專利名稱：M型微波器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及利用電子渡越時間(electron-transit tine)產(chǎn)生微波電磁輻射的真空電子器件，即M型微波器件。更具體地說，本發(fā)明涉及所述器件的結(jié)構(gòu)元件，即無需預(yù)熱就可以發(fā)射電子的陰極。
在M型微波器件中，廣泛使用陰極(由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，更準確的名稱應(yīng)為陰極組件)。這些陰極同時利用二次電子發(fā)射和場致發(fā)射。產(chǎn)生二次電子發(fā)射的原因是沿外擺線行進在電極之間的一部分電子返回到陰極以及離子轟擊陰極，所謂場致發(fā)射是導(dǎo)體表面在相當強電場作用下發(fā)生的電子發(fā)射現(xiàn)象。這種場致發(fā)射又激發(fā)和維持了所謂的二級電子發(fā)射。
改善陰極二次發(fā)射性能的方法眾所周知，包括用材料例如氧化物，尤其是特殊的釷氧化物等等，做成的構(gòu)造(或它的表面涂層)。
要求的場輻射量主要決定于相應(yīng)元件及元件材料的選用，它們決定了電子從給定的材料到真空的釋放操作。在另一些情況下，在側(cè)表面具有微觀特性(粗糙度、不平整度)的平面元件(膜)用作場致電子發(fā)射體。而對位于器件的聚焦邊緣的該場致發(fā)射體的使用，在USSR發(fā)明人證書號為320，852，1971年11月4日授權(quán)給L．G．Nekrasov等人的“M型微波器件的陰極”，Int．C1．H01J1／32中已有描述。
1995年7月27日授權(quán)給V．I．Makhov等人的、RU專利號為2，040，821的“M型微波器件”，Int．C1．H01J1／30，描述了沿著陰極組件棒的以墊圈的形式構(gòu)成的場致電子發(fā)射體的位置。后者的器件結(jié)構(gòu)是與本發(fā)明相關(guān)的最接近的在先技術(shù)。這種公開的在先技術(shù)的特性構(gòu)成權(quán)利要求獨立權(quán)項1(前序部分)，也就是說，所述的權(quán)利要求是與本發(fā)明的最接近的現(xiàn)有技術(shù)。
由于場致發(fā)射的電流值與場致電子發(fā)射體的發(fā)射面積成比例，根據(jù)目前的工藝水平，仍需要提高場致電子發(fā)射體使用工作表面的效率。由于磁控管陽極構(gòu)成帶有空腔槽的圓柱形表面，磁控管的初級電流由場致電子發(fā)射體相對于陽極圓柱部分的位置決定，該陽極圓柱部分到場致電子發(fā)射體的工作表面距離最短。
有兩種方法可將初級電流提高到一個規(guī)定值減小場致電子發(fā)射體的膜厚度，以增大發(fā)射體端表面的電場密度，或者用第二種方法-通過增大參與發(fā)射的面積，即擴大場致電子發(fā)射體的數(shù)目。這里，第一種方法的特點增加了對場致發(fā)射陰極的電機作用力，導(dǎo)致其機械可靠性和伏安特性降低，而第二種方法的特點是使磁控管的陰極結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，難于適應(yīng)高效的生產(chǎn)，同時降低了可靠性。
本發(fā)明的主要目的是提高場致電子發(fā)射體的使用工作表面的效率，提高它們的可靠性，同時提高場致發(fā)射穩(wěn)定性，延長M型微波器件的使用壽命，該M型微波器件包括一個陽極和一個陰極，該陰極具有一個圓柱型棒，其表面帶有場致電子發(fā)射體，該發(fā)射體制造為平面圓片，以及位于與陰極軸垂直的平面上的二次電子發(fā)射體，所述的這兩種發(fā)射體分別產(chǎn)生首次和二次發(fā)射(primary and secondary emission)。
根據(jù)本發(fā)明，上述目的通過如權(quán)利要求1所述的M型微波器件實現(xiàn)，進一步的各實施例在多項從屬權(quán)項中得到。
本發(fā)明的M型微波器件包括一個陽極和一個陰極組件，該陽極包圍著一個圓柱型真空腔，陰極組件置于陽極內(nèi)部，該陰極組件包括與陽極同軸的圓柱棒、場致電子發(fā)射體，該場致電子發(fā)射體制成為一個或幾個平面元件，它們與該圓柱棒在機械上與電氣上相連接，從而將工作端面延伸至陽極，二次電子發(fā)射體制造成為一個或幾個具有增加的二次電子發(fā)射系數(shù)的部件，所述的部件被置于圓柱棒的表面。當使得所述的平面元件的法線與圓柱棒的軸線的夾角大于0度，就可實現(xiàn)上述的目的。
在本發(fā)明的一個最佳實施例中，一個場致電子發(fā)射體呈平面元件形狀，其與徑向平面之間的夾角大于5度，該徑向平面與圓柱棒軸線垂直。
在本發(fā)明的另一個最佳實施例中，場致電子發(fā)射體呈平面元件的形狀，其放置呈螺旋形，從該螺旋形中延伸出的軸線與圓柱棒的軸線對齊。
在本發(fā)明的又一個最佳實施例中，場致電子發(fā)射體呈平面元件形狀，該場致電子發(fā)射體表面的法線與陰極軸線垂直。換種說法，該平面元件表面在與穿過圓柱棒軸線的軸平行的平面上。
根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)成場致電子發(fā)射體的平面元件可以用真空間隙與二次電子發(fā)射體區(qū)域(圓柱棒的涂層)相隔離。
在本發(fā)明的一個最佳實施例中，場致電子發(fā)射體的材料可以含有正電子材料的摻雜物，或同類材料的摻雜物，或它們兩者，同類材料的摻雜物最好位于比正電子材料摻雜物更深的位置上。
所述的場致電子發(fā)射體的工作端面最好用非晶體材料制成。
對大量實際應(yīng)用而言，組成場致電子發(fā)射體的平面元件可以有空腔，在空腔中含有一層正電子材料。它的端面也可以制成金屬-絕緣體-金屬的多層形式，每層厚度為2-10nm。
所述的場致電子發(fā)射體可以用鎢、鉬、鉭、鈮、鈦或者鉿、硅構(gòu)成。它也可以用非晶體導(dǎo)電材料和碳基合金，包括正電子材料摻雜物構(gòu)成。
場致電子發(fā)射體的平面元件的工作端面最好被鍍上一層隧道薄層(tunnel-thin)絕緣層，該絕緣層也含有正電子材料摻雜物。
本M型微波器件的基本特征在于所述元件可以產(chǎn)生首次發(fā)射，該元件被置于一個表面，該表面的法線與陰極軸不平行，其夾角大于0度。
這種區(qū)別特征有助于實現(xiàn)本發(fā)明的目的。這樣做時，通過更有效地利用場致電子發(fā)射體的工作表面，使初級電流增加，因此，依據(jù)本設(shè)計，可從更大的發(fā)射體表面發(fā)射。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于，通過可能減少使用的場致電子發(fā)射體數(shù)量，而簡化了器件。
本發(fā)明的第三個優(yōu)點是降低了工作電壓，則擴大了使用器件的種類和提高了場致電子發(fā)射體的結(jié)構(gòu)性能，以及可使用更大范圍的具有穩(wěn)定的伏安特性和能夠延長器件使用壽命的材料和合金。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點將在下述的詳細說明中闡明。部分地在說明書中很明顯得到，或者可以通過發(fā)明的實踐了解。
附圖簡要說明結(jié)合各附圖闡明本發(fā)明的最佳實施例，這些附圖并入且構(gòu)成了說明書的一部分，連同上述的一般性描述和如下的最佳實施例的詳細描述，用來解釋本發(fā)明的原理。


圖1是依據(jù)如權(quán)利要求2所述的本發(fā)明的實施例的器件的縱向(軸向)截面示意圖。
圖2是圖1中沿A-A線剖面的器件的橫向(徑向)截面示意圖。
圖3是依據(jù)如權(quán)利要求3所述的本發(fā)明的實施例的器件的縱向(軸向)截面示意圖。
圖4是依據(jù)如權(quán)利要求4所述的本發(fā)明的實施例的器件的縱向(軸向)截面示意圖。
圖5是圖4中沿A-A線剖面的器件的橫向(徑向)截面示意圖。
圖6是依據(jù)如權(quán)利要求2和5所述的本發(fā)明實施例的陰極組件的局部縱向(軸向)截面圖，即當場致電子發(fā)射體的平面元件與垂直于圓柱棒軸線的徑向平面偏離大于5度，同時用一個真空間隙將其與二次電子發(fā)射體隔離。
圖7是根據(jù)如權(quán)利要求6所述的本發(fā)明的實施例的場致電子發(fā)射體平面元件的端面示意圖。
圖8是根據(jù)如權(quán)利要求8所述的本發(fā)明的實施例的場致電子發(fā)射體平面元件的端面截面示意圖，在其中比正電子材料更深的位置上有同種摻雜材料。
圖9是根據(jù)如權(quán)利要求10所述的本發(fā)明的實施例的場致電子發(fā)射體平面元件的端面截面示意圖，其上有空腔，該空腔內(nèi)部填有具有低功函數(shù)(low work function)的材料。
圖10是根據(jù)如權(quán)利要求11所述的本發(fā)明的實施例的場致電子發(fā)射體平面元件的端面截面示意圖，該端面的結(jié)構(gòu)為金屬-絕緣體-金屬多層形式。
圖11是根據(jù)如權(quán)利要求15所述的本發(fā)明的實施例的場致電子發(fā)射體平面元件的端面截面示意圖，該端面涂覆隧道薄層絕緣層。
在圖中，為清晰和一致性起見，提供如下定義1-陽極2-陰極3-圓柱棒4-場致電子發(fā)射體5-二次電子發(fā)射體6-聚焦電極7-真空間隙8-正電子材料摻雜物9-場致電子發(fā)射體端面中的空腔10-同類材料摻雜物11-導(dǎo)體層12-絕緣層13-隧道薄絕緣層本發(fā)明的最佳實施例的詳細描述如下附圖1至5為M型微波器件，包括一個堅固的陽極1，該陽極1上有抽成真空的圓柱形腔和腔槽；一個陰極2置于該陽極內(nèi)，該陰極包括圓柱棒3，其上有平面(膜)場致電子發(fā)射體4，該場致電子發(fā)射體4的平面的法線(在法線上的每一個點)與陰極軸線不平行，并形成一個大于0度的角度；一個二次電子發(fā)射體5，所述的發(fā)射體分別產(chǎn)生首次和二次電子發(fā)射。聚焦電極6用于縮小電子相互作用距離。真空間隙7使該器件的陽極1和陰極2隔離。
場致電子發(fā)射體的平面元件可由表面具有微觀特性的箔片制成圓形或橢圓形的一片(或相互平行的幾片)，如圖1和圖2所示，或如圖3所示的螺旋形，或如圖4和圖5所示的矩形。場致電子發(fā)射體4沿所說的陰極上的棒3的軸線呈螺旋型，便于陰極自動裝配，并更加穩(wěn)定。
如圖6所示的一個實施例中，真空間隙7將場致電子發(fā)射體4與二次電子發(fā)射體5隔離。
場致電子發(fā)射體4的平面元件，特別是其端面，可摻雜正電子材料摻雜物8，如圖7所示。
如圖8所示的一個實施例，為擴散一穩(wěn)定的場致電子發(fā)射體的部分示意圖，是通過將同類材料摻雜物10置于比位于發(fā)射體表面正電子材料摻雜物8更深的位置上，而使其結(jié)構(gòu)上更能承受較沉重的負荷。
為加大正電子材料用量，在場致電子發(fā)射體的端面可形成空腔9，將所述的材料摻雜物8置于其中，如圖9所示。
圖10為本發(fā)明的另一個實施例，該場致電子發(fā)射體的平面元件端面的一部分為多層結(jié)構(gòu)，其組成為導(dǎo)體11-絕緣體12-導(dǎo)體11，每層的厚度為2～10nm。用此方式制造的該場致電子發(fā)射體，可增大場致電子發(fā)射體的強度，降低功函數(shù)。
圖11為場致電子發(fā)射體平面元件的端面的截面圖，該端面涂覆有隧道薄膜絕緣層，這是根據(jù)本發(fā)明的權(quán)利要求15所述的一個實施例。由此增強了場致電子發(fā)射體的穩(wěn)定性。
本發(fā)明的微波器件工作過程說明如下。
陽極接地。負工作電壓施加于陰極。場致發(fā)射保證了初級激發(fā)電流。在電磁場微波的作用下發(fā)射出的場致電子加速并改變了它們的行進方向，部分落在產(chǎn)生二次電子發(fā)射的元件上，因而碰撞出二次電子，其反過來，像雪崩一樣成倍數(shù)增長，形成器件的工作電流。
本發(fā)明的M型微波器件，當使用后在技術(shù)上和經(jīng)濟上更有效。
本發(fā)明可被廣泛應(yīng)用于設(shè)計高效的瞬時激發(fā)的微波器件的真空電子工業(yè)領(lǐng)域。
盡管已結(jié)合最佳實施例描述了本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明不限于它的細節(jié)說明，各種改變和改進對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯而易見的，本發(fā)明的發(fā)明要點、范圍和意圖在以下的權(quán)利要求中限定。
權(quán)利要求
1.一種M型微波器件，包括一個包圍著圓柱型真空腔的陽極和置于該陽極中的陰極組件，該陰極組件包括一個與陽極同軸的圓柱棒；一個場致電子發(fā)射體，該發(fā)射體制成至少一個具有工作端面的平面元件，該元件與所說的圓柱棒在機械上和電氣上相連接，并從工作端面向陽極延伸；一個二次電子發(fā)射體，該發(fā)射體制成至少有一個具有增大的電子發(fā)射系數(shù)的部件，該部件置于所說的圓柱棒表面；其特征在于每一個所述的平面元件的法線與該圓柱棒的軸之間的夾角大于0度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的M型微波器件，其特征在于，所述的平面元件相對于徑向平面的夾角大于5度，該徑向平面垂直于所說的圓柱棒的軸。
3.根據(jù)權(quán)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，從螺旋形延伸出的軸線與該圓柱棒軸線對齊。
4.根據(jù)權(quán)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為電子發(fā)射體薄膜的表面的法線垂直于所說的陰極軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的M型微波器件，其特征在于，所述的每一個場致電子發(fā)射體由一個真空間隙與所說的二次電子發(fā)射體相隔離。
6.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征是所述的場致電子發(fā)射體被摻雜的材料包括至少一種正電子材料摻雜物。
7.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征在于，所述的場致電子發(fā)射體端面的材料包含有同類材料的摻雜物。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的M型微波器件，其特征在于，所述的場致電子發(fā)射體端面的材料包含有同類材料的摻雜物，所述的摻雜物被置于比正電子材料摻雜物更深的位置上。
9.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征在于，所述的場致電子發(fā)射體的材料為非晶體。
10.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征在于，所述的場致電子發(fā)射體的工作端面包含多個空腔，其中置有低的功函數(shù)的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征是所述的場致電子發(fā)射體的端面為金屬-絕緣體-金屬的多層結(jié)構(gòu)，每層厚度為2-10nm。
12.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征在于，所述的場致電子發(fā)射體材料從鎢、鈮、鉭、鈦、鉬、硅和它們的摻雜物中選擇。
13.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征在于，所述的場致電子發(fā)射體是用非晶體導(dǎo)電金屬和碳基合金材料制作而成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的M型微波器件，其特征在于，所述的非晶體導(dǎo)電金屬和合金摻雜有正電子材料摻雜物。
15.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4或5所述的M型微波器件，其特征是所述的場致電子發(fā)射體的端面涂有隧道薄膜絕緣層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的M型微波器件，其特征是所述的隧道薄膜絕緣層包含正電子材料摻雜物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種M型微波器件,其目的在于提高場致電子發(fā)射體的使用工作表面的效率,在提高場致發(fā)射的穩(wěn)定性的同時,提高其可靠性和器件的使用壽命。上述目的通過M型微波器件的設(shè)計而實現(xiàn),該器件包括一個包圍著圓柱形真空腔的陽極和一個置于陽極內(nèi)并與其同軸的陰極組件,該陰極組件包括一個圓柱棒,圓柱棒的表面有制成平面(膜)的場致電子發(fā)射體和二次電子發(fā)射體元件,該發(fā)射體分別產(chǎn)生主要的和二次發(fā)射。這樣做時,平面場致電子發(fā)射體的法線不平行,并形成一個大于0度的夾角。隧道薄膜絕緣層保護著場致電子發(fā)射體的端面,該絕緣層包括各種材料和具有低的功函數(shù)材料的摻雜物。
文檔編號H01J25/50GK1292928SQ99803755
公開日2001年4月25日 申請日期1999年1月5日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月8日
發(fā)明者佛拉基米爾I·麥克霍夫 申請人:利通系統(tǒng)有限公司