基于二维纳米壁的场发射阴极制造技术

本案涉及基于二维纳米壁的场发射阴极，包括：电子发射端，其包括衬板层和纳米壁层，所述纳米壁层呈网格状，并埋覆在所述衬板层中；铜芯；冷却装置，包括：第一陶瓷导热片，其靠近所述纳米壁层的一端架设有栅网；第二陶瓷导热片，其套设于第一陶瓷导热片的外部；半导体层，其填充于所述第一陶瓷导热片和第二陶瓷导热片之间；电源；其中，第二陶瓷导热片通过金属片与铜芯相连。本案采用二维网格结构的纳米壁使得阴极获得了更低的阻抗，有助于更大发射电流的产生；在纳米壁顶端桥接的金属层能够降低电子需要克服的功函数，增加可以利用的电子密度和二次电子发射能力；网格形状的栅极能够最大限度的提高电子的通过率。

【技术实现步骤摘要】
基于二维纳米壁的场发射阴极
本专利技术涉及X射线管中的阴极，特别涉及一种基于二维纳米壁的场发射阴极。
技术介绍
电子发射器件在很多领域有重要应用，例如X射线管需要阴极发射高能电子撞击靶面产生X射线。目前的电子发射部件主要采用钨丝，六硼化镧等，均属于热发射阴极。电子发射都是物体内部电子在获得热能后被激发，因自身能量高于表面势垒而逸出，响应速度慢，方向性差，且需要良好的散热。场致电子发射是在强电场作用下发射电子的现象，用外部强电场来压抑表面势垒，使势垒的最高点降低，并使势垒的宽度变窄，致使物体内部的电子不需要另外增加能量，即不需要激发，就可以逸出。场发射阴极的优势很明显，因不需要对阴极进行加热和散热，对控制信号的响应时间达到纳秒级，可以实现快速脉冲成像，电子发射方向性好，且具有能散度低(0.2～0.3eV)，寿命长的优势。场发射需要有一个发射尖端，所需要的外部电场强度与其尖端半径有关，半径越小，需要的电场强度就越小。传统场发射阴极有若干不足之处，其一，材质必须要非常坚硬，否则容易被环境中的离子轰击而损坏，尖端一旦变钝，就无法实现场发射；其二，坚硬的惰性材质不容易制造出场发射需要的尖端，工艺复杂。因此，纳米材料(如纳米管)成为了场发射器件的热门选择。纳米管如果被离子轰击折损顶端，不影响余下部分的场发射性能，纳米管的直径可以通过催化剂颗粒的大小控制，容易设计其长径比。碳纳米管(Carbonnanotube，CNT)的开启电压很低，束流强度高，在理想情况下是场发射的优越选择，人们已经利用CNT场发射阴极材料取得一系列研究成果，但如何制造稳定可靠，满足大电流高电压使用条件的CNT冷阴极仍然是一个难点。碳纳米管内流动的电子受到量子限域的影响，只能在同一层管壁上沿着纳米管轴向方向运动，沿径向的运动受到限制，表现出一维量子线的性质；并且由于CNT的高度不会完全一致，因电磁屏蔽效应，容易导致某些点局域电场过强，造成纳米管过载而烧坏，破坏相邻的场发射区域，甚至损坏整个阴极；CNT彼此之间是独立的，出射的电子之间也是不相关的，因此其方向性较差。这些特性严重阻碍了CNT作为场发射阴极的大规模应用。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足之处，本专利技术的目的在于通过对现有阴极结构的改进，来提供一种基于二维纳米壁的场发射阴极。二维纳米壁作为场发射材料有更大的潜力,它的电子不是沿一根线进行流动，而是沿二维平面进行运动，因此这就决定了它具备阻抗低、电子运动质量小的特性，出射的电子还具有高度相关的特性，是场发射阴极的优越选择。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于二维纳米壁的场发射阴极，包括：电子发射端，其包括衬板层和纳米壁层，所述纳米壁层呈网格状，并埋覆在所述衬板层中；铜芯，其连接于所述衬板层中远离所述纳米壁层的一面；冷却装置，其包括：第一陶瓷导热片，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，所述第一陶瓷导热片套设于所述电子发射端外部，并在所述第一陶瓷导热片靠近所述纳米壁层的一端架设有栅网；所述栅网与所述纳米壁层平行，所述栅网设有两个高压电接线端；第二陶瓷导热片，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，所述第二陶瓷导热片的圆环半径大于所述第一陶瓷导热片的圆环半径，所述第二陶瓷导热片套设于所述第一陶瓷导热片的外部；半导体层，其填充于所述第一陶瓷导热片和第二陶瓷导热片之间，所述半导体层还分别设有两个电源接口；电源，其分别与所述半导体层的两个电源接口相连；其中，所述第二陶瓷导热片通过金属片与所述铜芯相连。优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述纳米壁层中每个网格的四条边与所述栅网中每个网格的四条边在沿所述纳米壁层所在平面的轴线上不重叠。优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述纳米壁层的网格大小与所述栅网的网格大小相等。优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述纳米壁层的顶端设有金属层。优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述金属层是金。优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述半导体层是碲化铋。本专利技术的有益效果是：1)二维网格结构的纳米壁使得阴极获得了更低的阻抗，有助于更大发射电流的产生，并减弱了电磁屏蔽造成的束流下降，同时，电子不仅可以在二维纳米壁自由流淌，也可以在不同层的纳米壁之间自由交换，且还能够起到支撑纳米壁，使之保持更好的方向性和耐轰击性，避免尖端毛刺的作用；2)在纳米壁顶端桥接的金属层能够降低电子需要克服的功函数，增加可以利用的电子密度和二次电子发射能力；同时，还可以起到压敏电阻的作用，压制发射电流的波动，从而使电流更加稳定；并使得纳米壁更加坚固，能够经受一定程度的粒子撞击，从而延长冷阴极的使用寿命；3)网格形状的栅极能够最大限度的提高电子的通过率，环形的冷却装置根据热电制冷的原理能够快速高效的对栅网进行快速冷却，以避免栅网因过热而损坏。附图说明图1为基于二维纳米壁的场发射阴极的结构示意图，其中，为了便于观察，图中略去了高压电接线端、电源和电源接口的结构。图2为场发射阴极的电子发射端的立体图。图3为场发射阴极的俯视图；其中，为了便于观察，图中略去了栅网的结构。图4为纳米壁层的网格与栅网的网格在空间上的相对位置关系图。图5为纳米壁层的顶端在修饰有金属层后的结构示意图。图6为将场发射阴极应用于X射线管中的结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。本案提出一实施例的基于二维纳米壁的场发射阴极，包括：电子发射端，其包括衬板层1和纳米壁层2，纳米壁沿衬板层1平面向外延伸，并且整体呈网格状，埋覆在衬板层1中；衬板材料的选择应尽可能减少接触电阻，并且能够与纳米壁形成牢固的化学键。研究表明，拥有良好浸润特性的金属，比如，Ti、Cr或Fe与碳纳米材料的接触几乎为欧姆型，不存在接触势垒。无论是何种衬板，都应该加长纳米壁和衬板层的接触厚度，埋覆在衬板的长度越长，导电性和机械强度越好。铜芯3，其连接于衬板层1中远离纳米壁层2的一面；冷却装置，其包括：第一陶瓷导热片4，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，第一陶瓷导热片4套设于电子发射端外部，并在第一陶瓷导热片4靠近纳米壁层2的一端架设有栅网5；栅网5与纳米壁层2平行，栅网5设有两个高压电接线端，但它们的具体位置不受限制；栅网5主要起到一个引出电子和电场聚焦的作用，其自身需要一定强度的高压，栅网5在接通高压电后，能够控制阴极电子流的开关。电场E＝V/d，如果没有栅网5，就必须由阳极提供电场，此时d数值较大，相同的电场强度下需要更高的电压，开关操作极其不便，不能产生高质量脉冲电流。但若有了栅网5，就可以在很短的d，用很低的V引出电子，起到开关电流的作用，不仅能够高效执行脉冲电流操作，还能在较低电压下很方便的进行开关操作，易于实现脉冲电流，并降低辐射剂量。同时，采用陶瓷材质的导热片还可以起到隔绝高压的作用。第二陶瓷导热片6，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，第二陶瓷导热片6的圆环半径大于第一陶瓷导热片4的圆环半径，第二陶瓷导热片6套设于第一陶瓷导热片4的外部；半导体层7，其填充于第一陶瓷导热片4和第二陶瓷导热片6之间，半导体层7还分别设有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二维纳米壁的场发射阴极，包括：电子发射端，其包括衬板层和纳米壁层，所述纳米壁层呈网格状，并埋覆在所述衬板层中；铜芯，其连接于所述衬板层中远离所述纳米壁层的一面；冷却装置，其包括：第一陶瓷导热片，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，所述第一陶瓷导热片套设于所述电子发射端外部，并在所述第一陶瓷导热片靠近所述纳米壁层的一端架设有栅网；所述栅网与所述纳米壁层平行，所述栅网设有两个高压电接线端；第二陶瓷导热片，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，所述第二陶瓷导热片的圆环半径大于所述第一陶瓷导热片的圆环半径，所述第二陶瓷导热片套设于所述第一陶瓷导热片的外部；半导体层，其填充于所述第一陶瓷导热片和第二陶瓷导热片之间，所述半导体层还分别设有两个电源接口；电源，其分别与所述半导体层的两个电源接口相连；其中，所述第二陶瓷导热片通过金属片与所述铜芯相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维纳米壁的场发射阴极，包括：电子发射端，其包括衬板层和纳米壁层，所述纳米壁层呈网格状，并埋覆在所述衬板层中；铜芯，其连接于所述衬板层中远离所述纳米壁层的一面；冷却装置，其包括：第一陶瓷导热片，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，所述第一陶瓷导热片套设于所述电子发射端外部，并在所述第一陶瓷导热片靠近所述纳米壁层的一端架设有栅网；所述栅网与所述纳米壁层平行，所述栅网设有两个高压电接线端；第二陶瓷导热片，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，所述第二陶瓷导热片的圆环半径大于所述第一陶瓷导热片的圆环半径，所述第二陶瓷导热片套设于所述第一陶瓷导热片的外部；...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢晓曼，徐品，孙明山，曾维俊，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32