本发明专利技术公开一种引导自由电子透过固体的方法及结构。所述固体的外表面具有相对的第一界面和第二界面，第一界面和第二界面之间具有多个空腔结构；所述方法包括：控制固体的第一界面接触自由电子；向固体施加电场，使得聚集在空腔结构的至少部分自由电子从第二界面逸出。本发明专利技术能够使得能量范围更宽的自由电子透过，大大提高电子束技术的应用范围，解决传统电子束技术普遍存在的高能电子的韧致辐射等副产物问题。本发明专利技术所提出方法的实现结构利于通过微电子加工技术或激光技术、微纳增材制造技术加工实现，对集成度要求高的电子束系统应用适应性强。用适应性强。用适应性强。
【技术实现步骤摘要】
一种引导自由电子透过固体的方法及固体结构
[0001]本专利技术属于电子束技术、真空电子技术、气体电子技术、等离子体
，具体涉及一种引导自由电子透过固体的方法及结构。
技术介绍
[0002]电子束在高真空中产生、在高真空中加速，但在很多情况下需要在存在气体的环境中工作，例如在材料加工领域、材料表征领域和消毒领域，电子束需要在常压或低真空条件下，与液体、固体等介质发生相互作用。为此，需要电子窗隔绝产生和加速自由电子的真空环境和工作环境。在这种情况下，由压强梯度导致电子窗必须工作在复杂的、有时接近一个大气压的苛刻力学环境，需要优良的力学性能。另一方面，为使自由电子透过，需要克服晶格中原子的库伦势场，并激励声子产生而巨大的热流密度，导致明显的温升，在这种情况下，必须通过降低电子窗厚度，以缩短自由电子和电子窗晶格的相互作用距离。因此，电子窗需要在高温、微纳米量级微小厚度条件下保持优良的力学性能，选材和制造工艺十分苛刻，为保持稳定性、降低成本、提高工程适用性，只能提高电子束的能量，以降低对电子窗厚度的要求。这一状况基本上将电子束能量范围限制在几百千电子伏以上的高能量状态，使得电子加速装置体积重量大，光学系统复杂，在与物质相互作用中产生比较严重的辐射风险。
[0003]为解决上述问题，现有公开文献采取的思路包括：第一，建立分级式的电子束加速和聚束系统，在每一级有不同的工作气压，从高真空逐渐过渡到低真空的状态，最终接入工作区较高的气压状态。这一方法不能从根本上解决问题，只能一定程度上降低对电子窗力学强度的要求。第二，改变电子窗的结构，形成栅状、网格状的结构，既可以提高整体强度，又可以提高散热性能，但这一方式仍无法改变自由电子透过的总体能量水平。
[0004]因此，本领域亟需一种电子能量具有更大可调范围的自由电子透过方法，能够将逸出高真空区域的自由电子能量降低，并使其同时具有高的机械强度和结构热稳定性。为适应微小型化、布控灵活的应用方式，以及在应用中降低成本，还需要考虑能够适应于集成制造工艺。
技术实现思路
[0005]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种引导自由电子透过固体的方法及结构。首先通过设置多个空腔结构将固体切割成若干可使自由电子低碰撞概率穿越的子空间，在空腔结构中，通过尖锐的半导体或导体结构制造电场集中效应，并使得这些结构与入射、出射界面存在电连接。换言之，从高斯定律的角度，制造电荷输运和聚集过程的物理条件。当自由电子束与固体结构的第一界面相互作用，自由电子将在固体结构中传导并在尖锐结构处达到高电子密度和高电场强度。电子将由尖端结构出射并通过空腔区域被其自建电场加速进入到更加远离第一界面的新的位置，直至从第二界面逸出。本专利技术提出的方法从物理概念上与当前的电子窗完全不同，决定自由电子出射条件的，是窗口内的电场分布。对于高能自
由电子，多层化带来的多层化产生了轻薄化的效果，由于透过率的阈值效应，可有效提高透过率、降低总体的热效应；对于低能自由电子，电子发射、捕获、聚集过程可在低电子能量条件下达到高透过率。这一方法所要求的微纳结构可通过高集成化程度的微电子加工技术制造实现，利于功能设计和工艺控制，也利于实现降低成本等经济性指标。
[0006]第一方面，本专利技术提供一种引导自由电子透过固体的方法，
[0007]所述固体的外表面具有相对的第一界面和第二界面，第一界面和第二界面之间具有多个空腔结构；
[0008]所述方法包括：
[0009]控制固体的第一界面接触自由电子；
[0010]向固体施加电场，使得聚集在空腔结构的至少部分自由电子从第二界面逸出。
[0011]在一个具体的可实施方式中，还包括通过控制所述的第一界面或/和第二界面上的电荷分布，控制自由电子束透过区域的位置。
[0012]在一个具体的可实施方式中，还包括对所述固体进行微波辐射加热以增加自由电子的通量密度。
[0013]在一个具体的可实施方式中，所述固体的数量为至少两个，每个固体的外表面具有相对的第一界面和第二界面，第一界面和第二界面之间具有多个空腔结构；
[0014]所述至少两个固体依次排列，除首个固体外的每个固体的第一界面均与前一个固体的第二界面保持相对；
[0015]所述方法包括：
[0016]控制每个固体的第一界面接触自由电子；
[0017]向每个固体施加电场，使得聚集在空腔结构的至少部分自由电子从第二界面逸出。
[0018]第二方面，本专利技术提供一种有利于自由电子透过的固体结构，
[0019]所述固体结构的外表面具有引入自由电子的第一界面和自由电子逸出的第二界面；
[0020]所述第一界面和第二界面相对，二者之间具有多个空腔结构；
[0021]至少部分所述空腔结构内部设置有一个或多个具有尖锐凸起形状的电场集中结构。
[0022]在一个具体的可实施方式中，第一界面和第二界面之间设有至少两层薄壁空腔构件；
[0023]每层薄壁空腔构件均由多个空腔组成；
[0024]空腔内部为稀薄气体环境或高真空环境。
[0025]在一个具体的可实施方式中，相邻两层薄壁空腔构件所包含的空腔中，仅有一部分相互连通而不能全部地彼此连通。
[0026]在一个具体的可实施方式中，相邻两层薄壁空腔构件所包含的空腔结构全部联通而形成通孔结构。
[0027]在一个具体的可实施方式中，所述电场集中结构是准零维纳米结构、准一维纳米结构或准二维纳米结构。
[0028]在一个具体的可实施方式中，部分所述电场集中结构的表面设置有一种或多种电
场增强准零维纳米结构、准一维纳米结构或准二维纳米结构。
[0029]在一个具体的可实施方式中，所述第二界面与气体或真空环境相邻的一侧，设置一种或多种电场增强准零维纳米结构、准一维纳米结构或准二维纳米结构。
[0030]在一个具体的可实施方式中，所述准零维纳米结构为空心的或者实心的球状、椭球状、多面体状、片状、分形结晶状和针状的颗粒。
[0031]在一个具体的可实施方式中，所述准一维纳米结构为针状、柱状、棱台状、管状、线状或片状。
[0032]在一个具体的可实施方式中，所述准二维纳米结构为单层或多层金属或半导体二维纳米材料。
[0033]在一个具体的可实施方式中，第一界面和/或第二界面的表面周期性的设置有金属或半导体孤岛状结构。
[0034]在一个具体的可实施方式中，所述第一界面和/或第二界面具有周期性的孔状或柱状结构。
[0035]在一个具体的可实施方式中，所述电场集中结构的尖锐凸起形状的尖端垂直地指向第二界面。
[0036]在一个具体的可实施方式中，至少部分电场集中结构与第一界面和第二界面的电导处于导体或者半导体的水平。
[0037]在一个具体的可实施方式中，第二界面邻近区域设有用于控制出射电子束轮廓形状的图形化阻挡结构。
[0038]在一个具体的可实施方式中，所述阻挡结构位于第二界面与最靠近第本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种引导自由电子透过固体的方法，其特征在于：所述固体的外表面具有相对的第一界面和第二界面，第一界面和第二界面之间具有多个空腔结构；所述方法包括：控制固体的第一界面接触自由电子；向固体施加电场，使得聚集在空腔结构的至少部分自由电子从第二界面逸出。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括通过控制所述的第一界面或/和第二界面上的电荷分布，控制自由电子束透过区域的位置。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括对所述固体进行微波辐射加热以增加自由电子的通量密度。4.一种引导自由电子透过固体的方法，其特征在于：所述固体的数量为至少两个，每个固体的外表面具有相对的第一界面和第二界面，第一界面和第二界面之间具有多个空腔结构；所述至少两个固体依次排列，除首个固体外的每个固体的第一界面均与前一个固体的第二界面保持相对；所述方法包括：控制每个固体的第一界面接触自由电子；向每个固体施加电场，使得聚集在空腔结构的至少部分自由电子从第二界面逸出。5.一种有利于自由电子透过的固体结构，其特征在于：所述固体结构的外表面具有引入自由电子的第一界面和自由电子逸出的第二界面；所述第一界面和第二界面相对，二者之间具有多个空腔结构；至少部分所述空腔结构内部设置有一个或多个具有尖锐凸起形状的电场集中结构。6.根据权利要求5所述的固体结构，其特征在于：第一界面和第二界面之间设有至少两层薄壁空腔构件；每层薄壁空腔构件均由多个空腔组成；空腔内部为稀薄气体环境或高真空环境。7.根据权利要求6所述的固体结构，其特征在于：相邻两层薄壁空腔构件所包含的空腔中，仅有一部分相互连通而不能全部地彼此连通。8.根据权利要求6所述的固体结构，其特征在于：相邻两层薄壁空腔构件所包含的空腔结构全部联通而形成通孔结构。9.根据权利要求5所述的固体结构，其特征在于：所述电场集中结构是准零维纳米结构、准一维纳米结构或准二维纳米结构。10.根据权利要求9所述的固体结构，其特征在于：部分所述电场集中结构的表面设置有一种或多种电场增强准零维纳米结构、准一维纳米结构或准二维纳米结构。11.根据权利要求9所述的固体结构，其特征在于：所述第二界面与气体或真空环境相邻的一侧，设置一种或多种电场增强准零维纳米结
构、准一维纳米结构或准二维纳米结构。12.根据权利要求9所述的固体结构，其特征在于：所述准零维纳米结构为空心的或者实心的球状、椭球状、多面体状、片状、分形结晶状和针状的颗粒。13.根据权利要求9所述的固体结构，其特征在于：所述准一维纳米结构为针状、柱状、棱台状、管状、线状或片状。14.根据权利要求9所述的固体结构，其特征在于：所述准二维纳米结构为单层或多层金属或半导体二维纳米材料。15.根据权利要求5所述的固体结构，其特征在于：第一界面和/或第二界面的表面周期性的设置有金属或半导体孤岛状结构。16.根据权利要求5所述的固体结构，其特征在于：所述第一界面和/或第二界面具有周期性的孔状或柱状结构。17.根据权利要求5所述的固体结构，其特征在于：所述电场集中结构的尖锐凸起形状的尖端垂直地指向第二界面。18.根据权利要求5所述的固体结构，其特征在于：至少部分电场集中结构与第一界面和第二界面的电导处...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯中宇，丁衡高，房茂波，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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