一种基于热电子发射阴极的电子发射装置的制作方法

本发明属于一种电子发生装置，具体涉及一种基于热电子发射阴极的电子发生装置。

背景技术：

目前，现有电子发生装置主要基于电子束辐射、辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电、滑动电弧放电和射流放电等几种原理。其中电子束辐射设备结构复杂，成本高，需要复杂的高压电源及加速管设备，造成装置体积庞大，x射线污染严重，需要防x射线的安全保护设备；辉光放电受低气压的限制，工业应用难以连续化生产且成本高昂；电晕放电和介质阻挡放电装置对电压等级要求较高，且电子产生过程中，有较高浓度的臭氧和氮氧化物等副产物生成，此外电晕放电装置会产生与电子等量的正电荷，造成电荷种类不单一；射频放电装置在放电过程中同样有副产物产生等问题，而滑动电弧和射流放电都是靠击穿电极中较少的空气产生电子，作用范围较小，电荷种类并不单一。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种基于热电子发射阴极的电子发生装置，用于产生高密度电子流，克服现有的由于产生的电子的方式比较复杂，导致电子发生装置结构复杂的技术问题。

本发明提出的一种基于热电子发射阴极的电子发生装置，包括：加热单元和电子发生单元，加热单元用于产生热量加热电子发生单元，电子发生单元用于通过加热产生并发射电子；

加热单元包括金属底座、绝缘套、加热组件以及绝缘隔热组件，加热组件包括多个加热金属丝，且在金属底座上开有多个通孔，其中，金属底座和绝缘套从内到外嵌套布置，金属底座和绝缘套之间设有空隙，加热金属丝位于空隙内，加热金属丝一端与金属底座连接，另一端穿过通孔形成加热组件的一个输出端；

绝缘隔热组件同金属底座的开口端和绝缘套的开口端的接触，用于密封金属底座和绝缘套之间空隙，构成加热空间；

绝缘隔热组件中设有第一导线和第二导线，第一导线一端与金属底座连接，另一端作为加热单元的第一电源端，第二导线的一端同加热组件的所有输出端连接，另一端作为加热单元的第二电源端；

加热组件在通电后产生轰击电子，绝缘套在轰击电子的作用下发热。

优选地，电子发射单元包括：热电子发射阴极和热电子发射阳极，其中，热电子发射阴极和热电子发射阳极从内到外嵌套布置，热电子发射阴极和热电子发射阳极之间设有间隙，热电子发射阴极附着于绝缘套的外表面，绝缘隔热组件同热电子发射阴极的开口端和热电子发射阳极的开口端的接触，用于密封热电子发射阴极和热电子发射阳极之间空隙，构成发射空间；

绝缘隔热组件中设有第三导线，第三导线的一端与热电子发射阴极连接，另一端作为电子发射单元的第一电源端，热电子发射阳极作为电子发射单元的第二电源端；

热电子发射阴极用于接收绝缘套的热量并产生电子，电子在热电子发射阴极和热电子发射阳极之间形成的电场加速的作用下，穿透电子发射阳极薄膜，形成发射。

优选地，热电子发射阳极为氮化硅薄膜。

优选地，通过改变热电子发射阳极和热电子发射阴极之间的电压实现控制电子密度。

优选地，金属底座开有一个位于顶端的通孔和多个呈中心对称的通孔。

优选地，金属底座、绝缘套以及热电子发射阴极均呈半圆球状。

优选地，加热金属丝为呈盘香状的钨丝。

优选地，盘香状钨丝线径在0.5mm～5mm。此范围内钨丝即不易烧断，又不会因钨丝表面曲率半径大而使发射变得困难，钨丝安装在高温绝缘套内，所提供温度不低于800℃。通过调节低压电源(14)输出电压，调节钨丝发热功率，控制高温绝缘套表面温度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明采用加热热电子发射阴极产生电子的方式，运行电压低，结构简单，不需要复杂的高压电源及保护设备，且装置灵活度高。

2、无臭氧及x射线污染。相比于以往的电子发生装置，本发明采用的加热热电子发射阴极产生电子的方式工作时，不通过高电压击穿空气就能够向外界发射单一电子，因此无臭氧及x射线污染。

3、本发明通过加热金属组件，在金属组件中产生轰击电子，由轰击电子作用与绝缘套上，加热绝缘套，能够提供更高的热量，且采用电子轰击的方式加热更均匀，钨丝的使用寿命更长。

4、本发明提供的电极呈半球状，与绝缘套贴合，能够更好的从绝缘套上吸收热量，有利于产生电子。

5、采用氮化硅薄膜作为热电子发射阳极，可以降低电子发射电压。氮化硅薄膜机械强度高、电子引出效率远优于钛及氧化铝之类的常规引出材料，因此能够轻易的形成低能量大密度的电子。

6、电子密度高。稀土钨热电子发射材料具有良好的电子发射特性，零场发射电子密度较高，采用此种材料作为阴极，能够在较低的电压和某一工作温度下产生高密度的电子。

7、装置采用半球形的结构。高度对称的半球形的结构使电子发射更均匀，有利于装置均匀承受载荷，增加结构强度，且能减小加工工艺难度，降低加工成本。

附图说明

图1为本发明提供的基于热电子发射阴极的电子发生装置的结构示意图；

图2为本发明提供的基于热电子发射阴极的电子发生装置主体的仰视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出一种基于热电子发射阴极的电子发生装置，用于产生高密度电子流，克服现有技术存在的结构复杂、效率低、存在臭氧副产物及x射线污染的问题。

图1为本发明提供的基于热电子发射阴极的电子发生装置的结构示意图，图2为本发明提供的基于热电子发射阴极的电子发生装置主体的仰视图。该电子发生装置包括加热单元及电子发生单元，加热单元用于产生热量加热电子发生单元，电子发生单元用于通过加热产生并发射电子。

加热单元包括加热组件、绝缘套11、接线端子12、绝缘隔热组件13、低压电源14和金属底座15。加热组件包括多个加热金属丝，加热金属丝可以为盘香状钨丝10。其中，绝缘套11和金属底座15均呈半球状，绝缘套由石英管或刚玉管制作，能够承受高温，金属底座也能承受高温。在本发明提供的实施例中，高温绝缘套11半径为25㎝～35㎝，套厚1㎝～2㎝。

绝缘套11和金属底座15嵌套放置，且在高温绝缘套11和耐高温金属底座15之间设置有间隙，隔热组件13与高温绝缘套11的开口端和耐高温金属底座15的开口端接触，用于密封高温绝缘套11和耐高温金属底座15之间设置有间隙，形成加热间隙。耐高温金属底座15顶部开设有一孔，半球面上等角度开设6个圆孔，盘香状钨丝位于加热间隙内，且其一端经由一个孔穿过耐高温金属底座15形成加热组件的一个输出端，其另一端固定于耐高温金属底座15上，耐高温金属底座15用于形成加热间隙，固定盘香状钨丝以及构成加热电路的一部分。

低压电源14的两个输出端分别与位于隔热组件13上的两个接线端子12相连，耐高温金属底座15的开口端通过设置在隔热组件13内的第一导线同接线端子连接，加热组件的所有输出端均与设置在隔热组件13内的第二导线连接，并通过第二导线同另一个接线端子连接。

通过调节电源14输出电压，能改变盘香状钨丝10发热功率，控制高温绝缘套11表面温度。

电子发生单元包括热电子发射阴极20、氮化硅薄膜21、高压接线端子22、接地端子23、支撑底座24和高压电源25；其中，热电子发射阴极20呈半球状，热电子发射阴极20采用稀土氧化物、稀土钨和稀土钼材料制作而成，稀土氧化物的质量百分比为2.2％，稀土氧化物可以为la2o3或y2o3或ce2o3。热电子发射阴极的半球内径26㎝～40cm，厚度1～5mm。氮化硅薄膜21作为热电子发射阳极，其厚度为300nm，通过单片规模为0.7mm×0.7mm或0.7mm×40mm的氮化硅薄膜以阵列的形式铺满正个半球表面。

热电子发射阴极20为半球状结构，贴附安装在高温绝缘套11外表面，以接受其发出的热量；氮化硅膜21为整体接地的半球状结构，设在热电子发射阴极20外部；氮化硅薄膜21固定在绝缘隔热组件13上；热电子发射阴极20开口一端固定在绝缘隔热组件13上；热电子发射阴极20与高温绝缘套11共心设置，用于发射电子；热电子发射阴极20、氮化硅膜21以及绝缘隔热组件13形成发射空间。

高压电源25额定工作功率5～20kw，输出电压为0～20kv连续可调，输出为直流电。高压电源25输出电压可调节，用于改变电子发射阴极20工作电压，控制电子发生密度。

工作时，经过盘香状钨丝10产生轰击电子，轰击加热热传导系数很大的高温绝缘套11，通过将高温绝缘套与电子发射阴极贴合，其可均匀加热电子发射阴极20，使电子发射阴极20在高压作用下发射电子，并在电子发射阴极20与氮化硅薄膜21之间形成的电场加速作用下，穿透氮化硅薄膜21而出，入射到周围环境中，形成电子发射。

盘香状钨丝线径在0.5mm～5mm内。此范围内钨丝即不易烧断，又不会因钨丝表面曲率半径大而使发射变得困难，钨丝安装在高温绝缘套内，所提供温度不低于800℃。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。