M型微波器件的製作方法
2023-05-01 01:35:51 1
專利名稱：M型微波器件的製作方法
技術領域：
本發明屬於電子學技術領域，尤其涉及利用電子渡越時間(electron-transit tine)產生微波電磁輻射的真空電子器件，即M型微波器件。更具體地說，本發明涉及所述器件的結構元件，即無需預熱就可以發射電子的陰極。
在M型微波器件中，廣泛使用陰極(由於其複雜的結構，更準確的名稱應為陰極組件)。這些陰極同時利用二次電子發射和場致發射。產生二次電子發射的原因是沿外擺線行進在電極之間的一部分電子返回到陰極以及離子轟擊陰極，所謂場致發射是導體表面在相當強電場作用下發生的電子發射現象。這種場致發射又激發和維持了所謂的二級電子發射。
改善陰極二次發射性能的方法眾所周知，包括用材料例如氧化物，尤其是特殊的釷氧化物等等，做成的構造(或它的表面塗層)。
要求的場輻射量主要決定於相應元件及元件材料的選用，它們決定了電子從給定的材料到真空的釋放操作。在另一些情況下，在側表面具有微觀特性(粗糙度、不平整度)的平面元件(膜)用作場致電子發射體。而對位於器件的聚焦邊緣的該場致發射體的使用，在USSR發明人證書號為320，852，1971年11月4日授權給L．G．Nekrasov等人的「M型微波器件的陰極」，Int．C1．H01J1／32中已有描述。
1995年7月27日授權給V．I．Makhov等人的、RU專利號為2，040，821的「M型微波器件」，Int．C1．H01J1／30，描述了沿著陰極組件棒的以墊圈的形式構成的場致電子發射體的位置。後者的器件結構是與本發明相關的最接近的在先技術。這種公開的在先技術的特性構成權利要求獨立權項1(前序部分)，也就是說，所述的權利要求是與本發明的最接近的現有技術。
由於場致發射的電流值與場致電子發射體的發射面積成比例，根據目前的工藝水平，仍需要提高場致電子發射體使用工作表面的效率。由於磁控管陽極構成帶有空腔槽的圓柱形表面，磁控管的初級電流由場致電子發射體相對於陽極圓柱部分的位置決定，該陽極圓柱部分到場致電子發射體的工作表面距離最短。
有兩種方法可將初級電流提高到一個規定值減小場致電子發射體的膜厚度，以增大發射體端表面的電場密度，或者用第二種方法-通過增大參與發射的面積，即擴大場致電子發射體的數目。這裡，第一種方法的特點增加了對場致發射陰極的電機作用力，導致其機械可靠性和伏安特性降低，而第二種方法的特點是使磁控管的陰極結構更加複雜，難於適應高效的生產，同時降低了可靠性。
本發明的主要目的是提高場致電子發射體的使用工作表面的效率，提高它們的可靠性，同時提高場致發射穩定性，延長M型微波器件的使用壽命，該M型微波器件包括一個陽極和一個陰極，該陰極具有一個圓柱型棒，其表面帶有場致電子發射體，該發射體製造為平面圓片，以及位於與陰極軸垂直的平面上的二次電子發射體，所述的這兩種發射體分別產生首次和二次發射(primary and secondary emission)。
根據本發明，上述目的通過如權利要求1所述的M型微波器件實現，進一步的各實施例在多項從屬權項中得到。
本發明的M型微波器件包括一個陽極和一個陰極組件，該陽極包圍著一個圓柱型真空腔，陰極組件置於陽極內部，該陰極組件包括與陽極同軸的圓柱棒、場致電子發射體，該場致電子發射體製成為一個或幾個平面元件，它們與該圓柱棒在機械上與電氣上相連接，從而將工作端面延伸至陽極，二次電子發射體製造成為一個或幾個具有增加的二次電子發射係數的部件，所述的部件被置於圓柱棒的表面。當使得所述的平面元件的法線與圓柱棒的軸線的夾角大於0度，就可實現上述的目的。
在本發明的一個最佳實施例中，一個場致電子發射體呈平面元件形狀，其與徑向平面之間的夾角大於5度，該徑向平面與圓柱棒軸線垂直。
在本發明的另一個最佳實施例中，場致電子發射體呈平面元件的形狀，其放置呈螺旋形，從該螺旋形中延伸出的軸線與圓柱棒的軸線對齊。
在本發明的又一個最佳實施例中，場致電子發射體呈平面元件形狀，該場致電子發射體表面的法線與陰極軸線垂直。換種說法，該平面元件表面在與穿過圓柱棒軸線的軸平行的平面上。
根據本發明，構成場致電子發射體的平面元件可以用真空間隙與二次電子發射體區域(圓柱棒的塗層)相隔離。
在本發明的一個最佳實施例中，場致電子發射體的材料可以含有正電子材料的摻雜物，或同類材料的摻雜物，或它們兩者，同類材料的摻雜物最好位於比正電子材料摻雜物更深的位置上。
所述的場致電子發射體的工作端面最好用非晶體材料製成。
對大量實際應用而言，組成場致電子發射體的平面元件可以有空腔，在空腔中含有一層正電子材料。它的端面也可以製成金屬-絕緣體-金屬的多層形式，每層厚度為2-10nm。
所述的場致電子發射體可以用鎢、鉬、鉭、鈮、鈦或者鉿、矽構成。它也可以用非晶體導電材料和碳基合金，包括正電子材料摻雜物構成。
場致電子發射體的平面元件的工作端面最好被鍍上一層隧道薄層(tunnel-thin)絕緣層，該絕緣層也含有正電子材料摻雜物。
本M型微波器件的基本特徵在於所述元件可以產生首次發射，該元件被置於一個表面，該表面的法線與陰極軸不平行，其夾角大於0度。
這種區別特徵有助於實現本發明的目的。這樣做時，通過更有效地利用場致電子發射體的工作表面，使初級電流增加，因此，依據本設計，可從更大的發射體表面發射。
本發明的另一個優點在於，通過可能減少使用的場致電子發射體數量，而簡化了器件。
本發明的第三個優點是降低了工作電壓，則擴大了使用器件的種類和提高了場致電子發射體的結構性能，以及可使用更大範圍的具有穩定的伏安特性和能夠延長器件使用壽命的材料和合金。
本發明的其他目的和優點將在下述的詳細說明中闡明。部分地在說明書中很明顯得到，或者可以通過發明的實踐了解。
附圖簡要說明結合各附圖闡明本發明的最佳實施例，這些附圖併入且構成了說明書的一部分，連同上述的一般性描述和如下的最佳實施例的詳細描述，用來解釋本發明的原理。
圖1是依據如權利要求2所述的本發明的實施例的器件的縱向(軸向)截面示意圖。
圖2是圖1中沿A-A線剖面的器件的橫向(徑向)截面示意圖。
圖3是依據如權利要求3所述的本發明的實施例的器件的縱向(軸向)截面示意圖。
圖4是依據如權利要求4所述的本發明的實施例的器件的縱向(軸向)截面示意圖。
圖5是圖4中沿A-A線剖面的器件的橫向(徑向)截面示意圖。
圖6是依據如權利要求2和5所述的本發明實施例的陰極組件的局部縱向(軸向)截面圖，即當場致電子發射體的平面元件與垂直於圓柱棒軸線的徑向平面偏離大於5度，同時用一個真空間隙將其與二次電子發射體隔離。
圖7是根據如權利要求6所述的本發明的實施例的場致電子發射體平面元件的端面示意圖。
圖8是根據如權利要求8所述的本發明的實施例的場致電子發射體平面元件的端面截面示意圖，在其中比正電子材料更深的位置上有同種摻雜材料。
圖9是根據如權利要求10所述的本發明的實施例的場致電子發射體平面元件的端面截面示意圖，其上有空腔，該空腔內部填有具有低功函數(low work function)的材料。
圖10是根據如權利要求11所述的本發明的實施例的場致電子發射體平面元件的端面截面示意圖，該端面的結構為金屬-絕緣體-金屬多層形式。
圖11是根據如權利要求15所述的本發明的實施例的場致電子發射體平面元件的端面截面示意圖，該端面塗覆隧道薄層絕緣層。
在圖中，為清晰和一致性起見，提供如下定義1-陽極2-陰極3-圓柱棒4-場致電子發射體5-二次電子發射體6-聚焦電極7-真空間隙8-正電子材料摻雜物9-場致電子發射體端面中的空腔10-同類材料摻雜物11-導體層12-絕緣層13-隧道薄絕緣層本發明的最佳實施例的詳細描述如下附圖1至5為M型微波器件，包括一個堅固的陽極1，該陽極1上有抽成真空的圓柱形腔和腔槽；一個陰極2置於該陽極內，該陰極包括圓柱棒3，其上有平面(膜)場致電子發射體4，該場致電子發射體4的平面的法線(在法線上的每一個點)與陰極軸線不平行，並形成一個大於0度的角度；一個二次電子發射體5，所述的發射體分別產生首次和二次電子發射。聚焦電極6用於縮小電子相互作用距離。真空間隙7使該器件的陽極1和陰極2隔離。
場致電子發射體的平面元件可由表面具有微觀特性的箔片製成圓形或橢圓形的一片(或相互平行的幾片)，如圖1和圖2所示，或如圖3所示的螺旋形，或如圖4和圖5所示的矩形。場致電子發射體4沿所說的陰極上的棒3的軸線呈螺旋型，便於陰極自動裝配，並更加穩定。
如圖6所示的一個實施例中，真空間隙7將場致電子發射體4與二次電子發射體5隔離。
場致電子發射體4的平面元件，特別是其端面，可摻雜正電子材料摻雜物8，如圖7所示。
如圖8所示的一個實施例，為擴散一穩定的場致電子發射體的部分示意圖，是通過將同類材料摻雜物10置於比位於發射體表面正電子材料摻雜物8更深的位置上，而使其結構上更能承受較沉重的負荷。
為加大正電子材料用量，在場致電子發射體的端面可形成空腔9，將所述的材料摻雜物8置於其中，如圖9所示。
圖10為本發明的另一個實施例，該場致電子發射體的平面元件端面的一部分為多層結構，其組成為導體11-絕緣體12-導體11，每層的厚度為2～10nm。用此方式製造的該場致電子發射體，可增大場致電子發射體的強度，降低功函數。
圖11為場致電子發射體平面元件的端面的截面圖，該端面塗覆有隧道薄膜絕緣層，這是根據本發明的權利要求15所述的一個實施例。由此增強了場致電子發射體的穩定性。
本發明的微波器件工作過程說明如下。
陽極接地。負工作電壓施加於陰極。場致發射保證了初級激發電流。在電磁場微波的作用下發射出的場致電子加速並改變了它們的行進方向，部分落在產生二次電子發射的元件上，因而碰撞出二次電子，其反過來，像雪崩一樣成倍數增長，形成器件的工作電流。
本發明的M型微波器件，當使用後在技術上和經濟上更有效。
本發明可被廣泛應用於設計高效的瞬時激發的微波器件的真空電子工業領域。
儘管已結合最佳實施例描述了本發明的內容，但本發明不限於它的細節說明，各種改變和改進對本技術領域的普通技術人員是顯而易見的，本發明的發明要點、範圍和意圖在以下的權利要求中限定。
權利要求
1.一種M型微波器件，包括一個包圍著圓柱型真空腔的陽極和置於該陽極中的陰極組件，該陰極組件包括一個與陽極同軸的圓柱棒；一個場致電子發射體，該發射體製成至少一個具有工作端面的平面元件，該元件與所說的圓柱棒在機械上和電氣上相連接，並從工作端面向陽極延伸；一個二次電子發射體，該發射體製成至少有一個具有增大的電子發射係數的部件，該部件置於所說的圓柱棒表面；其特徵在於每一個所述的平面元件的法線與該圓柱棒的軸之間的夾角大於0度。
2.根據權利要求1所述的M型微波器件，其特徵在於，所述的平面元件相對於徑向平面的夾角大於5度，該徑向平面垂直於所說的圓柱棒的軸。
3.根據權利要求1所述的M型微波器件，其特徵在於，所述的平面元件放置成螺旋形，從螺旋形延伸出的軸線與該圓柱棒軸線對齊。
4.根據權利要求1所述的M型微波器件，其特徵在於，所述的平面元件的位置為電子發射體薄膜的表面的法線垂直於所說的陰極軸。
5.根據權利要求2、3或4所述的M型微波器件，其特徵在於，所述的每一個場致電子發射體由一個真空間隙與所說的二次電子發射體相隔離。
6.根據權利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特徵是所述的場致電子發射體被摻雜的材料包括至少一種正電子材料摻雜物。
7.根據權利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特徵在於，所述的場致電子發射體端面的材料包含有同類材料的摻雜物。
8.根據權利要求6所述的M型微波器件，其特徵在於，所述的場致電子發射體端面的材料包含有同類材料的摻雜物，所述的摻雜物被置於比正電子材料摻雜物更深的位置上。
9.根據權利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特徵在於，所述的場致電子發射體的材料為非晶體。
10.根據權利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特徵在於，所述的場致電子發射體的工作端面包含多個空腔，其中置有低的功函數的材料。
11.根據權利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特徵是所述的場致電子發射體的端面為金屬-絕緣體-金屬的多層結構，每層厚度為2-10nm。
12.根據權利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特徵在於，所述的場致電子發射體材料從鎢、鈮、鉭、鈦、鉬、矽和它們的摻雜物中選擇。
13.根據權利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特徵在於，所述的場致電子發射體是用非晶體導電金屬和碳基合金材料製作而成。
14.根據權利要求13所述的M型微波器件，其特徵在於，所述的非晶體導電金屬和合金摻雜有正電子材料摻雜物。
15.根據權利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特徵是所述的場致電子發射體的端面塗有隧道薄膜絕緣層。
16.根據權利要求15所述的M型微波器件，其特徵是所述的隧道薄膜絕緣層包含正電子材料摻雜物。
全文摘要
本發明涉及一種M型微波器件,其目的在於提高場致電子發射體的使用工作表面的效率,在提高場致發射的穩定性的同時,提高其可靠性和器件的使用壽命。上述目的通過M型微波器件的設計而實現,該器件包括一個包圍著圓柱形真空腔的陽極和一個置於陽極內並與其同軸的陰極組件,該陰極組件包括一個圓柱棒,圓柱棒的表面有製成平面(膜)的場致電子發射體和二次電子發射體元件,該發射體分別產生主要的和二次發射。這樣做時,平面場致電子發射體的法線不平行,並形成一個大於0度的夾角。隧道薄膜絕緣層保護著場致電子發射體的端面,該絕緣層包括各種材料和具有低的功函數材料的摻雜物。
文檔編號H01J25/50GK1292928SQ99803755
公開日2001年4月25日 申請日期1999年1月5日 優先權日1998年1月8日
發明者佛拉基米爾I·麥克霍夫 申請人:利通系統有限公司