一种可调束斑的场发射冷阴极电子源器件及其制备方法与流程

本发明属于真空电子技术和新材料技术的交叉领域，尤其涉及可调束斑冷阴极场发射电子源及其制备方法，主要用于真空电子辐射源器件或产生大电流、高电流密度电子束的器件中。

背景技术：

场电子发射与热电子发射、光电子发射等其它形式的电子发射在本质上是不同的。热阴极电子发射、光电子发射等是固体内部电子通过加热的热能获得能量、光子碰撞传递的动能等使轨道上的电子能量高于固体表面的能量势垒后从固体表面逸出的行为。因此场电子发射是常温下的电子发射，场发射电子源的电子发射电流密度要比其它形式的电子发射源高几个数量级，且具有较好的场发射稳定性等特点，在x射线源器件、场发射显示器、高功率微波技术、强流电子束源、新型传感器等涉及物理、化学、信息、材料、生命、生物、医学、国防等科学领域具有广泛的应用前景。

在电子发射的器件应用过程中，发射电子源的电子发射强度及其可靠性、电子束束斑的尺寸等问题一直是电子源应用需要解决的两个关键问题。常用的热阴极电子源通常是采用钨丝通电加热至1000℃以上并发射出热电子，当钨丝的直径太小时，其机械强度难以满足使用要求，同时受热后易发生形变甚至被烧断。因而在当前技术条件下，热阴极灯丝的直径很难进一步减小以获得微束斑电子束(如发明专利cn102884606a中钨丝优选100～300μm)。此外热阴极发射的电子是空间随机分布的，难以通过电磁场使其聚焦得到微聚焦电子束。且利用电磁场聚焦透镜以及多极聚焦的电子枪体积大、能耗大、结构复杂，无法应用于小型化电子源器件和便携式的ct仪器等射线成像设备中。场发射冷阴极不用外加电源加热就能发射电子，具有无需预热、体积小、响应速度快、发射电流密度高、功耗低、寿命长、电子能量分布范围狭窄、启动时间短和光点尺寸小等许多优点，采用场电子发射冷阴极作为电子源能克服热阴极电子源功耗大、体积大、反应速度慢、无法获得小焦斑等缺点，成为x射线源器件、场发射显示器、高功率微波技术、强流电子束源、新型传感器等应用领域的优选阴极结构之一。

场发射冷阴极电子源器件是在外电场作用下的电子发射过程，其发射的电子具有能量分布范围狭窄、出射电子束的发散角相对较小等特点。但是随着场发射冷阴极发射的电子束电流密度的增加，出射电子间的相互作用使其电子束的发散角逐渐增大，形成束斑远远大于阴极发射体尺寸的出射电子束。在出射电子输运途径上通过增加外电磁场对出射电子束可进行聚焦形成一定程度的汇聚束，但难以形成高电流密度且束斑尺寸较小的电子束，使场发射冷阴极电子源在小束斑电真空器件中的应用受到限制。因此，本发明提出一种具有内聚焦结构的场发射冷阴极电子源及其制备方法，以实现电子束斑尺寸可调节且具有优良电流发射能力和发射稳定性场发射冷阴极电子源的应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可调束斑场发射冷阴极电子源器件及其制备方法，用于调节场发射冷阴极出射电子束束斑大小的器件。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

可调束斑场发射冷阴极电子源器件及其制备方法，包括如图1所示的由导电基体及定向碳纳米管阵列微束构成的阴极1、电子束引出电极2、栅极3、内聚焦极4、绝缘陶瓷管5、6和9、外聚焦极7和排气管8等。采用高温真空钎焊和激光焊接技术将在同一条轴心的阴极1、栅极3、内聚焦极4、外聚焦极7、电子束引出电极2及绝缘陶瓷管5、6和9焊接在一起，构成可调束斑场发射冷阴极电子源器件。为防止温度变化引起金属与陶瓷的焊接位置出现连接不牢，内聚焦极4、栅极3采用与陶瓷膨胀系数相近的可伐合金。

所述由导电基体及定向碳纳米管阵列微束构成的阴极1、栅极3、内聚焦极4、外聚焦极7、及电子束引出电极2的中心位于同一中心轴上；定向碳纳米管阵列微束阴极发射出束流直径为10～500μm的电子束，其传输过程通过内聚焦极电场、栅极电场、外聚焦极电场、电子束引出电极电场的调控准直并进行聚焦调节，进而实现出射电子束束斑大小调控的目的。

所述的由导电基体及定向碳纳米管阵列微束构成的阴极中定向碳纳米管阵列微束是由直径为8～100nm、长度为10～300μm的多壁碳纳米管定向排列组成的，定向碳纳米管阵列微束的束径为10～500μm。阴极为导电金属针尖尖端粘接碳纳米管阵列微束，利用树脂胶通过一定的加工方法可以很好地将金属针尖尖端和碳纳米管微束粘接在一起并保持很高的粘结强度，以保证电子束的顺利发射且保持一定的稳定性。

所述的栅极长度3.0～7.0mm，其中栅孔直径为1.0～2.0mm、孔深为0.1～1.0mm、栅极和阴极之间的工作电压差在0～5000v的范围内调节，其作用是通过调节栅极上的外加电场可以对定向碳纳米管阵列微束阴极的发射电流强度进行调节，通过栅极结构中的栅孔孔径尺寸、栅极长度的调节，从而实现对出射电子束的准直和聚焦的调控。

所述的内聚焦极的外径略小于绝缘陶瓷管的内径，栅极与内聚焦极之间的电压差在0～5000v的范围内调节，建立阴极场发射电子束聚焦所需的内聚焦电场。通过调整内聚焦极的结构、位置和内聚焦电场，可实现对器件场发射电子束的传输准直性和发散角的调控，进而实现对器件电子束出射束斑尺寸的调节。

所述的外聚焦极的内径略大于绝缘陶瓷管的外径、长度为5～10mm，外加工作电压在0～10000v的范围内调节，建立阴极场发射电子束聚焦所需的外聚焦电场。通过调节外聚焦极的位置和外加电场，可实现对器件出射电子束出射束斑大小的调节。

所述的绝缘陶瓷管是用含量为95％和99％的氧化铝陶瓷分别加工制备，在绝缘陶瓷管与金属零件连接面进行陶瓷表面金属化处理，使其能够与其它金属零件连接且在高电压工作状态下保持稳定的绝缘性，使器件正常工作。

所述的电子束引出电极具有0.1～3.0mm的引出孔，栅极与引出电极之间的电压差在0～50000v的范围内调节，将经过传输准直性调整和聚焦的场发射电子束引出器件，引出的电子束束斑的大小由内聚焦极电场和外聚焦极电场进行调节。

所述作为阴极的金属针尖及碳纳米管阵列微束发射区域直径在10～500μm之间，可将栅极接地，阴极和内聚焦电极加负电压，外聚焦极和引出电极外加正电压。通过调节各部件的外加电压，实现场发射冷阴极电子源出射电子束束斑尺寸在1～200μm的范围内调控，从而加工制备出了具有优良电流发射能力、场发射电流发射稳定且出射电子束束斑尺寸可调节的场发射冷阴极电子源器件。

本发明的有益效果在于：通过树脂胶将金属针尖和碳纳米管阵列粘接在一起，增强定向碳纳米管阵列微束与金属针尖基底之间的附着力和导电能力，从而大幅度增加了碳纳米管阵列微束阴极的场发射电流密度和场发射稳定性，延长了碳纳米管阴极的可控性和寿命。这种碳纳米管阵列微束阴极发出的电子束，经过本发明提出的特有结构对电子束进行准直和聚焦后，即可容易获得微束斑电子束且具有束斑尺寸可调节的特点，这样就可以摒弃了体积大、能耗高的电磁场聚焦透镜以及多极电子聚焦透镜。因而，本发明提出的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件具有体积小、能耗低等优点，在小型化的真空电子器件、ct仪器或其它便携式的x射线成像仪器设备中具有广泛的应用价值。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1本发明的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件结构的示意图，其中1为导电基体及定向碳纳米管阵列微束构成的阴极，2为电子束的引出电极，3为栅极，4为内聚焦极，5为隔离内聚焦极和栅极的绝缘陶瓷管，6为隔离栅极和引出电极的绝缘陶瓷管，7为外聚焦极，8为铜排气管，9为隔离阴极和内聚焦极的绝缘陶瓷管。

图2直径200μm的定向碳纳米管阵列微束作为阴极时内聚焦极电压对出射电子束在栅极孔位置的最大束斑半径的调节；

图3直径200μm的定向碳纳米管阵列微束作为阴极时内聚焦极电压对阴极附近电子传输过程中的运动轨迹即场发射发散角的调节；

图4直径200μm的定向碳纳米管阵列微束作为阴极时内聚焦极电压和外聚焦电压对出射电子束在引出孔位置的最大束斑半径的调节；

图5直径50μm的定向碳纳米管阵列微束作为阴极时内聚焦极电压对出射电子束在栅极孔位置的最大束斑半径的调节；

图6直径50μm的定向碳纳米管阵列微束作为阴极时内聚焦极电压对阴极附近电子传输过程中的运动轨迹即场发射发散角的调节；

图7直径50μm的定向碳纳米管阵列微束作为阴极时内聚焦极电压和外聚焦电压对出射电子束在引出孔位置的最大束斑半径的调节；

图8直径10μm的定向碳纳米管阵列微束作为阴极时内聚焦极电压对出射电子束在栅极孔位置的最大束斑半径的调节；

图9直径10μm的定向碳纳米管阵列微束作为阴极时内聚焦极电压对阴极附近电子传输过程中的运动轨迹即场发射发散角的调节；

图10直径10μm的定向碳纳米管阵列微束作为阴极时内聚焦极电压和外聚焦电压对出射电子束在引出孔位置的最大束斑半径的调节；

图11可调束斑的场发射冷阴极电子源器件中场发射电子的运动轨迹示意图；

图中标记：v内表示内聚焦极电压，dcnt表示碳纳米管阵列微束半径，θ表示该条件下的场发射发散角。以截面电子距离轴心的最远距离来定义电子束斑半径，rmax表示截面位置电子束束斑半径，r栅表示出射电子束在栅极孔位置的最大束斑半径，r出表示出射电子束在引出孔位置的最大束斑半径。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的具体实施例进行详细的描述。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明提出的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件结构如图1所示。器件主要由导电基体及定向碳纳米管阵列微束构成的阴极1、电子束引出电极2、栅极3、内聚焦极4、绝缘陶瓷管5、6和9、外聚焦极7和排气管8等构成，其中与绝缘陶瓷管连接的引出电极2的导电基座、栅极3的导电基座、内聚焦极4的导电基座都是与陶瓷膨胀系数相近的可伐合金加工件，栅极3中的栅极板是金属钼加工件。

首先用含量为95％或99％的氧化铝陶瓷分别加工绝缘陶瓷管5、6和9，并在绝缘陶瓷管的每个端面进行陶瓷表面金属化处理。

利用点焊将具有孔径为0.1～2.0mm、孔深为0.1～1.0mm的栅极板和栅极导电基座焊接在一起加工成栅极3。

然后利用高温真空钎焊技术将阴极1中的导电基座、绝缘陶瓷管9和内聚焦极4的导电基座焊接在一起，利用高温真空钎焊将内聚焦极4、绝缘陶瓷管5、栅极3、绝缘陶瓷管6和具有孔径为0.1～3.0mm的引出电极2焊接在一起。将外聚焦极7套在绝缘陶瓷管6的外侧并可以沿着轴心方向移动或固定。

利用激光焊接或氩弧焊将尖端直径为100～200μm的钨针尖焊接在阴极1中的导电基座上加工成阴极导电基体。

由阴极导电基体及定向碳纳米管阵列微束构成的阴极1中采用的定向碳纳米管阵列微束是由直径为8～100nm、长度为10～300μm的定向排列的多壁碳纳米管组成，定向碳纳米管阵列微束的束径为200μm，阴极上的导电金属针尖是尖端直径为100～200μm的钨针尖。利用旋涂方法将树脂胶均匀涂覆在钨针尖上，然后在显微镜观察下将束径为200μm的定向碳纳米管阵列微束转移到涂覆有树脂胶的钨针尖上，加热50～200℃使树脂胶固化，并使阵列碳纳米管微束与钨金属针尖尖端粘接在一起并保持较好的粘结强度。经过固化处理后即加工成了具有束径为200μm定向碳纳米管阵列微束的场电子发射阴极1。

利用激光焊接或氩弧焊将已经钎焊在一起的阴极1中的导电基座/绝缘陶瓷管5/内聚焦极4的导电基座部件与已经钎焊在一起的内聚焦极4/绝缘陶瓷管5/栅极3/绝缘陶瓷管6/引出电极2部件在保证轴心一致的情况下焊接起来形成可调束斑的场发射冷阴极电子源器件。

本发明的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时将阴极1接地，在栅极3和内聚焦极4分别外加0～5000v的直流电压形成电子发射电场和内聚焦电场，在外聚焦极7上外加0～10000v的直流电压形成外聚焦电场，在引出电极2上外加0～50000v的直流电压形成电子束引出电场。

本发明的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时也可将栅极3接地，在阴极1和内聚焦极4分别外加-5000～0v的直流电压形成电子发射电场和内聚焦电场，在外聚焦极7上外加0～10000v的直流电压形成外聚焦电场，在引出电极2上外加0～50000v的直流电压形成电子束引出电场。

本发明的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时也可将引出电极2接地，在阴极1、栅极3和内聚焦极4分别外加-55000～0v的直流电压形成电子发射电场和内聚焦电场，在外聚焦极7上外加0～10000v的直流电压形成外聚焦电场。

当可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时将栅极3接地，在阴极1上加-5000～0v的直流电压形成电子发射电场，电子以一定的发散角从阴极1上的定向碳纳米管阵列微束出射；在内聚焦极4上加-5000～0v直流电压形成内聚焦电场，出射电子束的发散角受到内聚焦电场的作用变成发散角可调节的出射电子束。图2所示为在内聚焦极4上外加不同内聚焦电压时栅极孔处位置的电子束束斑半径从2511μm～57μm变化，图3所示为阴极上出射电子束的发散角可通过内聚焦极4上外加不同内聚焦电压进行调节，这样就可实现从定向碳纳米管阵列微束上出射电子束发散角的可控调节。从栅极3出来的已经调整了出射发散角的电子束在外聚焦极7上0～10000v的直流电压形成外聚焦电场作用下进一步调整电子的运行轨迹，并在0～50000v的引出电场作用下从引出电极2的引出孔射出，形成束斑尺寸可调节的电子束。图4所示为外加不同内聚焦极电压和外聚焦极电压时在引出孔位置上电子束束斑半径的变化。通过调节内聚焦极电压和外聚焦极电压的大小可以很方便地调节引出孔处的电子束束斑大小。

可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时，在调节阴极电压、栅极电压、引出极电压的情况下可以实现对场发射电流密度、电子能量的控制，在调节内聚焦极电压、外聚焦极电压的情况下可以实现对场发射电子束发散角和引出孔处电子束束斑大小的调节，引出孔处电子束束斑半径可在5～100μm范围内自由调节。

实施例2

本发明提出的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件结构如图1所示。器件主要由导电基体及定向碳纳米管阵列微束构成的阴极1、电子束引出电极2、栅极3、内聚焦极4、绝缘陶瓷管5、6和9、外聚焦极7和排气管8等构成，其中与绝缘陶瓷管连接的引出电极2的导电基座、栅极3的导电基座、内聚焦极4的导电基座都是与陶瓷膨胀系数相近的可伐合金加工件，栅极3中的栅极板是金属钼加工件。

首先用含量为95％或99％的氧化铝陶瓷分别加工绝缘陶瓷管5、6和9，并在绝缘陶瓷管的每个端面进行陶瓷表面金属化处理。

利用点焊将具有孔径为0.1～2.0mm、孔深为0.1～1.0mm的栅极板和栅极导电基座焊接在一起加工成栅极3。

然后利用高温真空钎焊技术将阴极1中的导电基座、绝缘陶瓷管9和内聚焦极4的导电基座焊接在一起，利用高温真空钎焊将内聚焦极4、绝缘陶瓷管5、栅极3、绝缘陶瓷管6和具有孔径为0.1～3.0mm的引出电极2焊接在一起。将外聚焦极7套在绝缘陶瓷管6的外侧并可以沿着轴心方向移动或固定。

利用激光焊接或氩弧焊将尖端直径为20～50μm的钨针尖焊接在阴极1中的导电基座上加工成阴极导电基体。

由阴极导电基体及定向碳纳米管阵列微束构成的阴极1中采用的定向碳纳米管阵列微束是由直径为8～100nm、长度为10～300μm的定向排列的多壁碳纳米管组成，定向碳纳米管阵列微束的束径为50μm，阴极上的导电金属针尖是尖端直径为20～50μm的钨针尖。利用旋涂方法将树脂胶均匀涂覆在钨针尖上，然后在显微镜观察下将束径为50μm的定向碳纳米管阵列微束转移到涂覆有树脂胶的钨针尖上，加热50～200℃使树脂胶固化，并使阵列碳纳米管微束与钨金属针尖尖端粘接在一起并保持较好的粘结强度。经过固化处理后即加工成了具有束径为50μm定向碳纳米管阵列微束的场电子发射阴极1。

利用激光焊接或氩弧焊将已经钎焊在一起的阴极1中的导电基座/绝缘陶瓷管5/内聚焦极4的导电基座部件与已经钎焊在一起的内聚焦极4/绝缘陶瓷管5/栅极3/绝缘陶瓷管6/引出电极2部件在保证轴心一致的情况下焊接起来形成可调束斑的场发射冷阴极电子源器件。

本发明的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时将阴极1接地，在栅极3和内聚焦极4分别外加0～5000v的直流电压形成电子发射电场和内聚焦电场，在外聚焦极7上外加0～10000v的直流电压形成外聚焦电场，在引出电极2上外加0～50000v的直流电压形成电子束引出电场。

本发明的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时也可将栅极3接地，在阴极1和内聚焦极4分别外加-5000～0v的直流电压形成电子发射电场和内聚焦电场，在外聚焦极7上外加0～10000v的直流电压形成外聚焦电场，在引出电极2上外加0～50000v的直流电压形成电子束引出电场。

本发明的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时也可将引出电极2接地，在阴极1、栅极3和内聚焦极4分别外加-55000～0v的直流电压形成电子发射电场和内聚焦电场，在外聚焦极7上外加0～10000v的直流电压形成外聚焦电场。

当可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时将栅极3接地，在阴极1上加-5000～0v的直流电压形成电子发射电场，电子以一定的发散角从阴极1上的定向碳纳米管阵列微束出射；在内聚焦极4上加-5000～0v直流电压形成内聚焦电场，出射电子束的发散角受到内聚焦电场的作用变成发散角可调节的出射电子束。图5所示为在内聚焦极4上外加不同内聚焦电压时栅极孔处位置的电子束束斑半径从2275μm～23μm变化，图6所示为阴极上出射电子束的发散角可通过内聚焦极4上外加不同内聚焦电压进行调节，这样就可实现从定向碳纳米管阵列微束上出射电子束发散角的可控调节。从栅极3出来的已经调整了出射发散角的电子束在外聚焦极7上0～10000v的直流电压形成外聚焦电场作用下进一步调整电子的运行轨迹，并在0～50000v的引出电场作用下从引出电极2的引出孔射出，形成束斑尺寸可调节的电子束。图7所示为外加不同内聚焦极电压和外聚焦极电压时在引出孔位置上电子束束斑半径的变化。通过调节内聚焦极电压和外聚焦极电压的大小可以很方便地调节引出孔处的电子束束斑大小。

可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时，在调节阴极电压、栅极电压、引出极电压的情况下可以实现对场发射电流密度、电子能量的控制，在调节内聚焦极电压、外聚焦极电压的情况下可以实现对场发射电子束发散角和引出孔处电子束束斑大小的调节，引出孔处电子束束斑半径可在3～50μm范围内自由调节。

实施例3

本发明提出的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件结构如图1所示。器件主要由导电基体及定向碳纳米管阵列微束构成的阴极1、电子束引出电极2、栅极3、内聚焦极4、绝缘陶瓷管5、6和9、外聚焦极7和排气管8等构成，其中与绝缘陶瓷管连接的引出电极2的导电基座、栅极3的导电基座、内聚焦极4的导电基座都是与陶瓷膨胀系数相近的可伐合金加工件，栅极3中的栅极板是金属钼加工件。

首先用含量为95％或99％的氧化铝陶瓷分别加工绝缘陶瓷管5、6和9，并在绝缘陶瓷管的每个端面进行陶瓷表面金属化处理。

利用点焊将具有孔径为0.1～2.0mm、孔深为0.1～1.0mm的栅极板和栅极导电基座焊接在一起加工成栅极3。

然后利用高温真空钎焊技术将阴极1中的导电基座、绝缘陶瓷管9和内聚焦极4的导电基座焊接在一起，利用高温真空钎焊将内聚焦极4、绝缘陶瓷管5、栅极3、绝缘陶瓷管6和具有孔径为0.1～3.0mm的引出电极2焊接在一起。将外聚焦极7套在绝缘陶瓷管6的外侧并可以沿着轴心方向移动或固定。

利用激光焊接或氩弧焊将尖端直径为5～10μm的钨针尖焊接在阴极1中的导电基座上加工成阴极导电基体。

由阴极导电基体及定向碳纳米管阵列微束构成的阴极1中采用的定向碳纳米管阵列微束是由直径为8～100nm、长度为10～300μm的定向排列的多壁碳纳米管组成，定向碳纳米管阵列微束的束径为10μm，阴极上的导电金属针尖是尖端直径为5～10μm的钨针尖。利用旋涂方法将树脂胶均匀涂覆在钨针尖上，然后在显微镜观察下将束径为10μm的定向碳纳米管阵列微束转移到涂覆有树脂胶的钨针尖上，加热50～200℃使树脂胶固化，并使阵列碳纳米管微束与钨金属针尖尖端粘接在一起并保持较好的粘结强度。经过固化处理后即加工成了具有束径为10μm定向碳纳米管阵列微束的场电子发射阴极1。

利用激光焊接或氩弧焊将已经钎焊在一起的阴极1中的导电基座/绝缘陶瓷管5/内聚焦极4的导电基座部件与已经钎焊在一起的内聚焦极4/绝缘陶瓷管5/栅极3/绝缘陶瓷管6/引出电极2部件在保证轴心一致的情况下焊接起来形成可调束斑的场发射冷阴极电子源器件。

本发明的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时将阴极1接地，在栅极3和内聚焦极4分别外加0～5000v的直流电压形成电子发射电场和内聚焦电场，在外聚焦极7上外加0～10000v的直流电压形成外聚焦电场，在引出电极2上外加0～50000v的直流电压形成电子束引出电场。

本发明的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时也可将栅极3接地，在阴极1和内聚焦极4分别外加-5000～0v的直流电压形成电子发射电场和内聚焦电场，在外聚焦极7上外加0～10000v的直流电压形成外聚焦电场，在引出电极2上外加0～50000v的直流电压形成电子束引出电场。

本发明的可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时也可将引出电极2接地，在阴极1、栅极3和内聚焦极4分别外加-55000～0v的直流电压形成电子发射电场和内聚焦电场，在外聚焦极7上外加0～10000v的直流电压形成外聚焦电场。

当可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时将栅极3接地，在阴极1上加-5000～0v的直流电压形成电子发射电场，电子以一定的发散角从阴极1上的定向碳纳米管阵列微束出射；在内聚焦极4上加-5000～0v直流电压形成内聚焦电场，出射电子束的发散角受到内聚焦电场的作用变成发散角可调节的出射电子束。图8所示为在内聚焦极4上外加不同内聚焦电压时栅极孔处位置的电子束束斑半径从2336μm～15μm变化，图9所示为阴极上出射电子束的发散角可通过内聚焦极4上外加不同内聚焦电压进行调节，这样就可实现从定向碳纳米管阵列微束上出射电子束发散角的可控调节。从栅极3出来的已经调整了出射发散角的电子束在外聚焦极7上0～10000v的直流电压形成外聚焦电场作用下进一步调整电子的运行轨迹，并在0～50000v的引出电场作用下从引出电极2的引出孔射出，形成束斑尺寸可调节的电子束。图10所示为外加不同内聚焦极电压和外聚焦极电压时在引出孔位置上电子束束斑半径的变化。通过调节内聚焦极电压和外聚焦极电压的大小可以很方便地调节引出孔处的电子束束斑大小。

可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时，在调节阴极电压、栅极电压、引出极电压的情况下可以实现对场发射电流密度、电子能量的控制，在调节内聚焦极电压、外聚焦极电压的情况下可以实现对场发射电子束发散角和引出孔处电子束束斑大小的调节，引出孔处电子束束斑半径可在0.5～5μm范围内自由调节。

这样，通过调节各电压参数，本发明使用直径10～500μm的碳纳米管阵列微束作为场发射体，可以在出射端得到束斑直径1～200μm的电子束，实现可调电子束束斑的输出。可调束斑的场发射冷阴极电子源器件工作时，在调节阴极电压、栅极电压、引出极电压的情况下可以实现对场发射电流密度、电子能量的控制，在调节内聚焦极电压、外聚焦极电压的情况下可以实现对场发射电子束发散角和引出孔处电子束束斑大小的调节。

最后需要说明的是，以上具体实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述具体实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。