CN112242277B - 场发射中和器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种场发射中和器，包括一底板以及至少一个阴极发射单元固定在该底板上，该阴极发射单元包括一基板，一壳体，至少一阴极发射体，一栅网，以及一屏蔽层，该壳***于所述基板上，所述至少一阴极发射体固定在壳体内部并与栅网绝缘间隔设置，该栅网与屏蔽层绝缘间隔设置，该壳体具有一开口，栅网包括多个栅孔，屏蔽层具有一通孔，该至少一阴极发射体发射的电子穿过开口、栅孔及通孔发射出去，该阴极发射体包括两个阴极电极片以及一石墨化的碳纳米管结构，该两个阴极电极片层叠设置并夹持石墨化的碳纳米管结构，使石墨化的碳纳米管结构分为第一部分和第二部分，第一部分夹持在两个阴极电极片之间，第二部分暴露在所述阴极电极片的外部。

Description

场发射中和器
技术领域
本发明涉及一种场发射中和器，尤其涉及一种采用碳纳米管结构作为发射体的场发射中和器。
背景技术
场发射中和器的主要功能是发射电子中和正离子电荷。场发射中和器应用领域十分广泛，例如，场发射中和器是太空电推进器的一个重要组成部分，中和器的主要功能是发射电子中和离子电荷防止***电荷累积，如果中和器故障可能造成推进器无法启动，或者***的电压瞬间升高上万伏。
碳纳米管具有很好的导电性能，发射电子效率较高，非常适用于阴极发射发射体中。然而，现有的采用碳纳米管作为阴极发射体的场发射中和器中，碳纳米管与阴极电极的结合力比较弱，在发射电子的过程中碳纳米管非常容易脱离阴极电极，且碳纳米管非常容易变成粉末，导致发射电子的效率比较低，甚至发射电子失败。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种场发射中和器，该场发射中和器的电子发射体与阴极电极的结合力较大，因此该场发射中和器的发射效率较高，使用寿命较长，且该场发射中和器的重量，体积较小。
一种场发射中和器，包括一底板以及至少一个阴极发射单元，该至少一个阴极发射单元固定在所述底板的表面，所述阴极发射单元包括一基板，一壳体，至少一个阴极发射体，一栅网，以及一屏蔽层，所述壳***于所述基板上，所述至少一个阴极发射体固定在所述壳体内部并与所述栅网绝缘间隔设置，所述栅网与所述屏蔽层绝缘间隔设置，所述壳体具有一开口，所述栅网包括多个栅孔，所述屏蔽层具有一屏蔽层通孔，所述壳体的开口、栅网的栅孔以及屏蔽层通孔贯穿设置，所述阴极发射体包括两个阴极电极片以及一石墨化的碳纳米管结构，所述两个阴极电极片层叠设置并夹持所述石墨化的碳纳米管结构，使所述所述石墨化的碳纳米管结构分为第一部分和第二部分，该第一部分夹持在两个阴极电极片之间，第二部分暴露在所述阴极电极片的外部。
与现有技术相比较，本发明提供的场发射中和器中阴极发射体中的电子发射结构为一石墨化的碳纳米管结构，基本没有缺陷，机械性能较好，在使用过程中可以保持原始形态，不会变成粉末；而且阴极发射体中的所述层叠设置并夹持所述石墨化的碳纳米管结构，因此，电子发射体与阴极电极片的结合力较大，在发射电子的过程中不会脱离阴极电极片，进而提高场发射中和器的发射效率和使用寿命。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的场发射中和器俯视结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的场发射阴极单元的结构拆解示意图。
图3为本发明第一实施例提供的阴极发射体的电子显微镜照片。
图4为本发明第一实施例提供的3个阴极发射体焊接在一起的电子显微镜照片。
图5为本发明第一实施例中超声处理之后的阴极发射体预制体的表面形貌图。
图6为本发明第一实施例中阴极发射体的发射尖端的电子显微镜照片。
图7为采用本发明第一实施例提供的将阴极发射体固定在壳体内部的结构示意图。
图8为本发明第一实施例中场发射中和器发射电流随电压的变化曲线。
图9为本发明第一实施例中场发射中和器电子发射电流随时间的变化曲线。
图10为本发明第一实施例中场发射中和器施加电压与工作时间的变化曲线。
图11为本发明第一实施例中场发射中和器在不同真空度下电压与工作时间的变化曲线。
图12为本发明第二实施例中阴极发射体的电子显微镜照片。
主要元件符号说明
场发射中和器 10
底板 100
场发射阴极单元 200
基板 201
壳体 202
阴极发射体 203
阴极电极片 2031
石墨化的碳纳米管结构 2032
栅网 204
屏蔽层 205
第一绝缘层 206
第二绝缘层 207
开口 2021
栅孔 2041
第一通孔 2061
第二通孔 2071
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1-3，本发明第一实施例提供一场发射中和器10，该场发射中和器10包括一底板100以及至少一个场发射阴极单元200，该至少一个场发射阴极单元200间隔固定在所述底板100的表面。
该场发射阴极单元200包括一基板201，一壳体202，至少一个阴极发射体203，一栅网204，以及一屏蔽层205。所述壳体202位于所述基板201上。所述阴极发射体203设置在所述壳体202的内部并与所述栅网204绝缘间隔设置。所述栅网204与所述屏蔽层205绝缘间隔设置。所述壳体202具有一开口2021，所述栅网204包括多个均匀分布的栅孔2041，所述屏蔽层205具有一屏蔽层通孔2051，所述壳体的开口2021、栅网的栅孔2041以及屏蔽层通孔2051贯穿设置，所述至少一个阴极发射体203发射的电子穿过所述开口2021、栅孔2041及屏蔽层通孔2051发射出去。
所述阴极发射体203包括两个阴极电极片2031以及一石墨化的碳纳米管结构2032。所述两个阴极电极片2031层叠设置并夹持所述石墨化的碳纳米管结构2032，使所述所述石墨化的碳纳米管结构2032分为第一部分和第二部分，该第一部分夹持在两个阴极电极片2031之间，第二部分暴露在所述阴极电极片2031的外部。该石墨化的碳纳米管结构2032为电子发射体。
所述两个阴极发射体2031通过焊接的方式连接在一起，所述石墨化的碳纳米管结构2032的第一部分夹持在两个阴极电极片2031之间，因此，石墨化的碳纳米管结构2032与阴极电极片2031的结合力较大，在发射电子的过程中不会脱离阴极电极片2031，进而提高场发射中和器100的使用寿命。所述焊接的方式可以选择点焊或激光焊等。当采用点焊时，所述阴极电极片2031优选为镍片或不锈钢片。当采用激光焊时所述阴极电极片2031可以为金属或金属合金。所述两个阴极电极片2031焊接的位置优选将所述两个阴极电极片2031的下边缘焊接在一起。本实施例中，所述两个阴极电极片2031通过点焊的方式焊接在一起，所述两个阴极电极片2031为两个镍片，该两个镍片为采用100微米厚的纯镍管压扁形成的小片，将石墨化的碳纳米管结构2032的第一部分夹持在两个镍片中间。
当所述场发射中和器10包括多个阴极发射体203时，该多个阴极发射体203的阴极电极片2031焊接在一起。优选的，该多个阴极发射体203的阴极电极片2031通过激光焊焊接在一起。请参阅图4，本实施例中，所述场发射中和器100包括3个阴极发射体203，该3个阴极发射体203中的阴极电极片2031焊接在一起，进而增加电子的发射量，提高发射效率。某些实施例中，所述场发射中和器100包括4-6个阴极发射体203焊接在一起。所述石墨化的碳纳米管结构2032结晶度比未进行石墨化的碳纳米管结构增大很多，微观结构中基本没有位错和缺陷，趋向于三维有序的石墨结构，因此石墨化的碳纳米管结构2032具有良好的导电、导热、力学等性能，在使用过程中，尤其在真空中使用时可以保持原始形态，不会变成粉末。所述石墨化的碳纳米管结构2032可以将一碳纳米管结构在2800℃左右的惰性气体中进行石墨化处理得到，该高温石墨化热处理可以有效改善碳纳米管的微观结构，提高碳纳米管的结晶度，同时可以去除碳纳米管结构中金属催化剂等高温易挥发杂质。
所述石墨化的碳纳米管结构2032可以为碳纳米管膜或碳纳米管线。
本实施例中，所述石墨化的碳纳米管结构2032为碳纳米管膜，该碳纳米管膜的密度大于等于1.6g/m3。该碳纳米管膜的密度较大，可以增加阴极发射体203发射电子的发射电流，而且减小阴极发射体203的体积。
所述碳纳米管膜为一超顺排碳纳米管膜。该碳纳米管膜包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管通过范德华力连接在一起，该碳纳米管膜中的碳纳米管的延伸方向基本垂直于所述基板201。该碳纳米管膜远离所述基板201的一端具有多个毛刺，该多个毛刺为从碳纳米管膜中竖直突出的碳纳米管，可以是竖立的单个碳纳米管或由多个碳纳米管形成的碳纳米管束，该多个毛刺作为场发射尖端，该场发射尖端的表面积较小，进而使局部电场愈集中，增加场发射效率。
所述石墨化的碳纳米管结构2032可以仅包括一层碳纳米管膜，也可以包括多层碳纳米管膜层叠设置在一起。当所述石墨化的碳纳米管结构2032包括多层碳纳米管膜层叠设置在一起时，该多层碳纳米管膜中的碳纳米管优选平行设置，即该多层碳纳米管膜中的碳纳米管的延伸方向基本垂直于所述基板201。在某些实施例中，所述碳纳米管膜的层数为5-20层。当所述石墨化的碳纳米管结构为碳纳米管膜时，该石墨化的碳纳米管结构的厚度为1.0mm-3mm。
当所述石墨化的碳纳米管结构2032为碳纳米管膜时，所述石墨化的碳纳米管结构2032第二部分的形状可以为多种形状，例如凸形状
Figure BDA0002132427270000051
锯齿状
Figure BDA0002132427270000052
半圆形状
Figure BDA0002132427270000053
等。
当所述石墨化的碳纳米管结构2032为碳纳米管膜时，所述阴极发射体203的制备方法包括：(a)处理一第一碳纳米管膜使其密度增加为大于等于1.6g/m3；(b)对该第一碳纳米管膜进行石墨化处理，使其形成石墨化的碳纳米管膜；(c)裁剪所述石墨化的碳纳米管膜；(d)用两个阴极电极片夹持所述石墨化的碳纳米管膜，使石墨化的碳纳米管膜的一部分夹持在所述两个阴极电极片之间，另一部分暴露在所述两个阴极电极片的外部，将两个阴极电极片焊接在一起；(e)切割暴露在外部的石墨化的碳纳米管膜；(f)超声清洗，去除松散的碳纳米管管得到阴极发射体预制体；以及(g)采用一胶带粘该阴极发射体预制体中暴露在外部的石墨化的碳纳米管膜，得到所述阴极发射体。
可以理解，当所述场发射中和器10包括多个阴极发射体时，在步骤(c)和步骤(d)之间进一步包括将多个阴极发射体203的阴极电极片2031焊接在一起的步骤。
步骤(a)中，可以直接将所述第一碳纳米管膜在1400-1700℃，40-60Mpa下处理5-10min，使所述碳纳米管膜的密度增加为大于等于1.6g/m3。也可以将一碳纳米管厚膜在1400-1700℃，40-60Mpa下处理5-10min，使所述碳纳米管厚膜的密度增加为大于等于1.6g/m3，然后再从碳纳米管厚膜中取出一定厚度的碳纳米管膜进行石墨化处理。所述第一碳纳米管膜为超顺排碳纳米管膜。步骤(b)中，将第一碳纳米管膜在2600-2900℃的惰性气氛下处理1-3个小时，促进第一碳纳米管膜石墨化。步骤(e)中，可以采用激光切割暴露在外部的石墨化的碳纳米管膜。步骤(g)中，采用所述胶带粘所述暴露在外部的石墨化的碳纳米管膜之后，使所述石墨化的碳纳米管膜中的的部分碳纳米管被竖立拉出，在石墨化的碳纳米管膜的边缘形成多个毛刺，该多个毛刺为从石墨化的碳纳米管膜中竖直突出的碳纳米管，可以是竖立的单个碳纳米管或由多个碳纳米管形成的碳纳米管束，该多个毛刺作为场发射尖端。该场发射尖端表面积减小，进而使局部电场愈集中，增加场发射效率。
本实施例中，将一第一碳纳米管膜在1600℃，50MPa处理5min，使第一碳纳米管膜密度增加为1.6g/m3；将第一碳纳米管膜在2800℃Ar气气氛下处理1个小时，促进石墨化，得到石墨化的碳纳米管膜；将石墨化的碳纳米管膜裁成厚度为50微米，宽度为4毫米，长度为2毫米；用100微米厚的纯镍管压扁的镍片夹住裁剪后的石墨化的碳纳米管膜，点焊焊接；将6片镍片固定好的石墨化的碳纳米管膜焊接在一起；采用激光将石墨化的碳纳米管膜的长度切割为250微米；超声清洗，去掉松散碳纳米管得到阴极发射体预制体；以及采用胶带粘该阴极发射体预制体的顶端，得到所述阴极发射体。
请参阅图5，为本实施例中超声处理之后的阴极发射体预制体的表面形貌图，由图中可以看出，超声处理之后阴极发射体预制体中基本不含有松散的碳纳米管。请参阅图6，为本实施例阴极发射体的发射尖端的电子显微镜照片，由图中可以看出，该发射尖端中的碳纳米管竖直向上，且该阴极发射体的尖端具有很多毛刺。该毛刺可以使场发射尖端表面积减小，进而使局部电场愈集中，增加场发射效率。
所述底板100的材料是导电材料。优选的，所述底板100的材料是金属或金属合金材料。本实施例中，所述底板100为一不锈钢板。
所述基板201的材料为绝缘材料，具体可以为玻璃、陶瓷或二氧化硅等绝缘材料。本实施例中，所述基板201的材料为陶瓷。所述基板201用于支撑所述壳体202。
所述壳体202的材料可以为导电材料或绝缘材料。本实施例中，所述壳体202的材料为不锈钢。所述壳体202用于容纳所述阴极发射体203，可以避免所述阴极发射体203受到污染，以及受到外力作用时损坏。所述壳体202的形状不限，只要能够保证所述阴极发射体203可以放置在里面，并通过其开口2021向外发射电子即可。请参阅7，本实施例中，采用一L形金属片将所述阴极发射体203固定在所述壳体202的内部。具体地，将所述阴极电极片2031焊接在L形金属片竖直方向的侧壁上，然后将L形金属片水平方向的侧壁采用螺丝钉固定在所述壳体202的一个侧壁上，进而将所述阴极发射体203固定在所述壳体202的内部。
所述阴极发射体203与栅网204绝缘设置。当所述壳体202为导电材料时，所述壳体202和栅网204之间进一步包括一第一绝缘层206，该第一绝缘层206可以是一绝缘板，也可以是多个绝缘体间隔设置在所述壳体202和栅网204之间。本实施例中，所述第一绝缘层206为一绝缘板，该绝缘板包括一第一通孔2061，该第一通孔2061与所述壳体202上的开口2021连通设置。
所述栅网204与所述屏蔽体205之间进一步包括一第二绝缘层207，使所述栅网204与所述屏蔽体205绝缘设置。该第二绝缘层207可以是一绝缘板，也可以是多个绝缘体间隔设置在所述栅网204与所述屏蔽体205之间。本实施例中，所述第二绝缘层207为一绝缘板，该绝缘板包括一第二通孔2071，该第二通孔2071与所述栅网204上的栅孔2041连通设置。
所述第一绝缘层206的材料以及第二绝缘层207的材料均可以为玻璃、陶瓷或二氧化硅等绝缘材料。本实施例中，所述第一绝缘层206以及第二绝缘层207的材料均为陶瓷。
所述基板201、壳体202、第一绝缘层206、栅网204、第二绝缘层207、以及屏蔽层205依次层叠设置且固定在一起。所述基板201、壳体202、第一绝缘层206、栅网204、第二绝缘层207、以及屏蔽层205可以通过胶粘剂、焊接、或者螺丝钉等方式固定在一起。本实施例中，采用螺丝钉将基板201、壳体202、第一绝缘层206、栅网204、第二绝缘层207、以及屏蔽层205固定在一起。
所述栅网204为一金属网状结构，其包括多个均匀分布的栅孔，该栅孔为通孔，所述石墨化的碳纳米管结构2032发射的电子可以通过该栅孔发射出去。所述栅网204与所述阴极发射体203之间的距离优选大于等于100微米小于等于200微米。本实施例中，所述栅网204为一正方形钼网，其与所述所述阴极发射体203之间的距离为150微米。
所述屏蔽层205的材料为导电材料。优选的，所述屏蔽层205的材料为金属或金属合金材料。本实施例中，所述屏蔽层205为一不锈钢板。
本实施例中，在基板201和壳体202之间进一步设置一导电层(图未示)，该导电层与所述L形金属片竖直方向的侧壁接触。将一电极线连接到该电极层上，通过该电极线像阴极电极片2031输送电压。所述栅网204上连接另一电极线，向栅网204输送电压。可以理解，所述导电层并不是必需的，只要保正可以通过电极线为阴极电极片2031输送电压即可，例如也可以将电极线直接连接在L形金属片或壳体202上。
所述场发射中和器10在应用时，分别给阴极电极片2031和栅网204施加不同电压，在阴极电极片2031和栅网204之间形成一电压差。石墨化的碳纳米管结构2032发射出的电子在电场作用下，向栅网205的方向运动，然后通过屏蔽层205的屏蔽层通孔2051发射出去。
图8为场发射中和器10的发射电流随电压的变化曲线。从图8中看出，在工作100小时之后，所述场发射中和器10发射电流-电压变化曲线与工作100小时的发射电流-电压变化曲线基本一致。图9为本实施例场发射中和器10的电子发射电流随时间的变化曲线。从图9可以看出，电子发射电流随时间变化不大。图8和图9说明场发射中和器10在发射电子的效率较高，而且发射特性随工作时间的变化不大。
请参阅图10，由图10中可以看出，随着时间的变化，施加到场发射中和器10的电压变化不大，说明该场发射中和器10的发射稳定性比较好。
请参阅图11，在真空度为1.6×10-6Pa时，当发射电流为3mA时，电压随时间的变化不大，说明该场发射中和器在真空度为1.6×10-6Pa的真空中发射稳定性较好。
在某些实施例中，所述石墨化的碳纳米管结构2302的表面进一步包括一积碳层，该积碳层均匀的包覆在所述石墨化的碳纳米管结构2302的表面。该积碳层可以进一步增加所述石墨化的碳纳米管结构2302的机械性能，进而增加场发射中和器10的发射稳定性。
请参阅图12，本发明第二实施例提供一场发射中和器，该场发射中和器与第一实施例的场发射中和器10基本相同，其区别仅在于：所述石墨化的碳纳米管结构2032为碳纳米管线。
该碳纳米管线具有一第一端以及与第一端相对的第二端，该碳纳米管线中的碳纳米管从第一端向第二端延伸，第一端夹持在所述阴极电极片2031之间，第二端从所述阴极电极片2031中露出来作为发射端。
所述碳纳米管线可以为非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。所述非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线的结构及其制备方法请参见范守善等人于2002年9月16日申请的，2008年8月20日公告的，公告号为CN100411979C的中国专利；以及于2005年12月16日申请的，2009年6月17日公告的，公告号为CN100500556C的中国专利，为节省篇幅，在此不再赘述。
所述石墨化的碳纳米管结构2032可以仅包括一根碳纳米管线，也可以包括多根碳纳米管线。当所述石墨化的碳纳米管结构2032包括多根碳纳米管线时，该多根碳纳米管线可以间隔设置，可以平行排列形成一样碳纳米管束，也可以沿碳纳米管线的轴向螺旋缠绕在一起。本实施例中，每个场发射阴极单元200包括6个阴极发射体203，所述6个阴极发射体中的阴极电极片2301焊接在一起，每个阴极发射体203中的石墨化的碳纳米管结构2302包括5根非扭转的碳纳米管线间隔设置，每个场发射阴极单元200包括30根非扭转的碳纳米管线间隔设置。
在某些实施例中，所述碳纳米管线的直径范围为2-500微米，长度范围为1-20mm。本实施例中，所述碳纳米管线的直径为50微米，长度为5mm。
本实施例中，所述阴极发射体203的制备方法包括：对碳纳米管线进行石墨化处理，使其形成石墨化的碳纳米管线；以及用两个阴极电极片2031夹持所述石墨化的碳纳米管线，使石墨化的碳纳米管线的一端夹持在所述两个阴极电极片2031之间，另一端暴露在所述两个阴极电极片2031的外部，将两个阴极电极片2031焊接在一起。
可以理解，当所述场发射中和器包括多个阴极发射体203时，进一步包括将多个阴极发射体203的阴极电极片2031焊接在一起的步骤。
可以将碳纳米管线在2800℃Ar气气氛下处理1个小时，促进石墨化，得到石墨化的碳纳米管线。
本发明提供的场发射中和器具有如下优点：第一，阴极发射体中的电子发射结构为一石墨化的碳纳米管结构，基本没有缺陷，机械性能较好，在使用过程中可以保持原始形态，不会变成粉末；非常适用于真空中，而且在真空中使用，场发射稳定性较好。第二，阴极发射体中的所述两个阴极电极片焊接在一起，所述石墨化的碳纳米管结构的第一部分夹持在两个阴极电极片之间，因此，石墨化的碳纳米管结构与阴极电极片的结合力较大，在发射电子的过程中不会脱离阴极电极片，进而提高场发射中和器的发射效率和使用寿命。第三，当石墨化的碳纳米管结构为碳纳米管膜，碳纳米管膜的密度大于等于1.6g/m3。该碳纳米管膜的密度较大，可以增加电子发射体发射电子的发射电流，而且减小阴极发射体的体积；且该碳纳米管膜远离所述基板的一端具有多个毛刺，该毛刺可以使场发射尖端表面积减小，进而使局部电场愈集中，增加场发射效率。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种场发射中和器，包括一底板以及至少一个阴极发射单元，该至少一个阴极发射单元固定在所述底板的表面，所述阴极发射单元包括一基板，一壳体，至少一个阴极发射体，一栅网，以及一屏蔽层，所述壳***于所述基板上，所述至少一个阴极发射体固定在所述壳体内部并与所述栅网绝缘间隔设置，所述栅网与所述屏蔽层绝缘间隔设置，所述壳体具有一开口，所述栅网包括多个栅孔，所述屏蔽层具有一屏蔽层通孔，所述壳体的开口、栅网的栅孔以及屏蔽层通孔贯穿设置，其特征在于：所述阴极发射体包括两个阴极电极片以及一石墨化的碳纳米管结构，所述两个阴极电极片层叠设置并夹持所述石墨化的碳纳米管结构，使所述石墨化的碳纳米管结构分为第一部分和第二部分，该第一部分夹持在两个阴极电极片之间，第二部分暴露在所述阴极电极片的外部，所述碳纳米管结构包括至少一层碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管的延伸方向基本垂直于所述基板，该碳纳米管膜远离所述基板的一端具有多个毛刺，该多个毛刺为从碳纳米管膜中竖直突出的碳纳米管，该多个毛刺为场发射尖端，该碳纳米管膜的密度大于等于1.6g/m3，该多个毛刺采用一胶带粘暴露在外部的碳纳米管膜，使所述碳纳米管膜中的部分碳纳米管被竖立拉出，进而在碳纳米管膜的边缘形成。
2.如权利要求1所述的场发射中和器，其特征在于，所述阴极发射单元包括至少两个阴极发射体，该至少两个阴极发射体中的阴极电极片焊接在一起。
3.如权利要求1所述的场发射中和器，其特征在于，采用一L形金属片将所述阴极发射体固定在所述壳体的内部，具体地，将焊接在一起的两个阴极电极片焊接在L形金属片竖直方向的侧壁上，然后将L形金属片水平方向的侧壁采用螺丝钉固定在所述壳体的一个侧壁上，进而将所述阴极发射体固定在所述壳体的内部。
4.如权利要求3所述的场发射中和器，其特征在于，在所述基板和壳体之间设置一导电层，该导电层与所述L形金属片竖直方向的侧壁接触，将一电极线连接到该导电层上，通过该电极线向阴极电极片输送电压。
5.如权利要求1所述的场发射中和器，其特征在于，所述壳体的材料为导电材料时，所述壳体和栅网通过一第一绝缘板绝缘，该第一绝缘板设置在所述壳体和栅网之间，该第一绝缘板包括一第一通孔，该第一通孔与所述壳体的开口贯穿设置。
6.如权利要求1所述的场发射中和器，其特征在于，所述栅网与所述屏蔽层通过一第二绝缘板绝缘，该第二绝缘板设置在所述栅网与所述屏蔽层之间，该第二绝缘板包括一第二通孔，该第二通孔与所述栅网上的栅孔贯穿设置。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022103408B4 (de) 2022-02-14 2024-02-08 Technische Universität Dresden, Körperschaft des öffentlichen Rechts Elektronenemitter für Raumfahrtanwendungen

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101338452A (zh) * 2007-07-04 2009-01-07 清华大学 高密度碳纳米管阵列及其制备方法
CN101425439A (zh) * 2007-11-02 2009-05-06 清华大学 一种场发射电子源的制备方法
CN101880035A (zh) * 2010-06-29 2010-11-10 清华大学 碳纳米管结构
CN203165848U (zh) * 2012-12-29 2013-08-28 清华大学 X光管

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0927331B1 (en) * 1996-08-08 2004-03-31 William Marsh Rice University Macroscopically manipulable nanoscale devices made from nanotube assemblies
TWM286990U (en) * 2005-07-29 2006-02-01 Chen-Yuan Liu Electron emission apparatus using carbon nanotube and charging device
KR101001454B1 (ko) * 2009-01-23 2010-12-14 삼성모바일디스플레이주식회사 정전척 및 이를 구비한 유기전계발광 소자의 제조장치
EP2541581A1 (en) * 2011-06-29 2013-01-02 Khalid Waqas Device comprising nanostructures and method of manufacturing thereof
CN104024147A (zh) * 2011-12-29 2014-09-03 埃尔瓦有限公司 电子器件的石墨烯栅极
US9058954B2 (en) * 2012-02-20 2015-06-16 Georgia Tech Research Corporation Carbon nanotube field emission devices and methods of making same
CN104995332B (zh) * 2012-11-19 2017-08-08 加利福尼亚大学董事会 基于石墨烯的电极及应用
WO2014088730A1 (en) * 2012-12-04 2014-06-12 Fomani Arash Akhavan Self-aligned gated emitter tip arrays
CN103903938B (zh) * 2012-12-29 2016-08-10 清华大学 场发射阴极装置及其驱动方法
CN109824009B (zh) * 2019-01-02 2020-12-08 华中科技大学 基于soi工艺的场发射离子中和器芯片的制造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101338452A (zh) * 2007-07-04 2009-01-07 清华大学 高密度碳纳米管阵列及其制备方法
CN101425439A (zh) * 2007-11-02 2009-05-06 清华大学 一种场发射电子源的制备方法
CN101880035A (zh) * 2010-06-29 2010-11-10 清华大学 碳纳米管结构
CN203165848U (zh) * 2012-12-29 2013-08-28 清华大学 X光管

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"电推进技术和空心阴极组件/中和器的发展";于志强等;《真空电子技术》;20131231;第3页右栏第2行至第4页右栏第15行 *

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