具有基于纳米管或纳米线的平面阴极的真空电子管制造技术

本发明专利技术公开了一种具有基于纳米管或纳米线的平面阴极的真空电子管。本发明专利技术涉及一种真空电子管，其包括布置在真空室(E)中的至少一个电子发射阴极(C)和至少一个阳极(A)，所述阴极具有平面结构，所述平面结构包括基底(Sb)、多个纳米管或纳米线元件以及至少一个第一连接器(CE1)，所述基底包括导电材料，所述纳米管或纳米线元件与基底电绝缘，所述纳米管或纳米线元件的纵向轴线实质上平行于基底的平面，所述第一连接器电性联接至至少一个纳米管或纳米线元件，从而能够向纳米线或纳米管元件施加第一电势(V1)。

Vacuum electron tube with a planar cathode based on nanotube or nanowire

The invention discloses a vacuum electron tube with a planar cathode based on a nanotube or nanowire. The invention relates to a vacuum tube, comprising arranged in the vacuum chamber (E) at least one of the cathode electron emission (C) and at least one anode (A), the cathode has a planar structure, the planar structure includes a substrate (Sb), a plurality of nanotubes or nanowires element and at least a first connector (CE1), the substrate comprises a conductive material, the nanotubes or nanowires components and electrical insulating substrate, the nanotubes or nanowires components of the longitudinal axis substantially parallel to the substrate surface, wherein the first connector is electrically connected to at least one nanotube or nanowire element, thereby capable of applying a first potential to the nanowire or nanotube element (V1).

【技术实现步骤摘要】
具有基于纳米管或纳米线的平面阴极的真空电子管
本专利技术涉及真空电子管的领域，其应用包括例如X射线管的制造或者行波管(TWT)的制造。更具体而言，本专利技术涉及阴极是基于纳米管或纳米线元件的真空电子管。
技术介绍
如图1所示，真空电子管的结构是已知的。电子发射阴极Cath和阳极A布置在真空室E中。电势差V0(一般在10KV和500KV之间)施加在阳极A和阴极Cath之间以在室内产生电场E0，以允许来自阴极的电子的提取和加速，从而形成“电子枪”。在电场E0的影响下，电子受到阳极吸引。由阳极产生的电场具有3个功能：-提取来自阴极的电子(对于冷阴极来说)，-向电子提供轨迹以在管中使用电子。例如，在TWT中，其使得能够将电子束注射进入相互作用叶轮(interactionimpeller)。-为了真空管的需要而通过电压梯度而将能量给予电子。例如，在X射线管中，电子的能量控制X射线发射谱。TWT是这样的管，其中电子束穿过金属叶轮。在该叶轮中引导RF波，从而与电子束相互作用。这种相互作用实现在电子束和RF波(其得到放大)之间的能量传递。因此，TWT是一种高功率放大器，其可以例如应用于通信卫星中。在X射线管中，根据一个实施方案，电子由于冲击到阳极上而受到制动，而这些经减速的电子发射电磁波。如果电子的初始能量足够强(至少1keV)，则相关的辐射在X射线范围内。根据另一实施方案，高能电子与目标(阳极)的原子的核心电子相互作用。引发的电子重组伴随有具有光子特性能量的发射。因此，通过阴极发射的电子受到外部电场E0的加速，以朝向目标/阳极(一般由钨制备)(对于X射线管来说)，或者朝向相互作用叶轮(对于TWT来说)。为了产生电子的(准)连续发射，使用了两种技术：(i)冷阴极和(ii)热离子阴极。冷阴极基于通过场发射而进行的电子发射：施加至材料的强电场(数个V/nm)使得能垒的弯曲足以允许电子能够通过隧穿效应而传输至真空。宏观上获得这样的强电场是不可能的。具有垂直尖端的阴极利用与尖端效应相结合的场发射。为此，在文献中得到广泛使用和发展的几何结构在基底上形成垂直尖端P(其具有较高的高宽比)，如图2所示。通过尖端效应，发射部的尖端处的电场可以具有所寻求的量级。该电场通过由尖端带来的静电干扰而以均匀的电场形成。以这样的配置，施加均匀外部电场E0。正是这样的电场的变型使得能够控制在发射部的尖端处的电场水平，并且因此控制相应的发射的电流水平。第一个门控阴极(被称作尖阴极(Spindttip))开发于1970年代，其示出于图3a和图3b中。其原理是基于由控制门25围绕的导电尖端20的使用。一般而言，顶点在门的平面上。在尖端和门之间的电势差使得能够调制在尖端的顶点处的电场水平(并且因此调制发射的电流的水平)。这些结构因其对于尖端/门对齐的高灵敏性以及在这两个元件之间的电绝缘的问题而为人所知。最近，已经由碳纳米管或CNT而制造了以与基底成直角的角度而垂直布置的尖端发射部。利用碳纳米管CNT的门控阴极还描述于例如编号为PCT/EP2015/080990的专利申请，并且示出于图4中。门G布置在每个VACNT(用于“垂直对齐CNT(VerticallyAlignedCNT)”)周围。场发射源自于在(通常为金属材料的)表面上的电场。现在，该电场直接地关联于所施加的电势场的梯度。在常规阴极中(没有门)，电势场源自于外部电场的影响的结合，以及纳米管自身的电势。现在，这两者关联起来。在“门控”类型的阴极中，在纳米管水平的电势场源自于外部电场的影响的结合，纳米管的电势(如前)，并且还源自于由门诱导的电势(其与其它两者无关)。因此，能够通过作用于该新的引入系统的电极来改变电子发射水平。一般而言，与每个发射部相关的场放大因子强相关于其高度以及其尖端的曲率半径。在这两个参数中的分散导致放大因子的分散。现在，隧穿效应以指数定律相关于该放大因子：因此，考虑一组发射部，仅一小部分(其可以相当低，具有百分之一或更小的量级)真的会参与电子发射。对于目标总电流，这要求实际的发射部能够发射相当高的电流(与将会是均匀的并且在所有的发射部中均匀分配的发射相比)这些尖端状的发射部的制造以下述方式进行：-直接地在基底上，通过蚀刻(例如：硅尖端)、通过直接生长(例如：CNT)。这两种方法需要使得尖端的优选取向能够与基底成直角。-或者通过安装：合成纳米材料(以纳米管/纳米线的形状)，然后安装在基底上。取向为与基底成直角的步骤同样也是必须的。对于在基底上进行直接制造，文献中已知其存在显著的半径/高度的分散。另外，对于在基底上生长CNT的特定情形而言，与基底成直角的取向得到控制，但是材料的品质比通过CVD生长而获得的CNT材料的品质要低得多。一种减小高度的分散的手段是在包封材料上执行抛光：其缺点在于，被抛光的材料事实上是有缺陷的，其减小了相关的发射性能水平。就生长材料然后安装在基底上的情形而言，获得与基底成直角的取向是复杂的(非本地化的、实际高度不可控等)。文献中已知的具有基于纳米线的平面几何结构(没有物体取向为与基底成直角)的阴极仍然是基于尖端效应的。然而，为了减轻不与基底成直角的取向的影响，在基底中结合了承载发射部的电极的对电极。第一示例示出于图5中：ZnO纳米线类型的、Pp尖端类型的发射部平行于基底。其端部中的一端连接至电极(阴极Cath)，而对电极(阳极A)使得能够产生与垂直结构的情形中的均匀电场E0的等效物。该发射仍然存在于尖端的顶点处。电子束从发射部传播向阳极，其能够但是很难偏转束，从而在别处使用电子束(尤其是将其注入进入常规的电子管中)。根据相同原理工作的另一示例包括门G和掺杂的多晶硅的尖端Pp，其示出于图6中。就真空管而言，其目标是使用“远离”阴极的电子束。就平面结构而言，阳极紧邻发射元件(以便限制要施加的电压)，这意味着束在受到阳极拦截之前只行进了很短的距离。因此其无法在真空管中在更远的距离得到使用。热离子阴极使用热离子效应来发射电子。该效应在于通过加热来发射电子。为此，布置在灯丝的端部的两个电极受到偏置。在两端之间施加的电势差在灯丝中产生电流，其通过焦耳效应而受到加热。当其达到特定温度(通常为1000摄氏度)时，电子得到发射。实际上，正是加热的事实使得一些电子能够具有高于金属真空能垒的热能：因此，它们能够自发地被提取至真空。存在垫形的阴极(具有一毫米的量级)，其中电灯丝放置在阴极之下，从而确保材料的加热，材料然后发射电子。热离子阴极能够长时间在相对中等真空(例如高至10-6mbar)中供应高电流。然而，其发射很难快速切换(在例如零点几GHz的尺度)，源的尺寸是固定的，并且其温度限制了其所结合至的管的紧凑性。本专利技术的一个目的在于，通过提出一种具有基于纳米管或纳米线的平面阴极的真空电子管而减轻上述缺陷，所述真空电子管能够在利用隧穿效应或热离子效应或两者的结合的同时，克服关联于垂直发射尖端的使用的相当数量的限制。
技术实现思路
本专利技术的主题为一种真空电子管，其包括布置在真空室中的至少一个电子发射阴极和至少一个阳极，所述阴极具有平面结构，所述平面结构包括基底、多个纳米管或纳米线元件以及至少一个第一连接器，所述基底包括导电材料，所述纳米管或纳米线元件与基底电绝缘，所述纳米管或纳米线元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
真空电子管，其包括布置在真空室(E)中的至少一个电子发射阴极(C)和至少一个阳极(A)，所述阴极具有平面结构，所述平面结构包括基底(Sb)、多个纳米管或纳米线元件以及至少一个第一连接器(CE1)，所述基底包括导电材料，所述纳米管或纳米线元件与基底电绝缘，所述纳米管或纳米线元件的纵向轴线实质上平行于基底的平面，所述第一连接器电性联接至至少一个纳米管或纳米线元件，从而能够向纳米线或纳米管元件施加第一电势(V1)。

【技术特征摘要】
2016.07.07 FR 16010571.真空电子管，其包括布置在真空室(E)中的至少一个电子发射阴极(C)和至少一个阳极(A)，所述阴极具有平面结构，所述平面结构包括基底(Sb)、多个纳米管或纳米线元件以及至少一个第一连接器(CE1)，所述基底包括导电材料，所述纳米管或纳米线元件与基底电绝缘，所述纳米管或纳米线元件的纵向轴线实质上平行于基底的平面，所述第一连接器电性联接至至少一个纳米管或纳米线元件，从而能够向纳米线或纳米管元件施加第一电势(V1)。2.根据权利要求1所述的真空电子管，其中，纳米管或纳米线元件实质上彼此平行。3.根据权利要求1或2所述的真空电子管，其中，第一连接器(CE1)包括实质上平面的接触元件(C1)，所述接触元件布置在绝缘层(Is)上，并且联接至所述纳米管或纳米线元件的第一端部(E1)。4.根据前述权利要求中的一项所述的真空电子管，其中，所述阴极进一步包括第一控制装置(MC1)，所述第一控制装置联接至第一连接器(CE1)和基底(Sb)，并且配置为在基底和纳米管元件之间施加偏压(VNW)，从而使得纳米管或纳米线元件通过其表面(S)经由隧穿效应而发射电子。5.根据权利要求4所述的真空电子管，其中，偏压在100V和1000V之间。6.根据前述权利要求中的一项所述的真空电子管，其中，纳米管或纳米线元件(NT)的半径(r)在1nm和100nm之间。7.根据前述权利要求中的一项所述的真空电子管，其中，所述阴极包括第二电连接器(CE2)，所述第二电连接器电性联接至至少一个纳米管或纳米线元件(NT)，从而能够向纳米管或纳米线元件施加第二电势(V2)。8.根据权利要求7所述的真空电子管，其中，第一连接器和第二连接器(CE1、CE2)分别包括第一实质上平面的接触元件(C1)和第二实质上平面的接触元件(C2)，所述接触元件布置在绝缘层上，并且分别联...

【专利技术属性】
技术研发人员：JP·马泽利耶，L·萨博，
申请(专利权)人：泰勒斯公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR