[发明专利]一种可调束斑的场发射冷阴极电子源器件及其制备方法

说明书

本发明属于真空电子技术和新材料技术的交叉领域，尤其涉及可调束斑冷阴极场发射电子源器件及其制备方法，主要用于真空电子辐射源器件或产生大电流、高电流密度电子束的器件中。本发明包括由导电基体及定向碳纳米管阵列微束构成的阴极、内聚焦极、栅极、外聚焦极、绝缘陶瓷外壳以及电子束引出电极等。本发明使用直径10～500μm的碳纳米管阵列微束作为场发射体，可以在出射端得到束斑直径1～200μm的电子束，实现可调电子束束斑的输出。本发明提出了一种具有内聚焦极结构的场发射冷阴极电子源器件及其制备方法，以实现出射电子束束斑尺寸可调节且具有优良电流发射能力和发射稳定性的场发射冷阴极电子源的应用。

技术领域

本发明属于真空电子技术和新材料技术的交叉领域，尤其涉及可调束斑冷阴极场发射电子源及其制备方法，主要用于真空电子辐射源器件或产生大电流、高电流密度电子束的器件中。

背景技术

场电子发射与热电子发射、光电子发射等其它形式的电子发射在本质上是不同的。热阴极电子发射、光电子发射等是固体内部电子通过加热的热能获得能量、光子碰撞传递的动能等使轨道上的电子能量高于固体表面的能量势垒后从固体表面逸出的行为。因此场电子发射是常温下的电子发射，场发射电子源的电子发射电流密度要比其它形式的电子发射源高几个数量级，且具有较好的场发射稳定性等特点，在X射线源器件、场发射显示器、高功率微波技术、强流电子束源、新型传感器等涉及物理、化学、信息、材料、生命、生物、医学、国防等科学领域具有广泛的应用前景。

在电子发射的器件应用过程中，发射电子源的电子发射强度及其可靠性、电子束束斑的尺寸等问题一直是电子源应用需要解决的两个关键问题。常用的热阴极电子源通常是采用钨丝通电加热至1000℃以上并发射出热电子，当钨丝的直径太小时，其机械强度难以满足使用要求，同时受热后易发生形变甚至被烧断。因而在当前技术条件下，热阴极灯丝的直径很难进一步减小以获得微束斑电子束(如发明专利CN102884606A中钨丝优选100～300μm)。此外热阴极发射的电子是空间随机分布的，难以通过电磁场使其聚焦得到微聚焦电子束。且利用电磁场聚焦透镜以及多极聚焦的电子枪体积大、能耗大、结构复杂，无法应用于小型化电子源器件和便携式的CT仪器等射线成像设备中。场发射冷阴极不用外加电源加热就能发射电子，具有无需预热、体积小、响应速度快、发射电流密度高、功耗低、寿命长、电子能量分布范围狭窄、启动时间短和光点尺寸小等许多优点，采用场电子发射冷阴极作为电子源能克服热阴极电子源功耗大、体积大、反应速度慢、无法获得小焦斑等缺点，成为X射线源器件、场发射显示器、高功率微波技术、强流电子束源、新型传感器等应用领域的优选阴极结构之一。

场发射冷阴极电子源器件是在外电场作用下的电子发射过程，其发射的电子具有能量分布范围狭窄、出射电子束的发散角相对较小等特点。但是随着场发射冷阴极发射的电子束电流密度的增加，出射电子间的相互作用使其电子束的发散角逐渐增大，形成束斑远远大于阴极发射体尺寸的出射电子束。在出射电子输运途径上通过增加外电磁场对出射电子束可进行聚焦形成一定程度的汇聚束，但难以形成高电流密度且束斑尺寸较小的电子束，使场发射冷阴极电子源在小束斑电真空器件中的应用受到限制。因此，本发明提出一种具有内聚焦结构的场发射冷阴极电子源及其制备方法，以实现电子束斑尺寸可调节且具有优良电流发射能力和发射稳定性场发射冷阴极电子源的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可调束斑场发射冷阴极电子源器件及其制备方法，用于调节场发射冷阴极出射电子束束斑大小的器件。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：