[发明专利]采用射频激励场发射电子束的冷阴极电子枪

说明书

该发明属于一种采用射频激励场发射产生电子束的冷阴极电子枪。包括阴极腔体及座体，内导体及其阴极头、设于阴极头上的电子发射层，聚焦极、阳极及对应的支撑环、电源接头，上、下壳体，密封板，射频输入端口；该发明利用四分之一波长同轴谐振腔对电场的增强作用，通过谐振腔在阴极发射面上激励均匀的强电磁场，并利用电场均匀的内导体端面/阴极头发射面区域实现场致发射。该发明适用范围宽，可在真空度高于10^‑3Pa环境中工作，在输入百瓦量级射频功率时就能在阴极发射面产生10⁷V/m以上的电场强度。因而，具有结构及生产工艺简单、体积小、使用寿命长，易于实现工业化生产，以及可广泛应用于发射电流大的真空电子器件且安全、可靠性高等特点。

技术领域

本发明涉及真空电子技术领域，特别是一种采用射频激励场发射产生电子束的冷阴极电子枪。

背景技术

微波真空电子器件在军事上和生活中都有着广泛的应用。电子枪作为微波真空电子器件的核心部件，其发射电子束的能力很大程度上决定了器件性能的优劣。

现有技术中，电子枪阴极多为热阴极。热阴极经过过去数十年的发展，技术不断优化,具有比较稳定的性能，产生的发射电流密度也比较大。但是热阴极的加热功率大，启动时间长，工作效率低，提供给阴极的热能绝大部分以热辐射的形式损耗掉了；热阴极系统结构复杂且通常工作在上千度的高温环境下，器件中的各另部件等都需要耐高温，导致成本较高、整个电子枪的体积大且工作中热子灯丝易断裂或短路。

场致发射不需要加热阴极到高温度，而是依靠很强的外加电场来压抑阴极的表面势垒，使势垒高度降低、宽度变窄，发射体内的大量电子由于隧道效应就能穿透表面势垒逸出，形成场致电子发射。当发射体表面电场达到10⁷V/cm时，隧道效应产生的电子发射就很明显。理论上，场致发射阴极可以提供10⁷A/cm²以上的电流密度，没有发射的时间迟滞。所以，冷阴极由于电子发射效率高，可控性强，响应快和能够实现大面积电子发射等优点，在真空微电子器件上有重要应用前景。相对传统的热阴极,场致发射冷阴极可以除去热阴极系统所必不可少的加热组件，大幅度简化了阴极结构；现有场致发射阴极主要有Spindt阴极和碳纳米管冷阴极等。

在公开号为CN 105931931 A的专利文件中公开了《一种尖锥阵列场致发射三级结构及其制作方法》，该专利采用典型的Spindt型场发射阵列三级结构，包括阴极、阳极和栅极，栅极位于阴极和阳极中间，栅极产生强电场从阴极基底拉出电子，通过阴极发射体的传导，在阳极电压的加速和聚焦电压聚焦作用下发射聚束电子馈入注波互作用腔或其他器件中。该尖锥阵列场致发射三级结构先在硅衬底上沉积氧化层和牺牲层，然后在牺牲层上刻蚀出空腔图形，接着沉积金属铝作为分离层覆盖住氧化层上表面和空腔开口边沿区域，同时在空腔内垂直蒸发形成微尖阵列并覆盖住分离层并堵住空腔开口形成闭合层，之后腐蚀掉分离层和闭合层，清洗空腔内的杂质后再转移上石墨烯栅极，形成阵列场致发射三级结构。该结构将spindt型三级结构中传统的金属栅极用石墨烯栅极代替。阴-栅间距约为1um左右，在制备栅极之前清洗空腔内杂质，在一定程度上能改善阴栅短路。但该专利技术的制作过程十分复杂，同时，还涉及到等离子体刻蚀、化学腐蚀法、光刻、热氧化法、电子束蒸发等多种工艺；由于该尖锥阵列场致发射三级结构在微米量级，尺寸非常小，数量非常多，电子源阵列在这种复杂的工艺下，势必会造成冷阴极发射单元以及栅极的一致性较差，良品率低；其单一发射单元出现问题，则会导致周围多个乃至整体的冷阴极发射单元无法产生电流或发射电流不均匀。栅极和阴极距离极近，阴极发射电子打到栅网上就会造成局部的发射电流过大，局部发热，使得器件极易损坏，影响冷阴极阵列的使用寿命。为了避免栅极和冷阴极短路，在栅极与冷阴极之间要加入氧化层绝缘介质。然而，介质层较薄，在微米量级，由于场致发射与表面电场强度有关，理论上电场强度越高越好，因此施加的电压越大越好，但是电压高、阴栅间距小，使其极易击穿绝缘层造成阴极与栅极短路，出现打火现象，损毁器件的工作。因此，该结构器件的耐压性差，无法产生大的电流。因而，这种尖锥阵列场致发射三级结构冷阴极电子枪不宜用于电真空辐射源器件或需要大电流的器件中。