專(zhuān)利名稱(chēng)：高電流密度異形束電子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高電流密度異形束電子源，屬電真空領(lǐng)域，特別涉及某些毫米波、亞毫米波段微波真空電子器件所需陰極的制造方法。
背景技術(shù)：
隨著毫米波、亞毫米波段微波真空電子器件的發(fā)展，迫切需要一種能夠提供高電流密度異形束的電子源。所謂異型束是指不同于常規(guī)圓形束的電子束，例如矩形束或環(huán)狀束。這種形狀的電子束有利于發(fā)射電子與高頻電路的互作用，從而提高器件的效率。目前常用的獲得異型束的方法是利用磁聚焦將圓形束轉(zhuǎn)化為不同形狀的電子束例如矩形束。為此須用強(qiáng)永久磁場(chǎng)，這將大大增加器件的體積和重量。直接由陰極發(fā)射異型電子束，特別是高電流密度的異型束將顯著簡(jiǎn)化聚焦系統(tǒng)、減小壓縮比，特別適用于如太赫茲返波振蕩器等毫米波和亞毫米波段微波真空電子器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種真空電子器件中高電流密度異形束電子源及其制備方法。該電子源的面積可以從幾十平方微米到幾平方厘米。電流密度可以在10A/cm2到150A/cm2。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種在含鈧擴(kuò)散陰極上覆蓋異形束成型結(jié)構(gòu)以得到特定形狀和尺寸的高電流密度異形束電子源的方法。電子源的結(jié)構(gòu)由含鈧擴(kuò)散陰極、支持陰極的鉬套筒和與之相配的熱子及覆蓋于陰極表面的異形束成形結(jié)構(gòu)組成。為實(shí)現(xiàn)高電流密度電子發(fā)射，本發(fā)明采用氧化鈧摻雜浸漬型和壓制型擴(kuò)散陰極。與其他擴(kuò)散陰極相比，在同樣的工作溫度下，氧化鈧摻雜浸漬型和壓制型擴(kuò)散陰極的空間電荷限制發(fā)射電流可以提高10倍，在900℃-950℃的工作溫度下可以提供50-100A/cm2的發(fā)射。
本發(fā)明提供的異形束電子源的特征在于，包括鉬套筒1，與鉬套筒配合的熱子2，與鉬套筒裝配的陰極3；其特征在于陰極表面在覆蓋層的開(kāi)口區(qū)域內(nèi)形成發(fā)射區(qū)6，而被覆蓋層覆蓋的結(jié)構(gòu)構(gòu)成非發(fā)射區(qū)7；
陰極表面的覆蓋層分單層型或兩層型兩種，當(dāng)陰極表面的覆蓋層是單層型時(shí)，由難熔金屬、難熔合金或貴金屬之一的實(shí)體覆蓋層；當(dāng)陰極表面的覆蓋層是兩層型時(shí)，覆蓋層由直接覆蓋在陰極面上的第一覆蓋層4和覆蓋于第一覆蓋層4上的第二覆蓋層5組成，第一覆蓋層4是難熔金屬、難熔合金或貴金屬之一的實(shí)體覆蓋層，或者是難熔金屬、難熔合金或貴金屬之一的薄膜覆蓋層，第二覆蓋層5是抑制發(fā)射金屬鈦、鋯或鉿之一的薄膜覆蓋層。
上述兩種類(lèi)型異形束成形結(jié)構(gòu)中所述的實(shí)體或薄膜覆蓋層中的難熔金屬是鎢、鉬或鎢鉬合金；貴金屬是鉭、鈮。
當(dāng)陰極表面覆蓋層是單層型時(shí)，覆蓋層的厚度在10-100微米范圍內(nèi)；當(dāng)陰極表面覆蓋層是兩層型結(jié)構(gòu)時(shí)，第一覆蓋層是實(shí)體覆蓋層時(shí)，厚度在10-100微米范圍內(nèi)，是難熔金屬薄膜覆蓋層時(shí)，膜厚在1-10微米范圍內(nèi)；第二覆蓋層的厚度在0.1-10微米范圍內(nèi)。覆蓋層上開(kāi)孔的面積可以是幾十平方微米到幾平方厘米，開(kāi)孔的側(cè)壁可以垂直于覆蓋層表面也可以與表面成20-80度角，為了減小電子束的邊緣效應(yīng)以20-30度角為佳。
實(shí)體覆蓋層上的開(kāi)孔可以通過(guò)激光微細(xì)加工、電火花加工等微細(xì)加工技術(shù)獲得；薄膜覆蓋層的獲得可以采用射頻磁控濺射、真空蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、多弧離子鍍、脈沖激光沉積等方法獲得，而薄膜覆蓋層上開(kāi)孔的加工則可以借助光刻、離子刻蝕等微細(xì)加工技術(shù)得到。
異形束的形狀和電流密度可以通過(guò)電子發(fā)射均勻性測(cè)試裝置得到的電流分布圖直觀(guān)的顯示出來(lái)。在電子發(fā)射均勻性測(cè)試裝置中，陽(yáng)極的中心有一小孔(直徑可以根據(jù)電子源發(fā)射電流大小在幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米之間)，當(dāng)陽(yáng)極和陰極之間加上脈沖高壓時(shí)，通過(guò)該小孔的陰極局部發(fā)射電流被放大器放大后輸出。該裝置的陽(yáng)極可以在納米電機(jī)的帶動(dòng)下作平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，因此可獲得發(fā)射面的電流分布。本發(fā)明根據(jù)獲得的電流分布圖確定所形成的電子束的形狀和電流密度大小。
覆蓋層的厚度對(duì)電場(chǎng)分布影響很大。當(dāng)覆蓋層上開(kāi)孔側(cè)壁垂直于表面時(shí)，電場(chǎng)會(huì)在開(kāi)孔邊緣集中，這種畸變的電場(chǎng)分布會(huì)直接影響發(fā)射電流的大小和分布均勻性。為了減少或消除電場(chǎng)集中，可以設(shè)計(jì)成開(kāi)孔的側(cè)壁與陰極表面具有不同的傾角的結(jié)構(gòu)。具體的傾角大小應(yīng)該依據(jù)該結(jié)構(gòu)在發(fā)射系統(tǒng)中的電場(chǎng)分布模擬結(jié)果來(lái)確定。借助Magic模擬程序?qū)ΧS空間中等離子體物理過(guò)程的有限差分時(shí)域粒子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，該軟件可以模擬由于空間電荷分布所產(chǎn)生的電場(chǎng)和電子的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)電場(chǎng)的模擬結(jié)果表明，當(dāng)覆蓋層的厚度達(dá)到數(shù)十微米以上時(shí)，開(kāi)孔邊緣由于電場(chǎng)集中分布，使得該處的電場(chǎng)強(qiáng)度為開(kāi)孔內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)的數(shù)倍；而覆蓋層的厚度為幾個(gè)微米時(shí)，這種影響變得比較微弱，覆蓋層的厚度應(yīng)該在能夠阻擋發(fā)射的前提下越小越好。
除了減小覆蓋層的厚度減少電場(chǎng)集中外，也可以通過(guò)改變開(kāi)孔的形狀來(lái)達(dá)到同一效果。如果覆蓋層上的開(kāi)孔側(cè)壁與覆蓋層表面成20-80度的角度，則可減小邊緣電場(chǎng)集中的影響。例如，厚度60微米的覆蓋層上的開(kāi)孔邊緣設(shè)計(jì)成與覆蓋層表面成30度角，開(kāi)孔內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度也可以達(dá)到邊緣場(chǎng)強(qiáng)的3/4。
本發(fā)明中所述的電子源所用陰極可以是高電流密度氧化鈧摻雜浸漬型陰極，也可以是高電流密度氧化鈧摻雜壓制型陰極，還可以推廣為浸漬型氧化鈧陰極或其他含鋇擴(kuò)散型陰極。所述的電子源所用陰極可以提供電流密度50A/cm2以上的特定形狀的電子束。
本發(fā)明將通過(guò)優(yōu)選的實(shí)施例結(jié)合附圖加以說(shuō)明。


圖1為本發(fā)明所提供的高電流密度矩形束電子源的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所提供的高電流密度矩形束電子源結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖上顯示電子發(fā)射區(qū)和非發(fā)射區(qū)。
圖3為本發(fā)明提供的高電流密度方形束電子源的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明提供的高電流密度方形束電子源結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖上顯示電子發(fā)射區(qū)和非發(fā)射區(qū)。
圖5為本發(fā)明提供的高電流密度矩形束電子源的電流分布圖，圖上顯示的矩形發(fā)射區(qū)域兩邊長(zhǎng)分別為200微米和800微米。
圖6為邊長(zhǎng)為200微米和800微米的矩形束電子源發(fā)射區(qū)域的電流分布圖主視圖。
圖7為本發(fā)明提供的高電流密度方形束電子源的電流分布圖，圖上顯示的方形發(fā)射區(qū)域邊長(zhǎng)為600微米。
圖8為邊長(zhǎng)為600微米的方形束電子源發(fā)射區(qū)域的電流分布圖主視圖。
圖9為本發(fā)明提供的高電流密度圓形束電子源的電流分布圖，圖上顯示的圓形發(fā)射區(qū)域直徑為3毫米。
圖10為直徑為3毫米的圓形束電子源發(fā)射區(qū)域的電流分布圖主視圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1 用于提供高電流密度異形束電子源的結(jié)構(gòu)，包括Mo套筒，和鉬套筒配合的熱子，和鉬套筒裝配的氧化鈧摻雜浸漬型陰極，以及難熔金屬鎢的實(shí)體覆蓋層。將陰極與鉬套筒通過(guò)激光焊焊接在一起，套筒下方埋入熱子用來(lái)加熱陰極。采用電火花加工在厚度為50微米的鎢覆蓋層上加工出開(kāi)孔側(cè)壁與表面成60度角的矩形區(qū)域，兩邊長(zhǎng)分別為200微米和800微米，該矩形束電子源在900℃b工作時(shí)，發(fā)射區(qū)平均電流密度達(dá)到55A/cm2，邊緣最大發(fā)射85A/cm2，且在此條件下穩(wěn)定工作120小時(shí)。(結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖3，矩形束形狀和電流分布參見(jiàn)圖5和圖6)實(shí)施例2 用于提供高電流密度異形束電子源的結(jié)構(gòu)，包括Mo套筒，和鉬套筒配合的熱子，和鉬套筒裝配的氧化鈧摻雜壓制型陰極，以及貴金屬鈮的實(shí)體覆蓋層。將陰極與鉬套筒通過(guò)激光焊焊接在一起，套筒下方埋入熱子用來(lái)加熱陰極。采用激光微加工技術(shù)在厚度為100微米的鈮覆蓋層上加工出開(kāi)孔側(cè)壁與表面成80度角的矩形區(qū)域，兩邊長(zhǎng)分別為100微米和400微米，該矩形束電子源在900℃b工作時(shí)，發(fā)射區(qū)平均電流密度達(dá)到50A/cm2，邊緣最大發(fā)射85A/cm2，且在此條件下穩(wěn)定工作200小時(shí)。
實(shí)施例3 用于提供高電流密度異形束電子源的結(jié)構(gòu)，包括Mo套筒，和鉬套筒配合的熱子，和鉬套筒裝配的氧化鈧摻雜浸漬型陰極，以及鎢鉬合金的實(shí)體覆蓋層。將陰極與鉬套筒通過(guò)激光焊焊接在一起，套筒下方埋入熱子用來(lái)加熱陰極。采用電火花加工在厚度為10微米的鎢鉬合金覆蓋層上加工出開(kāi)孔側(cè)壁與表面垂直的矩形區(qū)域，兩邊長(zhǎng)分別為40微米和600微米，該矩形束電子源在900℃b工作時(shí)，發(fā)射區(qū)平均電流密度達(dá)到55A/cm2，邊緣最大發(fā)射90A/cm2，且在此條件下穩(wěn)定工作200小時(shí)。
實(shí)施例4 用于提供高電流密度異形束電子源的結(jié)構(gòu)，包括Mo套筒，和鉬套筒配合的熱子，和鉬套筒裝配的氧化鈧摻雜壓制型陰極，以及難熔金屬鉬的實(shí)體覆蓋層。將陰極與鉬套筒通過(guò)激光焊焊接在一起，套筒下方埋入熱子用來(lái)加熱陰極。采用激光微加工技術(shù)在厚度為60微米的鉬覆蓋層上加工出開(kāi)孔側(cè)壁與表面成20度角的方形區(qū)域，邊長(zhǎng)為600微米。該方形束電子源在950℃b工作時(shí)，發(fā)射區(qū)平均電流密度達(dá)到70A/cm2，邊緣最大發(fā)射85A/cm2，該電子源的發(fā)射均勻性顯著提高，且在此條件下穩(wěn)定工作300小時(shí)。(結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖3，方形束形狀和電流分布參見(jiàn)圖7和圖8)實(shí)施例5 用于提供高電流密度異形束電子源的結(jié)構(gòu)，包括Mo套筒，和鉬套筒配合的熱子，和鉬套筒裝配的氧化鈧摻雜浸漬型陰極，以及難熔金屬鉬實(shí)體覆蓋層和抑制發(fā)射金屬鋯薄膜共同組成的發(fā)射阻擋層。將陰極與鉬套筒通過(guò)激光焊焊接在一起，套筒下方埋入熱子用來(lái)加熱陰極。采用電火花加工在厚度為40微米鉬覆蓋層上加工出開(kāi)孔側(cè)壁與表面成20度角的方形區(qū)域，邊長(zhǎng)為120微米。接著采用射頻磁控濺射在鉬層表面沉積0.1微米厚鋯膜，最后采用激光焊接的方法將覆蓋有鋯薄膜的金屬鉬實(shí)體覆蓋層與鉬套筒焊接在一起。該方形束電子源在950℃b工作時(shí)，發(fā)射區(qū)平均電流密度達(dá)到70A/cm2，邊緣最大發(fā)射75A/cm2，該電子源的發(fā)射均勻性顯著提高，且在此條件下穩(wěn)定工作90小時(shí)。
實(shí)施例6 用于提供高電流密度異形束電子源的結(jié)構(gòu)，包括Mo套筒，和鉬套筒配合的熱子，和鉬套筒裝配的氧化鈧摻雜壓制型陰極，以及貴金屬鈮實(shí)體覆蓋層和抑制發(fā)射金屬鉿薄膜共同組成的發(fā)射阻擋層。將陰極與鉬套筒通過(guò)激光焊焊接在一起，套筒下方埋入熱子用來(lái)加熱陰極。采用激光微加工技術(shù)在厚度為80微米的鈮覆蓋層上加工出開(kāi)孔側(cè)壁與表面成30度角的圓形區(qū)域，直徑為50微米。采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在鉬層表面沉積5微米厚鉿膜。最后采用激光焊接的方法將覆蓋有鉿薄膜的金屬鈮實(shí)體覆蓋層與鉬套筒焊接在一起。該圓形束電子源在900℃b工作時(shí)，發(fā)射區(qū)平均電流密度達(dá)到65A/cm2，邊緣最大發(fā)射75A/cm2，該電子源的發(fā)射均勻性比較好，且在此條件下穩(wěn)定工作110小時(shí)。
實(shí)施例7 用于提供高電流密度異形束電子源的結(jié)構(gòu)，包括Mo套筒，和鉬套筒配合的熱子，和鉬套筒裝配的氧化鈧摻雜浸漬型陰極，以及難熔金屬鎢和抑制發(fā)射金屬鋯組成的組合薄膜覆蓋層。將陰極與鉬套筒通過(guò)激光焊焊接在一起，套筒下方埋入熱子用來(lái)加熱陰極。借助脈沖激光沉積方法在陰極表面沉積3微米厚的鎢膜和0.5微米厚的鋯膜，采用鎵離子源聚焦離子束在鎢鋯組合薄膜覆蓋層上刻蝕出形狀規(guī)則的矩形區(qū)域，兩邊長(zhǎng)分別為30微米和700微米。該矩形束電子源在900℃b工作時(shí)，發(fā)射區(qū)平均電流密度達(dá)到60A/cm2，且在此條件下穩(wěn)定工作近100小時(shí)。
實(shí)施例8 用于提供高電流密度異形束電子源的結(jié)構(gòu)，包括Mo套筒，和鉬套筒配合的熱子，和鉬套筒裝配的氧化鈧摻雜壓制型陰極，以及貴金屬鉭和抑制發(fā)射金屬鉿組成的組合薄膜覆蓋層。將陰極與鉬套筒通過(guò)激光焊焊接在一起，套筒下方埋入熱子用來(lái)加熱陰極。借助多弧離子鍍技術(shù)在陰極表面沉積10微米厚的鉭膜和3微米厚的鉿膜，采用掩膜后氬離子束刻蝕在鉭鉿組合薄膜覆蓋層上刻蝕出形狀規(guī)則的圓形區(qū)域，直徑為3毫米。該圓形束電子源在950℃b工作時(shí)，發(fā)射區(qū)平均電流密度達(dá)到100A/cm2，在此條件下穩(wěn)定工作200小時(shí)。(結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖3，圓形束形狀和電流分布參見(jiàn)圖9和圖10)實(shí)施例9 用于提供高電流密度異形束電子源的結(jié)構(gòu)，包括Mo套筒，和鉬套筒配合的熱子，和鉬套筒裝配的氧化鈧摻雜壓制型陰極，以及貴金屬鈮和抑制發(fā)射金屬鈦組成的組合薄膜覆蓋層。將陰極與鉬套筒通過(guò)激光焊焊接在一起，套筒下方埋入熱子用來(lái)加熱陰極。采用脈沖激光沉積技術(shù)在陰極表面沉積7微米厚鈮膜和10微米厚的鈦膜，采用鎵離子源聚焦離子束在鈮鈦薄膜覆蓋層上刻蝕出形狀規(guī)則的環(huán)形區(qū)域，內(nèi)外環(huán)直徑分別為60微米和2毫米。該環(huán)形束電子源在950℃b工作時(shí)，環(huán)形發(fā)射區(qū)平均電流密度達(dá)到95A/cm2，并在此條件下穩(wěn)定工作150小時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種高電流密度異形束電子源，包括鉬套筒(1)，與鉬套筒配合的熱子(2)，與鉬套筒裝配的陰極(3)；其特征在于陰極表面在覆蓋層的開(kāi)口區(qū)域內(nèi)形成發(fā)射區(qū)(6)，而被覆蓋層覆蓋的結(jié)構(gòu)構(gòu)成非發(fā)射區(qū)(7)；陰極表面的覆蓋層分單層型或兩層型兩種，當(dāng)陰極表面的覆蓋層是單層型時(shí)，由難熔金屬、難熔合金或貴金屬之一的實(shí)體覆蓋層；當(dāng)陰極表面的覆蓋層是兩層型時(shí)，覆蓋層由直接覆蓋在陰極面上的第一覆蓋層(4)和覆蓋于第一覆蓋層(4)上的第二覆蓋層(5)組成，第一覆蓋層(4)是難熔金屬、難熔合金或貴金屬之一的實(shí)體覆蓋層，或者是難熔金屬、難熔合金或貴金屬之一的薄膜覆蓋層，第二覆蓋層(5)是抑制發(fā)射金屬鈦、鋯或鉿之一的薄膜覆蓋層。
2.按照權(quán)利要求1的電子源，其特征在于上述兩種類(lèi)型異形束成形結(jié)構(gòu)中所述的實(shí)體或薄膜覆蓋層中的難熔金屬是鎢、鉬或鎢鉬合金；貴金屬是鉭、鈮。
3.按照權(quán)利要求1的電子源，其特征在于當(dāng)陰極表面覆蓋層是單層型時(shí)，覆蓋層的厚度在10-100微米范圍內(nèi)；當(dāng)陰極表面覆蓋層是兩層型結(jié)構(gòu)時(shí)，第一覆蓋層是實(shí)體覆蓋層時(shí)，厚度在10-100微米范圍內(nèi)，是難熔金屬薄膜覆蓋層時(shí)，膜厚在1-10微米范圍內(nèi)；第二覆蓋層的厚度在0.1-10微米范圍內(nèi)。
4.按照權(quán)利要求1的電子源，其特征在于覆蓋層上開(kāi)孔的面積為幾十平方微米到幾平方厘米。
5.按照權(quán)利要求1的電子源，其特征在于覆蓋層上開(kāi)孔的側(cè)壁垂直于覆蓋層表面或者與表面成20-80度角。
全文摘要
一種高電流密度異型束電子源，屬電真空領(lǐng)域，特別涉及某些毫米波、亞毫米波段微波真空電子器件所需電子源的制造方法。目前常用的獲得異型束的方法是利用磁聚焦將圓形束轉(zhuǎn)化為不同形狀的電子束，為此須用強(qiáng)永久磁場(chǎng)，這就增加了器件的體積和重量。本發(fā)明涉及的高電流密度異形束直接由陰極發(fā)射，無(wú)需或只需簡(jiǎn)單壓縮便可獲得所需形狀和電流密度，大大簡(jiǎn)化聚焦系統(tǒng)、減小壓縮比。該電子源主要由高電流密度含鈧擴(kuò)散陰極及覆蓋于其上的異型束成形結(jié)構(gòu)構(gòu)成，這兩部分組合后與鉬套筒裝配，并配以適當(dāng)?shù)臒嶙訕?gòu)成高電流密度異型束電子源。電子源的面積可以在幾十平方微米到幾平方厘米之間，能夠提供電流密度在50A/cm
文檔編號(hào)H01J19/00GK101075515SQ20071011806
公開(kāi)日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2007年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月28日
發(fā)明者王金淑, 王亦曼, 李莉莉, 王燕春, 劉偉, 周美玲, 左鐵鏞 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)