六硼化镧场发射电子枪的研究
电子枪作为电子显微镜、X射线管等微检测设备的核心部件,在工业探伤、医疗成像等领域发挥着重要的作用。相较于传统热发射阴极,场发射阴极具有无需加热、电流密度高、开关性能优异等优点。因此,利用场发射阴极,设计并研制一种具有小体积、低功耗、大电流密度、小焦点的场发射电子枪,对提高移动便携式微检测设备的性能具有重大意义。本文利用OPERA-3D计算机模拟软件,设计并制作了一种以单晶LaB_6场发射阴极作为电子源的、可用于移动便携式微检测设备的场发射电子枪。在制备完成后,本文还对单晶LaB_6场发射阴极和场发射电子枪进行了场发射性能测试。主要内容与结论如下:(1)本文设计的LaB_6场发射电子枪,包含阴极、栅极、聚焦极和阳极四个主电极结构。其中,栅极、聚焦极和阳极构成一个膜孔透镜,通过调节聚焦极的电位和孔径,能有效调节LaB_6场发射电子枪的阳极束斑尺寸。利用OPERA-3D软件对LaB_6场发射电子枪进行模拟,最终得到一组满足本文设计要求的电子枪结构参数。当栅极孔下直径为4mm,上直径为6mm,电压为1350V;聚焦极孔下直径为7mm,上直径为5mm,电压为0V;阳极距聚焦极上表面4mm,电压为30000V时,LaB_6场发射电子枪的理论阳极电流为14.1μA,理论阳极电子束斑直径为0.3mm。(2)采用电火花线切割辅助直流电化学腐蚀的方法,制备单晶LaB_6场发射阴极,并对制备完成后的阴极进行测试。结果表明,当腐蚀液为浓盐酸:无水乙醇:去离子水=1:30:30(体积比),腐蚀电流为100mA,腐蚀时间为40min时,可以获得表面形貌良好的单晶LaB_6场发射阴极。经场发射性能测试,阴极的开启电压为850V,符合实际应用要求;在阳极电压为1350V,阴极与阳极间距为0.18mm时,阴极发射电流为45.5μA,且满足场致电子发射F-N曲线所述规律。(3)根据OPERA-3D软件的模拟结果对LaB_6场发射电子枪的各个电极和零件进行了设计、加工、组装和测试。最终,经过对该电子枪进行测试,本文获得了一种阳极发射电流为13.2μA,阳极束斑直径为0.4mm的LaB_6场发射电子枪。
