專利名稱：光輔助/脈沖調(diào)制用大電流密度電子源及其應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于大功率超高頻真空電子器件的具有亞波長周期結(jié)構(gòu)的光輔助/脈沖調(diào)制大電流密度電子源。
背景技術(shù)：
高真空條件下，在外加直流電場和激光輻射的共同作用下，冷陰極材料表面勢壘下降或?qū)挾茸冋?，?nèi)部費米能級電子克服逸出功翻越或穿透勢壘，在冷陰極材料表面形成電子云；激光輻射的形式可以為連續(xù)輸出或脈沖形式輸出的激光光束。根據(jù)表面等離子極元的工作原理，當單一波長光束照射具有周期性亞波長特征的金屬光柵結(jié)構(gòu)時，在滿足一定的頻率匹配和波數(shù)匹配的條件下，周期性金屬光柵結(jié)構(gòu)表面會激勵表面等離子極元。表面等離子極元的激勵受到了金屬表面自由電子云和照射光波共振效應(yīng)作用，因而具有兩個特征在傳播方向上比照射光波具有更短的波長；在與傳播方向相垂直的方向上為消逝場。在實際效果上，當光束輻射到具有亞波長周期金屬電極表面時，表面的消逝場通過隧道效應(yīng)強化了光子的“搬運”效率表面等離子極元在增強入射電磁場近場幅度的同時，也會“誘發(fā)” 一個增強的共振散射模式，進一步提高了在特定波長的入射光子的透過率。 另外，在表面等離子極元激發(fā)并存在的條件下，從光吸收率的角度考慮，其與入射處的電場強度平方成比例，無疑是有利于光子吸收率的提高。增強的共振散射模式可以將入射光子重導(dǎo)向，從而變相地增大了吸收距離。因此，將光輔助/調(diào)制場發(fā)射電子源設(shè)計為亞波長周期結(jié)構(gòu)將有利于提高光-場發(fā)射中的光子吸收效率，有利于增強光脈沖對電子發(fā)射的調(diào)制效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了增強光脈沖對電子發(fā)射的調(diào)制效果，提供一種具有亞波長周期結(jié)構(gòu)的光輔助/脈沖調(diào)制用大電流密度電子源。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案
一種大電流密度電子源，包括襯底、N個大小相同的同心環(huán)電極、電極引線、襯底外緣電極；其中，所述N個同心環(huán)電極均勻分布在襯底上，所述同心環(huán)電極具有亞波長周期電極結(jié)構(gòu)，通過電極引線與襯底外緣電極連接，在同心環(huán)電極表面制備有冷陰極電子發(fā)射材料，N 為自然數(shù)。優(yōu)選的，本發(fā)明的一種大電流密度電子源，襯底為高透光率材料制成，厚度范圍為 1. Omm 5. Omm0優(yōu)選的，本發(fā)明的一種大電流密度電子源，同心環(huán)電極為金屬電極或透明導(dǎo)電電極。優(yōu)選的，本發(fā)明的一種大電流密度電子源，冷陰極電子發(fā)射材料為碳納米管/碳納米纖維。
優(yōu)選的，本發(fā)明的一種大電流密度電子源，冷陰極電子發(fā)射材料為氧化鋅納米線。優(yōu)選的，本發(fā)明的一種大電流密度電子源，同心環(huán)電極的同心環(huán)直徑范圍為150nm 600nm，環(huán)狀電極線寬為50nm 200nm。本發(fā)明還提供一種采用光輔助/脈沖調(diào)制大電流密度電子源的方法，包括如下步驟
步驟101，將襯底裝配到相應(yīng)真空電子器件的陰極卡座或夾具上，將襯底上的電極與供電電源的接地端相連接，在真空電子器件內(nèi)對襯底附有冷陰極電子發(fā)射材料的一側(cè)施加必要的開啟和加速電場，實現(xiàn)冷陰極材料的場致電子發(fā)射；
步驟102，采用光學組件將激光光束以與襯底基板成45度 90度夾角的范圍照射襯底的上表面或下表面，形成輻射光場；所述光學組件包括固體激光器和氣體激光器；
步驟103，在直流電場和輻射光場的共同作用下，冷陰極材料內(nèi)部的費米能級電子穿透或翻越被壓縮和降低的勢壘，到達真空，實現(xiàn)發(fā)射電流的光-場電子發(fā)射。進一步的，本發(fā)明的采用光輔助/脈沖調(diào)制大電流密度電子源的方法，所述激光光束采用超快激光光源，其輸出光脈沖重復(fù)頻率為40MHz 75MHz，脈沖寬度SOfs 120fs，波長790nm 810nm，輸出功率和能量密度連續(xù)可調(diào)。進一步的，本發(fā)明的采用光輔助/脈沖調(diào)制大電流密度電子源的方法，所述激光光束采用連續(xù)輸出激光光源，波長為390nm 810nm，輸出功率和能量密度連續(xù)可調(diào)。進一步的，本發(fā)明的采用光輔助/脈沖調(diào)制大電流密度電子源的方法，在連續(xù)輸出激光光源輸出光路中還加裝光學斬波器或光電開關(guān)，或者采用飛秒激光器。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果
本發(fā)明充分地利用了單色光束與亞波長周期結(jié)構(gòu)作用時所激勵的表面等離子極元及其伴生的共振散射效應(yīng)，有效地增強了光子的吸收效率，有利于光-場發(fā)射的電子發(fā)射和輸入光脈沖對電子發(fā)射的調(diào)制作用。本發(fā)明將有利于大功率微波、毫米波和亞毫米波(太赫茲THz)器件的發(fā)展和應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明的電子源結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標號1-高透光率襯底，2-電極引線，3-同心環(huán)電極，4-襯底外緣電極。圖2是本發(fā)明的電子源結(jié)構(gòu)俯視示意圖(局部)。圖3是本發(fā)明的電子源結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖(局部)。圖4和圖5是本發(fā)明的電子源工作中外加照射激光光束與襯底水平方向夾角示意圖，其中圖4為光束由電子源襯底正面(有電極)入射示意圖，圖5為光束由電子源襯底背面入射示意圖。圖6是本發(fā)明的電子源工作系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明 首先詳細介紹本發(fā)明的電子源的應(yīng)用材料、制備工藝和工作方式。如圖1、圖2所示，在本發(fā)明提出的電子源中，結(jié)構(gòu)上包括襯底1、具有亞波長周期結(jié)構(gòu)特征的金屬或透明導(dǎo)電同心環(huán)電極3，電極引線2，襯底外緣電極4。如圖3所示，在電極上表面通過化學氣相沉積、化學氣相傳輸、水浴法或絲網(wǎng)印刷制備有冷陰極材料。襯底采用高透光率材料制成，可以為透明耐高溫晶體切片，包括石英晶體、紅藍寶石等或高透光的高熔點(>1000°C)玻璃基板，厚度范圍為1.0mm 5.0mm。本發(fā)明利用磁控濺射、真空熱蒸發(fā)技術(shù)在襯底的上表面制備透明或金屬薄膜，然后利用光刻技術(shù)制備具有亞波長周期特征的電極結(jié)構(gòu)；除可采用薄膜工藝制備電極以外， 也可利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)直接印刷貴金屬漿料制備電極圖形，并在高溫 4300C )下燒結(jié)還原為具有亞波長周期特征的金屬電極結(jié)構(gòu)。冷陰極材料為碳納米管、碳納米纖維或氧化鋅納米線，通過定向生長或絲網(wǎng)印刷的方法在金屬電極的同心環(huán)部分制備，冷陰極材料的分布疏密度可以通過調(diào)整催化劑顆粒分布、籽晶分布、水浴溶液濃度或金屬漿料的有效成分比來進行調(diào)整。本發(fā)明中的電子源工作方式的最大特點是電子發(fā)射加入了激光輔助/脈沖調(diào)制。 激光光源輸出方式為連續(xù)輸出或飛秒脈沖輸出，種類上包括了氣體激光器和固體激光器。 具體的工作方式如下首先將具有亞波長周期電極結(jié)構(gòu)特征和冷陰極材料的發(fā)射極襯底裝配到相應(yīng)真空電子器件的陰極卡座或夾具上，令金屬電極與供電電源的接地相連，器件內(nèi)對襯底附有冷陰極的一側(cè)可施加必要的開啟和加速電場，從而實現(xiàn)冷陰極材料的場致電子發(fā)射；如圖4、圖5所示，利用必要的光學組件將激光光束傳輸至電子源襯底的上或下表面， 并以45度 90度的范圍照射襯底的上下表面，光束可以為偏振光或非偏振光，波長范圍為 340nm SlOnm ；在直流電場和輻射光場的共同作用下，冷陰極材料內(nèi)部的費米能級電子穿透或翻越被壓縮和降低的勢壘，到達真空，形成電子發(fā)射；光-場發(fā)射的脈沖調(diào)制方式可以通過在連續(xù)輸出激光器的輸出端加光學斬波器或光電開關(guān)，也可以通過利用飛秒激光器的直接脈沖輸出進行調(diào)制；由于電極結(jié)構(gòu)具備了亞波長周期結(jié)構(gòu)，在激光輻射下，表面激勵出等離子極元，有助于提高電極附近的電場，同時增加了光子的輸運能力，加大了整個結(jié)構(gòu)對光子能量的吸收，有助于光-場電子發(fā)射。下面結(jié)合實例圖介紹具體的實施例。實施例一
選用厚度為220 μ m的藍寶石切片作為襯底，利用磁控濺射在其表面制備氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜，利用光學光刻方法在該透明導(dǎo)電膜上制備周期性電極結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中同心環(huán)直徑300nm，環(huán)狀電極寬度80nm，相鄰?fù)沫h(huán)電極間距為lOOnm，如圖2所示；在制備成形的電極表面，分布 ^-Ni-Co催化劑顆粒，并利用化學氣相沉積的方法制備碳納米管陣列，如圖3所示，同心環(huán)電極3上端制備有冷陰極電子發(fā)射材料。將完成制備工藝的電子源裝配到相應(yīng)真空電子器件的陰極卡座或夾具上，如圖 6所示，令襯底的外緣金屬電極與供電電源的接地相連，器件內(nèi)對襯底附有碳納米管的一側(cè)施加直流加速電場VDC，實現(xiàn)冷陰極材料的場致電子發(fā)射；同時利用光學組件將波長 810nm，脈沖寬度150fs，重復(fù)頻率40MHz激光光束(輸出功率和能量密度可調(diào))傳輸至電子源襯底的上表面，垂直照射襯底的上表面的碳納米管發(fā)射陣列，光束為圓偏振光。實施例二
選用厚度為3mm的高透光率、高平整度石英玻璃作為襯底，利用磁控濺射在其表面制備氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜，利用光學光刻方法在該透明導(dǎo)電膜上制備周期性電極結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中同心環(huán)直徑400nm，環(huán)狀電極寬度lOOnm，相鄰?fù)沫h(huán)電極間距為IlOnmJn 圖2所示；在制備成形的電極表面，利用絲網(wǎng)印刷法涂敷碳納米管漿料，并在氮氣氛圍內(nèi)， 利用200°C 300°C高溫烘干，形成發(fā)射體陣列，如圖3所示。將完成制備工藝的電子源裝配到相應(yīng)真空電子器件的陰極卡座或夾具上，如圖 6所示，令襯底的外緣金屬電極與供電電源的接地相連，器件內(nèi)對襯底附有碳納米管的一側(cè)施加直流加速電場VDC，實現(xiàn)冷陰極材料的場致電子發(fā)射；同時利用光學組件將波長 810nm，脈沖寬度150fs，重復(fù)頻率40MHz激光光束(輸出功率和能量密度可調(diào))傳輸至電子源襯底的下表面，垂直照射襯底的下表面，光束可通過透明的玻璃片襯底和透明電極，與碳納米管發(fā)射陣列發(fā)生互作用，光束為線偏振光。實施例三
選用厚度為3mm的高透光率、高平整度石英玻璃作為襯底，利用絲網(wǎng)印刷方法在襯底制定區(qū)域涂敷銀漿料，并在氮氣氛圍，430°C高溫下還原燒結(jié)，制備周期性電極結(jié)構(gòu)，如圖 1所示，其中同心環(huán)直徑350nm，環(huán)狀電極寬度70nm，相鄰?fù)沫h(huán)電極間距為90nm，如圖2 所示；在制備成形的電極表面，利用絲網(wǎng)印刷法涂敷碳納米管漿料，并在氮氣氛圍內(nèi)，利用 2000C 300°C高溫烘干，形成發(fā)射體陣列，如圖3所示。將完成制備工藝的電子源裝配到相應(yīng)真空電子器件的陰極卡座或夾具上，如圖 6所示，令襯底的外緣金屬電極與供電電源的接地相連，器件內(nèi)對襯底附有碳納米管的一側(cè)施加直流加速電場VDC，實現(xiàn)冷陰極材料的場致電子發(fā)射；同時利用光學組件將波長 532nm，連續(xù)輸出，經(jīng)20 KHz光學斬波器的激光光束(輸出功率和能量密度可調(diào))傳輸至電子源襯底的上表面，照射襯底的上表面，光束與襯底和電極夾角為45°，并與碳納米管發(fā)射陣列發(fā)生互作用，光束為橢圓偏振光。
權(quán)利要求
1.一種大電流密度電子源，其特征在于包括襯底(1)、N個大小相同的同心環(huán)電極 (3)、電極引線(2)、襯底外緣電極(4)；其中，所述N個同心環(huán)電極(3)均勻分布在襯底(1) 上，所述同心環(huán)電極具有亞波長周期電極結(jié)構(gòu)，通過電極引線與襯底外緣電極(4)連接，在同心環(huán)電極(3)表面制備有冷陰極電子發(fā)射材料，N為自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流密度電子源，其特征在于所述襯底(1)為高透光率材料制成，厚度范圍為1.0mm 5.0mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流密度電子源，其特征在于所述同心環(huán)電極(3)為金屬電極或透明導(dǎo)電電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流密度電子源，其特征在于所述冷陰極電子發(fā)射材料為碳納米管/碳納米纖維。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流密度電子源，其特征在于所述冷陰極電子發(fā)射材料為氧化鋅納米線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流密度電子源，其特征在于所述同心環(huán)電極(3)的同心環(huán)直徑范圍為150nm 600nm，環(huán)狀電極線寬為50nm 200nm。
7.一種采用光輔助/脈沖調(diào)制如權(quán)利要求1所述的大電流密度電子源的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟101，將襯底裝配到相應(yīng)真空電子器件的陰極卡座或夾具上，將襯底上的電極與供電電源的接地端相連接，在真空電子器件內(nèi)對襯底附有冷陰極電子發(fā)射材料的一側(cè)施加必要的開啟和加速電場，實現(xiàn)冷陰極材料的場致電子發(fā)射；步驟102，采用光學組件將激光光束以與襯底基板成45度 90度夾角的范圍照射襯底的上表面或下表面，形成輻射光場；所述光學組件包括固體激光器和氣體激光器；步驟103，在直流電場和輻射光場的共同作用下，冷陰極材料內(nèi)部的費米能級電子穿透或翻越被壓縮和降低的勢壘，到達真空，實現(xiàn)發(fā)射電流的光-場電子發(fā)射。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用光輔助/脈沖調(diào)制大電流密度電子源的方法，其特征在于所述激光光束采用超快激光光源，其輸出光脈沖重復(fù)頻率為40MHz 75MHz，脈沖寬度 80fs 120fs，波長790nm 810nm，輸出功率和能量密度連續(xù)可調(diào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用光輔助/脈沖調(diào)制大電流密度電子源的方法，其特征在于所述激光光束為連續(xù)輸出激光光源，波長為390nm 810nm，輸出功率和能量密度連續(xù)可調(diào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的采用光輔助/脈沖調(diào)制大電流密度電子源的方法，其特征在于在連續(xù)輸出激光光源輸出光路中還加裝光學斬波器或光電開關(guān)，或者采用飛秒激光器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光輔助/脈沖調(diào)制用大電流密度的電子源，應(yīng)用于大功率超高頻真空電子器件領(lǐng)域。電子源包括襯底(1)、N個大小相同的同心環(huán)電極(3)、電極引線(2)、襯底外緣電極(4)；其中，所述N個同心環(huán)電極(3)均勻分布在襯底(1)上，所述同心環(huán)電極具有亞波長周期電極結(jié)構(gòu)，通過電極引線與襯底外緣電極(4)連接，在同心環(huán)電極(3)表面制備有冷陰極電子發(fā)射材料。本發(fā)明還公開了該電子源的電子發(fā)射方法，在直流電場作用下，利用連續(xù)輸出或飛秒脈沖激光束輻射其上或下表面，實現(xiàn)發(fā)射電流的光輔助/脈沖調(diào)制。本發(fā)明將電子源設(shè)計為亞波長周期結(jié)構(gòu)，提高了光-場發(fā)射中的光子吸收效率，增強光脈沖對電子發(fā)射的調(diào)制效果。
文檔編號H01J1/308GK102280330SQ20111019119
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者張曉兵, 王琦龍, 雷威 申請人:東南大學