[发明专利]场发射冷阴极

说明书

本申请是申请号为02829338.X(PCT/US2002/021283)、申请日为2002年7月18日、发明名称为“场发射冷阴极”的中国发明专利申请的分案申请。

美国政府权益声明

做出本发明的条件使得，根据Executive Order第1(a)款，赋予由空军部长代表的美利坚合众国政府其中所有的权利，资格以及权益，包括在外国的权利。

技术领域

本发明属于真空管领域，更具体地涉及作为真空管中电子发射器的场发射冷阴极。

背景技术

阴极是很多种真空管中使用的电子发射器，例如在电视机中使用的阴极射线管和在雷达和通信中使用的各种微波管。所有这些阴极都必须保持在高真空下，并且被加热到非常高的温度，即至少900℃，来正常工作。高真空需要使用特殊的制造技术，例如具有被密封的设备，以及剧烈的烘烤步骤。此外，如果将阴极从真空中移出，那么这些类型的阴极易受污染。因此，高真空引起了与管处理、操作和储存相关联的相当多的限制。

对高温操作的要求产生了几个重大的设计限制。首先，高温要求使用能够经受住阴极高温操作的特殊材料。此外，加热器降低了能量效率，并增加了系统的体积、重量和复杂度。

因此，需要下面的阴极，其可以在低温下操作且对真空要求不这么严格，却同时可以提供与传统真空管阴极相同的电子发射特性。

发明内容

本发明通过提供在冷温和比现有技术的场发射阴极更低的真空度下操作的场发射冷阴极，解决了现有技术的上述缺点。更具体地，本发明包括碳丝绒(carbon velvet)材料，其由垂直嵌入在基体材料中的高纵横比碳纤维组成。使碳丝绒材料附着到阴极上。在纤维上沉积铯盐(cesiated salt)。当对阴极施加足够的电压时，将发射电子。

本发明的第二方面提供了场发射阴极的制造方法，包括形成铯盐溶液，用溶液涂覆碳丝绒材料，以及将材料结合到阴极上。本发明的第三方面提供了场发射冷阴极的制造方法，包括将汽化的铯盐溶液沉积到碳丝绒材料的纤维上，在纤维上形成铯盐晶体，以及将碳丝绒材料结合到阴极上。

本发明的第四方面提供了涂覆附着到阴极的碳丝绒材料来制造场发射冷阴极的方法，包括用铯盐和去离子水的溶液喷涂所述材料，在至少100℃的温度下、在被抽空到小于1乇的真空炉中烘烤被涂覆的碳丝绒材料约1小时，然后使用干燥的氮气对真空炉通气以达到大气压。

本发明的第五方面提供了制造场发射冷阴极的方法，包括在碳丝绒材料多个纤维的每一个上都形成厚度为1埃到10微米的铯盐膜，以及将所述碳丝绒材料结合到阴极上。本发明的第六方面提供了制造场发射冷阴极的方法，包括将具有纤维的碳丝绒材料附着到阴极上，将所述纤维浸入熔融铯盐溶液中，以及在所述纤维浸在所述溶液中的同时冷却所述溶液。本发明的第七方面提供了制造场发射冷阴极的方法，包括将具有纤维的碳丝绒材料附着到阴极上，将所述纤维浸入熔融铯盐溶液中，将所述纤维从所述溶液中移出，以及冷却所述纤维。

传统的真空管需要高真空和必须被加热到至少900℃以正常操作的阴极单元。虽然术语“冷阴极”指在室温下或接近室温下操作的阴极，以及在低于900℃的温度下操作的阴极，但是本发明的冷阴极在室温下操作，因此免除了现有技术中的加热以及高操作温度要求。它也在比现有技术的阴极更低的真空度下操作。本发明的阴极能够取代任何类型真空管的被加热阴极且带来优点，所述真空管包括速调管、行波管、磁控管、磁旋管(Magnicon)以及Klystrode/IOT电视发射器。

在下面结合附图的详细描述中，通过实例说明了本发明的原理，本发明冷阴极的其他方面和优点将变得很清楚。

附图说明

附图是用于测试本发明场发射冷阴极的实验设备的示意图，包括本发明场发射冷阴极的横截面。

具体实施方式

附图是用于测试本发明场发射冷阴极11的实验设备的示意图，并且示出了冷阴极11的横截面。该设备包括真空室13和阴极安装台17。杆19伸入到真空室13中，并且可以相对于冷阴极11缩回和伸出。阳极21安装在杆19一端。间隙23是分开阴极11和阳极21的距离，并且可通过缩回或伸出杆19来调节。