基于二維納米壁的場發射陰極的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及X射線管中的陰極，特別涉及一種基于二維納米壁的場發射陰極。
【背景技術】
[0002]電子發射器件在很多領域有重要應用，例如X射線管需要陰極發射高能電子撞擊靶面產生X射線。目前的電子發射部件主要采用鎢絲，六硼化鑭等，均屬于熱發射陰極。電子發射都是物體內部電子在獲得熱能后被激發，因自身能量高于表面勢皇而逸出，響應速度慢，方向性差，且需要良好的散熱。場致電子發射是在強電場作用下發射電子的現象，用外部強電場來壓抑表面勢皇，使勢皇的最高點降低，并使勢皇的寬度變窄，致使物體內部的電子不需要另外增加能量，即不需要激發，就可以逸出。場發射陰極的優勢很明顯，因不需要對陰極進行加熱和散熱，對控制信號的響應時間達到納秒級，可以實現快速脈沖成像，電子發射方向性好，且具有能散度低(0.2?0.3eV)，壽命長的優勢。場發射需要有一個發射尖端，所需要的外部電場強度與其尖端半徑有關，半徑越小，需要的電場強度就越小。傳統場發射陰極有若干不足之處，其一，材質必須要非常堅硬，否則容易被環境中的離子轟擊而損壞，尖端一旦變鈍，就無法實現場發射；其二，堅硬的惰性材質不容易制造出場發射需要的尖端，工藝復雜。因此，納米材料(如納米管)成為了場發射器件的熱門選擇。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，容易設計其長徑比。
[0003]碳納米管(Carbon nanotube, CNT)的開啟電壓很低，束流強度高，在理想情況下是場發射的優越選擇，人們已經利用CNT場發射陰極材料取得一系列研究成果，但如何制造穩定可靠，滿足大電流高電壓使用條件的CNT冷陰極仍然是一個難點。碳納米管內流動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動，沿徑向的運動受到限制，表現出一維量子線的性質；并且由于CNT的高度不會完全一致，因電磁屏蔽效應，容易導致某些點局域電場過強，造成納米管過載而燒壞，破壞相鄰的場發射區域，甚至損壞整個陰極；CNT彼此之間是獨立的，出射的電子之間也是不相關的，因此其方向性較差。這些特性嚴重阻礙了 CNT作為場發射陰極的大規模應用。
【發明內容】
[0004]針對現有技術中存在的不足之處，本發明的目的在于通過對現有陰極結構的改進，來提供一種基于二維納米壁的場發射陰極。二維納米壁作為場發射材料有更大的潛力，它的電子不是沿一根線進行流動，而是沿二維平面進行運動，因此這就決定了它具備阻抗低、電子運動質量小的特性，出射的電子還具有高度相關的特性，是場發射陰極的優越選擇。
[0005]本發明采用的技術方案如下:
[0006]一種基于二維納米壁的場發射陰極，包括:
[0007]電子發射端，其包括襯板層和納米壁層，所述納米壁層呈網格狀，并埋覆在所述襯板層中；
[0008]銅芯，其連接于所述襯板層中遠離所述納米壁層的一面；
[0009]冷卻裝置，其包括:
[0010]第一陶瓷導熱片，其呈內部中空的圓柱型，且該圓柱的兩端呈敞口設計，所述第一陶瓷導熱片套設于所述電子發射端外部，并在所述第一陶瓷導熱片靠近所述納米壁層的一端架設有柵網；所述柵網與所述納米壁層平行，所述柵網設有兩個高壓電接線端；
[0011]第二陶瓷導熱片，其呈內部中空的圓柱型，且該圓柱的兩端呈敞口設計，所述第二陶瓷導熱片的圓環半徑大于所述第一陶瓷導熱片的圓環半徑，所述第二陶瓷導熱片套設于所述第一陶瓷導熱片的外部；
[0012]半導體層，其填充于所述第一陶瓷導熱片和第二陶瓷導熱片之間，所述半導體層還分別設有兩個電源接口；
[0013]電源，其分別與所述半導體層的兩個電源接口相連；
[0014]其中，所述第二陶瓷導熱片通過金屬片與所述銅芯相連。
[0015]優選的是，所述的基于二維納米壁的場發射陰極，其中，所述納米壁層中每個網格的四條邊與所述柵網中每個網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]優選的是，所述的基于二維納米壁的場發射陰極，其中，所述納米壁層的網格大小與所述柵網的網格大小相等。
[0017]優選的是，所述的基于二維納米壁的場發射陰極，其中，所述納米壁層的頂端設有金屬層。
[0018]優選的是，所述的基于二維納米壁的場發射陰極，其中，所述金屬層是金。
[0019]優選的是，所述的基于二維納米壁的場發射陰極，其中，所述半導體層是碲化鉍。
[0020]本發明的有益效果是:
[0021]I) 二維網格結構的納米壁使得陰極獲得了更低的阻抗，有助于更大發射電流的產生，并減弱了電磁屏蔽造成的束流下降，同時，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，增加可以利用的電子密度和二次電子發射能力；同時，還可以起到壓敏電阻的作用，壓制發射電流的波動，從而使電流更加穩定；并使得納米壁更加堅固，能夠經受一定程度的粒子撞擊，從而延長冷陰極的使用壽命；
[0023]3)網格形狀的柵極能夠最大限度的提高電子的通過率，環形的冷卻裝置根據熱電制冷的原理能夠快速高效的對柵網進行快速冷卻，以避免柵網因過熱而損壞。
【附圖說明】
[0024]圖1為基于二維納米壁的場發射陰極的結構示意圖，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構。
[0025]圖2為場發射陰極的電子發射端的立體圖。
[0026]圖3為場發射陰極的俯視圖；其中，為了便于觀察，圖中略去了柵網的結構。
[0027]圖4為納米壁層的網格與柵網的網格在空間上的相對位置關系圖。
[0028]圖5為納米壁層的頂端在修飾有金屬層后的結構示意圖。
[0029]圖6為將場發射陰極應用于X射線管中的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
[0031]本案提出一實施例的基于二維納米壁的場發射陰極，包括:
[0032]電子發射端，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，并且整體呈網格狀，埋覆在襯板層I中；襯板材料的選擇應盡可能減少接觸電阻，并且能夠與納米壁形成牢固的化學鍵。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，導電性和機械強度越好。
[0033]銅芯3，其連接于襯板層I中遠離納米壁層2的一面；
[0034]冷卻裝置，其包括:
[0035]第一陶瓷導熱片4，其呈內部中空的圓柱型，且該圓柱的兩端呈敞口設計，第一陶瓷導熱片4套設于電子發射端外部，并在第一陶瓷導熱片4靠近納米壁層2的一端架設有柵網5 ;柵網5與納米壁層2平行，柵網5設有兩個高壓電接線端，但它們的具體位置不受限制；柵網5主要起到一個引出電子和電場聚焦的作用，其自身需要一定強度的高壓，柵網5在接通高壓電后，能夠控制陰極電子流的開關。電場E = V/d，如果沒有柵網5，就必須由陽極提供電場，此時d數值較大，相同的電場強度下需要更高的電壓，開關操作極其不便，不能產生高質量脈沖電流。但若有了柵網5，就可以在很短的d，用很低的V引出電子，起到開關電流的作用，不僅能夠高效執行脈沖電流操作，還能在較低電壓下