1.本发明涉及电子束成像检测领域，尤其涉及一种发射尖端、热场发射电子源及制作方法。
背景技术：2.热场发射电子源主要应用在高端热场电镜、半导体检测以及量测设备上，是电子束成像系统的核心零部件。热场发射电子源的主要功能优点是：寿命长，可连续工作1年以上，功率稳定，波动性小，亮度比较高，应用广泛，热场发射电子源的光学性能对整个设备的成像系统、工作效率具有重要的影响。
3.图1是目前市面上常见的普通热场发射电子源(b为聚焦系统，c为真空系统，d为成像系统)，图2和图3是图1的局部放大图，由图3可知，普通热场发射电子源的尖端a的侧面轮廓是笔直或者近似笔直的圆锥状，该结构下的电子源大约为e7a/cm2/sr，无法在更高亮度下工作；总发射电流比较大，根据应用场景的不同，总发射电流一般在80-400μa，发射稳定性较差，如果强行增大发射亮度，会导致发射稳定性下降，总发射电流增大，工作寿命缩短。
4.有鉴于此，特提出本发明。
技术实现要素：5.本发明提供了一种发射尖端、热场发射电子源及制作方法，能够有效解决现有技术中的普通热场发射电子源无法在更高亮度下长时间稳定工作，以及总发射电流较大的问题。
6.为解决上述问题，本发明采用以下方案：
7.本发明在第一方面提供了一种发射尖端，包括本体部和延伸部；
8.所述延伸部的一端与所述本体部轴向连接，另一端朝向远离所述本体部的方向轴向延伸，且存在一逐渐缩小的第一连接部；
9.所述延伸部的任一轴截面均为一对相对设置的内凹弧形结构，且所述延伸部的侧壁环设有至少一圈凹槽部。
10.本方案中的延伸部在朝向远离本体部的方向轴向延伸，且存在一逐渐缩小的第一连接部，第一连接部位于延伸部远离本体部的一端，且延伸部的任一轴截面均为一对相对设置的至少一段内凹弧形结构，这一结构设计能使得电场在尖端发生更强烈地弯曲，从而使得尖端电场的等势线更密集，电场强度更高，另外在延伸部的侧壁环设有至少一圈凹槽部，凹槽部和一对内凹弧形结构相互配合，更加优化了高压电场在尖端的分布，改善了轮廓表面的物理化学特性，提高了锆化混合物在表面迁移的稳定性，且通过实验证明其因而获得了更高的亮度、更小的总发射电流以及更高的稳定性。
11.在其他优选的方案中，所述延伸部包括轴向一体成型的第一连接部和第二连接部；所述第二连接部与所述本体部一体成型，且所述凹槽部设置在所述第二连接部上。所述凹槽部设置在所述延伸部的底部附近，便于刻蚀，且能保证延伸部在刻蚀形成凹槽部后，剩
余部分仍能保持足够的宽度和强度。
12.在其他优选的方案中，所述第一连接部远离所述本体部的一端轴向延伸设置有发射端，所述发射端为圆柱结构，且圆柱的一端与所述延伸部一体成型，发射端的半径保持稳定，从而在发射端半径不变、外加吸出电压不变的情况下提高了尖端表面的电场强度，同时减小了尖端侧面的电场强度，减小了总发射电流。
13.在其他优选的方案中，所述第一连接部远离所述本体部的一端轴向延伸设置有发射端；所述发射端为锥体结构，且锥体的底部与所述第一连接部一体成型，也主要用于提高尖端表面的电场强度，减小总发射电流。
14.在其他优选的方案中，所述第一连接部远离所述本体部的一端轴向延伸设置有发射端；所述发射端为台体结构，且台体较小的底部与所述第一连接部一体成型。
15.在其他优选的方案中，在任一轴截面上，以第一连接部的尖端中点为坐标原点，在第一象限内：
16.所述第一连接部的轨迹曲线为：y1＝0.1191x
2-0.1037x+0.7841；
17.所述凹槽部的轨迹曲线为：y2＝0.1976x
2-0.485x+20.926；
18.其中，x为第一连接部或凹槽部上的点在沿本体部的中轴线的方向上距坐标原点的距离；y1为第一连接部上的点距所述中轴线的最短距离；y2为凹槽部上的点距所述中轴线的最短距离；x、y1及y2的单位均为μm。
19.在其他优选的方案中，在任一轴截面上，以所述第一连接部的尖端中点为坐标原点，在第一象限内：
20.所述第一连接部的轨迹曲线为：y1＝0.1617x
2-0.2528x+0.7471；
21.所述凹槽部的轨迹曲线为：y2＝0.1402x2+0.2643x+25.639；
22.其中，x为第一连接部或凹槽部上的点在沿本体部的中轴线的方向上距坐标原点的距离；y1为第一连接部上的点距所述中轴线的最短距离；y2为凹槽部上的点距所述中轴线的最短距离；x、y1及y2的单位均为μm。
23.在其他优选的方案中，在任一轴截面上，以所述第一连接部的尖端中点为坐标原点，在第一象限内：
24.所述第一连接部的轨迹曲线为：y＝0.0872x
2-0.2271x+2.7521；
25.其中，x为第一连接部上的点在沿本体部的中轴线的方向上距坐标原点的距离；y为第一连接部上的点距所述中轴线的最短距离；x、y的单位均为μm。
26.在其他优选的方案中，第一连接部远离本体部的一端轴向延伸设置有发射端；
27.在任一轴截面上，以所述第一连接部的尖端中点为坐标原点，在第一象限内：
28.所述第一连接部的轨迹曲线为：y1＝0.077x
2-0.0048x+1.8974；
29.所述凹槽部的轨迹曲线为：y2＝2.5193x
2-12.739x+59.261；
30.其中，x为第一连接部或凹槽部上的点在沿本体部的中轴线的方向上距坐标原点的距离；y1为第一连接部上的点距所述中轴线的最短距离；y2为凹槽部上的点距所述中轴线的最短距离；x、y1及y2的单位均为μm。
31.本发明在第二方面提供了一种包括所述发射尖端的热场发射电子源，所述热场发射电子源还包括锆化混合物和加热叉；
32.所述锆化混合物套设在所述本体部的外壁，且与所述延伸部之间的间距小于或等
于3mm；
33.所述加热叉与所述本体部的一端轴向连接，所述本体部的另一端与所述延伸部轴向连接。
34.加热叉通电后能够发热，进而对延伸部加热，延伸部能够在电场的作用下发射电子，本方案的锆化混合物以锆化物为主，包含一定比例的其他元素添加剂，锆化混合物在加热后能够迁移扩散至延伸部的表面，以降低发射端电子逸出功，锆化混合物与延伸部之间的间距小于或等于3mm，距离较短，便于锆化混合物扩散至延伸部的表面。
35.在其他优选的方案中，所述锆化混合物至少包括锆化物，以及从里向外依次分布的th元素、si元素、ti元素和ca元素；其中，所述th元素、所述si元素、所述ti元素和所述ca元素的含量均为所述锆化混合物质量总量的0.001％-1％。这一设置的锆化混合物便于使得锆化混合物平稳地扩散至延伸部的表面。
36.本发明在第三方面提供了一种热场发射电子源的制作方法，其包括以下步骤：
37.a.将发射尖端插入反应溶液内，所述反应溶液中设置有电极环；
38.b.将发射尖端和电极环连接并形成通电电路，使得发射尖端在所述反应溶液内发生电化学腐蚀；
39.c.监控步骤b中所述电路的电流参数，并根据所述电流参数控制所述电路的通断，形成所述热场发射电子源。
40.本方案中的内凹弧形轮廓，可通过精细控制下的物理化学或电化学腐蚀工艺来得到，利用工装的特殊性，凹槽部位置的腐蚀/刻蚀速度更快，且无需人工操作，刻蚀精度更高。
41.在其他优选的方案中，所述步骤a具体为：将发射尖端插入反应溶液的液面以下0.1-3mm；其中，反应溶液的温度为5-40℃，延伸部与反应溶液反应更充分，便于刻蚀。
42.在其他优选的方案中，所述步骤c具体为：监控步骤b中所述通电电路的电流参数，并将所述电流参数传递至控制器；当电流低于1-20ma时，所述控制器自动切断电路，形成所述热场发射电子源。实时监控电路电流，并利用控制器自动控制电路的通断，无需人工操作。
43.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
44.本技术提供了一种发射尖端，延伸部形成内凹弧形的轮廓，这一结构设计能使得电场在尖端发生更强烈地弯曲，从而使得尖端电场的等势线更密集，电场强度更高，另外在延伸部的侧壁环设有至少一圈凹槽部，凹槽部使圆柱在变细的过程中，分段进行变细，减慢了变细的速度，产生一个缓冲作用，凹槽部和内凹弧形结构相互配合，更加优化了高压电场在尖端的分布，改善了轮廓表面的物理化学特性，且通过实验证明其因而获得了更高的亮度、更小的总发射电流以及更高的稳定性。
45.本技术还提供了一种包括该发射尖端的热场发射电子源及其制作方法，该热场发射电子源可通过精细控制下的物理化学或电化学腐蚀工艺来得到，利用工装的特殊性，凹槽部位置的腐蚀/刻蚀速度更快，且无需人工操作，刻蚀精度更高。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体
实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1为本技术背景技术中的现有的普通热场发射电子源的位置示意图；
48.图2为本技术背景技术中的发射尖端的结构示意图；
49.图3为图2中发射尖端的局部放大图；
50.图4a为本技术所述的一种具体的发射尖端的结构示意图之一；
51.图4b为本技术所述的三种不同的发射端的结构示意图；
52.图5为本技术所述的一种具体的发射尖端的结构示意图之二；
53.图6为本技术所述的一种具体的发射尖端的结构示意图之三；
54.图7为本技术所述的一种具体的热场发射电子源的结构示意图；
55.图8为本技术所述的一种具体的热场发射电子源的制作方法原理图；
56.图9为本技术中利用仿真软件建立的电子源发射测试模型之一；
57.图10为本技术中利用仿真软件建立的电子源发射测试模型之二；
58.图11为本技术所述的一种具体的热场发射电子源的发射亮度曲线图；
59.图12为本技术所述的发射尖端样式一的结构示意图；
60.图13为本技术所述的发射尖端样式一的截面轨迹示意图；
61.图14为本技术所述的发射尖端样式二的结构示意图；
62.图15为本技术所述的发射尖端样式二的截面轨迹示意图；
63.图16为本技术所述的发射尖端样式三的截面轨迹示意图；
64.图17为本技术所述的发射尖端样式四的结构示意图；
65.图18为本技术所述的发射尖端样式四的截面轨迹示意图；
66.图19a、19b和19c为本技术一种具体结构热场发射电子源的发射电流数据示意图；
67.图20a、20b和20c为传统结构热场发射电子源的发射电流数据示意图；
68.图21为本技术一种具体的锆化混合物的结构示意图。
69.以上附图中，各标号所代表的部件列表如下：
70.本体部—100；锆化混合物—101；延伸部—200；凹槽部—201；第一连接部—202；加热叉—300；接线柱—400；陶瓷座—500。
具体实施方式
71.为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
72.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
73.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
74.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
75.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
76.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
77.请参考图4a，本发明在第一方面提供了一种发射尖端，该发射尖端包括本体部100和延伸部200；延伸部200的一端与本体部100轴向连接，另一端朝向远离本体部100的方向轴向延伸，且存在一逐渐缩小的第一连接部202；延伸部200的任一轴截面均为一对相对设置的至少一段内凹弧形结构，且延伸部200的侧壁环设有至少一圈凹槽部201。
78.延伸部200和本体部100一体成型，且均为单晶钨。
79.本方案中的延伸部200在朝向远离本体部100的方向轴向延伸，且存在一逐渐缩小的第一连接部202，且延伸部200的任一轴截面均为一对相对设置的至少一段内凹弧形结构，此处一对内凹弧形结构从其底端至顶端逐渐靠近，这一结构设计能使得电场在尖端发生更强烈地弯曲，尖端电场的等势线更密集，形成的电场强度更高，另外在延伸部200的侧壁环设有至少一圈凹槽部201，凹槽部201的数量、形态、宽度以及深度可根据需要进行调整，凹槽部201和内凹弧形结构相互配合，更加优化了高压电场在尖端的分布，改善了轮廓表面的物理化学特性，且通过实验证明其因而获得了更高的亮度、更小的总发射电流以及更高的稳定性。
80.在其他实施例中，延伸部200的底部也可为正多边形，此时内凹弧形结构的轨迹方程会做适应性调整，在此不做赘述。
81.进一步地，延伸部200包括轴向一体成型的第一连接部202和第二连接部；第二连接部与本体部100一体成型，且凹槽部201设置在第二连接部上，第一连接部202远离本体部100的一端轴向延伸设置有发射端。凹槽部201设置在延伸部200的底部附近，便于刻蚀，且能保证延伸部200在刻蚀形成凹槽部201后，剩余部分仍能保持足够的宽度和强度。
82.本方案中的凹槽部201设置在延伸部200的底部附近，因延伸部200从底至顶逐渐变细，底部附近的截面积较大，便于刻蚀凹槽部201，以避免刻蚀凹槽部201后的剩余部分截面积过小。
83.需要说明的是，此实施例中的凹槽部201刻蚀方法可采用多种，只要刻蚀出的凹槽部201形态与本方案的要求一致即可，换句话说，此实施例中对于凹槽部201的刻蚀方法实质在于获得满足形态的凹槽部201，手动刻蚀和电动刻蚀理论上属于相似方案。
84.这一凹槽部结构设计能使得锆化混合物在表面扩散时，具有更稳定的迁移效率，凹槽部201使圆柱变细的过程中，分段进行变细，减慢了变细的速度，产生一个缓冲作用，以利于锆化混合物101在迁移的过程中，迁移速率更加稳定。
85.而在其他实施例中，会根据刻蚀的难易程度对刻蚀方法进行区分，此时手动刻蚀和电动刻蚀即属于不同的方案，也可通过精细控制下的物理化学或电化学腐蚀工艺来得到。
86.进一步地，如图4b中右图所示，第一连接部202远离本体部100的一端轴向延伸设置有发射端；发射端为圆柱结构，且圆柱的一端与第一连接部202连接，发射端的半径保持稳定，从而在发射端半径不变、外加吸出电压不变的情况下提高了尖端表面的电场强度，同时减小了尖端侧面的电场强度，减小了总发射电流。
87.需要说明的是，如图5和图6，本实施例以及其他实施例中的本体部100可以为圆柱或棱柱等结构，本体部100的一端和延伸部200一体连接，在本体部100上环设有锆化混合物101，锆化混合物101会在加热情况下扩散至延伸部200的表面，以降低发射端电子逸出功，锆化混合物101的设置位置可根据实际情况进行调节。
88.进一步地，如图4b中左图所示，第一连接部202远离本体部100的一端轴向延伸设置有发射端；发射端为锥体结构，且锥体的底部与第一连接部202连接，也主要用于提高尖端表面的电场强度，减小总发射电流。
89.进一步地，如图4b中间图所示，第一连接部202远离本体部100的一端轴向延伸设置有发射端；发射端为台体结构，且台体较小的底部与第一连接部202连接。
90.上述两个实施例中，在延伸部200远离本体部100的一端均轴向延伸设置有发射端，因发射端尺寸较小，故在附图12和附图14中未画出发射端的结构，“轴向延伸”是指本体部100、延伸部200以及发射端同轴设置，发射端可以为圆柱结构、锥体结构或台体结构，均能起到提高尖端表面的电场强度，同时减小尖端侧面的电场强度，减小总发射电流的效果。
91.另外，本实施例以及其他实施例中，均未对发射端的长度以及粗细程度作出限定，可根据第一连接部202的尺寸以及实际需要来调整发射端尺寸。
92.后续四个具体实施例提供四种不同的且能提供较高亮度值的第一连接部202和凹槽部201形态，为便于体现，在二维正交坐标系中以第一连接部202的尖端中点为坐标原点，以第一连接部202或凹槽部201上的点在沿本体部100的中轴线的方向上距坐标原点的距离为x；以第一连接部202上的点距中轴线的最短距离为y1；以凹槽部201上的点距中轴线的最短距离为y2；单位为μm；分别选取以下四个实施例中的尽量多个点值，并绘制第一连接部202或凹槽部201的轨迹曲线。
93.需要说明的是，后续实施例中仅绘制第一连接部202和凹槽部201的轨迹曲线在第一象限内的部分，即仅显示第一连接部202或凹槽部201剖面视图的一半。另外，本方案中的
凹槽部201是设置在第二连接部上，凹槽部201的形态、数量及其在第二连接部上的位置并不仅限于本说明书实施例所记载的类型，且第一连接部202和第二连接部的区分主要为便于描述凹槽部201的位置，并不代表两个不同的结构，图12、图14及图17中，凹槽部201即为第二连接部。
94.具体实施例1中，样式一的具体结构如图12所示，凹槽部201的宽度大于第一连接部202的长度，在第一象限内，x和y的对应值如表1所示：
95.表1侧面轮廓描点坐标
[0096][0097][0098]
根据表1绘制如图13所示的曲线图，其中：
[0099]
第一连接部202的轨迹曲线y1为：y1＝0.1191x
2-0.1037x+0.7841；优选方案中，2《x《60；
[0100]
凹槽部201的轨迹曲线y2为：y2＝0.1976x
2-0.485x+20.926；优选方案中，60≤x《170。
[0101]
需要说明的是，本技术中的第一连接部202的尖端仅是指代第一连接部202的最尖处，其最尖处可能仍会存在一定距离，故本技术中将其尖端中部作为原点。
[0102]
具体实施例2中，样式二的具体结构如图14所示，凹槽部201的宽度约等于第一连接部202的长度，在第一象限内，x和y的对应值如表2所示：
[0103]
表2侧面轮廓描点坐标
[0104][0105][0106]
根据表2绘制如图15所示的曲线图，其中：
[0107]
第一连接部202的轨迹曲线y1为：y1＝0.1617x
2-0.2528x+0.7471；优选方案中，2《x《90；
[0108]
凹槽部201的轨迹曲线y2为：y2＝0.1402x2+0.2643x+25.639；优选方案中，90≤x《160。
[0109]
具体实施例3中，在第一象限内，x和y的对应值如表3所示：
[0110]
表3侧面轮廓描点坐标
[0111]
[0112][0113]
根据表3绘制如图16所示的曲线图，其中：
[0114]
第一连接部202的轨迹曲线y为：y＝0.0872x
2-0.2271x+2.7521；优选方案中，2《x《170。
[0115]
需要说明的是，具体实施例3中的延伸部两端直接延伸汇聚，此实施例中的延伸部可视为其他具体实施例中的延伸部及尖端部组合。
[0116]
具体实施例4中，样式四的具体结构如图17所示，凹槽部201的小于第一连接部202的长度，在第一象限内，x和y的对应值如表4所示：
[0117]
表4侧面轮廓描点坐标
[0118][0119][0120]
根据表4绘制如图18所示的曲线图，其中：
[0121]
第一连接部202的轨迹曲线y1为：y1＝0.077x
2-0.0048x+1.8974；优选方案中，2《x《155；
[0122]
凹槽部201的轨迹曲线y2为：y2＝2.5193x
2-12.739x+59.261；优选方案中，155≤x《175。
[0123]
需要说明的是，上述实施例1、实施例2和实施例4中的发射尖端均能产生较大的亮度，本技术相应实验中的发射尖端主要以实施例2为主。
[0124]
如图7和图8所示，本发明在第二方面提供了一种包括发射尖端的热场发射电子源，热场发射电子源还包括锆化混合物101和加热叉300；
[0125]
锆化混合物101套设在本体部100的外壁，且与延伸部200之间的间距小于或等于3mm；锆化混合物101以锆化物为主，以及一定比例的其他元素添加剂，加热叉300与本体部100的一端轴向连接，本体部100的另一端与延伸部200轴向连接。
[0126]
加热叉300在通电后能够发热，进而将热量传递至延伸部200，对延伸部200加热，加热叉300选用导热性能好的材质，优选为钨发叉，钨发叉的分叉数量与接线柱400数量相同，延伸部200能够在电场的作用下发射电子，因电子从金属表面逸出时克服表面势垒需要做功，锆化混合物101在加热后能够迁移扩散至延伸部200的表面，可以有效降低发射端电子逸出功，锆化混合物101与延伸部200之间的间距小于或等于3mm，距离较短，便于锆化混合物101扩散至延伸部200的表面，且使得混合锆化物在迁移的过程中，迁移速率更加稳定。
[0127]
可选的，如图9所示，本实施例及其他实施例中，锆化混合物101优选为含有其他微量稀土元素添加剂的氧化锆，接线柱400为金属丝，且在金属丝的外侧还设有陶瓷座500。
[0128]
如图21所示，在一具体的实施例中，锆化混合物由zr-th-si-ti-ca组成。其中th-si-ti-ca等微量元素的含量分别都在【0.001％-1％】范围内，这些微量元素在实物中从里向外的分布大致如图21，从里向外(或从下向上)依次是th、si、ti、ca，锆化混合物中这些微量元素的加入，使得混合锆化物在迁移的过程中，迁移速率更加稳定。
[0129]
在另一具体实施例中，th-si-ti-ca等微量元素的含量分别在0.08％附近，th-si-ti-ca的加入起到了润滑扩散通路的作用，确保锆化合物在单晶钨表面扩散流动时，更加稳定，更加持久。ca的氧化物熔点大约是2572℃，钛的氧化物熔点大约是1840℃，硅的氧化物熔点大约是1702℃，从熔点考虑，高熔点的元素饱和蒸汽压较低，蒸发损耗速度较慢，因此放在比较靠上(外)的位置，低熔点的元素饱和蒸汽压较高，蒸发损耗速度较快，因此放在比较靠下(内)的位置，使得这三种元素的蒸发损耗速度整体均匀一致。th元素对于降低发射端逸出功有一定的额外贡献，因此放在最下面(内部)，更加靠近单晶钨表面，确保th元素向尖端扩散更加顺畅。因此添加元素从上(外)向下(里)顺序是ca-ti-si-th。
[0130]
本方案提供的热场发射电子源与传统热场电子源测试电子光学性能结果对比如表5所示：
[0131]
表5本方案热场发射电子源与传统热场电子源测试电子光学性能结果对比
[0132][0133][0134]
上表5中，1.1μmdenka是传统电子源(为日本denka电化株式会社生产的一种电子源)，hbs 0.3μm是本方案技术，一共三组不同的成像条件对比测试实验，每组实验中，前五个电子光学系统的参数相同，最后测试得到的分辨率，本方案技术更小。故由表5可知，本方案热场发射电子源与传统热场电子源测试电子光学性能相比，具有更好的分辨率。
[0135]
验证实验中具体设计如下，测试周期为3个月；测试参数如下：
[0136]
真空8e-10torr；
[0137]
测试高压：hv：12kv；
[0138]
测试环境：无尘室；
[0139]
测试工具：extractor(提取极)，suppresser(抑制极)，anode(阳极)。
[0140]
该实验结果如图19a、图19b以及图19c所示，图20a、图20b以及图20c为传统电子源对应的参数变化图。其中，ie是总发射电流，beam是电子光学系统测量的一部分中心束的电流，beam是实验测量值，得到的beam电流因为不同的电子光学测试系统的差异而不同，为了在不同的电子光学测试系统中将得到的数据进行比较，统一将beam的值通过公式转化为角密度(单位立体角下测量的电流值)，目前在市场上大多数热场电镜系统中，转换成的角密度数值都是可以进行有效比较的。
[0141]
图19a、图19b以及图19c为本方案实施例2所提供的电子源参数，其中，图19a总发射电流ie约为90μa，远小于图20a中传统电子源的600μa，且图19c中的角密度也稳定维持在2ma/sr左右，而在图20c中传统电子源的角密度虽然也约等于2ma/sr，但是此时总发射电流太大，达到600μa左右，无法在商用产品上使用，商用产品上的电子源总发射电流一般要求不超过300μa，处于400μa时，电子光学系统的成像质量就会下降一部分，超过400μa时，电子光学系统的成像质量会迅速下降，电子源的稳定性和寿命都会下降，同时，电子枪的真空也会下降、波动，很有可能发生高压打火。
[0142]
而在总发射电流为300μa时，传统电子源的角密度大约只有1ma/sr，而总发射电流在90μa时，角密度大约只有0.3ma/sr。在限定总发射电流相等的条件下，本技术热场电子源的角密度、亮度就比传统热场电子源高2倍以上。
[0143]
可知：本方案热场发射电子源与传统热场电子源相比，总发射ie电流更小，角密度更大，亮度更高。
[0144]
如图8所示，本发明在第三方面提供了一种热场发射电子源的制作方法，其包括以下步骤：
[0145]
a.将发射尖端插入反应溶液内，反应溶液中设置有电极环；
[0146]
b.将发射尖端和电极环连接并形成通电电路，使得发射尖端在反应溶液内发生电化学腐蚀；
[0147]
c.监控步骤b中电路的电流参数，并根据电流参数控制电路的通断，形成热场发射电子源。
[0148]
本方案中的内凹弧形轮廓，可通过精细控制下的物理化学或电化学腐蚀工艺来得到，利用工装的特殊性，凹槽部201位置的腐蚀/刻蚀速度更快，且无需人工操作，刻蚀精度更高。
[0149]
以下结合部分具体实施例阐述上述热场发射电子源的制作方法。
[0150]
实施例1
[0151]
本实施例中的热场发射电子源的制作方法，包括以下步骤：
[0152]
a.将发射尖端插入反应溶液的液面以下0.1mm；其中，反应溶液的温度为5℃，延伸部200与反应溶液反应更充分，便于刻蚀，反应溶液中设置有电极环；
[0153]
b.将发射尖端和电极环连接并形成通电电路，使得发射尖端在反应溶液内发生电化学腐蚀；
[0154]
c.监控步骤b中电路的电流参数，并根据电流参数控制电路的通断，形成热场发射电子源。
[0155]
实施例2
[0156]
本实施例中的热场发射电子源的制作方法与实施例1中的制作方法相比，主要区别点在于步骤a；本实施例中步骤a为将发射尖端插入反应溶液的液面以下3mm；其中，反应溶液的温度为40℃；其余步骤均与实施例1中相似。
[0157]
实施例3
[0158]
本实施例中的热场发射电子源的制作方法与实施例1中的制作方法相比，主要区别点也在于步骤a；本实施例中步骤a为将发射尖端插入反应溶液的液面以下1mm；其中，反应溶液的温度为20℃；其余步骤均与实施例1中相似。
[0159]
可选的，在其他实施例中，发射尖端插入反应溶液液面下的深度优选为0.1-3mm；同理，反应溶液的温度优选为5-40℃。
[0160]
进一步地，步骤c具体为：监控步骤b中通电电路的电流参数，并将电流参数传递至控制器；当电流低于1-20ma时，控制器自动切断电路，形成热场发射电子源。实时监控电路电流，并利用控制器自动控制电路的通断，无需人工操作。
[0161]
实施例4
[0162]
如图8，操作移动控制器将电子源向下移动，进入反应溶液(naoh或kaoh水溶液)中，深入液面以下0.1mm，控制反应溶液的温度在5℃，然后打开计算机，用软件操作可编程直流电源，编辑电源给电参数，设置波形发生器的参数，将电子源和电极环连接起来通电，在反应溶液中，将发生电化学腐蚀。adc采集器时刻监控线路中的电流参数，当电流低于1ma
时，电路控制器启动，切断电路，得到本发明申请的热场发射电子源。
[0163]
实施例5
[0164]
如图8，操作移动控制器将电子源向下移动，进入反应溶液(naoh或kaoh水溶液)中，深入液面以下3mm，控制反应溶液的温度在40℃，然后打开计算机，用软件操作可编程直流电源，编辑电源给电参数，设置波形发生器的参数，将电子源和电极环连接起来通电，在反应溶液中，将发生电化学腐蚀。adc采集器时刻监控线路中的电流参数，当电流低于20ma时，电路控制器启动，切断电路，得到本发明申请的热场发射电子源。
[0165]
实施例6
[0166]
如图8，操作移动控制器将电子源向下移动，进入反应溶液(naoh或kaoh水溶液)中，深入液面以下1mm，控制反应溶液的温度在20℃，然后打开计算机，用软件操作可编程直流电源，编辑电源给电参数，设置波形发生器的参数，将电子源和电极环连接起来通电，在反应溶液中，将发生电化学腐蚀。adc采集器时刻监控线路中的电流参数，当电流低于10ma时，电路控制器启动，切断电路，得到本发明申请的热场发射电子源。
[0167]
图9和图10是用仿真软件建立的电子源发射测试模型，其中，virtual source：虚源；w or zro/w：钨或氧化锆/钨；suppressor：抑制极；anode：阳极；表6是普通热场发射电子源得到的亮度参数表，基本在e7a/cm2/sr级别，表7是本技术发明模型计算得到的亮度数据表，接近e9a/cm2/sr级别，可看出本技术中的热场发射电子源的亮度指标比普通热场发射电子源高出接近2个数量级。图11是绘制的本技术提供的热场发射电子源的发射亮度曲线，其中，brightness：亮度；a/cm2/sr:安/平方厘米/立体角；beam half angle(mrad)：电子束半张角(毫弧度)。
[0168]
表6普通热场发射电子源得到的亮度参数表
[0169][0170]
[0171]
表7本技术热场发射电子源得到的亮度参数表
[0172][0173]
本技术提供的发射尖端，延伸部200形成内凹弧形轮廓，这一结构设计能使得电场在尖端发生更强烈地弯曲，从而使得尖端电场的等势线更密集，电场强度更高，另外在延伸部200的侧壁环设有至少一圈凹槽部201，凹槽部201使圆柱变细的过程中，分段进行变细，减慢了变细的速度，产生一个缓冲作用，以利于锆化混合物在迁移的过程中，迁移速率更加稳定。凹槽部201和内凹弧形结构相互配合，更加优化了高压电场在尖端的分布，改善了轮廓表面的物理化学特性，且通过实验证明其因而获得了更高的亮度、更小的总发射电流以及更高的稳定性。
[0174]
本技术还提供了一种包括该发射尖端的热场发射电子源及其制作方法，该热场发射电子源可通过精细控制下的物理化学或电化学腐蚀工艺来得到，利用工装的特殊性，凹槽部201位置的腐蚀/刻蚀速度更快，且无需人工操作，刻蚀精度更高。
[0175]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
技术特征：1.一种发射尖端，其特征在于，包括本体部(100)和延伸部(200)；所述延伸部(200)的一端与所述本体部(100)轴向连接，另一端朝向远离所述本体部(100)的方向轴向延伸，且存在一逐渐缩小的第一连接部(202)；所述延伸部(200)的任一轴截面均为一对相对设置的至少一段内凹弧形结构，且所述延伸部(200)的侧壁环设有至少一圈凹槽部(201)。2.根据权利要求1所述的发射尖端，其特征在于，所述延伸部(200)包括轴向一体成型的所述第一连接部(202)和第二连接部；所述第二连接部与所述本体部(100)一体成型，且所述凹槽部(201)设置在所述第二连接部上。3.根据权利要求2所述的发射尖端，其特征在于，所述第一连接部(202)远离所述本体部(100)的一端轴向一体成型设置有发射端；所述发射端为圆柱结构、锥体结构或台体结构。4.根据权利要求2或3所述的发射尖端，其特征在于，在任一轴截面上，以所述第一连接部(202)的尖端中点为坐标原点，在第一象限内：所述第一连接部(202)的轨迹曲线为：y1＝0.1191x
2-0.1037x+0.7841；所述凹槽部(201)的轨迹曲线为：y2＝0.1976x
2-0.485x+20.926；其中，x为第一连接部(202)或凹槽部(201)上的点在沿本体部(100)的中轴线的方向上距坐标原点的距离；y1为第一连接部(202)上的点距所述中轴线的最短距离；y2为凹槽部(201)上的点距所述中轴线的最短距离；x、y1及y2的单位均为μm。5.根据权利要求2或3所述的发射尖端，其特征在于，在任一轴截面上，以所述第一连接部(202)的尖端中点为坐标原点，在第一象限内：所述第一连接部(202)的轨迹曲线为：y1＝0.1617x
2-0.2528x+0.7471；所述凹槽部(201)的轨迹曲线为：y 2
＝0.1402x2+0.2643x+25.639；其中，x为第一连接部(202)或凹槽部(201)上的点在沿本体部(100)的中轴线的方向上距坐标原点的距离；y1为第一连接部(202)上的点距所述中轴线的最短距离；y2为凹槽部(201)上的点距所述中轴线的最短距离；x、y1及y2的单位均为μm。6.根据权利要求2或3所述的发射尖端，其特征在于，在任一轴截面上，以所述延伸部(200)的尖端为坐标原点，在第一象限内：所述延伸部(200)的轨迹曲线为：y＝0.0872x
2-0.2271x+2.7521；其中，x为延伸部(200)上的点在沿本体部(100)的中轴线的方向上距坐标原点的距离；y为延伸部(200)上的点距所述中轴线的最短距离；x、y的单位均为μm。7.根据权利要求2或3所述的发射尖端，其特征在于，在任一轴截面上，以所述第一连接部(202)的尖端中点为坐标原点，在第一象限内：所述第一连接部(202)的轨迹曲线为：y 1
＝0.077x
2-0.0048x+1.8974；所述凹槽部(201)的轨迹曲线为：y2＝2.5193x
2-12.739x+59.261；其中，x为第一连接部(202)或凹槽部(201)上的点在沿本体部(100)的中轴线的方向上距坐标原点的距离；y1为第一连接部(202)上的点距所述中轴线的最短距离；y2为凹槽部(201)上的点距所述中轴线的最短距离；x、y1及y2的单位均为μm。8.一种包括权利要求1-7任一项所述的发射尖端的热场发射电子源，其特征在于，还包括锆化混合物(101)和加热叉(300)；
所述锆化混合物(101)套设在所述本体部(100)的外壁，且与所述延伸部(200)之间的间距小于或等于3mm；所述加热叉(300)与所述本体部(100)的一端轴向连接，所述本体部(100)的另一端与所述延伸部(200)轴向连接。9.根据权利要求8所述的热场发射电子源，其特征在于，所述锆化混合物至少包括锆化物，以及从里向外依次分布的th元素、si元素、ti元素和ca元素；其中，所述th元素、所述si元素、所述ti元素和所述ca元素；的含量均为所述锆化混合物质量总量的0.001％-1％。10.一种根据权利要求9所述的热场发射电子源的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：a.将发射尖端插入反应溶液内，所述反应溶液中设置有电极环；b.将发射尖端和电极环连接并形成通电电路，使得发射尖端在所述反应溶液内发生电化学腐蚀；c.监控步骤b中所述电路的电流参数，并根据所述电流参数控制所述电路的通断，形成所述热场发射电子源。11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，步骤a具体为：将发射尖端插入反应溶液的液面以下0.1-3mm；其中，反应溶液的温度为5-40℃。12.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，步骤c具体为：监控步骤b中所述通电电路的电流参数，并将所述电流参数传递至控制器；当电流低于20ma时，所述控制器自动切断电路，形成所述热场发射电子源。
技术总结本发明提供了一种发射尖端、热场发射电子源及制作方法，属于电子束成像检测领域，本发明提供的发射尖端包括本体部和延伸部；所述延伸部的一端与所述本体部轴向连接，另一端朝向远离所述本体部的方向轴向延伸，且存在一逐渐缩小的第一连接部；延伸部的任一轴截面均为一对相对设置的至少一对内凹弧形结构，且所述延伸部的侧壁环设有至少一圈凹槽部。本发明还提供了一种包括该发射尖端的热场发射电子源及制作方法。本发明提供的发射尖端和热场发射电子源，凹槽部和内凹弧形结构相互配合，更加优化了高压电场在尖端的分布，改善了轮廓表面的物理化学特性，获得了更高的亮度、更小的总发射电流以及更高的稳定性。射电流以及更高的稳定性。射电流以及更高的稳定性。
技术研发人员：梁利
受保护的技术使用者：毫束科技（北京）有限公司
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
