一种准宏观冷场发射电子枪及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种准宏观冷场发射电子枪及其制造方法，改善了准宏观冷场发射材料须器件化的问题。该发明专利技术含有灯丝器件和电子枪基座，其中灯丝器件含有冷阴极灯丝和导电毛细管，冷阴极灯丝穿入导电毛细管的一端后通过压槽装置压接，导电毛细管的另一端连接电子枪基座，冷阴极灯丝的末端为电子发射端。通过选取、切割和清洗导电毛细管，选取准宏观碳纤维灯丝，初步穿插固定准宏观碳纤维灯丝，定型准宏观碳纤维灯丝器件。该技术通过准宏观碳纤维与金属管的同轴嵌套及压制形变，采用非焊接的电连接方式，避免了因碳纤维与金属之间润湿性差，焊接过程不易形成可靠电连接的问题，也避免了高温焊接时，焊料对灯丝的损伤和污染。焊料对灯丝的损伤和污染。焊料对灯丝的损伤和污染。

【技术实现步骤摘要】
一种准宏观冷场发射电子枪及其制造方法


[0001]本专利技术涉及电子枪发射装置的制造领域，特别是涉及一种准宏观冷场发射电子枪及其制造方法。

技术介绍

[0002]1.介观尺度零件制造是微小机械系统智能制造领域的瓶颈
[0003]系统小型化是电子通信、生物医疗、自动化、光学系统等众多领域的共同追求，这需要越来越小的零部件，为此人们采用各种微加工技术研制微小零件产品，如微执行器、微机械装置、传感器与探针、微流道、医疗植入物、光学零件及其他微机电系统(MEMS)器件等，但如何为这些微器件制造配套的复杂金属微零件(microcomponents)却成为卡脖子问题，一些微器件经过封装后尺寸还是大幅增加。
[0004]微制造可分为MEMS工艺和非MEMS工艺。前者基于光刻，后者基于机械加工，均难以胜任复杂形状金属微零件制造(特别是小批量个性化制造)：前者存在难以加工复杂3D形状、对材料属性有限制，加工装备及工艺复杂等诸多困难，难以实现真正的金属3D微制造；后者难以加工亚微米特征尺度的微零件。故亟待开发适合复杂形状3D金属微零件的制造方法。
[0005]2.mEBM可望破解介观尺度零件难题，关键在于合适的电子枪灯丝材料和器件。
[0006]电子束增材制造(EBM)是一种逐层增加的全数字化直接制造方法，采用聚焦能量束逐层对平铺在粉床上的金属粉末进行选区熔融，能实现任意复杂形状、中空结构以及功能梯度材料的制造，有效降低零件的制造成本和开发周期，材料性能优异，可以连接不同材料，显著减少材料浪费，省去了昂贵的工装费用等。现有EBM电子枪采用钨灯丝热阴极(Arcam S12,A2,A2x)或单晶LaB6阴极(Arcam Q10,Q20)，其中钨灯丝的焦斑尺寸约为250μm，LaB6阴极的焦斑尺寸约为140μm，只能用于宏观机械零件的制造。可见，对于介观尺度零件的制造，现有EBM技术难以满足。
[0007]另外，现有高端电镜设备的电子枪虽然具备纳米尺度的电子束聚焦能力，但由于电流支取能力不足，当汇聚电子束直径放大到介观尺度范围时，功率密度大幅下降，也不能满足mEBM的制造需求。
[0008]所以要满足mEBM的制造需求，需要电子枪既有高的发射电流密度，又有合适的电流支取能力，即实现发射电流和电流密度的优化。在目前广泛应用于电子显微镜、电子束增材制造、电子束焊接等设备的电子枪中，尚无可以满足mEBM应用的电子枪部件，导致市场上并没有成熟的金属微零件直接制造解决方案与装备。导致这一问题的主要原因在于缺乏之相应的灯丝材料及器件。
[0009]3.准宏观碳纤维兼具发射电流和电流密度优势，为mEBM灯丝奠定了物质基础。
[0010]N.Behabtu等人(Behabtu N,Pasquali M.Strong,light,multifunctional fibers of carbon nanotubes with ultrahigh conductivity[J].Science,2013,339(6116):182
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186.)采用湿法纺织的方法制备了高性能的碳纳米管纤维，并对一段直径为9μ
m，长度在宏观量级的样品进行场发射性能测试，测试结果表明，在0.86V/μm的场强下发射电流3.6mA，电流密度可达到5.8
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103A/cm2，表出了出色的电子发射性能。但由碳纳米管纺织或化纤碳化并石墨化而成的碳纤维，其几何形态不可避免存在不规则性，而且在短切过程必然形成崩边等导致的形态缺陷，严重影响电子束分布的对称性，因此不适合用作单尖冷阴极。
[0011]曾凡光等人(专利公布号：CN 107119348 A)采用甲烷非催化气相生长的方法制备出尺寸准宏观的碳纤维，其端部呈光滑半球状且轴向对称的形态准理想，且对一根长度5mm，直径18μm该种纤维进行的场发射性能测试结果表明：在宏观场强1.36V/μm下，发射电流达到1.3mA，电流密度达到了1.5kA/cm2，也表现出极优异的电子发射性能。由于测试结构的不同，与N.Behabtu等人的碳纳米管纤维的电子发射性能无法直接比较，但都在同一量级，发射性能均极为出色。
[0012]从综合性能上看，曾凡光等人所制备的准宏观碳纤维兼顾完美的形态、理想的几何尺寸以及出色的电子发射特性，使得它在电子枪的应用中，可以提供对称性更高、均匀性更好、兼顾大的电流支取能力和高的发射电流密度的电子束，为设计高性能mEBM电子枪奠定了基础。
[0013]4.准宏观碳纤维实用化的前提是首先成为标准化灯丝器件
[0014]准宏观碳纤维虽具备微米量级的直径，厘米量级的长度，完美几何状态且兼具大的电流支取能力和高的发射电流密度等优势，但要使其作为灯丝来实现商业mEBM应用，必须使其成为标准化、可便捷更换的器件。
[0015]但是现有技术中仍然存在以下技术问题，对于介观尺度复杂形状金属微零件的增材制造来说，电子束斑的直径必须与制造的特征尺度相匹配，因而mEBM必须使用微米级甚至更细小的金属粉体，对应所需的电子束斑直径也需要视特征尺寸控制在微米到亚微米甚至深亚微米的尺度范围，功率密度达到105W/cm2以上的水平(参照现有EBM技术的功率密度要求)。对于这一要求，无论是现有EBM电子枪还是电镜的电子枪，都难以满足。前者电子枪的灯丝(如钨灯丝或LaB6单晶)，电流支取能力较强，但其发射面较大(亚毫米级)，无法直接产生微米乃至更小的聚焦电子束，致其不能实现微制造。后者电子枪的灯丝(如钨单晶)，虽然它具备良好的电子发射能力(电流密度可达kA/cm2量级)，但该模式下发射面直径仅在nm尺度，电流支取能力不够，只能提供几十μA的总发射电流，这一量级的束流聚焦成介观尺度的束斑时，电流密度将会下降若干个数量级，导致介观尺度上功率密度不够，无法实现金属熔融，且价格昂贵，不适合用作消耗较大的mEBM灯丝。
[0016]综上，EBM电子枪以及电镜电子枪存在的主要技术问题是发射电流、电流密度及束流品质等性能难以很好地统一在一个器件中，即发射电流大的器件其发射电流密度一般较小，而电流密度大的器件又难以提供较大发射电流，在需要实现支取电流和电流密度的优化时，它们都存在一定的弱项。对于mEBM来说，电流支取能力决定功率，电流发射密度决定功率密度，两者是实现快速高效金属微区熔融的保证。若想满足mEBM制造需求，合适的电子枪灯丝材料和器件是关键所在。
[0017]针对以上需求，本专利技术提出了准宏观冷场发射电子枪的器件化方法，并开发了一种可便捷更换的标准化灯丝器件。

技术实现思路

[0018]本专利技术改善了现有技术中准宏观冷场发射材料须器件化的问题，提供一种使用效果好、可便捷更换的的准宏观冷场发射电子枪及其制造方法。
[0019]本专利技术的技术解决方案是，提供一种具有以下步骤的准宏观冷场发射电子枪及其制造方法：一种准宏观冷场发射电子枪，含有灯丝器件和电子枪基座，其中灯丝器件含有冷阴极灯丝和导电毛细管，冷阴极灯丝穿入导电毛细管的一端后通过压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种准宏观冷场发射电子枪，其特征在于：含有灯丝器件和电子枪基座，其中灯丝器件含有冷阴极灯丝和导电毛细管，冷阴极灯丝穿入导电毛细管的一端后通过压槽装置压接，导电毛细管的另一端连接电子枪基座，冷阴极灯丝的末端为电子发射端。2.根据权利要求1所述的准宏观冷场发射电子枪，其特征在于：所述导电毛细管插接或卡接在电子枪基座上。3.根据权利要求1所述的准宏观冷场发射电子枪，其特征在于：所述冷阴极灯丝的尺寸属于准宏观尺度，准宏观尺度特指至少一个维度具有宏观特征，宏观长度尺寸在100毫米以上，至少一个维度具有微观特征，微观直径尺寸在100～102微米内；冷阴极灯丝的材质包括准宏观碳纤维、碳纳米管束、六硼化镧、六硼化铈或钨单晶，其中准宏观碳纤维的末端为半球形，碳纳米管束的末端为整齐端面，六硼化镧、六硼化铈或钨单晶的末端为尖端。4.根据权利要求1所述的准宏观冷场发射电子枪，其特征在于：所述压槽装置含有相对接触的两个夹持臂，两个夹持臂一端相对的接触面为彼此吻合的平面或波浪状曲面，两个夹持臂另一端为中部互相铰接的自由端或彼此一体连接的自由端。5.一种准宏观冷场发射电子枪及其制造方法，其特征在于：含有以下步骤，步骤一、选取导电毛细管：步骤二、切割导电毛细管；步骤三、清洗导电毛细管；步骤四、选取准宏观碳纤维灯丝；步骤五、初步穿插固定准宏观碳纤维灯丝；步骤六、定型准宏观碳纤维灯丝器件。6.根据权利要求3所述的准宏观冷场发射电子枪及其制造方法，其特征在于：所述步骤一中选取管径小、壁薄和质软的导电毛细管，其材料为铜、铝、铁、金、银或镍；步骤二中采用割管器将导电毛细管切割成长度合适的小段并进行打磨抛光处理，确保切口为规则圆形，切口处光滑无毛刺。7.根据权利要求3所述的准宏观冷场发射电子枪及其制造方法，其特征在于：所述步骤三中先将导电毛细管放入适量的无...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾凡光，郑亚娟，姜明，李明玉，杨鹏，闫臻，董子华，赵梦圆，李倩倩，马伟超，麻华丽，唐召军，李艳，许坤，付林杰，
申请(专利权)人：郑州航空工业管理学院，
类型：发明
国别省市：