[发明专利]热场发射阴极及其制备方法、及应用其的真空电子器件

说明书

热场发射阴极及其制备方法、及应用其的真空电子器件，其中热场发射阴极包括钼筒及固定于其上的钨海绵体，其中：钨海绵体的上表面具有微尖阵列，该微尖阵列内部具有孔隙；钨海绵体内部的孔隙与微尖阵列内部的孔隙形成连通孔隙；连通孔隙内填充有活性物质。由于在钨海绵体表面形成有微尖阵列，且构成从钨海绵体直达微尖阵列内部孔隙的连通孔隙，该连通孔隙填有活性物质，从而在热扩散作用下，该活性物质可达到微尖阵列顶部，为实现低功函数的发射提供了条件，因此本发明的热场发射阴极的发射性能相较于传统的热发射阴极，工作温度及功耗大幅降低；相较于传统的场发射阴极，发射电流密度更高，且具有较强的抗打火能力。

技术领域

本发明属于电真空器件制造领域，更具体地涉及一种热场发射阴极及其制备方法、及应用其的真空电子器件。

背景技术

在电真空器件制造技术领域，目前大量使用的阴极为覆膜浸渍扩散阴极，也称为M型阴极。其是将活性发射材料(钡铝酸盐)通过熔化和浸渍，存储到多孔的钨海绵体(阴极基体)的孔隙中，再在阴极表面沉积一层降低电子功函数的贵金属或合金薄膜。该类阴极的工作温度为900-1150℃，属于传统的热阴极，存在必须在高温下工作、功耗大、不能瞬间启动等问题。如图1所示，表面为平面或球面状态的M型阴极，要获得明显的场发射效应和具备实用的电子发射能力，需要大幅升高阴极和阳极间的电压，并需保持相对高的温度。也就是说，对于传统的M型阴极，要在相对较低的温度下，获得10A/cm²电流密度的发射能力，是非常困难的。以平面M型阴极为例，在阴-阳极极间距离为0.1mm左右时，750℃条件下，在3000V时阴极所能达到的电流密度为0.8A/cm²；而要达到10A/cm²，外推电压则需达几万伏。显然。传统的平面或球面M型阴极在较低温度下的场发射效应及电子发射能力都是很弱的。

还存在一种室温即可发射的阴极，又称冷阴极或场发射阴极。该类阴极属于亚微米尺寸，是一种可室温工作、功率损耗低、无迟滞、瞬时启动的场发射微尖阵列冷阴极。但是，遗憾的是，这种室温场发射阵列阴极的制备对设备、工艺及环境要求极为严格，稍有不慎，在栅极和阴极微尖之间残留任何一点污染物，在测试和使用过程中都可能引发打火现象，直接造成阴极甚至整个器件瞬间报废。正是由于这一原因，国际上该阴极及其变体的发展都较为缓慢。现有的场发射阴极，其场发射电子的能力，主要依赖于微尖形状和尺寸所带来的场增强效应，同时也依赖于加在微尖几微米处的栅极及栅极电压，场发射阴极由于在设计之初，没有考虑加热的因素，且存在对环境真空度要求极高、抗打火能力差的缺陷，因此无法利用加热所带来的使发射能力增加的益处。

发明内容

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种热场发射阴极及其制备方法、及应用其的真空电子器件，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提出一种热场发射阴极，包括钼筒及固定于其上的钨海绵体，其中：钨海绵体的上表面具有微尖阵列，该微尖阵列内部具有孔隙；钨海绵体内部的孔隙与微尖阵列内部的孔隙形成连通孔隙；该连通孔隙内填充有活性物质。

在本发明的一些实施例中，上述活性物质包括含钪活性发射材料。

在本发明的一些实施例中，上述钼筒包括：钼支撑筒，与钨海绵体固定连接；热子，置于钼支撑筒内，该热子的外表面包裹有绝缘层。

为了实现上述目的，作为本发明的另一个方面，提出一种热场发射阴极的制备方法，包括以下步骤：对钨铜体的发射端面进行抛光处理；用激光熔刻法在钨铜体的发射端面形成内部具有孔隙的微尖阵列；对形成微尖阵列的钨铜体进行真空去铜，得到钨海绵体，以使钨海绵体内部的孔隙与微尖阵列内部的孔隙连通，得到带有微尖阵列的钨海绵体；钎焊或激光焊接带有微尖阵列的钨海绵体及钼筒，形成阴极组件；用活性物质高温浸渍阴极组件，完成热场发射阴极的制备方法。

在本发明的一些实施例中，上述钨铜体的孔度为18～32％，闭孔率低于2％，其内部的孔隙均匀分布。