专利名称：冷阴极电子枪和采用该冷阴极电子枪的真空规管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超高真空和极高真空量测设备，尤其涉及一种用于超高真和极高真空量测的冷阴极电子枪和采用该冷阴极电子枪的真空规管。
背景技术：
当代科技发展迅猛，在许多高新技术领域，需要极高的真空环境，如宇宙空间的模拟，超导技术，核聚变反应，超低温和巨型粒子加速器技术等。而在超高真空领域，超高真空规的研究是必不可少的重要环节。
已有技术中，Bayard和Alpert于1950年发明的BA型电离规广泛应用于高真空和超高真空量测，其结构如图1所示，该BA型电离规包括一玻璃外壳4，一收集极2，多个玻璃与金属熔封引线3，至少一热灯丝1和一栅极5。该电离规由于体积比较大，电极比较多，在电极表面会吸附较多的气体分子和离子，当真空度上升时，电极表面气体分子脱附，放出气体也比较多，所以只能在动态真空系统上应用，而不适合应用到超高真空和极高真空的测量。已经有产品出售的超高真空测量设备有ULVAC制造的AxTRAN极高真空规，其可以测量到10-11Pa，但是其结构比较复杂，去气困难，价格昂贵，难以推广实用化。
适用于超高真空和极高真空测量的规管必须具有体积小、放气少等特点，如果是应用到太空领域，除了希望真空规管能够体积小，结构简单外，还希望真空规管的功耗要小，以减轻整个真空规管和配套电源的重量。
清华大学电子工程系陈丕瑾和李幼哲曾于八十年代发展的微电离规(参见《真空技术的科学基础》，1987年，国防出版社)基础上发展利用静电鞍场约束的电子振荡可以产生极长的电子路径因而可获得极高电离规灵敏度的概念。
陈丕瑾和齐京于2000年在中国专利第CN94100653.0号揭露一种使用场发射源为电子发射体的宽量程微型电离规，该微型电离规包括一玻璃壳，一阳极，一离子收集极，一电子发射极和一金属膜电极。该电子发射极采用Spindt型场发射源，其作用是降低热阴极表面的化学反应过程引入的吸放气效应。但是该Spindt型场发射源由于具有控制发射电子的栅极，该栅极产生的电场对电离规的灵敏度能产生影响。
中国专利第CN99109355.0号揭露一种具有极低吸放气率的极高真空微电离规，该电离规使用场致发射冷阴极取代各种形式的热阴极，由此提高电离规的灵敏度。但是使用只有栅极的冷阴极，栅极的电位会影响到整个规管的电场分布，破坏了鞍场的形状，导致电子的振荡效果变差，规管的灵敏度会降低。
因此，提供一种消除栅极电位影响，高灵敏度的用于超高真空量测的冷阴极电子枪和使用该电子枪的真空规管十分必要。
发明内容为解决已有技术的技术问题，本发明的目的是提供一种消除栅极电位影响，高灵敏度的用于超高真空和极高真空量测的冷阴极电子枪。
本发明的另一目的是提供一种使用上述冷阴极电子枪的真空规管。
为实现本发明的目的，本发明提供一种用于超高真空和极高真空量测的冷阴极电子枪，其包括一栅极、一设置于该栅极下方的阴极，和一平行设置在该栅极上方的屏蔽极，该阴极可选用碳纳米管、钨尖、钼尖、硅尖或上述尖状材料的阵列等冷发射电子源材料。
为实现本发明的另一目的，本发明提供一种使用上述冷阴极电子枪的真空规管，其包括一外壳、一收集极、一阳极和一冷阴极电子枪；该冷阴极电子枪和该收集极相对该阳极同轴对称放置；该外壳开口一端与待测器件相接，该冷阴极电子枪包括一栅极、一平行设置于该栅极上方的屏蔽极和一设置于该栅极下方的阴极。
与已有技术相比较，本发明的冷阴极电子枪具有以下优点其一，阴极体积更小，场致发射的阴极体积非常小(几十微米)，所以阴极的放气可以进一步降低；其二，灵敏度更高，由于阴极体积非常小，使得发射面积足够小，阴极、阳极和收集极能够更准确地对准，电子的振荡轨迹会更长，所以规管的灵敏度更高；电子枪在栅极之外增加一屏蔽极，使得栅极的电位能够被屏蔽掉，使规管的灵敏度更高。而且增加一个屏蔽极之后，电子枪面向鞍场的电位仍然是一个可以调节的电位(甚至为零)，从而不会影响到鞍场的分布，最大限度的发挥冷阴极作为真空规管电子源的优势。所以使用本发明冷阴极电子枪的真空规管灵敏度更高。
图1是已有BA型电离规管的示意图。
图2是本发明用于超高真空量测的冷阴极电子枪的原理示意图。
图3是本发明冷阴极电子枪的阴极、栅极和屏蔽极电能分布关系示意图。
图4是使用本发明冷阴极电子枪的超高真空规管示意图。
具体实施方式下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
请参阅图2，本发明实施例，一种用于超高真空量测的冷阴极电子枪20主要包括一栅极24、一平行设置于该栅极24上方的屏蔽极26和一设置于该栅极24下方的阴极21。阴极21、栅极24和屏蔽极26皆接一引线与外部电路相连。另外，该栅极24和屏蔽极26之间可用一绝缘片27隔开。本发明的冷阴极电子枪20，电子从阴极21发射端碳纳米管211射出，经栅极24拉出，再穿过屏蔽极26发射出，而屏蔽极26正好屏蔽住栅极的电场，从而使得栅极电场分布不会影响到屏蔽极26以外的电场。
本发明的冷阴极电子枪20的阴极21可选用可作为冷发射电子源的任何一种材料，包括碳纳米管，钨尖，钼尖，硅尖或者上述尖状材料的阵列等，以及其他各种场发射材料。栅极24可以采用各种孔状结构，如金属环，金属孔或者金属网；而屏蔽极26可以采用与栅极24同样的结构，或者与栅极24不同的结构，而只要此屏蔽极26能够起到屏蔽栅极24电场的作用，同时保证电子可以射出即可。
本实施例选用的阴极21包括一钨丝针尖212和一束粘于钨丝针尖212尖端的多壁碳纳米管211。栅极24和屏蔽极26选用金属栅网，该栅极24和屏蔽极26的网孔完全相互对准，阴极21尖端的碳纳米管211对准于该栅极24和屏蔽极26其中之一网孔。
本发明的冷阴极电子枪20的屏蔽极26的网孔与栅极24的网孔准确对准，可以选择在显微镜下对准屏蔽极26和栅极24，也可以把屏蔽极26和栅极24一体成型，使二者完全对准。本实施例采用只有一发射端碳纳米管211的阴极21结构，碳纳米管211需与栅极24和屏蔽极26其中之一网孔完全对准；另外，如果采用大面积阵列发射体时，则只需栅极24和屏蔽极26对准即可，或者采用光刻等相关工艺，使得阴极21、栅极24和屏蔽极26可以集成在一起。
本发明的冷阴极电子枪20增加一屏蔽极26之后，对电子而言，从阴极21到屏蔽极26的电能分布如图3所示。因为屏蔽极26的作用，可以任意调节栅极24电位，从而不会对屏蔽极26以外的电场分布产生干扰。据估计，屏蔽极26和阴极21在同步控制下等电位，仍然会有20％以上的电子出射，足够作为电子源使用。在通常情况下，屏蔽极26会比阴极21高出约几十伏的电位，充分保证电子的出射。
请参阅图4，采用上述冷阴极电子枪，可以制备一种冷阴极的真空规管即真空规管30，其包括一外壳32、一和外壳32相接的芯柱35、一形成在外壳32内壁的金膜33、一收集极39、一阳极38和一固定在芯柱上的冷阴极电子枪31；该冷阴极电子枪31包括一栅极314、一平行设置于该栅极314上方的屏蔽极313、一设置于该栅极314下方的阴极316；该冷阴极电子枪31和该收集极相39对该阳极38同轴对称放置，并通过支撑杆(图未示)安装于外壳32内；该外壳32开口一端36与待测器件(图未示)相接。一般冷阴极电子枪3 1和收集极39相对阳极38的距离相等；该阳极38可选用环状或者孔状电极；该金膜33一般为零电位，用于提供一偏置电压。
该真空规管30电位分布形式为阳极38在轴心方向上的环中心存在一鞍点，在该鞍点附近电力线强烈弯曲。而离鞍点较远区域，电力线基本上是以鞍点为中心的辐射线状直线。假设有一电子，从冷阴极发射枪31发射出来，一开始电子被加速拉向阳极方向，随后，由于惯性，电子穿越阳极38，在到达收集极39之前又被阳极电位拉回，电子在阴极电子枪31和收集集39之间来回振荡，由于电极对称配置，振荡次数很多，所以电子路径很长，典型工作情况下电子路径长度可达几千米。最后，电子入射到阳极38，形成发射电流回路。该真空规管30机构尺寸视电参量而定。在电子运动过程中，将和气体分子碰撞并使一部分气体分子电离，在收集极39和阳极38之间的空间内产生的正离子被处于微小正电位的收集极39收集，产生离子流，该离子流在一定压强范围内是与压强成正比，所以可根据此关系量测压强。
本发明真空规管30的冷阴极电子枪31的阴极316可选用可作为冷发射电子源的任何一种材料，包括碳纳米管，钨尖，钼尖，硅尖或者上述尖状材料的阵列等，以及其他各种场发射材料。栅极314可以采用各种孔状结构，如金属环，金属孔或者金属网；而屏蔽极313可以采用与栅极314同样的结构，或者与栅极314不同的结构，而只要此屏蔽极313能够起到屏蔽栅极314电场的作用，同时保证电子可以射出即可。
本发明真空规管30选用的冷阴极电子枪31的阴极316选用钨丝针尖上粘一束多壁碳纳米管或一碳纳米管阵列。栅极314和屏蔽极313选用金属栅网，该栅极314和屏蔽极313的网孔完全对准，阴极316碳纳米管尖端对准于该栅极314和屏蔽极313其中之一网孔。电子从阴极316碳纳米管发射端射出，经栅极314拉出，再从屏蔽极313发射，而屏蔽极313正好屏蔽住栅极的电位，从而使得栅极电场分布不会影响到阳极38周边电场的对称性，电子可以来回振荡更长距离，提高真空规管30的灵敏度。
本领域所属技术人员可知，本发明的这种带有屏蔽极313的冷阴极电子枪31并不局限应用于真空规管，可以在更大范围取代热阴极电子枪，而不会影响到该结构的电场分布，而且可能会应用到很多热阴极无法使用的领域。同时，该种具有屏蔽极313的冷发射电子枪31，在某些不需要屏蔽电位影响的器件中，只要把栅极314和屏蔽极313接在一起使两者等电位即可，所以任何需要保证器件电场结构不被破坏的都可以采用这种电子枪作为电子源。
权利要求
1.一种用于超高真空和极高真空量测的冷阴极电子枪，其包括一栅极、一设置在该栅极下方的阴极，其特征在于在该栅极上方平行设置一屏蔽极。
2.如权利要求1所述的冷阴极电子枪，其特征在阴极可选用碳纳米管、钨尖、钼尖、硅尖或上述尖状材料阵列。
3.如权利要求1所述的冷阴极电子枪，其特征在于栅极和屏蔽极是孔状结构。
4.如权利要求3所述的冷阴极电子枪，其特征在于孔状结构包括金属环，金属孔或者金属网。
5.如权利要求3所述的冷阴极电子枪，其特征在于栅极和屏蔽极的网孔对准。
6.一种真空规管，其包括一外壳、一收集极、一阳极和一冷阴极电子枪；该冷阴极电子枪和该收集极相对该阳极同轴对称放置；该外壳开口一端与待测器件相接，其特征在于该冷阴极电子枪包括一栅极、一平行设置于该栅极上方的屏蔽极、一设置于该栅极下方的阴极。
7.如权利要求6所述的真空规管，其特征在于阴极可选用碳纳米管、钨尖、钼尖、硅尖或上述尖状材料阵列。
8.如权利要求6所述的真空规管，其特征在于栅极和屏蔽极是孔状结构。
9.如权利要求8所述的真空规管，其特征在于孔状结构包括金属环，金属孔或者金属网。
10.如权利要求8所述的真空规管，其特征在于栅极和屏蔽极的网孔对准。
11.如权利要求6所述的真空规管，其特征在于阳极选用环状或者孔状电极。
12.如权利要求6所述的真空规管，其特征在于外壳的内壁可形成一金膜。
13.如权利要求6所述的真空规管，其特征在于冷阴极电子枪可固定于一芯柱。
全文摘要
一种用于超高真空和极高真空量测的冷阴极电子枪，其包括一栅极和一设置于该栅极下方的阴极，其特征在于在该栅极上方平行设置一屏蔽极。本发明还提供一种使用上述冷阴极电子枪的真空规管，其包括一外壳、一收集极、一阳极和一冷阴极电子枪；该冷阴极电子枪和该收集极相对该阳极同轴对称放置；该外壳开口一端与待测器件相接，其特征在于该冷阴极电子枪包括一栅极、一平行设置于该栅极上方的屏蔽极和一设置于该栅极下方的阴极。本发明采用冷阴极电子枪的真空规管具有阴极体积小、功耗小、灵敏度高和降低吸放气率的优点。
文档编号G01L21/00GK1691245SQ200410027020
公开日2005年11月2日 申请日期2004年4月21日 优先权日2004年4月21日
发明者柳鹏, 盛雷梅, 魏洋, 刘亮, 齐京, 范守善 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司