[發明專利]一種用于輸出單原子氫離子束的場發射離子源

無效

• 申請號: 201210161962.6
• 申請日: 2012-05-23
• 公開（公告）號: CN102709139A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 鄒宇;展長勇;伍建春
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: H01J27/02
• 分類號: H01J27/02;H01J27/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種場發射離子源，特別涉及一種專用于輸出單原子氫離子束的場發射離子源，屬于小型特種離子源技術領域。

背景技術

中子管是一種安全便攜的中子源，與普通同位素中子源相比，其能譜單色性好，無γ本底且可以產生脈沖中子，不用時可以關斷，因而防護容易、存儲管理和運輸方便。中子管把離子源、加速器、靶和氣壓調節系統全部集成在一支密閉管內，工作時無需抽真空設備和氣源裝置。中子管可廣泛應用于國防工程和工、農、醫領域，特別是軍工及安全檢查領域。在野外使用中子管的時，中子管的便攜性顯得更為重要，但目前很多具有高產額的中子源都體積龐大，只能在實驗室中運行。

中子管的中子產額和其中關鍵部件--氘離子源產生的單原子和分子氘離子的比率有關，在同樣加速電壓和束流密度下，離子源產生的單原子氘離子比率越高，中子產額就越大，也就是說，檢測的靈敏度和效率也越高。例如，一束含50%D⁺和50%D₂⁺的離子束以100?KeV能量轟擊氚靶獲得的中子產額比用100%D⁺束在同樣的轟擊條件下獲得的中子產額低48%，即此條件下D₂⁺離子幾乎沒有與氚靶發生核反應。目前中子管的離子源基本都是基于氣體放電原理，如潘寧源、射頻離子源等，其中潘寧源占主導。潘寧離子源具有結構簡單、工作氣壓低、供電系統簡單、工作可靠等優點，但其電離產生的單原子離子所占比例非常低，例如某潘寧源工作在2×10^-1?Pa?H₂氣壓、放電電流為2?A時，輸出的H⁺：H₂⁺：H₃⁺=1:1.7:6.3。此情況下要獲得高產額中子，潘寧源必須輸出的高束流離子轟擊靶材，但這又導致離子濺射和二次電子發射現象嚴重，原因是由H₂⁺所引發的金屬表面次級電子的產額幾乎是同一能量下質子所引發的次級電子的二倍。

由于目前各種離子源無法同時滿足高單原子離子產額和中子管（及配件）小型化的需求，美國于2005年率先將使用直流脈沖電源的場發射離子源用于中子管。文獻（B.B.?Johnson,?P.R.?Schwoebel,?C.E.?Holland,?P.J.?Resnick,?K.L.?Hertz,?D.L.?Chichester,?Nuclear?Instruments?&?Methods?in?Physics?Research?Section?a-Accelerators?Spectrometers?Detectors?and?Associated?Equipment?663/1?(2012)?64；P.R.?Schwoebel,?Applied?Physics?Letters?87/5?(2005)?和A.?Persaud,?I.?Allen,?M.R.?Dickinson,?T.?Schenkel,?R.?Kapadia,?K.?Takei,?A.?Javey,?Journal?of?Vacuum?Science?&?Technology?B?29/2?(2011)）公布的用于中子管的場發射離子源的結構如圖1所示，由襯底（5）、尖錐陣列（6）、絕緣層（7）、開孔柵極（8）和氚靶（9）構成。場發射離子源的基本原理是這樣，它是利用極其銳利的尖端來獲得很高的電場強度，從而使得氣體分子電離或從尖端表面以離子的形式脫附，從而形成離子發射。研究發現尖端表面電場強度越高，發射原子氘離子的比例就越大。當尖端電場強度達到30?V/nm時，尖端發射H⁺、H₂⁺比例約為4:1，因而用場發射離子源制備的中子管可以獲得較高的中子產額，并且由于場發射離子源采用相對簡單的直流電源驅動，非常具有實用性。

目前場發射離子源的在用于中子管時在運行中還會出現一個大問題：場發射陣列在運行時，當發射尖端電場達到足夠強度（30?V/nm）使得原子離子發射的同時，柵極表面的電場強度也引起柵極發射電子束轟擊尖錐，導致尖錐大面積燒毀。這一問題對于中子管的離子源長期安全運行要求來說是致命的。