[发明专利]一种电子源工作方法

说明书

本公开提供了一种电子源工作方法，所述电子源包括至少一个固定在针尖上的发射点，所述发射点是针尖表面的金属原子与气体分子在电场下形成的反应产物，所述工作方法包括通过控制所述电子源的工作参数发射电子。

技术领域

本公开涉及电子源技术领域，更具体地，本公开涉及一种电子源工作方法。

背景技术

金属中的自由电子在特定条件下可以发射出来，若用金属构成阴极并做成极细的针尖状，在真空中施以数千伏电压，金属中的电子即可从阴极冷金属中发射，这种发射电子的方法称为场发射，属于冷阴极发射。

对于电子源而言，最重要的指标就是亮度，直接决定了其束流品质。在引出电压V0下，亮度可如公式(1)所示：

其中，B为亮度，I为发射电流，S为等效发射面积，d为等效直径，Ω为空间发射角，α为发射半角。此外，亮度B正比于加速电压V_a，如公式(2)所示。

B∝V_a (2)

由公式(1)可知，为得到高亮度，需要尽可能得提升I，以及减小α和d。此外，获得一定的发射电流所需要的引出电压V0越低越好，而这需要针尖的发射面具有较低的功函数以及较尖锐的头部结构。另外，电子源的另外一个关键指标就是单色性，可用能散δE表示。

综合上述考虑，最理想的电子源就是冷场发射电子源(cold field emissionelectron sources，简称CFE)，CFE的亮度高过其它种类电子源约一个量级以上，且有很小的能散(～0.3eV)。此外，为了尽量追求极限直径，近年来具有低功函数的原子级电子源成为研究热点，即发射点仅有一个或者数个原子组成。

在实现本公开构思的过程中，发明人发现现有技术中CFE至少存在如下问题：第一，CFE稳定性往往很差，需在极高真空下(10^-9～10^-8Pa)才能工作，这严重限制了其使用范围。而即使在该环境下，也需定期处理以获得较稳定的工作状态。第二，受离子轰击的影响，CFE较容易烧毁。第三，前述问题在较大发射电流下变得更为严重，现有的CFE一般可长时间稳定工作的总发射电流为～10微安，且利用率很低。鉴于前述弊端，在高亮度电子源领域占据主导地位的是肖特基式场发射电子源(Schottky thermal-field emission source)。

发明内容

本公开的一个方面提供了一种能使得CFE可以稳定的工作在较低真空环境下、且具有较大的场发射电流的电子源工作方法，该工作方法适用于如下所述的电子源，所述电子源包括至少一个固定在针尖上的发射点，所述发射点是针尖表面的金属原子与气体分子在电场下形成的反应产物，相应地，所述电子源工作方法包括：通过控制所述电子源的工作参数发射电子。由于该发射点是固定在针尖表面的金属原子与气体分子形成的反应产物，根植于针尖表面，而非游离在针尖表面的气体分子或者游离颗粒等，不会因游离状的物质聚集在一起形成新的发射点而导致过电流烧毁，有效提升了稳定性，此外，该发射点包括针尖表面的金属原子与气体分子形成的反应产物，相对于金属原子或其它金属化合物(如金属硼化物等)而言，在工作环境中(存在气体分子)具有更好的稳定性，如更加不容易与工作环境中的例如氢气等发生作用或反应，进一步提升了电子源的稳定性。另外，本公开提供的电子源的发射点可以为一个或数个金属原子与气体分子形成的反应产物，即能形成具有低功函数的原子级电子源。此外，该反应产物使表面功函数显著降低，表面发射点尖锥的形成也使发射能力显著提高。另外可以通过增加发射点的数量来提升场发射电流的电流值。这样就可以通过控制上述电子源的工作参数实现CFE可以稳定的工作在较低真空环境下、且具有较大的场发射电流。

可选地，所述电子源的工作参数包括工作偏压以及以下任意一种或多种：工作温度或所述电子源所处环境的工作压强。本公开的电子源在工作过程中对于不同的工作偏压、工作温度或环境的工作压强有不同的工作方式，可以通过控制工作偏压、工作温度或环境的工作压强实现用户的发射状态的需求。