專利名稱：場發(fā)射陰極及其生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光源及其類似裝置如顯象板、陰極射線管等使用的場發(fā)射陰極，以及這種場發(fā)射陰極生成的方法。
為了使場發(fā)射發(fā)光器件變得實用，需要一種比現(xiàn)有的陰極具有更高效率的場發(fā)射陰極。一旦能夠得到具有低功函數(shù)、高耐用性、無污染成分和低成本的場發(fā)射陰極，就有可能用包括與發(fā)射可見光的熒光表面相結(jié)合的場發(fā)射裝置的光源替代許多種光源。
例如，現(xiàn)在正在作出很大努力來減少通常使用的熒光管帶來的問題，這種熒光管需要復雜的外部電裝置且包含具有負環(huán)境效應的材料。目前的熒光管，利用氣體放電而發(fā)射射線到熒光材料上，再由熒光材料產(chǎn)生可見光。需要一種新型的發(fā)射裝置以消除目前熒光管存在的缺點。
美國專利4728851公開了具有記憶功能的發(fā)射裝置中的一種場發(fā)射陰極，該場發(fā)射陰極包括一根直徑在兩微米量級的碳纖維，其發(fā)射端由電暈放電削尖至直徑約為大約0.2微米。
美國專利4272699公開了電子轟擊離子源器件中的一種場發(fā)射陰極，該場發(fā)射陰極包括一束直徑約為兩到十微米的碳纖維，其具有的發(fā)射端，是被切斷的而不是由任何加工操作削尖的。
以上各文件被引入作為參考。
本發(fā)明的一個目的是提供一種場發(fā)射陰極生成的方法，其中該陰極具有，便于實現(xiàn)電子場發(fā)射需要的局部高電場強度的表面幾何形狀。另一個目的是提供一種場發(fā)射陰極生成的方法，其中該陰極具有高機械和電子耐用性。另一個目的是提供一種場發(fā)射陰極生成的方法，其中該陰極具有低功函數(shù)。另一個目的是提供一種場發(fā)射陰極生成的方法，其中包括該陰極的發(fā)光器件的負環(huán)境效應被最小化。另一個目的是提供一種場發(fā)射陰極生成的方法，其中該陰極具有有益的幾何結(jié)構(gòu)。另一個目的是提供一種場發(fā)射陰極生成的方法，其中該陰極在電子發(fā)射中具有很短的開關(guān)時間。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種電子場發(fā)射用的場發(fā)射陰極，其中該陰極具有適于高強度的局部電子場的表面幾何結(jié)構(gòu)。該發(fā)明的場發(fā)射陰極的另一個目的是得到一場發(fā)射陰極，其具有利于電子場發(fā)射的凹凸不平的發(fā)射表面、高機械耐用性和高電子耐用性、及最好具有低電功函數(shù)，以及使用壽命長，每單位陰極面積具有高發(fā)射能量、在電子發(fā)射中極短的開關(guān)時間和包含陰極的發(fā)光器件的最小化的負環(huán)境效應。
本發(fā)明的另一個目的是通過采用至少一個具有上述特征的場發(fā)射陰極改進其工作機理已知的發(fā)光器件或其它場發(fā)射器件。
以上目的通過附屬權(quán)利要求陳述的特征可以實現(xiàn)。
在本發(fā)明的方法中，場發(fā)射陰極至少包括一本體，該本體最好被提純?yōu)榛景坏谝环N物質(zhì)，且其內(nèi)部和表面結(jié)構(gòu)最好被標準化。該場發(fā)射陰極經(jīng)過以下步驟處理經(jīng)過機械、熱、刻蝕和/或輻射處理生成該一個或多個本體以使其至少一個發(fā)射表面具有利于電子場發(fā)射的凹凸不平之處；通過給本體施加變化的電場來改變發(fā)射表面以便從發(fā)射表面引起電子場發(fā)射，且根據(jù)預定方案增加場強度以便保持發(fā)射表面的凹凸不平處，使得可以施加瞬間的滿操作電壓(在一個步驟中)，而不會使陰極場發(fā)射性質(zhì)有任何顯著的劣化。該方法可以包括以下步驟將具有比第一種物質(zhì)低的功函數(shù)的第二種物質(zhì)加到發(fā)射表面以便降低從發(fā)射表面產(chǎn)生電子場發(fā)射所需要的電場強度。
得到合適的初始的陰極材料的一種途徑是對本體或初始材料進行熱處理以便將除第一種物質(zhì)以外的其它物質(zhì)去除和/或使其結(jié)構(gòu)標準化。術(shù)語“標準化”可以理解為減少初始材料本體的不定型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。
陰極的本體可以有任意幾何形狀，包括但不限于纖維狀、層狀、錐狀和塊狀。術(shù)語“凹凸不平處”應理解為在發(fā)射表面上以規(guī)則樣式形成的非光滑幾何結(jié)構(gòu)。
該生成步驟可以更具體地通過機械研磨、電火花放電或離子轟擊來實現(xiàn)。通過轟擊實現(xiàn)的生成步驟最好與以下的改變步驟同時進行。若通過離子轟擊生成，則該步驟可以用第二種物質(zhì)的離子實現(xiàn)，其將添加步驟與生成(和改變)步驟結(jié)合在一起。
若各本體是一束纖維，則在用離子轟擊發(fā)射端的步驟中一般會發(fā)生成束的纖維段的發(fā)射端擴散或岔開的情況。所述擴散有益于在場發(fā)射中電子更廣泛的分布。
陰極的第一種物質(zhì)最好是碳或具有類似性質(zhì)的物質(zhì)。使用碳是有好處的，例如，由于當生成中和常規(guī)使用中離子轟擊時，其具有生成凹凸不平之處的能力。第二種物質(zhì)(插入物)，如果使用的話，可以是銫或其它具有低功函數(shù)的材料。有可能從被選材料的固體、液體、氣體階段的任一階段或通過在本體上的外部作用制造或生成合適的導電本體。
在通過用離子轟擊(輻射)和可能加入(攙入)離子的生成發(fā)射端的步驟之后保留的凹凸不平處對于陰極的場發(fā)射性質(zhì)是至關(guān)重要的。該凹凸不平處可以包括可能摻雜有銫的碳的尖峰或尖梢(微尖梢)。該尖梢的曲率半徑最好限定在0.1-100nm量級內(nèi)。改變發(fā)射表面的步驟是一“燒進(buring-in)”過程。其中該凹凸不平處在峰值處被由于電子場發(fā)射產(chǎn)生的熱量熔化而抹平。按照本發(fā)明，該過程被仔細地執(zhí)行，從而只有尖銳或最高部分被抹平，而剩下能承受瞬時所施加的滿操作電壓而不會熔化的凹凸不平部分。
在改變步驟中的可變電壓，最好或者是根據(jù)預定的(連續(xù)的)曲線在預定的各步驟施加，或控制電壓對時間的最大導數(shù)來施加，以便限制各端的尖梢處(凹凸不平處)的局部電流密度超過一預定值(限制熔化點)的可能性。過度熔化會導致不利的表面平滑。如果通過緩慢增加場發(fā)射電流(場強)或在第一次時間的多個步驟中熱量不能從尖梢釋放，則這種平滑會變得更厲害。一種表示改變步驟應遵循的準則的可能方式是限制尖梢的凹凸不平處的局部電流密度超過一預定值的可能性。另一種方式是以限制所述發(fā)射表面的所述凹凸不平處劣化的方式增加可變電場。
在含有剩余空氣(離子)的真空環(huán)境中，執(zhí)行改變發(fā)射表面的步驟有利于增強其發(fā)射尖梢(凹凸不平處)的耐電強度，其中施加的電場使得剩余空氣(離子)將轟擊該表面。該過程的好處似乎是由于隨著電場強度以受控方式增加，由于電流增加導致比較不耐電的尖梢熔化和由于入射離子的能量增加比較不抗機械損傷的尖梢會被損壞，因而連續(xù)產(chǎn)生電子和機械耐用性更長的發(fā)射尖梢。這種過程給出一種具有耐久的發(fā)射尖梢的發(fā)射表面。在使用這種陰極的過程中，由于類似上面所述的效果，會出現(xiàn)發(fā)射尖梢的再生。
通常，陰極的第一種物質(zhì)可包括一晶體或一顆粒結(jié)構(gòu)或二者皆有。而且，凹凸不平處有可能以具有高聚集度的微孔或小室的形式出現(xiàn)，其中該第一種物質(zhì)具有(微)顆粒結(jié)構(gòu)。另一方面，該陰極也可以是一如通過熱譜法得到的平板結(jié)構(gòu)。
生成、添加(例如通過轟擊)和改變步驟可以分別獨立地或以不同的順序使用以得到具有改進功能的場發(fā)射陰極。應該理解，這些步驟也可以以不同結(jié)合方式順序地、同時地或重復地執(zhí)行。
在一基片上，可以將不止一個陰極聯(lián)結(jié)成適合于具體發(fā)光器件的幾何結(jié)構(gòu)的復合陰極。
本發(fā)明不僅適于電燈、熒光管、陰極射線管，而且適于任何其它需要電子場發(fā)射的器件。甚至有可能應用僅使用一個尖梢(凹凸不平處)的本發(fā)明。


圖1為在將各纖維切成段并對各纖維進行熱處理的步驟之后，由構(gòu)成本發(fā)明的一場發(fā)射陰極的多根纖維組成的一束纖維的一部分；圖2為圖1所示纖維，在進行離子轟擊步驟之后，各纖維段的發(fā)射端岔開的情形；圖3一般地說是準備在后續(xù)步驟用來發(fā)射的一表面、具體地說是圖1的一纖維段的端表面的可能的“粗糙”的剖面的示意圖。
圖4一般地說是在后續(xù)步驟中進一步被改變以用于發(fā)射的發(fā)射表面、具體地說是圖2的一纖維段的端表面的“多尖”的剖面的示意圖。
圖5一般地說是已準備好并被改變后的用于發(fā)射的發(fā)射表面、具體地說是圖2所示的一纖維段的端表面用一可變電壓作用下修改纖維段的端后的可能的“平滑”的剖面的示意圖。
圖6為在發(fā)光器件中的基片上的母體中分布的本發(fā)明的場發(fā)射陰極，其具有在真空玻璃容器內(nèi)工作的調(diào)制柵極、陽極、熒光層。
在本發(fā)明的優(yōu)選方法中，該場發(fā)射陰極是由包含第一種物質(zhì)的纖維材料制成的，該方法首先包括以下步驟將纖維材料的多根纖維組合；將纖維材料制成的束經(jīng)機械或熔化進行切割，每束包括多個具有預定長度的纖維段；對纖維段進行熱處理以去除第一種物質(zhì)以外的其它物質(zhì)，和/或使各纖維段中的第一種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)標準化。
在進行切割和熱處理之后，每束纖維的各纖維段的發(fā)射端都存在固有的凹凸不平處。該方法其次包括步驟用離子輻射纖維段的發(fā)射端以增強和改進發(fā)射端的凹凸不平處從而有利于電子場發(fā)射(在凹凸不平處或尖梢處一般形成更強的局部電場)；通過將可變電壓施加到纖維段并根據(jù)預定方案增加可變電壓來改變發(fā)射端，從而在從該發(fā)射端發(fā)射電子場期間，保持發(fā)射端的凹凸不平處，使得可以瞬時地施加滿操作電壓，而不會使在陰極的場發(fā)射特性有任何顯著劣化。輻射和改變步驟可以在包含剩余空氣離子的真空環(huán)境中同時執(zhí)行。離子轟擊可能涉及到加入具有比第一種物質(zhì)更低功函數(shù)的第二種物質(zhì)的離子。
例如，首先從市場上可買到的聚丙烯腈碳纖維，或其它包含碳的合適材料開始，將碳纖維經(jīng)過機械切割形成陰極。參考圖1和圖2，本發(fā)明的場發(fā)射陰極包括一具有輻射端2的碳纖維3的纖維束1。在纖維束1中，可能有成百或更多條纖維3。纖維3的直徑在幾個微米范圍內(nèi)。為了清楚，圖1和圖2所示只是一小部分纖維段。
在準備階段的第一步驟，被切割的纖維束最好在開放的空氣中以大約1.5小時升高到大于500℃然后維持大約8-10分鐘的溫度進行熱處理。這種處理提高了發(fā)射表面有效地產(chǎn)生發(fā)射凹凸不平處的能力。圖1所示為經(jīng)過熱處理后具有發(fā)射端2的纖維3的束1的一部分。圖3所示為經(jīng)過熱處理后，一纖維4的剖面5，發(fā)射端剖面5具有凹凸不平處。
準備發(fā)射端的下一步與在真空室中改變(“燒進”)步驟一起進行。室內(nèi)壓力約為10-6乇，這意味著室內(nèi)含有剩余空氣。當一足夠強的電子場加到陰極時，從發(fā)射端產(chǎn)生電子發(fā)射。施加的電場還導致剩余空氣的離子加速沖向發(fā)射表面且碰撞產(chǎn)生新的凹凸不平處。隨著電場加強，在最尖銳的凹凸不平處(尖峰)發(fā)射會達到一定水平，這會使它們局部熔化。如果電子場強度是緩慢地增加，則熔化將受到限制且凹凸不平處的很大部分被保持，發(fā)射端的場發(fā)射特性也會保持。電場從零增加到滿操作電壓最好分為五步(有可能是相等的五步)進行，每一步進行幾分鐘，如十分鐘。
圖2為經(jīng)輻射后具有發(fā)射端2的纖維3的束1的一部分，其還可以取得另一個有益效果。各發(fā)射端2(各纖維段的尖梢)被稍微分開，這有利于發(fā)射電子的更廣分布。圖4所示為經(jīng)輻射后一纖維6的剖面7，該發(fā)射端剖面7具有高且尖銳的凹凸不平處8。圖5所示為改變后，一纖維9的剖面10，該發(fā)射端剖面10具有高且略微平滑的凹凸不平處11。
發(fā)射端的輻射(轟擊)步驟由銫或類似的低功函數(shù)材料的離子實現(xiàn)。各離子被充滿輻射端的表面，因此降低發(fā)射端的電功函數(shù)。與剩余空氣的離子一樣，這些輻射作用也會導致輻射端的尖銳的凹凸不平處出現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，改變步驟可以在生成場發(fā)射陰極的不同階段實施。例如，改變步驟可以當各纖維(或各本體)在真空室中處理時進行，和/或當其被安裝在發(fā)光器件或任何電子發(fā)射器件中時進行。
圖6所示為具有以束1形式提供的場發(fā)射陰極的光源，該束1最好在母體中，其安裝在導電基片17上。在與母體同樣的平面中，且在束1的發(fā)射端上面極接近處，大約十分之幾微米，有一調(diào)制電極12，該電極12具有一圍繞每束纖維的中心孔徑。該基片17和調(diào)制極12位于具有上界玻璃板15和下界玻璃板16的真空玻璃容器內(nèi)部的絕緣支撐件18之上。在纖維束1和調(diào)制極的相對端，在上界15內(nèi)部有一陽極13和一熒光層14。該陽極13、調(diào)制極12和基片17分別具有用于施加電壓的電子端A、B、C，該電壓使得電子從束1經(jīng)調(diào)制極孔徑到達與陽極13相接的熒光層14。當電子撞擊到熒光層14時，透過透明陽極13和玻璃容器發(fā)射光線。
權(quán)利要求
1.一種場發(fā)射陰極生成的方法，該場發(fā)射陰極至少包括一具有第一種物質(zhì)的本體，其中所述至少一本體有至少一個具有凹凸不平之處的發(fā)射平面，所述方法包括下述步驟-通過對所述至少一本體施加可變電場改變所述發(fā)射表面，從而從所述發(fā)射表面引起電子場發(fā)射，和以限制所述發(fā)射表面的所述凹凸不平之處劣化的方式增加所述可變電場。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法進一步包括生成所述發(fā)射表面的步驟，從而改進其凹凸不平之處以利于電子場發(fā)射，該生成發(fā)射表面的步驟經(jīng)過以下步驟中的至少一步-所述至少一本體的機械處理；-所述至少一本體的刻蝕處理；-所述至少一本體的輻射處理；-最好在開放的空氣中進行熱處理。
3.如權(quán)利要求1-2中任意權(quán)利要求所述的方法，其中所述可變電場在改變所述發(fā)射表面的步驟中，以預定的幅度和時間，從低場強一步步增加到所述場發(fā)射陰極的工作電壓量級的場強。
4.如權(quán)利要求1-3中任意權(quán)利要求所述的方法，包括以下步驟的結(jié)合-生成所述發(fā)射表面以便改進其凹凸不平之處以利于電子場發(fā)射；-以所述方式改變所述發(fā)射表面。
5.如權(quán)利要求1-3中任意權(quán)利要求所述的方法，順序包括以下步驟-生成所述發(fā)射表面以便改進其凹凸不平之處以利于電子場發(fā)射；-以所述方式改變所述發(fā)射表面。
6.如權(quán)利要求1-5中任意權(quán)利要求所述的方法，其中通過輻射處理進行的改變和生成步驟在含有剩余空氣的真空環(huán)境中一起執(zhí)行，所述可變電場強度導致剩余空氣的離子輻射到所述發(fā)射表面。
7.如權(quán)利要求1-6中任意權(quán)利要求所述的方法，其中所述場發(fā)射陰極是由包含所述第一種物質(zhì)的材料構(gòu)成的，所述方法進一步包括以逐漸升高的溫度對所述材料進行熱處理的步驟，以得到以下中的一個結(jié)果-從所述材料中去除所述第一種物質(zhì)以外的其它物質(zhì)；-使所述材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)標準化；-使所述材料的表面結(jié)構(gòu)標準化；
8.如權(quán)利要求1-7中任意權(quán)利要求所述的方法，所述方法進一步包括下述步驟-將具有比所述第一種物質(zhì)更低功函數(shù)的第二種物質(zhì)添加到所述發(fā)射表面上，以降低從所述發(fā)射表面引起電子場發(fā)射所需的電子場強度。
9.如權(quán)利要求8和權(quán)利要求2-6中任意權(quán)利要求所述的方法，其中通過輻射處理的添加步驟和生成步驟結(jié)合到輻射具有所述第二種物質(zhì)微粒的所述發(fā)射表面的步驟中。
10.如權(quán)利要求1-9中任意權(quán)利要求所述的方法，其中所述至少一個本體是一纖維段，且所述發(fā)射表面是所述纖維段的端表面。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述各陰極是多個所述纖維段形成的一束束的纖維，且其中該方法步驟中的任一步驟都適于使所述束狀纖維段的發(fā)射端岔開。
12.一場發(fā)射陰極，包括至少一個導電的第一種物質(zhì)的本體，該本體有至少一個發(fā)射表面，該發(fā)射表面有多個適于連續(xù)電子場發(fā)射的凹凸不平之處，通過將一可變電場施加給所述至少一本體來改變所述發(fā)射表面以引起從所述發(fā)射表面產(chǎn)生電子場發(fā)射和通過以限制所述發(fā)射表面的所述凹凸不平之處劣化的方式增加所述可變電子場。
13.如權(quán)利要求12所述的場發(fā)射陰極，其中所述發(fā)射表面包括具有比所述第一種物質(zhì)更低的功函數(shù)的第二種物質(zhì)。
14.如權(quán)利要求12-13所述的場發(fā)射陰極，其中所述第一種物質(zhì)是碳。
15.如權(quán)利要求13-14所述的場發(fā)射陰極，其中所述第二種物質(zhì)是銫。
16.一種場發(fā)射器件，包括-至少一個場發(fā)射陰極，其具有至少一個導電的第一種物質(zhì)的本體，該本體有至少一個發(fā)射表面，該發(fā)射表面有多個適于連續(xù)電子場發(fā)射的凹凸不平之處，通過將一可變電場施加給所述至少一本體來改變所述發(fā)射表面以引起從所述發(fā)射表面產(chǎn)生電子場發(fā)射和通過以限制所述發(fā)射表面的所述凹凸不平之處劣化的方式增加所述可變電場；-與所述至少一個場發(fā)射陰極分開放置的調(diào)制極裝置；-陽極裝置；-靶板裝置；-一真空室；-所述場發(fā)射陰極、所述調(diào)制極裝置、所述陽極裝置和所述靶板裝置實際上都封閉在所述真空室中；所述場發(fā)射陰極、所述調(diào)制極裝置和所述陽極分別連接于第一、第二和第三電壓，且其被安置于一定的空間位置上，從而使所述場發(fā)射陰極的電子發(fā)射到所述靶板裝置上。
17.如權(quán)利要求15所述的場發(fā)射器件，其中-所述靶板裝置是熒光的；-所述真空室是光線可穿透的；-電子被發(fā)射到所述熒光靶板裝置上，導致所述真空室向外部發(fā)射光線。
18.如權(quán)利要求15-16中任意權(quán)利要求所述的場發(fā)射器件，其中所述發(fā)射表面包括具有比所述第一種物質(zhì)更低功函數(shù)的第二種物質(zhì)。
全文摘要
一種改進的場發(fā)射陰極及其制造方法,在本發(fā)明的方法中,該場發(fā)射陰極是由至少一個包含第一種物質(zhì)的本體構(gòu)成的。該方法包括步驟:在該本體的發(fā)射表面生成凹凸不平之處,將具有低功函數(shù)的第二種物質(zhì)的離子加到該本體的發(fā)射表面,和通過將可變電場施加到該本體上并逐步增強場強來改變引起場發(fā)射的發(fā)射表面。
文檔編號H01J31/12GK1174629SQ9619194
公開日1998年2月25日 申請日期1996年2月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月15日
發(fā)明者V·S·凱弗坦諾夫, A·L·蘇沃羅夫, E·P·謝斯欣 申請人:萊特拉伯公司