[发明专利]一种外置式栅控冷阴极阵列电子枪

说明书

技术领域

本发明涉及一种场致发射外置式栅控冷阴极阵列电子枪，属于真空电子技术领域，用于真空电子辐射源器件或产生大电流的器件中。

背景技术

场致电子发射是与热电子发射在性质上完全不同的一种电子发射形式。热电子发射是靠升高物体的温度，给与物体内部的电子以附加的能量，使一些高能电子能够越过物体表面上的势垒而逸出，热电子发射所能提供的电流密度最高不过几百A/㎝²，而且还有一段时间的迟滞；但即使把金属加热到发生显著蒸发的高温，能够逸出的电子数也只占金属中自由电子总数的极小部分，提供给阴极的热能绝大部分以热辐射的形式消耗掉了，这种热的耗散还给使用热阴极的电子器件以及整个仪器设备都带来不少麻烦。场致电子发射的原理不同，它并不需要供给固体内的电子以额外的能量，而是靠很强的外部电场来压抑物体表面的势垒，使势垒的高度降低并使势垒的宽度变窄。由此，物体内的大量电子就能穿透过表面势垒而逸出，场致发射阴极可以提供10⁷A/㎝²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。

在公开号为CN 102709133A的专利文件中公开了《一种具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列及其制作方法和应用》，该冷阴极在其衬底上刻蚀出具有阴极电极条图案的刻蚀槽；接着在刻蚀槽上制作阴极电极条；然后在阴极电极条上沉积绝缘层薄膜；然后在绝缘层薄膜上制作与阴极电极条垂直的栅极电极条；接着对绝缘层薄膜进行刻蚀；露出阴极电极条；然后在特定局域制作生长源薄膜；最后对基板进行氧化，即得到以纳米线作为阴极材料的具有嵌入式电极结构的电子源阵列。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、化学气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发等多种加工工艺；由于该嵌入式电极的冷阴极电子源阵列在微米量级，尺寸非常小，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。另一方面，栅极在制作中也极易造成不均匀和混入杂质，以导致电子打到柵网上造成局部的发射电流过大，局部发热，使得器件极易损坏，影响冷阴极电子源阵列的使用寿命。

进一步的，因上述专利技术制作的是一种嵌入式电极的冷阴极电子源阵列，为了避免栅极与冷阴极短路，故在栅极与冷阴极之间加入了特定的绝缘介质。然而，正是由于加入了特定的绝缘介质，其介质较薄，在微米量级，使其在制作工艺中中易混入金属屑或杂质，从而导致介质表面存在电流，造成打火现象，损毁器件，影响器件的工作。同时，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，对器件的耐压强度有极高的要求，但其结构中介质的引入，反而极大地降低了器件的耐压性，而无法产生大的电流。

因此，这种具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列不适用于电真空辐射源器件或需要大电流的器件中。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单，使用寿命长，性能优良的外置式栅控冷阴极阵列电子枪。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种外置式栅控冷阴极阵列电子枪，包括阴极底座，固定于所述阴极底座上的阴极衬底，设置于所述阴极衬底上端面且具有槽的冷阴极发射单元阵列，以及上端部为开口、下端部与所述阴极底座连接并密封的电子枪外壳；所述电子枪外壳内部为真空；其中，电子枪外壳上端部开放式设计便于可以接入到注波互作用腔或其他器件上得到更广泛应用；采用真空环境代替传统的绝缘介质，极大地提高了器件的耐压特性，从而使场致发射的性能更好，效率更高；阴极衬底为柱形不锈钢；阴极底座由无氧铜或不锈钢材料加工而成，其结构并不作特别限定；

进一步的，所述电子枪外壳由下套筒和上套筒组成，在所述下套筒和上套筒之间设置有中部有通孔的栅极固定下底座，在所述栅极固定下底座上安装有外置式栅极，在所述外置式栅极上设置有栅极固定上底座。本发明中包括有两种调节阴栅距离的方法：1、通过制作不同高度的衬底来调整冷阴极表面与栅极之间的距离；2、调节外置式栅极与阴极衬底之间的距离。