阵列式碳纳米管冷阴极电子枪的研究

摘要

碳纳米管具有优异的场致发射性能，可以作为冷阴极器件的材料。为了发展碳纳米管场致发射冷阴极微波、毫米波电真空辐射源器件，本文对大面积无序生长平面以及阵列式碳纳米管冷阴极的场致发射特性进行了研究，设计出可应用于行波管中的电子枪。以下为本论文的主要完成的研究内容：
　　1.以实验实际测得的数据为基础，拟合出碳纳米管场致发射的相应参数，并建立了大面积的平面碳纳米管冷阴极的场致发射模型。研究了碳纳米管冷阴极表面电场的分布以及电场的边缘效应，并对电场的边缘效应进行了优化，使之表面场的分布变得较均匀。
　　2.在现有实际磁场分布的基础上，设计了栅控结构的平面碳纳米管场致发射冷阴极电子枪。并确定了设计所需的相关参数，冷阴极电子枪模型在阴栅距离0.3mm，栅极电压3kV时，产生的电子注面积压缩比为22，注腰半径为1.8mm，柵网的通过率为67％，输出电流密度为1.9A/cm2。
　　3.根据仿真结果，将平面碳纳米管场致发射冷阴极电子枪进行加工，并进行了实验测试研究。测试结果显示，电子枪阴极发射电流最大为20mA，阳极处电流为5mA。分析实验结果发现，阴极发射的电流被栅极所截获，而截获的电流反过来影响了其下方区域的碳纳米管，使其被损毁无法发射电子。
　　4.设计了两种不同结构的阵列式碳纳米管冷阴极电子枪，具有加工工艺简单、精度高、一致性好，且电子通过率均能达到100%等特点。其中对阴极表面开槽式阵列碳纳米管冷阴极电子枪的模拟仿真可以得到碳纳米管冷阴极阵列发射的电流密度为2A/cm2，压缩比约为20倍，压缩后的电流密度大小为11A/cm2的电子注。对另一种独立阴极发射单元阵列式碳纳米管冷阴极电子枪的模拟仿真，得到的电子注压缩比约为12倍，碳纳米管冷阴极阵列发射的电流密度为1A/cm2,压缩后的电子柱电流密度大小为1.5A/cm2。

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第一章 绪论

1.1 场致发射阴极的发展

1.2 场致发射阴极的应用

1.3 行波管器件的研究进展

1.4 本文主要研究工作

1.5 本论文的章节安排

第二章 碳纳米管场致发射冷阴极仿真与实验研究

2.1 碳纳米管概述

2.2 碳纳米管场至发射机理

2.3 碳纳米管场致发射冷阴极实验研究

2.4 大面积无序碳纳米管平面冷阴极场致发射特性仿真与研究

2.5 本章小结

第三章 碳纳米管冷阴极电子枪研究

3.1 电子枪理论

3.2 碳纳米管场致发射冷阴极电子枪仿真设计及优化

3.3 碳纳米管场致发射冷阴极电子枪实验测试系统及测试结果

3.4 本章小结

第四章 阵列式碳纳米管冷阴极电子枪的设计

4.1 阵列式场致发射阴极的发展

4.2 阵列式碳纳米管冷阴极电子枪模型的研究

4.3 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果