[发明专利]一种场发射电子源发射体尖端塑形装置及其塑形方法

权利要求书

1.一种场发射电子源发射体尖端塑形装置，其特征在于，塑形装置包括：真空腔室（1）、真空抽气系统（2）、真空度测量系统（3）、电子枪组件（4）、电源系统（5）和电子束成像系统（6）；其中，所述真空腔室（1）的表面分别通过法兰口连接真空抽气系统（2）和真空度测量系统（3）；所述电子枪组件（4）通过电子枪法兰口（40）安装在真空腔室（1）内，并通过导电引线（51）与真空腔室外部的电源系统（5）相连接；在所述真空腔室的表面与电子枪组件（4）相对，通过观察窗法兰口（60）安装电子束成像系统（6）。

2.如权利要求1所述的塑形装置，其特征在于，所述电子枪组件包括场发射电子源组件和带有阳极的电子源组件连接座；其中，所述场发射电子源组件包括：单晶钨丝（41）作为场发射电子源发射体，场发射电子源发射体尖端作为阴极，单晶钨丝（41）通过发叉钨丝（42）焊接在陶瓷柱（44）上的两个电子源电极（43）上；以及金属栅帽（45），金属栅帽的顶部中心具有栅极孔形成栅极，焊接阴极的陶瓷柱装入金属栅帽（45）中，使发射体尖端穿出金属栅帽顶部的栅极孔；所述带有阳极的电子源组件连接座包括：中心具有通孔的阳极（46）、绝缘垫（47）和电子枪连接件（48）；阳极（46）通过绝缘垫安装到电子枪连接件（48）上；场发射电子源组件用栅极固定环（49）固定，装入电子源组件连接座中。

3.如权利要求1所述的塑形装置，其特征在于，所述电源系统（5）包括：电子源电源、栅极电源和阳极电源；所述电子源电源通过一对导电引线与场发射电子源的两个电子源电极相连接；所述栅极电源通过导电引线与栅极相连接；所述阳极电源通过导电引线与阳极相连接。

4.如权利要求1所述的塑形装置，其特征在于，所述电子束成像系统（6）包括透明的观察窗和荧光屏（61）；所述观察窗通过观察窗法兰口（60）安装在真空腔室（1）的表面；所述荧光屏（61）通过安装架安装在观察窗的内侧。

5.如权利要求1所述的塑形装置，其特征在于，进一步包括加热带，在所述真空腔室（1）外缠裹加热带，加热带连接至加热带电源。

6.如权利要求5所述的塑形装置，其特征在于，所述真空抽气系统（2）包括无油干泵（21）和分子泵（22）；前级使用无油干泵，进行预抽真空，预抽真空致真空腔室的真空度优于1.0x10^-3τ；分子泵进一步抽高真空，使真空腔室的真空度优于1.0x10^-6τ。

7.如权利要求1所述的塑形装置，其特征在于，进一步包括图像采集装置，在所述电子束成像系统（6）后，真空腔室（1）外安装图像采集装置。

8.一种场发射电子源发射体尖端的塑形方法，其特征在于，所述塑形方法包括以下步骤：

1）将准备塑形的场发射电子源组件安装到电子源组件连接座中形成电子枪组件，再将电子枪组件通过电子枪法兰口安装到真空腔室内；

2）通过导电引线将电子枪组件与外部的电源系统连接，为真空腔室内部的电子枪组件的阴极、栅极和阳极提供电源；

3）对真空腔室内部抽真空，同时，通过真空度测量系统实时测量真空腔室的真空度；

4）当真空腔室达到真空时，打开电子源电源，给场发射电子源通电，通过调节电子源电流使电子源逐渐升温，打开栅极电源，加载栅极电压，再打开阳极电源，逐渐加载阳极电压，缓慢的升至临界电场F₀，此时，场发射电子源会产生场致发射，在阳极电场的作用下，形成电子束，高能电子束飞跃真空腔室轰击到对面的荧光屏上形成亮斑，此时场发射电子源发射体尖端的塑形开始；

5）塑形初期，在荧光屏上可以看到密集的同心圆环亮斑，经历多个周期变化后，最终渐渐形成一个稳定完整的圆斑，其外围没有额外的环带，此时发射体尖端的塑形过程完成；

6）发射体尖端的塑形完成后，先缓慢退掉阳极电压，再退掉栅极电压，最后退掉电子源电流。

9.如权利要求8所述的塑形方法，其特征在于，在步骤4）中，当真空腔室的真空度优于1x10^-9τ时，打开电子源电源；当温达到1750～1850K时，打开栅极电源；加载栅极电压达到-300V至-500V之间。

10.如权利要求8所述的塑形方法，其特征在于，在步骤4）中，发射体尖端的曲率半径在0.6～1.5um之间，对应的临界电场强度F₀为10⁷～10⁸V/cm。