碳纳米管冷阴极电子枪栅网电子通过率的仿真及实验

杜小飞,张晓兵,狄云松,于彩茹

(东南大学电子科学与工程学院,南京 210096)

碳纳米管冷阴极电子枪栅网电子通过率的仿真及实验

杜小飞,张晓兵*,狄云松,于彩茹

(东南大学电子科学与工程学院,南京 210096)

在栅网结构碳纳米管冷阴极电子枪原型器件的基础上,研究了栅网通过率对冷阴极电子枪阴极发射和电子通过率的影响。首先通过计算机仿真了栅网通过率对阴极发射电流及阳极电流的影响,在其他条件相同的情况下,栅网通过率为80%左右时可得到最大阳极电流;其次根据仿真结果加工了2种不同栅网通过率的电子枪原型并进行了测试,得到的实验结果与仿真基本一致,最后从理论上对实验结果进行了分析,对进一步研究冷阴极电子枪提供了技术依据。

真空电子技术;电子通过率;场致发射;电子枪;碳纳米管

微波真空电子器件作为雷达、电子对抗、通信、广播电台以及各种显示器件中的核心器件具有非常重要的作用[1],电子枪作为微波真空器件的核心部件,一定程度上决定了真空器件的效率、增益、噪声特性和工作稳定性等关键参数。场致发射阴极作为一种新型电子源,不需要阴极加热灯丝等结构,具有体积小、电流密度高、瞬时启动、室温工作等优点[2-3]。

目前场致发射阴极的研究主要集中在结构和材料方面,包括Spindt阴极等尖锥阵列结构及碳纳米管、过渡金属碳化物等新型材料。Spindt型尖锥阵列阴极发射尖锥曲率半径很小,只需很低的偏压就可以产生电子发射[4],但是Spindt阴极需大量采用微加工技术,加工难度大,并且由于阵列的不均匀性容易引起局部过度发射,阴极极易损坏且难以实现大面积均匀发射,这些都限制了其应用和发展[5-6]。

碳纳米管是碳的一种稳定结构,自被发现以来就受到人们的关注,并成为场致发射阴极材料的研究热点[7]。三极结构场发射模型是在阴阳极间加入栅极,在栅阴极间形成强电场,使电子逸出,这种结构不仅场发射工作电压较低,并且栅极可实现对电子束的调制作用,图1为三极结构示意图,D为栅孔宽度,d为栅丝宽度,不同的D、d决定栅网通过率。栅网的引入不可避免的带来对阴极表面电场分布、阴极发射电流和电子通过率等影响,栅网通过率一方面会影响阴极表面电场强度及电场分布,从而影响阴极发射电流;另一方面会影响电子束通过率,从而影响阳极电流。较小的栅网通过率时栅网截获电流较大,阴极整体发射效率很低,且在大电流时容易造成栅网烧毁;而较大的栅网通过率时阴极有效发射电流小,不能充分发挥阴极发射电子的性能。

图1 栅网结构电子枪结构示意图

本文针对上述问题,在前期碳纳米管冷阴极场发射实验的基础上[8-9],建立了栅网结构电子枪模型,进行了电子光学仿真,研究了不同栅网通过率对阴极发射电流及阳极电流的影响,确定了最佳栅网通过率。根据仿真结果装配并测试了这种栅网结构冷阴极电子枪,仿真与实验结果基本一致,最后对实验结果进行了分析。

1 仿真模型建立

1.1 碳纳米管场致发射阴极模型的建立

本文中电子发射模型是基于碳纳米管的场致发射模型。在电子光学仿真软件CST中,粒子源模型选择场发射模型,其发射电流密度遵循经典的F-N公式[11-12],对应的表达式为:

(1)

式中:A,B为常数,J为发射电流密度,E为阴极表面电场强度,β为场致发射材料场增强因子,φ为发射材料的功函数,对式(1)两边取对数可得

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

(2)

式中:a=A(β2/φ),为场致发射阴极场致发射线性因子,b=B(φ3/2/β,为指数因子。a、b值取决于阴极材料本身的功函数和场增强因子。因此不同的参数a,b对应于不同的场发射材料。仿真时通过调整a、b的值来确定不同的发射材料。软件内默认的参数是理想条件下金属的场发射模型,这与碳纳米管场发射模型差别很大,为了使仿真结果具有实际的参考价值,本文仿真中a、b的值是根据前期碳纳米管二极管测试结果实验数据计算得到的[8-10],求解过程如下:

实验中测试得到的数据是电压和电流值,那么电场强度E=U/d,其中U、d分别为二极结构实验中阴极和阳极间的电压和距离。电流密度J=I/πr2,其中I为测得的电流,r为阴极半径。将上述计算所得J、E代入式(2),利用数据处理软件进行线性拟合得到,

lna=-9.6, b=5.8×107

(3)

所以,

a=6.77×10-5A/V2,b=5.8×107V/m

(4)

该组参数由实验数据拟合而来[13],且实验中不可避免的测量误差,仿真时电流发射情况可能与实际测试情况有一定的误差,具体仿真时可根据模拟情况和实验数据的对比,对相关参数进行修正,尽量保证仿真结果的准确性。

1.2 栅网结构电子枪电子光学系统模型的建立

确定了阴极的发射模型及参数后,建立如图2(a)所示的栅网结构电子枪模型,其中栅极与阴极距离为0.2mm,栅极与阳极距离为1mm,阴极半径设置为1.5mm,这些参数设置与后面实验模型一致。仿真中可调整合适的栅极电压,完成阴极的场致发射。阳极主要作用是收集通过栅极的电子,理论分析阳极电压越高越有利于电子通过栅极到达阳极,考虑到实际情况阳极电压过高会造成栅极电子发射及栅极电压对阴极电流失去调制作用,所以将阳极电势分别设置为4 000V、5 000V、6 000V对比其对电子通过率的影响。

栅网结构如图2(b),栅孔尺寸为0.2mm×0.3mm,仿真时,阳极、阴极电压不变,通过调整栅丝宽度d的大小来改变栅网通过率,进而研究其对阴极发射电流、电子通过率和阳极电流的影响。

图2 电子枪及栅网模型

图3 不同栅网通过率时阴极电流、阳极电流 和电子束通过率

2 仿真结果及分析

图3为不同栅网通过率时仿真得到的阴极发射电流、阳极电流和电子束通过率。图3(a)为不同栅网通过率时阴极发射电流大小和阳极电流,阴极发射电流随栅网通过率增大而减小,栅网通过率小于80%时,阳极电流逐步增大,栅网通过率超过80%后,阳极电流开始减小。图3(b)为电子束通过率随栅网通过率的变化情况,随着栅网通过率增大,电子束通过率增大。

图4 阴极表面电场分布

由此可知栅网通过率对阴极发射电流和电子束通过率的影响正好相反,栅网通过率的增大,会引起阴极表面场强减小,进而使阴极发射电流减小,但是栅网通过率增大时电子束通过率增大。由图3可知阳极电压会对阴极电流和电子通过率产生影响,但起关键因素的量是栅网通过率,实验中可设置阳极为5 000 V探究栅网通过率对阴极电流和电子通过率的影响。

图3(a)中,栅网通过率大于80%后,阳极电流迅速减小,这是由于较大的栅网通过率虽然有助于提高电子束通过率,但此时阴极表面电场已经减弱的比较明显,如图5所示,栅网通过率大于80%后电场明显减小,而根据式(1)电流密度表达式可知,场发射电流随电场强度的减小呈成指数形式减小,所以此时阴极发射电流迅速减小(由图3(a)可知)。

下面从阴极表面电场分布情况进一步分析上述结果。在阴极表面设置如图4(a)所示电场监视线,栅网通过率为80%时阴极表面电场分布如图4(c),阴极表面电场在4.07×106V/m到4.16×106V/m之间波动,这是由于栅丝对应的阴极表面电场比栅网孔对应的阴极表面电场强而导致的,这一点可以从阴极表面的电场线分布看出,如图4(b)所示,电场线密的地方代表电场强度大,实线所指栅丝对应的阴极表面电场线比虚线所指栅网孔对应的阴极表面电场线密,即栅丝对应的阴极区域电场强度比栅网孔对应的阴极表面电场强度大。

图5为栅网通过率从10%～90%时阴极表面电场平均值变化情况,随着栅网通过率增大,阴极表面平均电场在减小。

图5 阴极表面电场随栅网通过率的变化情况

图4(c)表明栅网结构电子枪阴极表面各个点处的电场强度不同,栅丝正对的阴极表面电场强度要比栅孔正对的阴极表面电场强度大,所以栅丝正对的阴极表面发射电流要比栅格正对的阴极表面发射电流大;图5表明随着栅网通过率增大,阴极表面平均电场减小。综合上述两点可知,此栅网结构电子光学系统,若减小栅丝宽度,栅网通过率大增大,一方面会引起阴极电场强度减小,同时会引起栅丝对应的阴极表面面积减小,从而引起有效发射电流小,但此时电子束通过率高;若增大栅丝宽度,栅网通过率减小,此时一方面阴极表面电场强度大,同时栅丝对应的阴极表面面积大,从而有效发射电流大,但此时电子通过率低。因此,在其他条件相同的情况下,存在最佳栅网通过率,使阳极电流达到最大,如图3(a)所示阳极电流的变化情况,栅网通过率在80%左右时,可获得最大阳极电流。

综上可得,栅网通过率为78%～82%时,阳极电流达到最大,因此,在实际应用此模型时,可将栅网通过率控制在80%左右,在其他条件相同时,可获得最大阳极电流。

3 电子枪原型设计及测试

3.1 电子枪原型制备

实验中的碳纳米管场发射阴极采用丝网印刷法制备,制备过程大致如下:首先对金属阴极基底进行抛光和清洗,去除其表面杂质。在其表面印制银浆,随后在银浆表面印制碳纳米管浆料,将所得阴极放入烘箱400 ℃恒温保持2 h,以便去除阴极材料中的有机杂质。

根据前面仿真结果,结合实际加工精度及周期,加工了2种尺寸栅网结构的电子枪原型,一种为栅网通过率50%,另一种为栅网通过率80%。图6为电子枪原型及测试电路示意图。

图6 电子枪及电路连接示意图

3.2 实验结果及分析

实验中过程中阳极要实时水冷,一方面可保证碳管的场发射特性不会由于测试中阴极发热而受到明显影响,另一方面保护栅网在较大电流下不被烧毁。

实验电路连接示意图如图6,阳极接地,栅极和阴极接负压直流电源。图7为所制备的2种栅网通过率对应的电子枪原型的测试结果,其中,50%栅网通过率结构其电子束通过率在30%左右,80%栅网通过率结构其电子束通过率在55%左右。相同阴极电流情况下,80%栅网通过率结构的阳极电流比50%栅网通过率结构的阳极电流明显提高。

图7 测试结果

实验数据中电子通过率比模拟数据偏低,一方面是因为模拟是在理想情况下得到的,阴极发射也是在理想状态下进行,而实验中阴极发射情况会与模拟中设定的a,b参数对应的发射模型有所差别,还有栅网处理工艺、阴极打火等不可避免的复杂情况会对结果产生影响;另一方面,由于加工精度的影响,栅极和阴极对中会有偏差,这也是影响电子通过率的重要原因。由于栅网加工精度及电子枪原型装配周期等因素,目前还没有栅网通过率大于80%时的实验情况,后期实验将继续完善改进此栅极结构电子枪的设计。

4 结论

通过研究栅网结构电子枪原型不同栅网通过率对阴极发射电流和阳极电流的影响,确定了其他条件相同的情况下,栅网通过率在80%左右时可获得最大阳极电流,并对这种结构进行了初步加工与验证。为后面冷阴极电子枪及微波器件研究与应用奠定了基础。

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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