专利名称：M型微波器件的制作方法
技术领域：
本发明属于电子学技术领域，尤其涉及利用电子渡越时间(electron-transit tine)产生微波电磁辐射的真空电子器件，即M型微波器件。更具体地说，本发明涉及所述器件的结构元件，即无需预热就可以发射电子的阴极。
在M型微波器件中，广泛使用阴极(由于其复杂的结构，更准确的名称应为阴极组件)。这些阴极同时利用二次电子发射和场致发射。产生二次电子发射的原因是沿外摆线行进在电极之间的一部分电子返回到阴极以及离子轰击阴极，所谓场致发射是导体表面在相当强电场作用下发生的电子发射现象。这种场致发射又激发和维持了所谓的二级电子发射。
改善阴极二次发射性能的方法众所周知，包括用材料例如氧化物，尤其是特殊的钍氧化物等等，做成的构造(或它的表面涂层)。
要求的场辐射量主要决定于相应元件及元件材料的选用，它们决定了电子从给定的材料到真空的释放操作。在另一些情况下，在侧表面具有微观特性(粗糙度、不平整度)的平面元件(膜)用作场致电子发射体。而对位于器件的聚焦边缘的该场致发射体的使用，在USSR发明人证书号为320，852，1971年11月4日授权给L．G．Nekrasov等人的“M型微波器件的阴极”，Int．C1．H01J1／32中已有描述。
1995年7月27日授权给V．I．Makhov等人的、RU专利号为2，040，821的“M型微波器件”，Int．C1．H01J1／30，描述了沿着阴极组件棒的以垫圈的形式构成的场致电子发射体的位置。后者的器件结构是与本发明相关的最接近的在先技术。这种公开的在先技术的特性构成权利要求独立权项1(前序部分)，也就是说，所述的权利要求是与本发明的最接近的现有技术。
由于场致发射的电流值与场致电子发射体的发射面积成比例，根据目前的工艺水平，仍需要提高场致电子发射体使用工作表面的效率。由于磁控管阳极构成带有空腔槽的圆柱形表面，磁控管的初级电流由场致电子发射体相对于阳极圆柱部分的位置决定，该阳极圆柱部分到场致电子发射体的工作表面距离最短。
有两种方法可将初级电流提高到一个规定值减小场致电子发射体的膜厚度，以增大发射体端表面的电场密度，或者用第二种方法-通过增大参与发射的面积，即扩大场致电子发射体的数目。这里，第一种方法的特点增加了对场致发射阴极的电机作用力，导致其机械可靠性和伏安特性降低，而第二种方法的特点是使磁控管的阴极结构更加复杂，难于适应高效的生产，同时降低了可靠性。
本发明的主要目的是提高场致电子发射体的使用工作表面的效率，提高它们的可靠性，同时提高场致发射稳定性，延长M型微波器件的使用寿命，该M型微波器件包括一个阳极和一个阴极，该阴极具有一个圆柱型棒，其表面带有场致电子发射体，该发射体制造为平面圆片，以及位于与阴极轴垂直的平面上的二次电子发射体，所述的这两种发射体分别产生首次和二次发射(primary and secondary emission)。
根据本发明，上述目的通过如权利要求1所述的M型微波器件实现，进一步的各实施例在多项从属权项中得到。
本发明的M型微波器件包括一个阳极和一个阴极组件，该阳极包围着一个圆柱型真空腔，阴极组件置于阳极内部，该阴极组件包括与阳极同轴的圆柱棒、场致电子发射体，该场致电子发射体制成为一个或几个平面元件，它们与该圆柱棒在机械上与电气上相连接，从而将工作端面延伸至阳极，二次电子发射体制造成为一个或几个具有增加的二次电子发射系数的部件，所述的部件被置于圆柱棒的表面。当使得所述的平面元件的法线与圆柱棒的轴线的夹角大于0度，就可实现上述的目的。
在本发明的一个最佳实施例中，一个场致电子发射体呈平面元件形状，其与径向平面之间的夹角大于5度，该径向平面与圆柱棒轴线垂直。
在本发明的另一个最佳实施例中，场致电子发射体呈平面元件的形状，其放置呈螺旋形，从该螺旋形中延伸出的轴线与圆柱棒的轴线对齐。
在本发明的又一个最佳实施例中，场致电子发射体呈平面元件形状，该场致电子发射体表面的法线与阴极轴线垂直。换种说法，该平面元件表面在与穿过圆柱棒轴线的轴平行的平面上。
根据本发明，构成场致电子发射体的平面元件可以用真空间隙与二次电子发射体区域(圆柱棒的涂层)相隔离。
在本发明的一个最佳实施例中，场致电子发射体的材料可以含有正电子材料的掺杂物，或同类材料的掺杂物，或它们两者，同类材料的掺杂物最好位于比正电子材料掺杂物更深的位置上。
所述的场致电子发射体的工作端面最好用非晶体材料制成。
对大量实际应用而言，组成场致电子发射体的平面元件可以有空腔，在空腔中含有一层正电子材料。它的端面也可以制成金属-绝缘体-金属的多层形式，每层厚度为2-10nm。
所述的场致电子发射体可以用钨、钼、钽、铌、钛或者铪、硅构成。它也可以用非晶体导电材料和碳基合金，包括正电子材料掺杂物构成。
场致电子发射体的平面元件的工作端面最好被镀上一层隧道薄层(tunnel-thin)绝缘层，该绝缘层也含有正电子材料掺杂物。
本M型微波器件的基本特征在于所述元件可以产生首次发射，该元件被置于一个表面，该表面的法线与阴极轴不平行，其夹角大于0度。
这种区别特征有助于实现本发明的目的。这样做时，通过更有效地利用场致电子发射体的工作表面，使初级电流增加，因此，依据本设计，可从更大的发射体表面发射。
本发明的另一个优点在于，通过可能减少使用的场致电子发射体数量，而简化了器件。
本发明的第三个优点是降低了工作电压，则扩大了使用器件的种类和提高了场致电子发射体的结构性能，以及可使用更大范围的具有稳定的伏安特性和能够延长器件使用寿命的材料和合金。
本发明的其他目的和优点将在下述的详细说明中阐明。部分地在说明书中很明显得到，或者可以通过发明的实践了解。
附图简要说明结合各附图阐明本发明的最佳实施例，这些附图并入且构成了说明书的一部分，连同上述的一般性描述和如下的最佳实施例的详细描述，用来解释本发明的原理。
图1是依据如权利要求2所述的本发明的实施例的器件的纵向(轴向)截面示意图。
图2是图1中沿A-A线剖面的器件的横向(径向)截面示意图。
图3是依据如权利要求3所述的本发明的实施例的器件的纵向(轴向)截面示意图。
图4是依据如权利要求4所述的本发明的实施例的器件的纵向(轴向)截面示意图。
图5是图4中沿A-A线剖面的器件的横向(径向)截面示意图。
图6是依据如权利要求2和5所述的本发明实施例的阴极组件的局部纵向(轴向)截面图，即当场致电子发射体的平面元件与垂直于圆柱棒轴线的径向平面偏离大于5度，同时用一个真空间隙将其与二次电子发射体隔离。
图7是根据如权利要求6所述的本发明的实施例的场致电子发射体平面元件的端面示意图。
图8是根据如权利要求8所述的本发明的实施例的场致电子发射体平面元件的端面截面示意图，在其中比正电子材料更深的位置上有同种掺杂材料。
图9是根据如权利要求10所述的本发明的实施例的场致电子发射体平面元件的端面截面示意图，其上有空腔，该空腔内部填有具有低功函数(low work function)的材料。
图10是根据如权利要求11所述的本发明的实施例的场致电子发射体平面元件的端面截面示意图，该端面的结构为金属-绝缘体-金属多层形式。
图11是根据如权利要求15所述的本发明的实施例的场致电子发射体平面元件的端面截面示意图，该端面涂覆隧道薄层绝缘层。
在图中，为清晰和一致性起见，提供如下定义1-阳极2-阴极3-圆柱棒4-场致电子发射体5-二次电子发射体6-聚焦电极7-真空间隙8-正电子材料掺杂物9-场致电子发射体端面中的空腔10-同类材料掺杂物11-导体层12-绝缘层13-隧道薄绝缘层本发明的最佳实施例的详细描述如下附图1至5为M型微波器件，包括一个坚固的阳极1，该阳极1上有抽成真空的圆柱形腔和腔槽；一个阴极2置于该阳极内，该阴极包括圆柱棒3，其上有平面(膜)场致电子发射体4，该场致电子发射体4的平面的法线(在法线上的每一个点)与阴极轴线不平行，并形成一个大于0度的角度；一个二次电子发射体5，所述的发射体分别产生首次和二次电子发射。聚焦电极6用于缩小电子相互作用距离。真空间隙7使该器件的阳极1和阴极2隔离。
场致电子发射体的平面元件可由表面具有微观特性的箔片制成圆形或椭圆形的一片(或相互平行的几片)，如图1和图2所示，或如图3所示的螺旋形，或如图4和图5所示的矩形。场致电子发射体4沿所说的阴极上的棒3的轴线呈螺旋型，便于阴极自动装配，并更加稳定。
如图6所示的一个实施例中，真空间隙7将场致电子发射体4与二次电子发射体5隔离。
场致电子发射体4的平面元件，特别是其端面，可掺杂正电子材料掺杂物8，如图7所示。
如图8所示的一个实施例，为扩散一稳定的场致电子发射体的部分示意图，是通过将同类材料掺杂物10置于比位于发射体表面正电子材料掺杂物8更深的位置上，而使其结构上更能承受较沉重的负荷。
为加大正电子材料用量，在场致电子发射体的端面可形成空腔9，将所述的材料掺杂物8置于其中，如图9所示。
图10为本发明的另一个实施例，该场致电子发射体的平面元件端面的一部分为多层结构，其组成为导体11-绝缘体12-导体11，每层的厚度为2～10nm。用此方式制造的该场致电子发射体，可增大场致电子发射体的强度，降低功函数。
图11为场致电子发射体平面元件的端面的截面图，该端面涂覆有隧道薄膜绝缘层，这是根据本发明的权利要求15所述的一个实施例。由此增强了场致电子发射体的稳定性。
本发明的微波器件工作过程说明如下。
阳极接地。负工作电压施加于阴极。场致发射保证了初级激发电流。在电磁场微波的作用下发射出的场致电子加速并改变了它们的行进方向，部分落在产生二次电子发射的元件上，因而碰撞出二次电子，其反过来，像雪崩一样成倍数增长，形成器件的工作电流。
本发明的M型微波器件，当使用后在技术上和经济上更有效。
本发明可被广泛应用于设计高效的瞬时激发的微波器件的真空电子工业领域。
尽管已结合最佳实施例描述了本发明的内容，但本发明不限于它的细节说明，各种改变和改进对本技术领域的普通技术人员是显而易见的，本发明的发明要点、范围和意图在以下的权利要求中限定。
权利要求
1.一种M型微波器件，包括一个包围着圆柱型真空腔的阳极和置于该阳极中的阴极组件，该阴极组件包括一个与阳极同轴的圆柱棒；一个场致电子发射体，该发射体制成至少一个具有工作端面的平面元件，该元件与所说的圆柱棒在机械上和电气上相连接，并从工作端面向阳极延伸；一个二次电子发射体，该发射体制成至少有一个具有增大的电子发射系数的部件，该部件置于所说的圆柱棒表面；其特征在于每一个所述的平面元件的法线与该圆柱棒的轴之间的夹角大于0度。
2.根据权利要求1所述的M型微波器件，其特征在于，所述的平面元件相对于径向平面的夹角大于5度，该径向平面垂直于所说的圆柱棒的轴。
3.根据权利要求1所述的M型微波器件，其特征在于，所述的平面元件放置成螺旋形，从螺旋形延伸出的轴线与该圆柱棒轴线对齐。
4.根据权利要求1所述的M型微波器件，其特征在于，所述的平面元件的位置为电子发射体薄膜的表面的法线垂直于所说的阴极轴。
5.根据权利要求2、3或4所述的M型微波器件，其特征在于，所述的每一个场致电子发射体由一个真空间隙与所说的二次电子发射体相隔离。
6.根据权利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征是所述的场致电子发射体被掺杂的材料包括至少一种正电子材料掺杂物。
7.根据权利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征在于，所述的场致电子发射体端面的材料包含有同类材料的掺杂物。
8.根据权利要求6所述的M型微波器件，其特征在于，所述的场致电子发射体端面的材料包含有同类材料的掺杂物，所述的掺杂物被置于比正电子材料掺杂物更深的位置上。
9.根据权利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征在于，所述的场致电子发射体的材料为非晶体。
10.根据权利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征在于，所述的场致电子发射体的工作端面包含多个空腔，其中置有低的功函数的材料。
11.根据权利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征是所述的场致电子发射体的端面为金属-绝缘体-金属的多层结构，每层厚度为2-10nm。
12.根据权利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征在于，所述的场致电子发射体材料从钨、铌、钽、钛、钼、硅和它们的掺杂物中选择。
13.根据权利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征在于，所述的场致电子发射体是用非晶体导电金属和碳基合金材料制作而成。
14.根据权利要求13所述的M型微波器件，其特征在于，所述的非晶体导电金属和合金掺杂有正电子材料掺杂物。
15.根据权利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征是所述的场致电子发射体的端面涂有隧道薄膜绝缘层。
16.根据权利要求15所述的M型微波器件，其特征是所述的隧道薄膜绝缘层包含正电子材料掺杂物。
全文摘要
本发明涉及一种M型微波器件,其目的在于提高场致电子发射体的使用工作表面的效率,在提高场致发射的稳定性的同时,提高其可靠性和器件的使用寿命。上述目的通过M型微波器件的设计而实现,该器件包括一个包围着圆柱形真空腔的阳极和一个置于阳极内并与其同轴的阴极组件,该阴极组件包括一个圆柱棒,圆柱棒的表面有制成平面(膜)的场致电子发射体和二次电子发射体元件,该发射体分别产生主要的和二次发射。这样做时,平面场致电子发射体的法线不平行,并形成一个大于0度的夹角。隧道薄膜绝缘层保护着场致电子发射体的端面,该绝缘层包括各种材料和具有低的功函数材料的掺杂物。
文档编号H01J25/50GK1292928SQ99803755
公开日2001年4月25日 申请日期1999年1月5日 优先权日1998年1月8日
发明者佛拉基米尔I·麦克霍夫 申请人:利通系统有限公司