場發射電子源裝置的制作方法

本發明總體上涉及場致電子發射領域，更具體地涉及一種場致電子發射源裝置以及利用其控制場發射陰極測試與老化過程中電流穩定性的方法。

背景技術：

場發射是指在外加電場的作用下，電子發生逸出的過程，即在外加電場的作用下陰極表面勢壘高度變低、寬度變窄，大量電子由于量子隧道效應穿透表面勢壘而逸出，而不需要另外增加能量。場發射陰極具有工作溫度低、高時間分辨、可編程發射特點，在x射線管和x射線成像領域具有廣泛的應用前景。而場發射陰極由于生長工藝的影響，存在電流發射穩定性問題，并且長時間工作會存在電流衰減。現有技術在陰極電流穩定性上采用柵極電流調節器，通過對場發射電壓反饋補償，從而實現發射電流的穩定，該方案需要進行復雜的電路設計，實現成本較高，難度較大。

有鑒于此，需要開發一種新的技術來克服這些缺陷。

技術實現要素：

針對上述現有技術的不足，本發明提供了一種場致電子發射源裝置以及利用其控制場發射陰極測試與老化過程中電流穩定性的方法，從而有效地解決場發射陰極測試與老化過程中電流發射穩定性、成本以及實施難度方面的問題。

在本發明的一個方面，提供了一種場發射電子源裝置，其可以包括二極式場發射電子源、真空腔、真空泵機組、高壓電源、高壓脈沖驅動單元、真空環境監測單元和控制平臺。所述二極式場發射電子源設置于所述真空腔內。所述高壓電源可以經所述真空腔的第一法蘭連接至所述二極式場發射電子源的陽極，所述高壓脈沖單元經所述真空腔的第二法蘭連接至所述二極式場發射電子源的陰極，所述真空環境監測單元經所述真空腔的第三法蘭連接至所述真空腔，所述真空泵機組經所述真空腔的第四法蘭連接至所述真空腔，所述控制平臺經通訊線纜分別連接至所述高壓電源、所述真空環境監測單元以及所述高壓脈沖驅動單元。

在一種實施方案中，所述高壓脈沖驅動單元的一端接地。

在一種實施方案中，所述陰極可以為生長在金屬襯底上的碳納米管，所述陽極可以為ito導電玻璃或不銹鋼片，所述陽極與所述陰極之間的距離可以介于100μm和200μm之間，優選為100μm左右；所述真空腔可以是定制的，并通過所述真空泵機組可以維持所述真空腔內的真空度介于10^-6pa與10^-4pa之間，優選為10^-5pa左右。

在一種實施方案中，所述高壓脈沖驅動單元可以包括低壓脈沖驅動模塊和高壓切換模塊。

在一種實施方案中，所述真空泵機組可以由前級機械泵和分子泵組成。

在一種實施方案中，在所述高壓電源和所述二極式場發射電子源陽極之間可以串聯有高壓電阻。所述高壓電阻優選為玻璃釉棒狀高壓電阻器。

在一種實施方案中，所述真空環境監測單元可以包括真空計和真空電離規管，所述真空電離規管的測量端經所述第三法蘭嵌入所述真空腔中，引出的電極端連接所述真空計。

在一種實施方案中，所述控制平臺可以與所述高壓電源、所述高壓脈沖驅動單元、以及真空檢測單元進行通訊連接，并且所述控制平臺可以采用labview上位機軟件進行集成控制。

在本發明的另一個方面提供了一種利用權利要求1-10中任一項所述的場發射電子源裝置控制場發射陰極測試與老化過程中電流穩定性的方法，其可以包括以下步驟：使所述場發射電子源的陰極電子發射能力與在所述陰極和所述陽極之間所施加的電場強度相關聯，并且在所述陰極與所述陽極之間的間距固定的情況下，使得由高壓電源輸出到所述陽極的電壓越高，所述陰極電子發射能力越強；在所述場發射電子源上加載持續的高壓，采用高壓脈沖驅動單元把加載在場發射電子源上的所述持續的高壓調節成脈沖式高壓；設定脈沖式高壓的短脈沖寬度t1、短脈沖周期t1、長脈沖寬度t2、連續脈沖周期t2、以及幅值，其中所述t1＜t2，t1＜t2，每經過若干次短脈沖后輸出一個長脈沖，以用于高壓電源穩定讀取測試中的電流，反饋給控制平臺進行調節，并在下一個連續脈沖周期t2到來前完成調節過程。

在一種實施方案中，所述調節過程可以通過以下步驟來實現：通過控制平臺的上位機程序進行判斷，當電流出現衰減時，則提高所述高壓電源的輸出電壓來進行補償，當電流增大時，則降低所述高壓電源的輸出電壓進行抑制。

在一種實施方案中，所述調節過程可以在整個過程采用動態反饋調節進行自動控制，且通過改變所述連續脈沖周期t2的次數來設置測試時間。

在一種實施方案中，所述高壓電源可以提供不超過5kv的電壓，以及不超過200ma的電流。

在一種實施方案中，所述幅值可以為2000-3000v左右。

在一種實施方案中，所述t1可以介于10毫秒和100毫秒之間，優選50毫秒左右，而所述測試時間可以介于0.8秒至1.2秒之間，優選1秒左右。

在一種實施方案中，所述真空環境監測單元可以將真空度變化值反饋給所述控制平臺，再由所述控制平臺判斷是否關閉高壓電源輸出，以防止陰極持續打火導致所述陰極損壞。

在一種實施方案中，工作時可以先開啟所述真空泵機組的前級機械泵，由該機械泵將所述真空腔的真空度抽排至介于0pa和100pa之間，優選10pa左右，然后再開啟所述真空泵機組的分子泵，經過一段時間的抽取維持所述真空腔的真空度在介于10^-6pa與10^-4pa之間，優選10^-5pa左右。

本發明的一些方面也可以描述如下：(1)本發明針對的是冷陰極場致電子發射源，具體實施采用碳納米管陰極作為電子發射源；(2)場發射電子源采用二極式結構，由場發射陰極和陽極組成，陽極由高壓電源引出，陰極經高壓脈沖驅動單元接地；(3)高壓電源采用恒壓直流電源，用于加載到陽極上，提供激發陰極電子逸出所需電場；(4)高壓脈沖驅動單元用于把高壓電源持續輸出的恒流高壓調節為脈沖式輸出，具體實施可以采用高壓切換器或者自主進行電路設計；(5)真空環境監測單元主要由真空計與真空電離規管組成，用于監測陰極測試與老化過程中真空腔體的真空度；(6)高壓電源、高壓脈沖驅動單元和真空環境監測單元都與控制平臺進行通訊連接，并進行集成控制，具體實施可采用labview上位機控制平臺；(7)真空腔根據需求進行定制，用于提供場發射電子源測試與老化所需的真空實驗條件；(8)真空泵機組由前級機械泵和分子泵組成，用于維持真空腔的真空環境。

因此本發明針對場發射陰極電流穩定性問題，設計一套場發射電子源裝置，在場發射陰極測試與老化階段，以更簡便方式調節電流穩定發射。更具體而言，本發明的優點主要體現在：(1)本發明在場發射陰極測試與老化階段，通過上位機軟件控制平臺，對場發射電壓進行反饋補償，從而實現發射電流的穩定控制，相對采用柵極電流調節器，實現過程更加經濟簡便；(2)本發明裝置可實時監測上述場發射陰極電流發射過程中真空度的變化過程，當出現持續打火現象時可以關閉高壓電源輸出，起到保護場發射陰極的作用。

附圖說明

圖1為場發射電子源裝置整體結構示意圖。

圖2為場發射電子源脈沖電子發射時序圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施例進行說明。在下文所描述的本發明的具體實施例中，為了能更好地理解本發明而描述了一些很具體的技術特征，但顯而易見的是，對于本領域的技術人員來說，并不是所有的這些技術特征都是實現本發明的必要技術特征。下文所描述的本發明的一些具體實施例只是本發明的一些示例性的具體實施例，其不應被視為對本發明的限制。另外，為了避免使本發明變得難以理解，對于一些公知的技術沒有進行描述。

圖1示出了在一種實施方式中的場發射電子源裝置的整體結構，其包括如圖所示連接的二極式場發射電子源110、真空腔610、真空泵機組710、高壓電源310、高壓脈沖驅動單元510、真空環境監測單元810和控制平臺410。真空腔610有4個法蘭911-914。場發射電子源裝置還包括高壓電阻210。

二極式場發射電子源由陰極110a和陽極110b組成，陰極為生長在金屬襯底上的碳納米管，陽極為ito導電玻璃或不銹鋼片，陽極與陰極距離100μm左右；二極式場發射電子源放置在定制的真空腔中，并由真空泵機組持續抽取真空腔內剩余空氣，維持真空腔內真空度在10^-5pa左右。

二極式場發射電子源陽極經真空腔法蘭接高壓電源，并在高壓電源前串聯一個高壓電阻，具體可采用玻璃釉棒狀高壓電阻器，高壓電源最高提供電壓5kv、電流200ma；場發射電子源陰極同樣經過真空腔法蘭接高壓脈沖驅動單元，高壓脈沖驅動單元可以采用自行設計的電路，包括低壓脈沖驅動模塊和高壓切換模塊。

真空泵機組由前級機械泵和分子泵組成，工作時先開啟前級機械泵，由機械泵把真空腔的真空度抽至10pa左右，然后再開啟分子泵，經過一段時間的抽取維持真空度在10^-5pa左右。

真空環境監測單元包括真空計和真空電離規管，真空電離規管測量端經真空腔法蘭嵌入真空腔中，引出的電極端接真空計。當真空腔內真空度出現較大波動時(陰極出現打火)，真空計把真空度變化值反饋給控制平臺，再由控制平臺判斷，關閉高壓電源輸出，防止陰極持續打火導致陰極損壞。

控制平臺與高壓電源、高壓脈沖驅動單元、真空檢測單元進行通訊連接，并采用labview上位機平臺進行集成控制，實現場發射陰極測試與老化過程中電流發射穩定性控制。

場發射陰極測試與老化過程中電流穩定性控制過程如下：場發射電子源陰極電子發射能力與陰極和陽極之間所加電場強度有關，在陰極與陽極間距固定的情況下，與高壓電源輸出到陽極電壓有關，輸出的電壓越大，陰極電子發射能力越強，而電壓越高，陰極出現打火概率越大。因此，采用高壓脈沖驅動單元把加載在場發射電子源上的持續高壓調節為脈沖式高壓。如圖2所示，加載在場發射電子源兩極間的高壓脈沖寬度為t1、脈沖周期為t1，幅值為2000v，在另一實施例中為2500v，在又一實施例中為3000v。測試過程中脈沖寬度t1設置為20毫秒，在另一實施例中為50毫秒，在又一實施例中為80毫秒。而高壓電源穩定讀取陰極測試過程中的電流時間為0.8秒，在另一實施例中為1秒，在又一實施例中為1.2秒。因此經過幾次正常脈沖后輸出一個長脈沖t2，用于高壓電源穩定讀取測試中的電流，反饋給控制平臺進行調節，并在下一個t2周期內完成調節過程。具體實現方法通過控制平臺的上位機程序進行判斷，當電流出現衰減時，增加高壓電源輸出電壓進行補償，當電流增大，則降低高壓電源輸出電壓進行抑制。整個過程采用動態反饋調節進行自動控制，測試時間可以通過改變t2周期次數進行設置。

本發明關鍵點主要是針對場發射陰極測試與老化階段，發明了一種場發射電子源裝置，從而能夠有效的解決陰極電流發射穩定性問題。本發明保護點主要包括場發射電子源裝置及陰極電流穩定性控制實現方法。

本發明在碳納米管場發射電子源測試與老化階段已經經過長時間使用，裝置運行安全可靠，可以達到預期效果。本發明還可以適用于類似場發射材料電子源測試與老化裝置。

盡管已經根據優選的實施方案對本發明進行了說明，但是存在落入本發明范圍之內的改動、置換以及各種替代等同方案。還應當注意的是，存在多種實現本發明的方法和系統的可選方式。因此，意在將隨附的權利要求書解釋為包含落在本發明的主旨和范圍之內的所有這些改動、置換以及各種替代等同方案。