一种热电子发射装置及电子器件

本技术涉及电真空器件领域，本技术提供了一种带支撑的热电子发射装置及电子器件。

背景技术：

1、热电子发射是由于热阴极的温度升高到一定程度，提供给电荷载流子的热能克服了材料的功函数，进而从电极中释放出的电子。热阴极是现代电子器件的一个基础和关键元件，广泛应用于航空航天，半导体设备，医疗，安全等领域。热电子发射灯丝一般由高熔点金属制作而成，依靠金属本身或者覆盖在金属表面的热发射材料，在通电加热时发射电子。常用的热电子发射灯丝的形状包括螺旋灯丝，直丝，片状灯丝，以及在其基础上变形，级联等形状。热电子发射灯丝本身具有一定的弹性和机械强度，但无法承受较强的振动和冲击。例如在航天器件中，火箭发射过程的冲击可达1000倍的重力加速度，普通的灯丝在这种冲击下非常容易发生形变甚至断裂。此外，灯丝高温工作状态下会变软，弹性降低，此时抗冲击性能大大降低，在高温热应力的作用下即使没有外力冲击，灯丝也容易发生软化变形。上述热电子发射灯丝的变形会导致一般场景下性能降低和寿命降低，也使得热电子发射灯丝在强冲击的场景应用受限。因此对于实际应用中的热电子发射灯丝，亟需增强其保形性和机械强度。

2、传统的热电子发射灯丝支撑结构主要包括挂钩形和夹紧形，例如专利号cn2929956y、us 6980734b2以及cn 2053798u所示。通过在热电子发射灯丝中部适当位置设置一个或多个挂钩或夹紧点，用作灯丝固定和支撑，其支撑点数和支撑面积较小，不能覆盖灯丝全部长度，因此热电子发射灯丝在未设置挂钩或夹紧的部分仍然可能发生形变，在遭受剧烈冲击时无法保护灯丝整体，热电子发射灯丝仍然可能变形或断裂。因此，需要设置新的支撑结构，提高对热电子发射灯丝整体的保护，增强热电子发射灯丝的抗冲击和抗变形能力。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种带支撑的热电子发射装置，通过在热电子发射装置内增设刚性绝缘支撑结构来支撑热电子发射灯丝，以达到增强热电子发射灯丝机械强度，使其在高温工作状态下保形，从而增强灯丝抗冲击性，工作稳定性，提高灯丝使用寿命，拓展灯丝使用环境。本实用新型的另一目的是提供一种电子器件。

2、为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

3、一种热电子发射装置，包括两个金属电极、热电子发射灯丝和刚性绝缘支撑结构；其中，所述刚性绝缘支撑结构的两端分别固定在所述两个金属电极上；所述热电子发射灯丝为螺旋形状，缠绕在所述刚性绝缘支撑结构上，并且其两端丝尾分别连接于所述两个金属电极。

4、进一步地，还包括一密封石英管，所述两个金属电极、热电子发射灯丝和刚性绝缘支撑结构位于该密封石英管内，该密封石英管用于提供真空环境。

5、进一步地，所述热电子发射灯丝为由金属材料制成的细丝或薄片，或者由金属材料加化合材料制成的细丝或薄片。

6、进一步地，所述金属材料为钨、铱、铂、镍、铬、钼、钽中的一种，或几种组成的合金材料；所述化合材料为氮化钛、氮化钽、碳、硅、碳化钨中的一种。

7、进一步地，所述热电子发射灯丝还含有一层表面涂层，所述表面涂层为氧化钇、氧化镧、氧化钡、氧化钙、氧化锶、氧化锶中的至少一种。

8、进一步地，所述热电子发射灯丝的螺旋形状为圆柱螺旋线或圆锥螺旋线，所述螺旋形状的中心线为直线形或曲线形。

9、进一步地，所述金属电极的材料为铜、铁、钴、镍、金、银、钼、钽、铂、铱中的一种，或几种组成的合金材料。

10、进一步地，所述热电子发射灯丝焊接于所述金属电极上，所述焊接为激光焊接或电流焊接。

11、进一步地，所述刚性绝缘支撑结构形状为柱体、锥体、台体中的一种，或者由柱体、锥体、台体中的一种弯曲得到的三维形状，或者为其他封闭或半封闭三维形状，例如圆环形结构、圆环形含有一缺口结构。

12、进一步地，所述刚性绝缘支撑结构由两根绝缘支撑结构组成，两根绝缘支撑结构的相互靠近的两个近端正对，相互背离的两个远端分别固定于两个金属电极上。

13、进一步地，所述刚性绝缘支撑结构的材料为氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化铍、氧化锌、氧化钇、二氧化钛、二氧化钍、三氧化铀，氮化硅、氮化铝、氮化硼、氮化铀，碳化硅、碳化硼、碳化铀，硼化锆、硼化镧、二硅化钼、氟化镁、氟化钙、三氟化镧、硫化锌、硫化铈中的一种或多种，或者由导体材料加表面绝缘涂层组成。

14、进一步地，所述刚性绝缘支撑结构与所述热电子发射灯丝可以接触或不接触。其中不接触是指在未通电情况下、在没有受到强烈的振动或冲击情况下或者在通电工作的较短时间内，热电子发射灯丝可以依赖自身结构维持一定形状，不必依赖于刚性绝缘支撑结构支撑，而当通电工作时或工作达到一定时间时，热电子发射灯丝由于发热已经自身无法维持一定的结构，此时会由于形变接触到刚性绝缘支撑结构，由刚性绝缘支撑结构维持其一定形状。

15、一种电子器件，将所述热电子发射装置作为基本元件或组成部分。

16、本实用新型的有益效果为：

17、本实用新型的热电子发射装置中，热电子发射灯丝作为热阴极，由刚性绝缘支撑结构进行支撑，为热电子发射灯丝提供固定和支撑点，从而防止其发生过大的形变，可以极大地增加热电子发射灯丝在高温工作状态下和承受剧烈冲击时的保形性，从而使得热电子发射灯丝具有更高的工作稳定性和使用寿命，可以满足航天等领域耐剧烈冲击的应用需求。相比于传统挂钩形支撑方式，本实用新型的热电子发射装置提供更大的支撑面积，保护范围覆盖灯丝的全部部分，从而获得更高的支撑强度。

技术特征：

1.一种热电子发射装置，其特征在于，包括两个金属电极、热电子发射灯丝和刚性绝缘支撑结构；其中，所述刚性绝缘支撑结构的两端分别固定在所述两个金属电极上；所述热电子发射灯丝为螺旋形状，缠绕在所述刚性绝缘支撑结构上，并且其两端丝尾分别连接于所述两个金属电极。

2.如权利要求1所述的热电子发射装置，其特征在于，还包括一密封石英管，所述两个金属电极、热电子发射灯丝和刚性绝缘支撑结构位于该密封石英管内，该密封石英管用于提供真空环境。

3.如权利要求1所述的热电子发射装置，其特征在于，所述热电子发射灯丝的螺旋形状为圆柱螺旋线或圆锥螺旋线，所述螺旋形状的中心线为直线形或曲线形；所述热电子发射灯丝焊接于所述金属电极上，所述焊接为激光焊接或电流焊接。

4.如权利要求1所述的热电子发射装置，其特征在于，所述刚性绝缘支撑结构形状为柱体、锥体、台体中的一种，或者由柱体、锥体、台体中的一种弯曲得到的三维形状。

5.如权利要求4所述的热电子发射装置，其特征在于，所述刚性绝缘支撑结构由两根绝缘支撑结构组成，两根绝缘支撑结构的相互靠近的两个近端正对，相互背离的两个远端分别固定于两个金属电极上。

6.一种电子器件，其特征在于，将权利要求1-5任一项所述的热电子发射装置作为基本元件或组成部分。

技术总结
本技术公开一种热电子发射装置及电子器件，涉及电真空器件领域，该热电子发射装置包括两个金属电极、热电子发射灯丝和刚性绝缘支撑结构；其中，所述刚性绝缘支撑结构的两端分别固定在所述两个金属电极上；所述热电子发射灯丝为螺旋形状，缠绕在所述刚性绝缘支撑结构上，并且其两端丝尾分别连接于所述两个金属电极。通过在热电子发射装置内增设刚性绝缘支撑结构来支撑热电子发射灯丝，以达到增强热电子发射灯丝机械强度，使其在高温工作状态下保形，从而增强灯丝抗冲击性，工作稳定性，提高灯丝使用寿命，拓展灯丝使用环境。

技术研发人员：魏贤龙,毛舒宇,李志伟,张光华
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：20221019
技术公布日：2024/1/12