Ultra-high brightness liquid metal field emission cathode for Next generation

下一代超高亮度液态金属场致发射阴极

基本信息

批准号：
22H01955
负责人：
根尾陽一郎
金额：
$ 10.98万
依托单位：
Shizuoka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2027-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

令和4年度では、ガリウム被覆したタングステン電界放射陰極の電圧－電流特性の正確な評価を行った。従来の蛍光スクリーンを用いたField Emission Microscope系を用いてカソード，アノード電流を測定した結果、カソード電流はアノード電流の75%程度に減少する事が分かった。これは放射電子がアノードに衝突した結果、放出された2次電子をアノード電極が回収できない事が原因である。この為、電圧－電流特性評価では、アノード電極をファラデーカップ形状に変更した。これによりカソード，アノード電流は正確に一致し、これまで観測出来なかった新しい特性が明らかとなった。同サンプルを複数回測定した結果、放射には3段階がある事が分かった。20uA以下の第1段階では、Fowler-Nordheim則に沿って放射電流が増加し、第2段階では、放射電流が急激に増加する。更にmAを超える第3段階では、特性は全て同じ曲線に収束する結果となった。この曲線はアノード・カソード間の印可電圧の3/2乗に比例する為、空間電荷制限電流領域で動作している事が明らかとなった。それぞれの放射パターンを観察した結果、第1段階では、タングステンの(110)面を反映しており、第2段階では複数のガリウムテーラーコーンが形成と破壊を繰り返しており、テーラーコーンからの放射電流である事が分かった。ガリウムは面方位に依らず前面を被覆している。第3段階では、テーラーコーンは急激に消失し、面方位毎の仕事関数を反映したと考えらえるパターンに収束する。以上の第3段階の空間電荷制限電流領域での特性と放射パターンから、電界放射と熱電子放射のハイブリッド動作機構が想像される結果となったのは非常に興味深い。電界放射陰極の仮想ソースサイズと熱電子源の大電流放射を両立した、全く新しい次世代電子源になりえると考えられる。

2020财年，我们对镀镓钨场致发射阴极的电压-电流特性进行了精确评估。使用使用传统荧光屏的场发射显微镜系统测量阴极和阳极电流的结果是，发现阴极电流降低至阳极电流的约75%。这是因为阳极电极不能收集由于辐射电子与阳极碰撞而发射的二次电子。因此，在电压-电流特性评价中，将阳极电极变更为法拉第杯形状。结果，阴极和阳极电流完全匹配，揭示了以前未观察到的新特性。对同一样品进行多次测量后发现，辐射存在三个阶段。在低于20uA的第一阶段，辐射电流根据Fowler-Nordheim定律增加，在第二阶段，辐射电流迅速增加。在电流超过 mA 的第三阶段，所有特性都收敛到相同的曲线。由于该曲线与阳极和阴极之间施加的电压的 3/2 次方成正比，因此很明显该器件工作在空间电荷限制电流区域。观察每个辐射图案的结果是，第一阶段反映了钨的（110）平面，第二阶段表明多个镓泰勒锥体反复形成和破坏，并且来自泰勒锥体的辐射电流被反射。事实确实如此。无论表面方向如何，镓都会覆盖前表面。在第三阶段，泰勒锥迅速消失并收敛到被认为反映每个表面取向的功函数的图案。非常有趣的是，第三级空间电荷限制电流区域的上述特性和辐射图案表明了场发射和热电子发射的混合工作机制。人们认为它可以成为一种全新的下一代电子源，将场发射阴极的虚拟源尺寸与热电子源的大电流发射相结合。