激光微加工等微细加工技术制得。

电子发射层的材料为场增强因子大于100的电子发射材料，如碳纳米管、石墨烯、硅纳米线、氧化锌纳米线中的一种或几种。采用直接生长法或者采用丝网印刷、压印、微孔滤膜、抽滤、滴涂等方法制备在阴极支柱一端。

工作时，在阴极、控制极3、聚焦极4和阳极5分别施加不同电压，从而在电子枪内部形成不同的电场分布，控制极3施加到冷阴极发射体2的电场作用使其产生电子发射，发射的电子在空间电荷斥力的作用下会逐渐发散开，不利于后续互作用交换能量，因此必须在聚焦极4的电场控制下聚集成束，最后在阳极5的电场作用下加速向前传输。通过电子枪结构的调整可以使得电子枪内部的电场分布得到优化，对冷阴极电子枪的阴极进行结构改变，从而改变产生电子束的运动轨迹，减小电子束的发散角。本发明中阴极包括带凹槽结构的阴极底座和冷阴极发射体，本发明中电子枪阴极结构的改变实现了阴极发射的电子束边缘的电子轨迹发散角明显减小，电子束聚焦性能极大提升。

实施例1

本实施例的场发射冷阴极电子枪，共轴线依次设置的阴极、控制极3、聚焦极4和阳极5，阴极包括阴极底座1和冷阴极发射体2，阴极底座1开设一个凹槽，冷阴极发射体2嵌入凹槽的内部，结构如图1～图4所示，其中，阴极底座1的直径为2mm，凹槽的深度为0.05mm，凹槽的直径为0.2mm，嵌入凹槽内的冷阴极发射体2的直径为0.2mm，阴极发射面2-1与阴极底座1的外表面平齐；阴极发射面设置为碳纳米管电子发射材料；控制极3直径为8mm，孔径为0.8mm，厚度为0.5mm，与阴极发射面2-1距离为1mm；聚焦极4直径为8mm，孔径为1mm，厚度为1mm，与阴极发射面2-1距离为2mm；阳极5直径为8mm，厚度为1mm，阳极5孔径为圆台形孔，圆台上底面直径为0.2mm，圆台下底面直径为0.3mm，与阴极发射面2-1的距离为5mm。本实施例采用CST仿真软件进行电磁场仿真和粒子仿真。

本实施例提供了上述场发射冷阴极电子枪在直流高压器件上的应用。对阴极，控制极3，聚焦极4和阳极5分别施加电压为0V，5500V，2000V和12500V时，冷阴极电子枪的电场分布如图5(a)所示，可以看到阴极发射面附近的电场线分布，相对于阴极发射面来说，明显由向控制极方向弯曲变成接近水平分布。根据理论知道电子运动方向垂直于电场线方向，由此可以分析出设置凹槽结构后阴极发射的电子束边缘的电子轨迹发散角度会明显减小，从而提升电子束聚焦性能。仿真得到的发射电子束轨迹图如图6(a)所示，从图6(a)中可以看到，电子从阴极发射出来后，近似以垂直于阴极发射面的角度向前运动，这与上述根据阴极发射面附近的电场分布分析得到的结果一致。因此发射电子的横向初速度小，电子束的发散角度也小，而电子之间的空间电荷斥力导致的电子束发散在聚焦极的会聚力作用下消除，电子束经过聚焦极后进一步被聚集起来，形成会聚的电子束。

实施例2

本实施例的场发射冷阴极电子枪，应用于专利CN110379690A公开的采用射频激励场发射电子束的冷阴极电子枪。结构示意图如图7(a)、图7(b)、图8所示，本实施例的阴极整体为λ/4同轴谐振腔结构，包括阴极腔体6及射频输入端口7，设于阴极腔体轴心线位置的内导体，内导体即阴极底座1，阴极底座1包括嵌套固定的下阴极底座11和上阴极底座12，阴极底座1开设一个凹槽，冷阴极发射体2嵌入凹槽的内部，冷阴极发射体2包括电子发射层2-2和阴极支柱2-3，电子发射层2-2面向控制极3的一面为阴极发射面2-1，阴极发射面2-1与阴极底座1的外表面平齐，阴极发射面设置为石墨烯电子发射材料；共轴线依次设置阴极底座1、控制极3、聚焦极4及阳极5，射频输入端口穿过阴极腔体的下侧腔体，射频输入端口中的射频导入杆进入阴极腔体的内腔并嵌入阴极腔体的内腔底部。射频激励的冷阴极电子枪谐振频率为2.45GHz。

如图8所示，本实施例阴极腔体6的四周和底部壁厚均为2mm，阴极腔体6的内腔6-1下部的圆柱形内腔6-11的直径15mm、高5mm，上部的圆锥体内腔6-12的下底直径15mm、高24mm，上部的圆锥体内腔6-12的顶端开口直径8mm；内导体即阴极底座1的总长29mm，其中：上部长为25mm、直径为2mm，下部长度4mm、直径1.6mm，上部端面开设凹槽，凹槽的深度0.1mm，半径为0.1mm，冷阴极发射体2的半径为0.1mm，与凹槽嵌套固定；射频输入端口7中的端口接头为市售标准接头，射频导入杆7-1的直径为0.6mm、在距内腔6-1的内底面高4mm处插入内腔6-1，进入内腔6-13mm处再垂直向下嵌入内腔6-1的底部内固定；控制极3的孔径1mm，厚度0.3mm，控制极3到阴极发射面2-1的距离为1mm；聚焦极4的孔径为1.6mm，厚度1mm，聚焦极4到阴极发射面2-1的距离为1.8mm；阳极5的孔径为0.6mm，厚度1mm，阳极5到阴极发射面2-1的距离为3.3mm。本实施例采用CST仿真软件进行电磁场和粒子仿真。

本实施例提供了上述场发射冷阴极电子枪在微波射频器件上的应用。对阴极，控制极3，聚焦极4和阳极5分别施加电压0V，5000V，0V，10000V，同时输入射频功率30W时，仿真得到此射频激励的冷阴极电子枪发射电子束轨迹如图7(a)、图7(b)所示，图7(a)是射频激励冷阴极电子枪的整体模型图，可以看出采用凹槽结构的冷阴极电子枪对发射电子束的约束作用很好，电子没有明显的发散开，为了更清楚地看到发射电子束轨迹，给出了图7(b)，是图7(a)中虚线框中的局部放大图。从图7(b)可以清楚地看到，电子从阴极发射出来后，近似以垂直于阴极发射面的角度向前运动，因此发射电子的横向初速度小，电子束的发散角度也小，继续向前运动，空间电荷斥力会导致电子的横向速度增大，电子束有发散的趋势，在经过聚焦极后，在聚焦极的会聚力作用下抵消了电子之间的排斥力，所以电子进一步被聚集起来，形成会聚的电子束。

本实施例的场发射冷阴极电子枪具有预聚焦功能且冷阴极发射体为独立结构，应用于射频激励状态时，其作用机理与直流激励状态的相同点在于都是通过改变电子枪内的电场分布使发射电子束得到预聚焦，区别在于由于射频电场的扰动使得发射电子束的聚焦变得更加困难，以及射频激励冷阴极电子枪结构中有不耐高温的材料，本发明满足了射频激励状态要求的电子束的预聚焦的要求，以及冷阴极发射体材料不用直接生长，可单独制备的要求。

本实施例场发射冷阴极电子枪应用于微波射频器件，不需要额外增加聚焦结构，在不影响器件射频性能的前提下有效改善射频激励电子枪的聚焦性能。

实施例3

本实施例的场发射冷阴极电子枪有两个冷阴极发射体2，分别嵌入两个凹槽的内部。如图9(a)所示，阴极底座1的直径为1mm，阴极底座开设有两个凹槽，两个凹槽的深度都为0.1mm，两个凹槽的直径都为0.2mm，两个冷阴极发射体2的直径都为0.2mm，两个阴极发射面与阴极底座1的外表面平齐；阴极发射面设置为碳纳米管电子发射材料；控制极3直径为8mm，孔径为1.6mm，厚度为0.5mm，与阴极发射面距离都为1mm；聚焦极4直径为8mm，孔径为2mm，厚度为1mm，与阴极发射面距离都为3mm；阳极5直径为8mm，厚度为1mm，阳极5孔径为圆台形孔，圆台上底面直径为1.5mm，圆台下底面直径为1.6mm，与阴极发射面的距离为5mm。

本实施例提供了上述场发射冷阴极电子枪在直流高压器件上的应用。对阴极，控制极3，聚焦极4和阳极5分别施加电压为0V，5500V，2000V和12500V时，本实施例发射电子束轨迹图如图9(a)所示，可以看到，应用于多注电子枪优势明显，多注有凹槽聚焦效果明显优越。

多注电子枪通过集成多个电子束，有效增大工作电流，提高相互作用增益及效率，可以解决器件工作电流小，输出功率低等问题，便于实现器件小型化。图9(a)为平行双注冷阴极电子枪的模型图，两个阴极半径相等，位于阴极底座的直径线上并以阴极底座的垂直直径线为对称轴对称设置。从图中可以看到，两束电子束从阴极发射出来后，都近似以垂直于阴极发射面的角度向前运动，电子的横向初速度小，发散角度也小，电子间的空间电荷斥力会导致电子的横向速度增大，但是聚焦极对电子的空间电荷斥力作用显著，在经过聚焦极后，在聚焦极的会聚力作用下，电子束由发散的趋势转为会聚的趋势，所以电子进一步被聚集起来，形成两个会聚的电子束。

对比例1

与实施例1相同，区别在于阴极底座无凹槽，冷阴极发射体设置在阴极底座的外表面。本对比例整体模型及冷阴极电子枪的电场分布如图5(b)所示，可以看到阴极发射面附近的电场线明显向控制极方向弯曲，必然导致电子的发散角度更大，横向速度也就更大，不利于电子束聚焦。发射电子束轨迹图如图6(b)所示，可以看到电子束的发散角度大，边缘部分电子会撞击到各电极上，不仅降低器件性能，甚至会损坏器件。电子从阴极发射出来就具有更大的发散角度，这是因为高出阴极底座外表面的阴极发射面附近的电场分布造成的，此时发射电子的横向初速度大，在向前运动过程中，电子在空间电荷斥力的作用下横向速度更加增大，因此电子束更加发散，导致聚焦极产生的会聚力也无法将具有更大横向速度的电子拉回，因此电子束无法会聚，形成发散的电子束。

对比例2

与实施例2相同，区别在于阴极底座无凹槽，冷阴极发射体设置在阴极底座的外表面。本对比例整体模型及发射电子束轨迹图如图7(c)、图7(d)所示。图7(c)是射频激励冷阴极电子枪的整体模型图，可以看到，由于阴极发射面高于阴极底座外表面，导致发射的电子束明显发散，为了更清楚地看到发射电子束轨迹，给出了图7(d)，是图7(c)中虚线框中的局部放大图。从图7(d)中看到，电子从阴极发射出来就具有非常大的发散角度，电子的发散程度远超过仅直流激励的情况，这是因为凸出的阴极发射面和叠加的射频电场共同造成的，此时发射电子的横向初速度大，在向前运动过程中，电子在空间电荷斥力的作用下横向速度更加增大，因此电子束更加发散，导致聚焦极产生的会聚力也无法将具有更大横向速度的电子拉回，因此电子束的轨迹无法会聚，形成发散的电子束，绝大部分电子都撞击到各电极上，导致器件无法正常工作，甚至会损坏器件。这也说明了射频激励的冷阴极电子枪更需要这种带有凹槽结构的冷阴极。

对比例3

与实施例3相同，区别在于阴极底座无凹槽，两个冷阴极发射体设置在阴极底座的外表面。本对比例整体模型及发射电子束轨迹图如图9(b)所示。由于图9(b)中的阴极发射面高于阴极底座的外表面，电场力的作用导致发射电子束的初始横向初速度大，电子的发散角度大，经过聚焦极后，在聚焦极的会聚力作用下，抵消了一部分横向发散作用，但仍不足以使电子会聚，整体的效果仍然是发散的，穿过阳极的电子束横截面远大于阴极发射的电子束横截面，无法很好地聚焦。

Claims (7)

1.一种可改善电子束聚焦性能的场发射冷阴极电子枪，包括共轴线依次设置的阴极、控制极(3)、聚焦极(4)和阳极(5)，其特征在于，所述阴极包括阴极底座(1)和冷阴极发射体(2)，冷阴极发射体(2)包括电子发射层(2-2)和阴极支柱(2-3)，电子发射层(2-2)面向控制极(3)的一面为阴极发射面(2-1)；所述阴极底座(1)开设凹槽，所述冷阴极发射体(2)嵌入所述凹槽的内部，所述阴极发射面(2-1)与所述阴极底座(1)的外表面平齐。

2.根据权利要求1所述的场发射冷阴极电子枪，其特征在于，所述阴极底座(1)包括嵌套固定的下阴极底座(11)和上阴极底座(12)，所述凹槽包括开设在所述上阴极底座(12)上的通孔(12-1)和开设在所述下阴极底座(11)上与所述通孔(12-1)相对应且相通的下凹槽(11-1)，所述阴极支柱(2-3)贯穿所述通孔(12-1)并延伸至所述下凹槽(11-1)内。

3.根据权利要求1所述的场发射冷阴极电子枪，其特征在于，所述阴极底座(1)与所述冷阴极发射体(2)为可拆卸式组合结构。

4.根据权利要求1所述的场发射冷阴极电子枪，其特征在于，所述凹槽的内壁与所述冷阴极发射体(2)的外壁贴合紧密。

5.根据权利要求1所述的场发射冷阴极电子枪，其特征在于，所述凹槽为一个或多个。

6.根据权利要求1所述的场发射冷阴极电子枪，其特征在于，所述电子发射层的材料为碳纳米管、石墨烯、硅纳米线、氧化锌纳米线中的一种或几种。

7.权利要求1～6所述的场发射冷阴极电子枪在直流高压器件、微波射频器件上的应用。