杜小飛,張曉兵,狄云松,于彩茹

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096)

碳納米管冷陰極電子槍柵網(wǎng)電子通過(guò)率的仿真及實(shí)驗(yàn)

杜小飛,張曉兵*,狄云松,于彩茹

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096)

在柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)碳納米管冷陰極電子槍原型器件的基礎(chǔ)上,研究了柵網(wǎng)通過(guò)率對(duì)冷陰極電子槍陰極發(fā)射和電子通過(guò)率的影響。首先通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真了柵網(wǎng)通過(guò)率對(duì)陰極發(fā)射電流及陽(yáng)極電流的影響,在其他條件相同的情況下,柵網(wǎng)通過(guò)率為80%左右時(shí)可得到最大陽(yáng)極電流;其次根據(jù)仿真結(jié)果加工了2種不同柵網(wǎng)通過(guò)率的電子槍原型并進(jìn)行了測(cè)試,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真基本一致,最后從理論上對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,對(duì)進(jìn)一步研究冷陰極電子槍提供了技術(shù)依據(jù)。

真空電子技術(shù);電子通過(guò)率;場(chǎng)致發(fā)射;電子槍;碳納米管

微波真空電子器件作為雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信、廣播電臺(tái)以及各種顯示器件中的核心器件具有非常重要的作用[1],電子槍作為微波真空器件的核心部件,一定程度上決定了真空器件的效率、增益、噪聲特性和工作穩(wěn)定性等關(guān)鍵參數(shù)。場(chǎng)致發(fā)射陰極作為一種新型電子源,不需要陰極加熱燈絲等結(jié)構(gòu),具有體積小、電流密度高、瞬時(shí)啟動(dòng)、室溫工作等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。

目前場(chǎng)致發(fā)射陰極的研究主要集中在結(jié)構(gòu)和材料方面,包括Spindt陰極等尖錐陣列結(jié)構(gòu)及碳納米管、過(guò)渡金屬碳化物等新型材料。Spindt型尖錐陣列陰極發(fā)射尖錐曲率半徑很小,只需很低的偏壓就可以產(chǎn)生電子發(fā)射[4],但是Spindt陰極需大量采用微加工技術(shù),加工難度大,并且由于陣列的不均勻性容易引起局部過(guò)度發(fā)射,陰極極易損壞且難以實(shí)現(xiàn)大面積均勻發(fā)射,這些都限制了其應(yīng)用和發(fā)展[5-6]。

碳納米管是碳的一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu),自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就受到人們的關(guān)注,并成為場(chǎng)致發(fā)射陰極材料的研究熱點(diǎn)[7]。三極結(jié)構(gòu)場(chǎng)發(fā)射模型是在陰陽(yáng)極間加入柵極,在柵陰極間形成強(qiáng)電場(chǎng),使電子逸出,這種結(jié)構(gòu)不僅場(chǎng)發(fā)射工作電壓較低,并且柵極可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的調(diào)制作用,圖1為三極結(jié)構(gòu)示意圖,D為柵孔寬度,d為柵絲寬度,不同的D、d決定柵網(wǎng)通過(guò)率。柵網(wǎng)的引入不可避免的帶來(lái)對(duì)陰極表面電場(chǎng)分布、陰極發(fā)射電流和電子通過(guò)率等影響,柵網(wǎng)通過(guò)率一方面會(huì)影響陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)度及電場(chǎng)分布,從而影響陰極發(fā)射電流;另一方面會(huì)影響電子束通過(guò)率,從而影響陽(yáng)極電流。較小的柵網(wǎng)通過(guò)率時(shí)柵網(wǎng)截獲電流較大,陰極整體發(fā)射效率很低,且在大電流時(shí)容易造成柵網(wǎng)燒毀;而較大的柵網(wǎng)通過(guò)率時(shí)陰極有效發(fā)射電流小,不能充分發(fā)揮陰極發(fā)射電子的性能。

圖1 柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)電子槍結(jié)構(gòu)示意圖

本文針對(duì)上述問(wèn)題,在前期碳納米管冷陰極場(chǎng)發(fā)射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[8-9],建立了柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)電子槍模型,進(jìn)行了電子光學(xué)仿真,研究了不同柵網(wǎng)通過(guò)率對(duì)陰極發(fā)射電流及陽(yáng)極電流的影響,確定了最佳柵網(wǎng)通過(guò)率。根據(jù)仿真結(jié)果裝配并測(cè)試了這種柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)冷陰極電子槍,仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 仿真模型建立

1.1 碳納米管場(chǎng)致發(fā)射陰極模型的建立

本文中電子發(fā)射模型是基于碳納米管的場(chǎng)致發(fā)射模型。在電子光學(xué)仿真軟件CST中,粒子源模型選擇場(chǎng)發(fā)射模型,其發(fā)射電流密度遵循經(jīng)典的F-N公式[11-12],對(duì)應(yīng)的表達(dá)式為:

(1)

式中:A,B為常數(shù),J為發(fā)射電流密度,E為陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)度,β為場(chǎng)致發(fā)射材料場(chǎng)增強(qiáng)因子,φ為發(fā)射材料的功函數(shù),對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)可得

ln(J/E2)=lna-b/E

(2)

式中:a=A(β2/φ),為場(chǎng)致發(fā)射陰極場(chǎng)致發(fā)射線(xiàn)性因子,b=B(φ3/2/β,為指數(shù)因子。a、b值取決于陰極材料本身的功函數(shù)和場(chǎng)增強(qiáng)因子。因此不同的參數(shù)a,b對(duì)應(yīng)于不同的場(chǎng)發(fā)射材料。仿真時(shí)通過(guò)調(diào)整a、b的值來(lái)確定不同的發(fā)射材料。軟件內(nèi)默認(rèn)的參數(shù)是理想條件下金屬的場(chǎng)發(fā)射模型,這與碳納米管場(chǎng)發(fā)射模型差別很大,為了使仿真結(jié)果具有實(shí)際的參考價(jià)值,本文仿真中a、b的值是根據(jù)前期碳納米管二極管測(cè)試結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的[8-10],求解過(guò)程如下:

實(shí)驗(yàn)中測(cè)試得到的數(shù)據(jù)是電壓和電流值,那么電場(chǎng)強(qiáng)度E=U/d,其中U、d分別為二極結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中陰極和陽(yáng)極間的電壓和距離。電流密度J=I/πr2,其中I為測(cè)得的電流,r為陰極半徑。將上述計(jì)算所得J、E代入式(2),利用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行線(xiàn)性擬合得到,

lna=-9.6, b=5.8×107

(3)

所以,

a=6.77×10-5A/V2,b=5.8×107V/m

(4)

該組參數(shù)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而來(lái)[13],且實(shí)驗(yàn)中不可避免的測(cè)量誤差,仿真時(shí)電流發(fā)射情況可能與實(shí)際測(cè)試情況有一定的誤差,具體仿真時(shí)可根據(jù)模擬情況和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正,盡量保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.2 柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)電子槍電子光學(xué)系統(tǒng)模型的建立

確定了陰極的發(fā)射模型及參數(shù)后,建立如圖2(a)所示的柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)電子槍模型,其中柵極與陰極距離為0.2mm,柵極與陽(yáng)極距離為1mm,陰極半徑設(shè)置為1.5mm,這些參數(shù)設(shè)置與后面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢隆７抡嬷锌烧{(diào)整合適的柵極電壓,完成陰極的場(chǎng)致發(fā)射。陽(yáng)極主要作用是收集通過(guò)柵極的電子,理論分析陽(yáng)極電壓越高越有利于電子通過(guò)柵極到達(dá)陽(yáng)極,考慮到實(shí)際情況陽(yáng)極電壓過(guò)高會(huì)造成柵極電子發(fā)射及柵極電壓對(duì)陰極電流失去調(diào)制作用,所以將陽(yáng)極電勢(shì)分別設(shè)置為4 000V、5 000V、6 000V對(duì)比其對(duì)電子通過(guò)率的影響。

柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2(b),柵孔尺寸為0.2mm×0.3mm,仿真時(shí),陽(yáng)極、陰極電壓不變,通過(guò)調(diào)整柵絲寬度d的大小來(lái)改變柵網(wǎng)通過(guò)率,進(jìn)而研究其對(duì)陰極發(fā)射電流、電子通過(guò)率和陽(yáng)極電流的影響。

圖2 電子槍及柵網(wǎng)模型

圖3 不同柵網(wǎng)通過(guò)率時(shí)陰極電流、陽(yáng)極電流 和電子束通過(guò)率

2 仿真結(jié)果及分析

圖3為不同柵網(wǎng)通過(guò)率時(shí)仿真得到的陰極發(fā)射電流、陽(yáng)極電流和電子束通過(guò)率。圖3(a)為不同柵網(wǎng)通過(guò)率時(shí)陰極發(fā)射電流大小和陽(yáng)極電流,陰極發(fā)射電流隨柵網(wǎng)通過(guò)率增大而減小,柵網(wǎng)通過(guò)率小于80%時(shí),陽(yáng)極電流逐步增大,柵網(wǎng)通過(guò)率超過(guò)80%后,陽(yáng)極電流開(kāi)始減小。圖3(b)為電子束通過(guò)率隨柵網(wǎng)通過(guò)率的變化情況,隨著柵網(wǎng)通過(guò)率增大,電子束通過(guò)率增大。

圖4 陰極表面電場(chǎng)分布

由此可知柵網(wǎng)通過(guò)率對(duì)陰極發(fā)射電流和電子束通過(guò)率的影響正好相反,柵網(wǎng)通過(guò)率的增大,會(huì)引起陰極表面場(chǎng)強(qiáng)減小,進(jìn)而使陰極發(fā)射電流減小,但是柵網(wǎng)通過(guò)率增大時(shí)電子束通過(guò)率增大。由圖3可知陽(yáng)極電壓會(huì)對(duì)陰極電流和電子通過(guò)率產(chǎn)生影響,但起關(guān)鍵因素的量是柵網(wǎng)通過(guò)率,實(shí)驗(yàn)中可設(shè)置陽(yáng)極為5 000 V探究柵網(wǎng)通過(guò)率對(duì)陰極電流和電子通過(guò)率的影響。

圖3(a)中,柵網(wǎng)通過(guò)率大于80%后,陽(yáng)極電流迅速減小,這是由于較大的柵網(wǎng)通過(guò)率雖然有助于提高電子束通過(guò)率,但此時(shí)陰極表面電場(chǎng)已經(jīng)減弱的比較明顯,如圖5所示,柵網(wǎng)通過(guò)率大于80%后電場(chǎng)明顯減小,而根據(jù)式(1)電流密度表達(dá)式可知,場(chǎng)發(fā)射電流隨電場(chǎng)強(qiáng)度的減小呈成指數(shù)形式減小,所以此時(shí)陰極發(fā)射電流迅速減小(由圖3(a)可知)。

下面從陰極表面電場(chǎng)分布情況進(jìn)一步分析上述結(jié)果。在陰極表面設(shè)置如圖4(a)所示電場(chǎng)監(jiān)視線(xiàn),柵網(wǎng)通過(guò)率為80%時(shí)陰極表面電場(chǎng)分布如圖4(c),陰極表面電場(chǎng)在4.07×106V/m到4.16×106V/m之間波動(dòng),這是由于柵絲對(duì)應(yīng)的陰極表面電場(chǎng)比柵網(wǎng)孔對(duì)應(yīng)的陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)而導(dǎo)致的,這一點(diǎn)可以從陰極表面的電場(chǎng)線(xiàn)分布看出,如圖4(b)所示,電場(chǎng)線(xiàn)密的地方代表電場(chǎng)強(qiáng)度大,實(shí)線(xiàn)所指柵絲對(duì)應(yīng)的陰極表面電場(chǎng)線(xiàn)比虛線(xiàn)所指柵網(wǎng)孔對(duì)應(yīng)的陰極表面電場(chǎng)線(xiàn)密,即柵絲對(duì)應(yīng)的陰極區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度比柵網(wǎng)孔對(duì)應(yīng)的陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)度大。

圖5為柵網(wǎng)通過(guò)率從10%～90%時(shí)陰極表面電場(chǎng)平均值變化情況,隨著柵網(wǎng)通過(guò)率增大,陰極表面平均電場(chǎng)在減小。

圖5 陰極表面電場(chǎng)隨柵網(wǎng)通過(guò)率的變化情況

圖4(c)表明柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)電子槍陰極表面各個(gè)點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度不同,柵絲正對(duì)的陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)度要比柵孔正對(duì)的陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)度大,所以柵絲正對(duì)的陰極表面發(fā)射電流要比柵格正對(duì)的陰極表面發(fā)射電流大;圖5表明隨著柵網(wǎng)通過(guò)率增大,陰極表面平均電場(chǎng)減小。綜合上述兩點(diǎn)可知,此柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)電子光學(xué)系統(tǒng),若減小柵絲寬度,柵網(wǎng)通過(guò)率大增大,一方面會(huì)引起陰極電場(chǎng)強(qiáng)度減小,同時(shí)會(huì)引起柵絲對(duì)應(yīng)的陰極表面面積減小,從而引起有效發(fā)射電流小,但此時(shí)電子束通過(guò)率高;若增大柵絲寬度,柵網(wǎng)通過(guò)率減小,此時(shí)一方面陰極表面電場(chǎng)強(qiáng)度大,同時(shí)柵絲對(duì)應(yīng)的陰極表面面積大,從而有效發(fā)射電流大,但此時(shí)電子通過(guò)率低。因此,在其他條件相同的情況下,存在最佳柵網(wǎng)通過(guò)率,使陽(yáng)極電流達(dá)到最大,如圖3(a)所示陽(yáng)極電流的變化情況,柵網(wǎng)通過(guò)率在80%左右時(shí),可獲得最大陽(yáng)極電流。

綜上可得,柵網(wǎng)通過(guò)率為78%～82%時(shí),陽(yáng)極電流達(dá)到最大,因此,在實(shí)際應(yīng)用此模型時(shí),可將柵網(wǎng)通過(guò)率控制在80%左右,在其他條件相同時(shí),可獲得最大陽(yáng)極電流。

3 電子槍原型設(shè)計(jì)及測(cè)試

3.1 電子槍原型制備

實(shí)驗(yàn)中的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陰極采用絲網(wǎng)印刷法制備,制備過(guò)程大致如下:首先對(duì)金屬陰極基底進(jìn)行拋光和清洗,去除其表面雜質(zhì)。在其表面印制銀漿,隨后在銀漿表面印制碳納米管漿料,將所得陰極放入烘箱400 ℃恒溫保持2 h,以便去除陰極材料中的有機(jī)雜質(zhì)。

根據(jù)前面仿真結(jié)果,結(jié)合實(shí)際加工精度及周期,加工了2種尺寸柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電子槍原型,一種為柵網(wǎng)通過(guò)率50%,另一種為柵網(wǎng)通過(guò)率80%。圖6為電子槍原型及測(cè)試電路示意圖。

圖6 電子槍及電路連接示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中過(guò)程中陽(yáng)極要實(shí)時(shí)水冷,一方面可保證碳管的場(chǎng)發(fā)射特性不會(huì)由于測(cè)試中陰極發(fā)熱而受到明顯影響,另一方面保護(hù)柵網(wǎng)在較大電流下不被燒毀。

實(shí)驗(yàn)電路連接示意圖如圖6,陽(yáng)極接地,柵極和陰極接負(fù)壓直流電源。圖7為所制備的2種柵網(wǎng)通過(guò)率對(duì)應(yīng)的電子槍原型的測(cè)試結(jié)果,其中,50%柵網(wǎng)通過(guò)率結(jié)構(gòu)其電子束通過(guò)率在30%左右,80%柵網(wǎng)通過(guò)率結(jié)構(gòu)其電子束通過(guò)率在55%左右。相同陰極電流情況下,80%柵網(wǎng)通過(guò)率結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極電流比50%柵網(wǎng)通過(guò)率結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極電流明顯提高。

圖7 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中電子通過(guò)率比模擬數(shù)據(jù)偏低,一方面是因?yàn)槟M是在理想情況下得到的,陰極發(fā)射也是在理想狀態(tài)下進(jìn)行,而實(shí)驗(yàn)中陰極發(fā)射情況會(huì)與模擬中設(shè)定的a,b參數(shù)對(duì)應(yīng)的發(fā)射模型有所差別,還有柵網(wǎng)處理工藝、陰極打火等不可避免的復(fù)雜情況會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響;另一方面,由于加工精度的影響,柵極和陰極對(duì)中會(huì)有偏差,這也是影響電子通過(guò)率的重要原因。由于柵網(wǎng)加工精度及電子槍原型裝配周期等因素,目前還沒(méi)有柵網(wǎng)通過(guò)率大于80%時(shí)的實(shí)驗(yàn)情況,后期實(shí)驗(yàn)將繼續(xù)完善改進(jìn)此柵極結(jié)構(gòu)電子槍的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

通過(guò)研究柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)電子槍原型不同柵網(wǎng)通過(guò)率對(duì)陰極發(fā)射電流和陽(yáng)極電流的影響,確定了其他條件相同的情況下,柵網(wǎng)通過(guò)率在80%左右時(shí)可獲得最大陽(yáng)極電流,并對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步加工與驗(yàn)證。為后面冷陰極電子槍及微波器件研究與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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Simulation and Experiment of Grid Mesh Electron Transmission Efficiency Based on Carbon Nanotubes Cold Cathode Electron Gun

DUXiaofei,ZHANGXiaobing*,DIYunsong,YUCairu

(School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Based on the grid mesh cold cathode electron gun,discussing the impact of grid mesh electron transmission efficiency on cathode emission current and anode current. Firstly,grid mesh electron transmission efficiency is analyzed and simulated on computer. The simulation results show that the max anode current can be get when electron transmission efficiency of grid mesh is 80%.According to the simulation results,two kinds of electron gun model equipped with different grid mesh are machined and tested. The test results and simulation results are basically identical. In the end,the experimental result is analyzed in theory. This has laid a foundation for further research of the cold cathode electron gun.

vacuum electronics;electron transmission efficiency;field-emission;electron-gun;carbon nanotubes

2016-07-01 修改日期:2016-07-20

TN105.1;O462.4

A

1005-9490(2017)03-0530-05

C:6330D

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.003