基于二維納米壁的場發(fā)射陰極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及X射線管中的陰極，特別涉及一種基于二維納米壁的場發(fā)射陰極。
【背景技術(shù)】
[0002]電子發(fā)射器件在很多領(lǐng)域有重要應(yīng)用，例如X射線管需要陰極發(fā)射高能電子撞擊靶面產(chǎn)生X射線。目前的電子發(fā)射部件主要采用鎢絲，六硼化鑭等，均屬于熱發(fā)射陰極。電子發(fā)射都是物體內(nèi)部電子在獲得熱能后被激發(fā)，因自身能量高于表面勢皇而逸出，響應(yīng)速度慢，方向性差，且需要良好的散熱。場致電子發(fā)射是在強(qiáng)電場作用下發(fā)射電子的現(xiàn)象，用外部強(qiáng)電場來壓抑表面勢皇，使勢皇的最高點(diǎn)降低，并使勢皇的寬度變窄，致使物體內(nèi)部的電子不需要另外增加能量，即不需要激發(fā)，就可以逸出。場發(fā)射陰極的優(yōu)勢很明顯，因不需要對陰極進(jìn)行加熱和散熱，對控制信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到納秒級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)快速脈沖成像，電子發(fā)射方向性好，且具有能散度低(0.2?0.3eV)，壽命長的優(yōu)勢。場發(fā)射需要有一個(gè)發(fā)射尖端，所需要的外部電場強(qiáng)度與其尖端半徑有關(guān)，半徑越小，需要的電場強(qiáng)度就越小。傳統(tǒng)場發(fā)射陰極有若干不足之處，其一，材質(zhì)必須要非常堅(jiān)硬，否則容易被環(huán)境中的離子轟擊而損壞，尖端一旦變鈍，就無法實(shí)現(xiàn)場發(fā)射；其二，堅(jiān)硬的惰性材質(zhì)不容易制造出場發(fā)射需要的尖端，工藝復(fù)雜。因此，納米材料(如納米管)成為了場發(fā)射器件的熱門選擇。納米管如果被離子轟擊折損頂端，不影響余下部分的場發(fā)射性能，納米管的直徑可以通過催化劑顆粒的大小控制，容易設(shè)計(jì)其長徑比。
[0003]碳納米管(Carbon nanotube, CNT)的開啟電壓很低，束流強(qiáng)度高，在理想情況下是場發(fā)射的優(yōu)越選擇，人們已經(jīng)利用CNT場發(fā)射陰極材料取得一系列研究成果，但如何制造穩(wěn)定可靠，滿足大電流高電壓使用條件的CNT冷陰極仍然是一個(gè)難點(diǎn)。碳納米管內(nèi)流動(dòng)的電子受到量子限域的影響，只能在同一層管壁上沿著納米管軸向方向運(yùn)動(dòng)，沿徑向的運(yùn)動(dòng)受到限制，表現(xiàn)出一維量子線的性質(zhì)；并且由于CNT的高度不會(huì)完全一致，因電磁屏蔽效應(yīng)，容易導(dǎo)致某些點(diǎn)局域電場過強(qiáng)，造成納米管過載而燒壞，破壞相鄰的場發(fā)射區(qū)域，甚至損壞整個(gè)陰極；CNT彼此之間是獨(dú)立的，出射的電子之間也是不相關(guān)的，因此其方向性較差。這些特性嚴(yán)重阻礙了 CNT作為場發(fā)射陰極的大規(guī)模應(yīng)用。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本實(shí)用新型的目的在于通過對現(xiàn)有陰極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，來提供一種基于二維納米壁的場發(fā)射陰極。二維納米壁作為場發(fā)射材料有更大的潛力，它的電子不是沿一根線進(jìn)行流動(dòng)，而是沿二維平面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此這就決定了它具備阻抗低、電子運(yùn)動(dòng)質(zhì)量小的特性，出射的電子還具有高度相關(guān)的特性，是場發(fā)射陰極的優(yōu)越選擇。
[0005]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種基于二維納米壁的場發(fā)射陰極，包括:
[0007]電子發(fā)射端，其包括襯板層和納米壁層，所述納米壁層呈網(wǎng)格狀，并埋覆在所述襯板層中；
[0008]銅芯，其連接于所述襯板層中遠(yuǎn)離所述納米壁層的一面；
[0009]冷卻裝置，其包括:
[0010]第一陶瓷導(dǎo)熱片，其呈內(nèi)部中空的圓柱型，且該圓柱的兩端呈敞口設(shè)計(jì)，所述第一陶瓷導(dǎo)熱片套設(shè)于所述電子發(fā)射端外部，并在所述第一陶瓷導(dǎo)熱片靠近所述納米壁層的一端架設(shè)有柵網(wǎng)；所述柵網(wǎng)與所述納米壁層平行，所述柵網(wǎng)設(shè)有兩個(gè)高壓電接線端；
[0011]第二陶瓷導(dǎo)熱片，其呈內(nèi)部中空的圓柱型，且該圓柱的兩端呈敞口設(shè)計(jì)，所述第二陶瓷導(dǎo)熱片的圓環(huán)半徑大于所述第一陶瓷導(dǎo)熱片的圓環(huán)半徑，所述第二陶瓷導(dǎo)熱片套設(shè)于所述第一陶瓷導(dǎo)熱片的外部；
[0012]半導(dǎo)體層，其填充于所述第一陶瓷導(dǎo)熱片和第二陶瓷導(dǎo)熱片之間，所述半導(dǎo)體層還分別設(shè)有兩個(gè)電源接口；
[0013]電源，其分別與所述半導(dǎo)體層的兩個(gè)電源接口相連；
[0014]其中，所述第二陶瓷導(dǎo)熱片通過金屬片與所述銅芯相連。
[0015]優(yōu)選的是，所述的基于二維納米壁的場發(fā)射陰極，其中，所述納米壁層中每個(gè)網(wǎng)格的四條邊與所述柵網(wǎng)中每個(gè)網(wǎng)格的四條邊在沿所述納米壁層所在平面的軸線上不重疊。
[0016]優(yōu)選的是，所述的基于二維納米壁的場發(fā)射陰極，其中，所述納米壁層的網(wǎng)格大小與所述柵網(wǎng)的網(wǎng)格大小相等。
[0017]優(yōu)選的是，所述的基于二維納米壁的場發(fā)射陰極，其中，所述納米壁層的頂端設(shè)有金屬層。
[0018]優(yōu)選的是，所述的基于二維納米壁的場發(fā)射陰極，其中，所述金屬層是金。
[0019]優(yōu)選的是，所述的基于二維納米壁的場發(fā)射陰極，其中，所述半導(dǎo)體層是碲化鉍。
[0020]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0021]I) 二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的納米壁使得陰極獲得了更低的阻抗，有助于更大發(fā)射電流的產(chǎn)生，并減弱了電磁屏蔽造成的束流下降，同時(shí)，電子不僅可以在二維納米壁自由流淌，也可以在不同層的納米壁之間自由交換，且還能夠起到支撐納米壁，使之保持更好的方向性和耐轟擊性，避免尖端毛刺的作用；
[0022]2)在納米壁頂端橋接的金屬層能夠降低電子需要克服的功函數(shù)，增加可以利用的電子密度和二次電子發(fā)射能力；同時(shí)，還可以起到壓敏電阻的作用，壓制發(fā)射電流的波動(dòng)，從而使電流更加穩(wěn)定；并使得納米壁更加堅(jiān)固，能夠經(jīng)受一定程度的粒子撞擊，從而延長冷陰極的使用壽命；
[0023]3)網(wǎng)格形狀的柵極能夠最大限度的提高電子的通過率，環(huán)形的冷卻裝置根據(jù)熱電制冷的原理能夠快速高效的對柵網(wǎng)進(jìn)行快速冷卻，以避免柵網(wǎng)因過熱而損壞。
【附圖說明】
[0024]圖1為基于二維納米壁的場發(fā)射陰極的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，為了便于觀察，圖中略去了高壓電接線端、電源和電源接口的結(jié)構(gòu)。
[0025]圖2為場發(fā)射陰極的電子發(fā)射端的立體圖。
[0026]圖3為場發(fā)射陰極的俯視圖；其中，為了便于觀察，圖中略去了柵網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。
[0027]圖4為納米壁層的網(wǎng)格與柵網(wǎng)的網(wǎng)格在空間上的相對位置關(guān)系圖。
[0028]圖5為納米壁層的頂端在修飾有金屬層后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖6為將場發(fā)射陰極應(yīng)用于X射線管中的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。
[0031]本案提出一實(shí)施例的基于二維納米壁的場發(fā)射陰極，包括:
[0032]電子發(fā)射端，其包括襯板層I和納米壁層2，納米壁沿襯板層I平面向外延伸，并且整體呈網(wǎng)格狀，埋覆在襯板層I中；襯板材料的選擇應(yīng)盡可能減少接觸電阻，并且能夠與納米壁形成牢固的化學(xué)鍵。研究表明，擁有良好浸潤特性的金屬，比如，T1、Cr或Fe與碳納米材料的接觸幾乎為歐姆型，不存在接觸勢皇。無論是何種襯板，都應(yīng)該加長納米壁和襯板層的接觸厚度，埋覆在襯板的長度越長，導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度越好。
[0033]銅芯3，其連接于襯板層I中遠(yuǎn)離納米壁層2的一面；
[0034]冷卻裝置，其包括:
[0035]第一陶瓷導(dǎo)熱片4，其呈內(nèi)部中空的圓柱型，且該圓柱的兩端呈敞口設(shè)計(jì)，第一陶瓷導(dǎo)熱片4套設(shè)于電子發(fā)射端外部，并在第一陶瓷導(dǎo)熱片4靠近納米壁層2的一端架設(shè)有柵網(wǎng)5 ;柵網(wǎng)5與納米壁層2平行，柵網(wǎng)5設(shè)有兩個(gè)高壓電接線端，但它們的具體位置不受限制；柵網(wǎng)5主要起到一個(gè)引出電子和電場聚焦的作用，其自身需要一定強(qiáng)度的高壓，柵網(wǎng)5在接通高壓電后，能夠控制陰極電子流的開關(guān)。電場E = V/d，如果沒有柵網(wǎng)5，就必須由陽極提供電場，此時(shí)d數(shù)值較大，相同的電場強(qiáng)度下需要更高的電壓，開關(guān)操作極其不便，不能產(chǎn)生高質(zhì)量脈沖電流。但若有了柵網(wǎng)5，就可以在很短的d，用很低的V引出電子，起到開關(guān)電流的作用，不僅能夠高效執(zhí)行脈沖電流操作，還能在較低