[发明专利]高电流密度异形束电子源

说明书

技术领域

本发明涉及一种高电流密度异形束电子源，属电真空领域，特别涉及某些毫米波、亚毫米波段微波真空电子器件所需阴极的制造方法。

背景技术

随着毫米波、亚毫米波段微波真空电子器件的发展，迫切需要一种能够提供高电流密度异形束的电子源。所谓异型束是指不同于常规圆形束的电子束，例如矩形束或环状束。这种形状的电子束有利于发射电子与高频电路的互作用，从而提高器件的效率。目前常用的获得异型束的方法是利用磁聚焦将圆形束转化为不同形状的电子束例如矩形束。为此须用强永久磁场，这将大大增加器件的体积和重量。直接由阴极发射异型电子束，特别是高电流密度的异型束将显著简化聚焦系统、减小压缩比，特别适用于如太赫兹返波振荡器等毫米波和亚毫米波段微波真空电子器件。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种真空电子器件中高电流密度异形束电子源及其制备方法。该电子源的面积可以从几十平方微米到几平方厘米。电流密度可以在10A/cm²到150A/cm²。

为了达到上述目的，本发明提供一种在含钪扩散阴极上覆盖异形束成型结构以得到特定形状和尺寸的高电流密度异形束电子源的方法。电子源的结构由含钪扩散阴极、支持阴极的钼套筒和与之相配的热子及覆盖于阴极表面的异形束成形结构组成。为实现高电流密度电子发射，本发明采用氧化钪掺杂浸渍型和压制型扩散阴极。与其他扩散阴极相比，在同样的工作温度下，氧化钪掺杂浸渍型和压制型扩散阴极的空间电荷限制发射电流可以提高10倍，在900℃-950℃的工作温度下可以提供50-100A/cm²的发射。

本发明提供的异形束电子源的特征在于，包括钼套筒1，与钼套筒配合的热子2，与钼套筒装配的阴极3；其特征在于：

阴极表面在覆盖层的开口区域内形成发射区6，而被覆盖层覆盖的结构构成非发射区7；

阴极表面的覆盖层分单层型或两层型两种，当阴极表面的覆盖层是单层型时，由难熔金属、难熔合金或贵金属之一的实体覆盖层；

当阴极表面的覆盖层是两层型时，覆盖层由直接覆盖在阴极面上的第一覆盖层4和覆盖于第一覆盖层4上的第二覆盖层5组成，第一覆盖层4是难熔金属、难熔合金或贵金属之一的实体覆盖层，或者是难熔金属、难熔合金或贵金属之一的薄膜覆盖层，第二覆盖层5是抑制发射金属钛、锆或铪之一的薄膜覆盖层。

上述两种类型异形束成形结构中所述的实体或薄膜覆盖层中的难熔金属是钨、钼或钨钼合金；贵金属是钽、铌。

当阴极表面覆盖层是单层型时，覆盖层的厚度在10-100微米范围内；当阴极表面覆盖层是两层型结构时，第一覆盖层是实体覆盖层时，厚度在10-100微米范围内，是难熔金属薄膜覆盖层时，膜厚在1-10微米范围内；第二覆盖层的厚度在0.1-10微米范围内。覆盖层上开孔的面积可以是几十平方微米到几平方厘米，开孔的侧壁可以垂直于覆盖层表面也可以与表面成20-80度角，为了减小电子束的边缘效应以20-30度角为佳。

实体覆盖层上的开孔可以通过激光微细加工、电火花加工等微细加工技术获得；薄膜覆盖层的获得可以采用射频磁控溅射、真空蒸发、化学气相沉积、多弧离子镀、脉冲激光沉积等方法获得，而薄膜覆盖层上开孔的加工则可以借助光刻、离子刻蚀等微细加工技术得到。

异形束的形状和电流密度可以通过电子发射均匀性测试装置得到的电流分布图直观的显示出来。在电子发射均匀性测试装置中，阳极的中心有一小孔(直径可以根据电子源发射电流大小在几个微米到几十个微米之间)，当阳极和阴极之间加上脉冲高压时，通过该小孔的阴极局部发射电流被放大器放大后输出。该装置的阳极可以在纳米电机的带动下作平面内运动，因此可获得发射面的电流分布。本发明根据获得的电流分布图确定所形成的电子束的形状和电流密度大小。

覆盖层的厚度对电场分布影响很大。当覆盖层上开孔侧壁垂直于表面时，电场会在开孔边缘集中，这种畸变的电场分布会直接影响发射电流的大小和分布均匀性。为了减少或消除电场集中，可以设计成开孔的侧壁与阴极表面具有不同的倾角的结构。具体的倾角大小应该依据该结构在发射系统中的电场分布模拟结果来确定。借助Magic模拟程序对二维空间中等离子体物理过程的有限差分时域粒子的运动进行模拟，该软件可以模拟由于空间电荷分布所产生的电场和电子的运动轨迹。对电场的模拟结果表明，当覆盖层的厚度达到数十微米以上时，开孔边缘由于电场集中分布，使得该处的电场强度为开孔内部场强的数倍；而覆盖层的厚度为几个微米时，这种影响变得比较微弱，覆盖层的厚度应该在能够阻挡发射的前提下越小越好。