六硼化鑭場發射電子槍的研究

電子槍作為電子顯微鏡、X射線管等微檢測設備的核心部件,在工業探傷、醫療成像等領域發揮著重要的作用。相較于傳統熱發射陰極,場發射陰極具有無需加熱、電流密度高、開關性能優異等優點。因此,利用場發射陰極,設計并研制一種具有小體積、低功耗、大電流密度、小焦點的場發射電子槍,對提高移動便攜式微檢測設備的性能具有重大意義。本文利用OPERA-3D計算機模擬軟件,設計并制作了一種以單晶LaB_6場發射陰極作為電子源的、可用于移動便攜式微檢測設備的場發射電子槍。在制備完成后,本文還對單晶LaB_6場發射陰極和場發射電子槍進行了場發射性能測試。主要內容與結論如下:(1)本文設計的LaB_6場發射電子槍,包含陰極、柵極、聚焦極和陽極四個主電極結構。其中,柵極、聚焦極和陽極構成一個膜孔透鏡,通過調節聚焦極的電位和孔徑,能有效調節LaB_6場發射電子槍的陽極束斑尺寸。利用OPERA-3D軟件對LaB_6場發射電子槍進行模擬,最終得到一組滿足本文設計要求的電子槍結構參數。當柵極孔下直徑為4mm,上直徑為6mm,電壓為1350V;聚焦極孔下直徑為7mm,上直徑為5mm,電壓為0V;陽極距聚焦極上表面4mm,電壓為30000V時,LaB_6場發射電子槍的理論陽極電流為14.1μA,理論陽極電子束斑直徑為0.3mm。(2)采用電火花線切割輔助直流電化學腐蝕的方法,制備單晶LaB_6場發射陰極,并對制備完成后的陰極進行測試。結果表明,當腐蝕液為濃鹽酸:無水乙醇:去離子水=1:30:30(體積比),腐蝕電流為100mA,腐蝕時間為40min時,可以獲得表面形貌良好的單晶LaB_6場發射陰極。經場發射性能測試,陰極的開啟電壓為850V,符合實際應用要求;在陽極電壓為1350V,陰極與陽極間距為0.18mm時,陰極發射電流為45.5μA,且滿足場致電子發射F-N曲線所述規律。(3)根據OPERA-3D軟件的模擬結果對LaB_6場發射電子槍的各個電極和零件進行了設計、加工、組裝和測試。最終,經過對該電子槍進行測試,本文獲得了一種陽極發射電流為13.2μA,陽極束斑直徑為0.4mm的LaB_6場發射電子槍。