[发明专利]一种小型化低能栅控冷阴极电子枪

说明书

本发明公开了一种小型化低能栅控冷阴极电子枪，该装置包括阴极、栅极、静电聚焦电极组与电极固定结构等；静电聚焦电极组包括：聚焦极、阳极、减速极；电极固定结构包括：顶件、底座、陶瓷棒、绝缘垫片、阳极衬套、固定隔离支架、栅极衬套、弹簧、电极法兰。本发明利用COMSOL带电粒子追踪模块对电子枪的结构参数及电学参数进行优化修正，得到了电子枪中电极间距、厚度、电压等参数的较优数值。本发明发射出的电子束有束流强度大、束能量低、发散角小的优点，在各种离子源中有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于电子加速器领域，更具体地涉及冷阴极电子枪。

背景技术

现有的小型化栅控冷阴极电子枪出射的电子束能量较高，电子束能量在500eV以上。小型化的电子枪中采用的是静电透镜对电子约束和聚焦。受限于高的栅网提取电压以及电子枪小型化的要求，电子束能量难以降低。当进一步压缩阴极与栅极的间距以减小栅网提取电压时，栅网的散射效应大大增加，电子枪中的静电透镜难以对电子束进行约束，将导致发射出的电子束呈发散状态。当不采用栅网以获得聚焦的电子束时，提取极的电压较高、冷阴极发射面发射出的电流不均匀且电子束束流强度较小，且此种形式的电子枪在低能的条件下产生的电子损耗率较高。

由此可见，现有的技术存在电子束能量小与束流强度大难以统一的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电子束能量较小、束流强度较大、电子束发散角小的小型化低能栅控冷阴极电子枪装置。

本发明小型化低能栅控冷阴极电子枪，其特点包括有：

一种小型化低能栅控冷阴极电子枪，其特征包括有：所述装置包括顶件、减速极、阳极、聚焦极、栅极、阴极、底座、电极法兰、陶瓷棒、绝缘垫片、阳极衬套、固定隔离支架、栅极衬套、弹簧、电极柱、电极保护罩。其中，静电聚焦电极组包括：减速极、阳极和聚焦极；电极固定结构包括：顶件、底座、电极法兰、陶瓷棒、绝缘垫片、阳极衬套、固定隔离支架、栅极衬套和弹簧。

所述的陶瓷棒通过螺纹孔固定在电极法兰上，弹簧套在陶瓷棒上；所述的底座通过通孔与陶瓷棒连接，底座通过弹簧支撑固定在电极法兰上；所述的阴极、栅极、聚焦极、阳极和减速极通过电极固定结构依次放置在底座上，其与底座通过通孔由陶瓷棒固定连接；所述的阴极与栅极之间用栅极衬套固定隔离；所述的固定隔离支架放置在底座上，并固定隔离栅极与聚焦极；所述的聚焦极与阳极之间用阳极衬套固定隔离；所述的阳极与减速极用绝缘垫片固定隔离；所述的电子枪整体结构用顶件固定。

所述的栅极、阴极和静电聚焦电极组的形状、间距及施加电压用COMSOL带电粒子追踪模块进行仿真优化，电极形状包括聚焦极、阳极、减速极的厚度和内半径；电极间距包括阴极与栅极、栅极与聚焦极、聚焦极与阳极、阳极与减速极的间距；电极电压包括栅极、聚焦极、阳极与减速极的电压。

所述的减速极、阳极、聚焦极、栅极、阴极及装配各电极的结构表面粗糙度为0.4微米、0.2微米、0.1微米或0.05微米。

所述的聚焦极与阳极、阳极与减速极的平行度和同轴度的误差为0.005mm-0.02mm。

所述的阴极、栅极、减速极、阳极、聚焦极通过电极法兰上的电极柱连接到各电源。所述的阴极及减速极接地，栅极接100-200V的正电压，聚焦极接20-40V的正电压，阳极接200—450V的正电压，且阳极电压高于栅极电压。

使用COMSOL带电粒子追踪模块对电子枪进行建模仿真，改变聚焦极、阳极以及减速极电压并优化静电聚焦电极的形状及电极间距，并得到了满足仿真要求的电子枪模型。电子枪仿真性能为：电子枪表面场强的最低点大于1.5V/微米、束散角小于15°、电子束能量在100eV-150eV可调。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：