專利名稱：一種大電流發射的復合陰極結構的制作方法
技術領域：
本發明屬于真空電子器件領域，涉及ー種熱陰極材料與場發射材料的復合結構。
背景技術：
大電流密度陰極電子發射源，是大功率電子器件(如大功率微波放大器、回旋加速器等)的關鍵技術之一。電子器件的陰極材料主要分為場發射材料(冷陰極材料)和熱發射陰極材料等，其中熱發射陰極材料的電子發射機理是陰極材料受熱達到一定的溫度吋，內部電子能量大到足以克服表面勢壘作用時，便會形成熱電子發射。熱陰極材料性能穩定，發射電流密度大，但其電子發射需要高溫加熱，這就導致熱陰極功耗大、溫度高以及不能即時響應，難以實現微型化、集成化，如今較為廣泛使用的熱陰極材料為鈧系熱陰極材料，主要是在鋁酸鋇鹽中加入微量的含鈧物質；而冷陰極一般是指場發射陰極，在強電場作用下發生量子隧穿效應，使電子逸出固體表面，這種陰極仍處于應用的中初級階段，現在其采用的場發射材料主要為碳納米管、金剛石薄膜、石墨烯和納米尺度氧化物等。
為獲得更佳的性能，人們對場發射材料嘗試了多種復合方式，主要集中在富勒烯/碳納米管、富勒烯/石墨烯等材料的復合制備方式上。

發明內容
技術問題本發明提供了一種發射壽命長，穩定性好，結構簡單的大電流發射的復合陰極結構。
技術方案本發明的大電流發射的復合陰極結構，包括陰極基底和設置在陰極基底一側的ー個圓形的敷設區和至少ー個圓環形的敷設區，圓環形的敷設區與圓形的敷設區同心、并由內至外排列在圓形的敷設區外側，所有敷設區上均敷設有陰極材料，任一敷設區上只敷設ー種陰極材料，兩相鄰敷設區上敷設的陰極材料相異，分別為熱陰極材料和場發射材料，敷設熱陰極材料的敷設區的半徑或圓環寬度均小于敷設場發射材料的敷設區的圓環寬度或半徑。其中的圓環寬度是指圓環的大圓半徑與小圓半徑之差。本發明中，陰極基底為金屬基片。有益效果本發明與現有技術相比，具有以下優點
本發明的復合陰極結構避免了熱陰極使用中必須高溫加熱來獲得電流發射，同時改善了場發射陰極(冷陰扱)的發射性能，提高了能量利用率。本發明復合結構中陰極基底的材質為金屬基片，金屬材料具有優良的導熱導電性，其不但有助于陰極熱量的散失，而且使得場發射材料產生的熱量快速傳遞至熱陰極材料區，有助于電流發射。該復合結構中使用的場發射主體材料為碳納米管，場發射材料在電子發射后期階段產生大量的熱量，同時熱陰極材料吸收其中的部分熱量產生電子發射，這使得陰極溫度不至于持續升高而使場發射材料熔化燒毀，在保證發射電流穩定的同時，延長了場發射材料的壽命。
本發明的這種復合結構充分利用了場發射材料與熱陰極材料的性能互補初始階段陰極發射的電子主要來自場發射材料，隨著電流的増大及時間的増加，陰極基底快速升高，當達到某ー臨界溫度吋，熱陰極材料開始發射電子，使得發射電流密度得到提高或維持，延長了陰極的壽命，提高了整體性能。這種性能互補的結構模式，不需要額外增加加熱裝置，有效提高了能量利用率，并且保留了場發射陰極快速響應的特點，顯著提高了陰極的發射性能。


圖I為本發明實施例I的結構示意圖。圖2為本發明實施例2的結構示意圖。圖3為本發明實施例3的結構示意圖。圖中有陰極基底I、熱陰極材料2、場發射材料3。
具體實施例方式現以熱陰極材料鈧系鋁酸鹽及場發射材料碳納米管為例，通過以下實施例進ー步說明本發明的大電流發射的復合陰極結構。本發明的大電流發射的復合陰極結構，包括陰極基底I和設置在陰極基底I ー側的一個圓形的敷設區和至少ー個圓環形的敷設區，圓環形的敷設區與圓形的敷設區同心、并由內至外排列在圓形的敷設區外側，所有敷設區上均敷設有陰極材料，任一敷設區上只敷設ー種陰極材料，兩相鄰敷設區上敷設的陰極材料相異，分別為陰極材料為熱陰極材料2和場發射材料3，敷設熱陰極材料的敷設區的半徑或圓環寬度均小于敷設場發射材料的敷設區的圓環寬度或半徑。本發明中，陰極基底為金屬基片。實施例I :
1)如圖1，在陰極基底I的中心位置處敷設熱陰極材料2，形成一個圓形的敷設區，本實施例中熱陰極材料2采用鋁酸鹽；
2)在陰極基底I中心的圓形的敷設區外敷設場發射材料3，形成一個圓環形的敷設區，圓環形的敷設區的寬度大于圓形的敷設區的直徑，本實施例中場發射材料3采用碳納米管；
3)將上述敷設有陰極材料的金屬基底置于氫氣氛圍內加熱至1200°C，恒溫2小時，冷卻后制得陰極。實施例2:
1)如圖2，在陰極基底I的中心位置及由內向外第二個圓環處敷設場發射材料3，形成一個圓形的敷設區和一個圓環形的敷設區，本實施例中場發射材料3采用碳納米管；
2)在圓形的敷設區向外第一個圓環處敷設熱陰極材料2，形成一個圓環形的敷設區，本實施例中熱陰極材料2采用鋁酸鹽，其中敷設場發射材料3的敷設區的寬度均大于敷設熱陰極材料2的敷設區的寬度；
3)將上述敷設有陰極材料的金屬基底置于氫氣氛圍中加熱至1200°C，恒溫2小時，冷卻后制得陰極。
實施例3:
1)如圖3，在陰極基底I的中心位置及由內向外第二個圓環處敷設熱陰極材料2，形成一個圓形敷設區和ー個圓環敷設區，本實施例中熱陰極材料2采用鋁酸鹽；
2)在圓形敷設區向外第一個圓環和第三個圓環處敷設場發射材料3，形成兩個圓環敷設區，其中敷設場發射材料3的敷設區的寬度均大于敷設熱陰極材料2的敷設區的寬度，本實施例中場發射材料3采用碳納米管；
3)將上述敷設有陰極材料的金屬基底置于氫氣氛圍內加熱至1200°C，恒溫2小時，冷卻后制得陰極。·
權利要求
1.ー種大電流發射的復合陰極結構，其特征在于，該復合陰極結構包括陰極基底(I)和設置在所述陰極基底(I) 一側的ー個圓形的敷設區和至少ー個圓環形的敷設區，所述圓環形的敷設區與圓形的敷設區同心、并由內至外排列在圓形的敷設區外側，所有敷設區上均敷設有陰極材料，任一敷設區上只敷設ー種陰極材料，兩相鄰敷設區上敷設的陰極材料相異，分別為熱陰極材料(2)和場發射材料(3)，敷設熱陰極材料2的敷設區的半徑或圓環寬度均小于敷設場發射材料3的敷設區的圓環寬度或半徑。
2.根據權利要求I所述的大電流發射的復合陰極結構，其特征在于，所述的陰極基底為金屬基片。
全文摘要
本發明公開了一種大電流發射的復合陰極結構，熱陰極材料和場發射材料采用有序交錯分布的方式制備在陰極基底表面，充分利用了材料的互補特性，即利用復合結構中場發射材料發射所產生的局部高溫加熱熱陰極材料促其產生熱電子發射，并在一定程度上彌補了高溫下場發射陰極損傷帶來的發射電流跌落，使電子發射的電流密度顯著提升，陰極可靠性得到保證，在大功率電子器件中有極強的應用潛力。
文檔編號H01J1/13GK102832085SQ20121033983
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者陳心全, 王琦龍, 崔云康, 李馳, 狄云松 申請人:東南大學