[发明专利]基于二维纳米壁的场发射阴极

说明书

技术领域

本发明涉及X射线管中的阴极，特别涉及一种基于二维纳米壁的场发射阴极。

背景技术

电子发射器件在很多领域有重要应用，例如X射线管需要阴极发射高能电子撞击靶面产生X射线。目前的电子发射部件主要采用钨丝，六硼化镧等，均属于热发射阴极。电子发射都是物体内部电子在获得热能后被激发，因自身能量高于表面势垒而逸出，响应速度慢，方向性差，且需要良好的散热。场致电子发射是在强电场作用下发射电子的现象，用外部强电场来压抑表面势垒，使势垒的最高点降低，并使势垒的宽度变窄，致使物体内部的电子不需要另外增加能量，即不需要激发，就可以逸出。场发射阴极的优势很明显，因不需要对阴极进行加热和散热，对控制信号的响应时间达到纳秒级，可以实现快速脉冲成像，电子发射方向性好，且具有能散度低(0.2～0.3eV)，寿命长的优势。场发射需要有一个发射尖端，所需要的外部电场强度与其尖端半径有关，半径越小，需要的电场强度就越小。传统场发射阴极有若干不足之处，其一，材质必须要非常坚硬，否则容易被环境中的离子轰击而损坏，尖端一旦变钝，就无法实现场发射；其二，坚硬的惰性材质不容易制造出场发射需要的尖端，工艺复杂。因此，纳米材料(如纳米管)成为了场发射器件的热门选择。纳米管如果被离子轰击折损顶端，不影响余下部分的场发射性能，纳米管的直径可以通过催化剂颗粒的大小控制，容易设计其长径比。

碳纳米管(Carbon nanotube，CNT)的开启电压很低，束流强度高，在理想情况下是场发射的优越选择，人们已经利用CNT场发射阴极材料取得一系列研究成果，但如何制造稳定可靠，满足大电流高电压使用条件的CNT冷阴极仍然是一个难点。碳纳米管内流动的电子受到量子限域的影响，只能在同一层管壁上沿着纳米管轴向方向运动，沿径向的运动受到限制，表现出一维量子线的性质；并且由于CNT的高度不会完全一致，因电磁屏蔽效应，容易导致某些点局域电场过强，造成纳米管过载而烧坏，破坏相邻的场发射区域，甚至损坏整个阴极；CNT彼此之间是独立的，出射的电子之间也是不相关的，因此其方向性较差。这些特性严重阻碍了CNT作为场发射阴极的大规模应用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于通过对现有阴极结构的改进，来提供一种基于二维纳米壁的场发射阴极。二维纳米壁作为场发射材料有更大的潜力,它的电子不是沿一根线进行流动，而是沿二维平面进行运动，因此这就决定了它具备阻抗低、电子运动质量小的特性，出射的电子还具有高度相关的特性，是场发射阴极的优越选择。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于二维纳米壁的场发射阴极，包括：

电子发射端，其包括衬板层和纳米壁层，所述纳米壁层呈网格状，并埋覆在所述衬板层中；

铜芯，其连接于所述衬板层中远离所述纳米壁层的一面；

冷却装置，其包括：

第一陶瓷导热片，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，所述第一陶瓷导热片套设于所述电子发射端外部，并在所述第一陶瓷导热片靠近所述纳米壁层的一端架设有栅网；所述栅网与所述纳米壁层平行，所述栅网设有两个高压电接线端；

第二陶瓷导热片，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，所述第二陶瓷导热片的圆环半径大于所述第一陶瓷导热片的圆环半径，所述第二陶瓷导热片套设于所述第一陶瓷导热片的外部；

半导体层，其填充于所述第一陶瓷导热片和第二陶瓷导热片之间，所述半导体层还分别设有两个电源接口；

电源，其分别与所述半导体层的两个电源接口相连；

其中，所述第二陶瓷导热片通过金属片与所述铜芯相连。

优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述纳米壁层中每个网格的四条边与所述栅网中每个网格的四条边在沿所述纳米壁层所在平面的轴线上不重叠。

优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述纳米壁层的网格大小与所述栅网的网格大小相等。

优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述纳米壁层的顶端设有金属层。

优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述金属层是金。

优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述半导体层是碲化铋。

本发明的有益效果是：