一种双栅控制式冷阴极电子枪及其制备方法技术

本发明专利技术涉及真空电子器件技术领域，公开了一种双栅控制式冷阴极电子枪及其制备方法。通过本发明专利技术创造，提供了一种工艺简单、使用寿命长和性能优良的新型电子枪，即采用冷阴极作为真空电子器件的发射源，并利用阴极栅网阵列化冷阴极表面，可有效削弱大面积冷阴极材料发射电子的静电屏蔽效应，提高大面积冷阴极材料的发射电流，同时将阴极衬底表面设计为一整个平面，不但可规避加工毛刺等问题，改善边缘效应及打火等现象，还可以使阴极衬底表面的电场分布较为平坦，有利于提高发射电流密度的均匀性，实现大电流发射目的，进而可适用于真空电子辐射元器件或产生大电流及高密度电子注的器件中。

【技术实现步骤摘要】
一种双栅控制式冷阴极电子枪及其制备方法
本专利技术属于真空电子器件
，具体涉及一种双栅控制式冷阴极电子枪及其制备方法，可适用于真空电子辐射元器件或产生大电流及高密度电子注的器件中。
技术介绍
场致电子发射是与热电子发射在性质上完全不同的一种电子发射形式。热电子发射是靠升高物体的温度，给予物体内部的电子以附加的能量，使一些高能电子能够越过物体表面上的势垒而逸出，热电子发射所能提供的电流密度最高不过几百A/cm2，而且还有一段时间的迟滞；但即使把金属加热到发生显著蒸发的高温，能够逸出的电子数也只占金属中自由电子数的极小一部分，提供给阴极的热能绝大部分以热辐射的形式消耗掉了，这种热的耗散还给使用热阴极的电子器件以及整个仪器设备都带来不少的麻烦。场致电子发射的原理不同，它并不需要供给固体内的电子以额外的能量，而是靠很强的外部电场来压抑物体表面的势垒，使势垒的高度降低并使势垒的宽度变窄。由此，物体内的大量电子就能穿透过表面势垒而逸出，场致发射阴极可以提供107A/cm2以上的电流密度，没有发射的时间迟滞。所以，冷阴极由于电子发射效率高，可控性强，响应快和能够实现大面积电子发射等优点，在真空微电子器件上有重要应用前景。现有技术中，场致发射电子源主要采用Spindt-type式的场致发射结构，Spindt-type式的场发射电子源为三极结构，包括阴极、阳极和栅极，栅极位于阴极和阳极中间，栅极产生强电场从阴极基底拉出电子，通过阴极发射体的传导，在阳极电压的加速和聚焦电压聚焦作用下发射聚束电子馈入注波互作用腔或其他器件中。但在阴极发射尖锥的制备过程中，在衬底基片上大量集成包含微发射体锥尖，由于发射体锥尖是μm量级，尺寸非常的小，制备工艺复杂，在保证单根发射体锥尖发射电子理想的情况下，却难以保证大量的发射体锥尖尺寸形状一致，从而影响了电子发射的效率以及阴极发射体的寿命。同时由于绝缘层的存在，易混入杂质且降低了阴极的耐压性，影响阴极的正常工作。在公开号为CN102709133A的专利文件中公开了《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》，该专利中的嵌入式电极的冷阴极电子源也是采用了Spindt-type式的场发射结构。该冷阴极在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；然后在特定局域制作生长源薄膜；最后对基板进行热氧化，即得到以纳米线作为阴极材料的具有嵌入式电机结构的电子源阵列。该专利技术的制作过程十分复杂，同时，还涉及到等离子体刻蚀、化学气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发等多种工艺；由于该嵌入式电极的冷阴极电子源阵列在微米量级，尺寸非常小，电子源阵列在这种复杂的工艺下，势必会造成冷阴极发射单元以及栅极的一致性较差，良品率低，其单一发射单元出现问题，则会导致周围多个乃至整体的冷阴极发射单元无法产生电流或发射电流不均匀。则栅极在制作中也极易造成不均匀和混入杂质，就会使电子打到栅网上造成局部的发射电流过大，局部发热，使得器件极易损坏，影响冷阴极电子源阵列的使用寿命。因上述专利技术制作的是一种嵌入式电极的冷阴极电子源阵列，为了避免栅极与冷阴极短路，故在栅极与冷阴极加入了特定的绝缘介质。然而，正是由于加入了特定的绝缘介质，其介质较薄，在微米量级，使其在制作工艺中易混入金属屑或杂质，从而导致介质表面存在电流，造成打火现象，损毁器件的工作。同时，由于场致发射与表面电场强度有关，理论上电场强度越高越好，因此，对器件的耐压强度有极高的要求，但其结构中介质的引入，反而极大的降低了器件的耐压性，而无法产生大的电流。在公开号为CN104810225A的专利文件《一种栅极外置式冷阴极电子源及其构成的电子枪》和公号CN104934280A的专利文件《一种外置式栅控冷阴极阵列电子枪》中公开的两种电子枪的阴极阵列源都采用的是凸起的柱状结构。该阴极面在工艺加工时避免不了存在边缘毛刺，根据场致发射特性，该弊端会导致边缘效应，因此这两种电子枪阴极表面电场分布不均匀，导致发射电流密度不均匀，边缘毛刺存在打火现象，影响阴极使用寿命。因此，这三种冷阴极电子源阵列不适用于电真空辐射源器件或需要大电流的器件中。
技术实现思路
为了解决现有技术中所存在的缺陷，本专利技术目的在于提供一种双栅控制式冷阴极电子枪及其制备方法。本专利技术所采用的技术方案为：一种双栅控制式冷阴极电子枪，包括电子枪绝缘外壳、环形电极片、阴极底座、阴极衬底、管型绝缘连接体、阴极栅网、外置栅网和管型聚束极，其中，所述电子枪绝缘外壳的内部为真空且由下套筒和上套筒组成，所述环形电极片设置在所述下套筒与所述上套筒之间，所述阴极底座呈二级台阶柱体结构且密封所述下套筒的下端口，所述阴极衬底呈柱体结构且在上表面设有冷阴极材料层，所述管型绝缘连接体的内部空腔呈二级台阶柱体结构；所述阴极栅网和所述外置栅网的中部区域分别开有若干栅孔，其中，所述阴极栅网的环形边缘区域连接所述管型绝缘连接体的内台阶面，所述外置栅网的环形边缘区域连接所述管型绝缘连接体的上端面，形成一个双栅结构；所述阴极衬底、所述双栅结构和所述管型聚束极分别位于所述电子枪绝缘外壳的内部，其中，所述阴极衬底安装在所述阴极底座的顶部，所述管型绝缘连接体的下端口固定套在所述阴极衬底的上部外周，所述管型聚束极固定安装在所述外置栅网的上表面，所述外置栅网的环形边缘区域连接所述环形电极片。优化的，还包括密封所述上套筒的上端口的应用器件。优化的，还包括线圈磁场发生器，其中，所述电子枪绝缘外壳位于所述线圈磁场发生器的磁场中且与所述线圈磁场发生器同轴设置。优化的，所述阴极衬底、所述管型绝缘连接体、所述阴极栅网、所述外置栅网和所述管型聚束极同轴设置。优化的，所述阴极栅网的栅孔与所述外置栅网的栅孔在形状方面完全相同，并使所述阴极栅网的栅孔与所述外置栅网的栅孔一一对应且中心对齐。优化的，所述阴极衬底通过螺纹配合结构固定安装在所述阴极底座的顶部。优化的，所述管型聚束极的内空腔上部呈柱体结构，所述管型聚束极的内空腔下部呈倒锥台体。优化的，所述冷阴极材料层为石墨烯层、金刚石薄膜层、类金刚石薄膜层、碳纳米管层、氧化铜纳米线层、氧化锌纳米线层或氧化物纳米线层。本专利技术所采用的另一种技术方案为：一种如前所述双栅控制式冷阴极电子枪的制备方法，包括如下步骤：S101.加工制得呈二级台阶柱体结构的阴极底座；S102.加工制得呈柱体结构的阴极衬底，然后将该阴极衬底安装在所述阴极底座的顶部，最后在该阴极衬底的上表面种植冷阴极材料层；S103.加工制得内部空腔呈倒置二级台阶柱体结构的管型绝缘连接体；S104.加工制得阴极栅网和外置栅网，然后将该阴极栅网的环形边缘区域焊接在所述管型绝缘连接体的内台阶面上，将该外置栅网的环形边缘区域焊接在所述管型绝缘连接体的上端面，最后将所述管型绝缘连接体的下端口固定套在所述阴极衬底的上部外周；S105.加工制得管型聚束极，将该管型聚束极固定安装在所述外置栅网的上表面上；S106.加工制得电子枪绝缘外壳的下套筒、上套筒以及环形电极片，然后从下至上依次密封安装所述阴极底座、所述下套筒、所述环形电极片和所述上套筒，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：包括电子枪绝缘外壳、环形电极片(2)、阴极底座(3)、阴极衬底(4)、管型绝缘连接体(5)、阴极栅网(6)、外置栅网(7)和管型聚束极(8)，其中，所述电子枪绝缘外壳的内部为真空且由下套筒(101)和上套筒(102)组成，所述环形电极片(2)设置在所述下套筒(101)与所述上套筒(102)之间，所述阴极底座(3)呈二级台阶柱体结构且密封所述下套筒(101)的下端口，所述阴极衬底(4)呈柱体结构且在上表面设有冷阴极材料层(401)，所述管型绝缘连接体(5)的内部空腔呈二级台阶柱体结构；所述阴极栅网(6)和所述外置栅网(7)的中部区域分别开有若干栅孔，其中，所述阴极栅网(6)的环形边缘区域连接所述管型绝缘连接体(5)的内台阶面，所述外置栅网(7)的环形边缘区域连接所述管型绝缘连接体(5)的上端面，形成一个双栅结构；所述阴极衬底(4)、所述双栅结构和所述管型聚束极(8)分别位于所述电子枪绝缘外壳的内部，其中，所述阴极衬底(4)安装在所述阴极底座(1)的顶部，所述管型绝缘连接体(5)的下端口固定套在所述阴极衬底(4)的上部外周，所述管型聚束极(8)固定安装在所述外置栅网(7)的上表面，所述外置栅网(7)的环形边缘区域连接所述环形电极片(2)。...

【技术特征摘要】
1.一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：包括电子枪绝缘外壳、环形电极片(2)、阴极底座(3)、阴极衬底(4)、管型绝缘连接体(5)、阴极栅网(6)、外置栅网(7)和管型聚束极(8)，其中，所述电子枪绝缘外壳的内部为真空且由下套筒(101)和上套筒(102)组成，所述环形电极片(2)设置在所述下套筒(101)与所述上套筒(102)之间，所述阴极底座(3)呈二级台阶柱体结构且密封所述下套筒(101)的下端口，所述阴极衬底(4)呈柱体结构且在上表面设有冷阴极材料层(401)，所述管型绝缘连接体(5)的内部空腔呈二级台阶柱体结构；所述阴极栅网(6)和所述外置栅网(7)的中部区域分别开有若干栅孔，其中，所述阴极栅网(6)的环形边缘区域连接所述管型绝缘连接体(5)的内台阶面，所述外置栅网(7)的环形边缘区域连接所述管型绝缘连接体(5)的上端面，形成一个双栅结构；所述阴极衬底(4)、所述双栅结构和所述管型聚束极(8)分别位于所述电子枪绝缘外壳的内部，其中，所述阴极衬底(4)安装在所述阴极底座(1)的顶部，所述管型绝缘连接体(5)的下端口固定套在所述阴极衬底(4)的上部外周，所述管型聚束极(8)固定安装在所述外置栅网(7)的上表面，所述外置栅网(7)的环形边缘区域连接所述环形电极片(2)。2.如权利要求1所述的一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：还包括密封所述上套筒(102)的上端口的应用器件。3.如权利要求1所述的一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：还包括线圈磁场发生器(10)，其中，所述电子枪绝缘外壳位于所述线圈磁场发生器(10)的磁场中且与所述线圈磁场发生器(10)同轴设置。4.如权利要求1所述的一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：所述阴极衬底(4)、所述管型绝缘连接体(5)、所述阴极栅网(6)、所述外置栅网(7)和所述管型聚束极(8)同轴设置。5.如权利要求1所述的一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于：所述阴极栅网(6)的栅孔与所述外置栅网(7)的栅孔在形状方面完全相同，并使所述阴极栅网(6)的栅孔与所述外置栅网(7)的栅孔一一对应且中心对齐。6.如权利要求1所述的一种双栅控制式冷阴极电子枪，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁学松，陈青云，鄢扬，王彬，李海龙，蒙林，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51