[發明專利]一種碳納米管場發射陰極的小型離子源

在審

• 申請號: 201911360686.4
• 申請日: 2019-12-25
• 公開（公告）號: CN111146049A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 董猛;成永軍;裴曉強;習振華;張虎忠;馬亞芳;劉珈彤
• 申請（專利權）人: 蘭州空間技術物理研究所
• 主分類號: H01J1/304
• 分類號: H01J1/304;H01J1/46;H01J49/16
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 田亞琪

本發明公開了一種碳納米管場發射陰極的小型離子源，包括碳納米管陰極、電離室、準直磁鐵、推斥電極、聚焦電極、離子出口電極和物縫電極；碳納米管陰極產生的電子進入電離室，并在準直磁鐵產生的磁場作用下電離中性氣體，電離得到的離子束依次在推斥電極、電離室、聚焦電極、離子出口電極和物縫電極所加載電壓產生的靜電場的作用下，加速、聚焦于物縫電極的圓孔處；本發明能夠在真空環境下具備較高的電子利用率和離子傳輸效率，進而提高離子源靈敏度。

技術領域

本發明屬于真空測量技術領域，具體涉及一種碳納米管場發射陰極的小型離子源。

背景技術

隨著科學技術迅猛發展，高新技術領域對極高真空測量提出了更高的要求，尤其是航空航天、高能物理、表面科學等高新技術領域，對真空測量提出了更加迫切的要求。

現有技術的缺陷：

(1)傳統的離子源均是以錸-鎢絲或氧化物等金屬材料作為陰極發射電子。傳統的這種熱陰極存在著加熱溫度高(錸-鎢絲1800℃時才可發射電子)、有分解殘余氣體及化學清除等作用，會改變氣體成分及壓強、且還存在陰極發射比低、加熱功率高、集成化加工難度大、難以小型化等問題。

(2)傳統離子源的離子光學系統采用多電極結構(電極多達7-9個)，結構復雜，且這種多電極結構會造成更多離子的丟失，從而減小離子傳輸效率，影響靈敏度。

(3)傳統的離子源存在著質量歧視效應(對不同質荷比的離子具有不同的電離幾率)和空間電荷效應(電離室電場及其分布不合理導致帶電離子和電子相互碰撞、相互作用，一方面影響中性氣體的進一步電離，另一方面影響離子從電離室的引出)，從而最終影響離子源的靈敏度。

因此，如何消耗更低的功率，集中更多的熱量，發射更多的電子，實現發射電子流更高的穩定度，對離子化效率和穩定性等離子源性能有著重要影響。

碳納米管(Carbon Nanotubes，CNT)具有優異的電學、力學等性能，在高真空環境下具有優良的場致發射特性，在碳納米管陰極中，電子是在外加電場作用下產生的，消除了熱陰極加熱功耗大，陰極材料的蒸發等不利因素；極快的響應時間使場致發射陰極可以在脈沖電壓模式下工作，減小了場致發射陰極遭受離子轟擊的幾率，從而顯著增長它的使用壽命；而且場致發射碳納米管陰極穩定性在真空度越高的條件下越好。

因此，有必要提出一種新型質譜離子源，克服傳統高溫熱陰極引起的問題，同時，通過優化設計離子源各電極結構和它的物理、幾何參數，改善離子源中的電場分布特性，提高離子源電子利用率和離子傳輸效率，進而進一步提高離子源靈敏度，拓展離子源工作壓力范圍。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種碳納米管場發射陰極的小型離子源，能夠在真空環境下具備較高的電子利用率和離子傳輸效率，進而提高離子源靈敏度。

實現本發明的技術方案如下：

一種碳納米管場發射陰極的小型離子源，包括碳納米管陰極、電離室、準直磁鐵、推斥電極、聚焦電極、離子出口電極和物縫電極；

所述碳納米管陰極為依次由碳納米管、柵極和陽極組成的三電極結構；

碳納米管陰極產生的電子進入電離室，并在準直磁鐵產生的磁場作用下電離中性氣體，電離得到的離子束依次在推斥電極、電離室、聚焦電極、離子出口電極和物縫電極所加載電壓產生的靜電場的作用下，加速、聚焦于物縫電極的圓孔處；

電離室出口與聚焦電極的間距為2mm，聚焦電極與離子出口電極的間距為2.5mm，離子出口電極和物縫電極的間距為9.5mm；

電離室電壓為U，聚焦電極的電壓為0.5U，推斥電極的電壓為(U+8)V，離子出口電極的電壓為-400V，物縫電極接地。