CN202996765U - 一种场发射电子源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种场发射电子源，包括栅极、阳极以及由衬底和场发射材料组成的阴极，所述衬底为一个腔体，所述腔体具有一个开放面，所述场发射材料均匀布置在所述腔体的内表面上，形成多个发射面。本实用新型可提供较大的场发射电流密度，且性能稳定，使用寿命长。

Description

一种场发射电子源

技术领域

本实用新型涉及场发射技术，尤其涉及一种场发射电子源。 

背景技术

场发射电子源利用所谓场发射效应产生电子。其电子的发射完全由外加电场控制，在场发射电子源设计中，如果其所用场发射材料的电子发射性能一定、即相应可以得到的稳定的最大场发射电流密度一定的情况下，电子源可能产生的最大稳定电流正比于场电子发射面的面积大小。通常的场发射电子源的电子发射面具有平面结构或者简单的曲面结构，其出射电子束截面大小通常接近于电子源的场电子发射面积大小。 

在很多应用中，为了获得所需要的大的发射电流，在不超过最大稳定电流密度的前提下，只能通过增加电子源的场电子发射面积来实现，从而增加了电子源的尺寸乃至整个器件的大小。同时在增加场电子发射面积的同时也增加了出射电子束的截面积大小。然而对于一些特殊的应用，由于器件本身对于尺寸有着严格的限制或者系统本身电子束聚集的能力的限制，往往需要额外的、或者是更为复杂的电子束聚焦装置对电子束进行额外聚焦以减小电子束截面大小，从而增加了相关器件的设计复杂程度和造价。在另有的应用中，也采用提高施加在场电子发射材料上的栅极电压，从而增加电子源的场发射电流密度，进而获得较大的电流。这种方案的代价是增加了电子源的负载，有可能导致电子源场发射性能的不稳定性，进而缩短相应器件的寿命。从总体上来说，目前已经报道的技术对此问题没有比较令人满意的解决方案。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种场发射电子源，可提供较大的场发射电流密度，且性能稳定，使用寿命长。 

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下技术手段：场发射电子源，包括栅极、阳极，以及由衬底和场发射材料组成的阴极，还包括一个腔体，所述腔体具有一个开放面，且所述腔体的多个内表面为衬底，所述场发射材料均匀布置在所述衬底上，形成多个发射面。 

进一步的，所述栅极沿所述腔体的多个内表面均匀分布。 

进一步的，所述阳极设置在所述腔体开放面外侧的正前方。 

进一步的，所述腔体的开放面作为电子束的出射面。 

进一步的，所述各个发射面对应一个栅极，每个栅极分别连接独立的控制装置，控制多个发射面按照一定频率交替工作。 

进一步的，所述腔体为长方体、立方体或圆柱体中的任一种。 

本实用新型由于采用以上所述技术方案，从而使得在不增加出射电子束截面的情况下，显著的提高电子源的实际场发射面积，继而获得较高的有效场发射电流密度或者延长电子源的使用寿命，满足众多应用中对于高电流密度和长寿命的场发射电子源的需要。 

附图说明

本实用新型一种场发射电子源由以下的实施例及附图详细给出。 

图1为本实用新型实施例中场发射电子源结构示意图； 

图2为本实用新型实施例中场发射电子束发射轨迹示意图； 

图3为本实用新型实施例电子源等势线示意图。 

具体实施方式

以下将对本实用新型一种场发射电子源作进一步的详细描述。 

请参照图1和图2，本实用新型的场发射电子源，包括阳极、栅极和阴极，其中阴极由衬底和场发射材料组成。在本实施例中，所述衬底为正方体型的腔体1，所述腔体1包括五个表面和一个开放面4，每个表面对应一个内表面2，所述发射材料被均匀的分布在内表面2（衬底）上，五个内表面2即为场发射电子源的发射面。所述开放面4，作为发射面发射出的电子束的出射面。 

本实用新型有效地利用了整个腔体1的每一个内表面2作为电子发射面，相 比于传统的单一平面发射源，大幅增大了电子束的实际发射面积。电子束将从电子源的多个发射面进行发射，经过开放面4射出。 

场发射电子源的栅极3沿所述腔体1的五个内表面2均匀分布，每个内表面2对应的栅极电压相等；同时，由于腔体1中以开放面为底的其它侧内壁具有几何对称特性，因此，在腔体1内部形成了一个横向对称的等势空间。在相同的栅极电压下，在本实施例中，每个发射面都保持着与传统场发射电子源一致的发射电场，从而保证了每个发射面能提供发射一致的发射电流密度。 

所述阳极5设置在所述开放面4外侧的正前方，阳极电压与腔体1的内边界条件共同形成了一组向着阳极5方向收敛的横向对称的等势面。如图3所示，所述腔体1内表面2附近等势线曲率较大，从腔体1内各个发射面发射的电子沿着垂直于等势线的方向运动，在开放面4处得到了聚拢叠加，同时在阳极电压的引导下射向阳极5。此时的整体发射电流为各发射面的发射电流之和。发射的电子束初始横截面面积由所述腔体1的开放面4（电子束的出射面）决定。在本实用新型的实施例中，出射面也即开放面4的面积并没有像现有技术一样增加，而是一般保持和普通二维电子源发射面积一样。因此在发射的电子束初始面积不变的情况下，通过增加整体发射电流从而实现发射电流密度的大幅提高。这种提高发射电流密度的方式避免了额外增加栅极电压而对场发射材料造成的损害。 

应用本实用新型所述的三维腔体结构实现的总发射电流，若所述总发射电流与传统单一平面电子源的发射电流一致，则可降低其每一个发射面单独的发射电流，而使每一个发射面所需的栅极电压大大低于传统的单一平面电子源所需的栅极电压，从而提高每一个发射面的场发射材料的寿命。 

在其它实施例中，如果所述各个发射面对应的栅极在保持与传统电子源相同的栅极电压情况下，由于各个发射面对应一个栅极，每个栅极分别连接独立的控制装置，则可以通过控制装置独立控制，使发射面根据控制频率进行交替工作。这两种实施方式均可以降低场发射材料的使用损耗，因此可大幅度提高电子源的使用寿命。 

当然，除了以上实施例中描述的所述腔体1为正方体，所述腔体1也可以为圆柱体等多面体结构，圆柱体的内侧面和其中一底面构成了电子源的发射面， 从而大大提高电子源的发射面积，从而提高总电子束的发射密度。同理，所述腔体1也可以为长方体。 

本实用新型由于采用以上所述技术方案，因此（一）在不增加出射电子束截面的情况下，显著的提高电子源的实际场发射面积，继而获得较高的有效场发射电流密度；（二）由于所述腔体1的三维结构的开放面4（即电子束的出射面）与所述阳极5的距离与传统单一平面结构保持一致，因此腔体1的其它内表面2的发射面相对阳极5的实际距离更大，这可以有效地降低阳极5作用在场发射材料上形成的暗电流。（三）腔体1的半封闭结构有效地保护了在电子发射的物理过程中外部环境产生的其他各种带电粒子对场发射材料的损害，延长了电子源的使用寿命，满足众多应用中对于高电流密度和长寿命的场发射电子源的需要。 

由于以上仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型的保护范围不应受此限制，即凡是依本实用新型的权利要求书及本实用新型说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，均应仍属本实用新型专利涵盖的范围内。 

Claims (6)

1.一种场发射电子源，包括栅极、阳极，以及由衬底和场发射材料组成的阴极，其特征在于，所述衬底为一个腔体，所述腔体具有一个开放面，所述场发射材料均匀布置在所述腔体的内表面上，形成多个发射面。 

2.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述栅极沿所述腔体的多个内表面均匀分布。 

3.如权利要求2所述的场发射电子源，其特征在于，所述阳极设置在所述腔体开放面外侧的正前方。 

4.如权利要求3所述的场发射电子源，其特征在于，所述腔体的开放面作为电子束的出射面。 

5.如权利要求2所述的场发射电子源，其特征在于，所述各个发射面对应一个栅极，每个栅极分别连接独立的控制装置，控制多个发射面按照一定频率交替工作。 

6.如权利要求1～5任一项所述的场发射电子源，其特征在于，所述腔体为长方体、立方体或圆柱体中的任一种。 

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