專利名稱：一種用于輸出單原子氫離子束的場發射離子源的制作方法
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Y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一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100KeV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2X 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 Sectiona-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 663/1 (2012)64 ；P. R. Schwoebel, Applied Physics Letters 87/5 (2005)和A. Persaud, I. Alien，M. R. Dickinson, T. Schenkel，R. Kapadia，K. Takei，A. Javey, Journal of VacuumScience & 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I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。本發明的目的就是要解決場發射離子源在調高電壓達到高比率氫原子離子輸出要求后，因尖端高電場強度引起柵極發射電子轟擊而易燒毀的問題，使場發射離子源穩定工作并能發射高比率氫原子離子束。國外解決這一問題普遍采用的方法是提高柵極表面的光滑程度，抑制柵極的電子發射從而抑制電子對場發射陣列的轟擊。
發明內容
為解決以上問題，本發明在傳統場發射離子源中增加了一個活性金屬。活性金屬的作用是使分子離子束在催化作用下裂解為原子離子束發射，這樣降低了場發射陣列的工 作電場強度，使其在15 20 V/nm的安全電場強度下發射氫分子離子。這些分子離子通過活性金屬時，由于催化作用使分子離子分解為原子離子發射。使用這種改進的離子源后，既提高了中子管的產額，又可延長場發射陣列的工作壽命。本發明的一種用于輸出單原子氫離子束的場發射離子源，其結構如圖2所示，包括場發射陣列，其特征在于，還包括一泡沫金屬活性薄板和加速極，所述泡沫金屬活性薄板通過一絕緣材料隔離后，放置于場發射陣列之上，其表面與場發射陣列表面平行；所述加速極置于泡沫金屬活性薄板之上。更進一步地，上述的用于輸出單原子氫離子束的場發射離子源，其特征在于所述場發射陣列包括碳納米管場發射陣列、金屬尖錐場發射陣列或硅尖錐場發射陣列。更進一步地，上述的用于輸出單原子氫離子束的場發射離子源，其特征在于所述泡沫金屬活性薄板的材料是Fe、Co、Ni或Ti。更進一步地，上述的用于輸出單原子氫離子束的場發射離子源，其特征在于所述泡沫金屬活性薄板的厚度< 10 mm、平均孔徑彡0. 2 mm、比表面積彡250 m2/m3。工作時，調整場發射陣列的工作電壓使尖端表面電場處于15 20 V/nm即可。泡沫金屬活性薄板相對于場發射陣列的上表面外接-700 V左右的低壓電源,加速極相對于泡沫金屬活性薄板外接-10 kV以上的高壓脈沖電源。采用本發明的離子源可以從加速極輸出高比率氫(包括其同位素氘或氚)原子離子束，并且降低場發射陣列工作電壓保護其不至于
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圖I現有的場發射離子源剖面結構示意圖。圖2本發明的用于輸出單原子氫離子束的場發射離子源剖面結構示意圖。其中，各附圖的標記含義為
I-場發射陣列、2-絕緣材料、3-泡沫金屬活性薄板、4-加速極、5-襯底、6-尖錐陣列、7-絕緣層、8-開孔柵極和9-氚靶。
具體實施方式
以下結合實施例及附圖2，對本發明進一步詳細描述。實施例一
如圖2所示，在金屬尖錐場發射陣列I之上，用I mm厚的絕緣材料2隔離放置一 Ni泡沫金屬活性薄板3,其厚度是2 mm、平均孔徑=0. 23 mm、比表面積=5800 m2/m3 ;另還有一加速極4置于Ni泡沫金屬活性薄板3之上。在氘氣體氣氛中，接上外置電源啟動本離子源，由于Ni泡沫金屬活性薄板3的催化作用，金屬尖錐場發射陣列I發射的氘分子離子會轉變成為氘原子離子，經加速極4加速后可用回旋質譜儀測試氘原子和分子離子束比例。啟動場發射陣列后，Ni泡沫金屬活性薄板3相對于場發射陣列I的上表面外接-700 V左右的低壓電源，加速極4相對于Ni泡沫金屬活性薄板3外接-10 kV以上的高壓脈沖電源。無Ni泡沫金屬活性薄板3時，輸出氘原子和分子離子離子束之比為1:99，加Ni泡沫金屬活性薄板3后氣原子和分子尚子束之比變為1:0.6。實施例二
如圖2所示，在硅尖錐場發射陣列I之上，用I mm厚的絕緣材料2隔離放置一 Fe泡沫金屬活性薄板3，其厚度是3 mm、平均孔徑=0.7 mm、比表面積=1580 m2/m3 ;另還有一加速極4置于Fe泡沫金屬活性薄板3之上。在氘氣體氣氛中，接上外置電源啟動本離子源，由于Fe泡沫金屬活性薄板3的催化作用，硅尖錐場發射陣列I發射的氘分子離子會轉變成為氘原子離子，經加速極4加速后可用回旋質譜儀測試氘原子和分子離子束比例。啟動場發射陣列后，Fe泡沫金屬活性薄板3相對于場發射陣列I的上表面外接-700 V左右的低壓電源，加速極4相對于Fe泡沫金屬活性薄板3外接-10 kV以上的高壓脈沖電源。無Fe泡沫金屬活性薄板3時，測得輸出氘原子和分子離子離子束之比為1:99，加Fe泡沫金屬活性薄板3后氘原子和分子離子束之比變為1:1。實施例三
如圖2所示，在碳納米管場發射陣列I之上，用I _厚的絕緣材料2隔離放置一 Co泡沫金屬活性薄板3，其厚度是8 mm、平均孔徑=1. 6 mm、比表面積=250 m2/m3 ;另還有一加速極4置于Co泡沫金屬活性薄板3之上。在氘氣體氣氛中，接上外置電源啟動本離子源，由于Co泡沫金屬活性薄板3的催化作用，碳納米管場發射陣列場發射陣列I發射的氘分子離子會轉變成為氘原子離子，經加速極4加速后可用回旋質譜儀測試氘原子和分子離子束比例。啟動碳納米管場發射陣列I后，Co泡沫金屬活性薄板3相對于場發射陣列的上表面外接-700 V左右的低壓電源，加速極4相對于Co泡沫金屬活性薄板3外接-10 kV以上的高壓脈沖電源。無Co泡沫金屬活性薄板3時，測得輸出氘原子和分子離子離子束之比為1:99，加Co泡沫金屬活性薄板3后氣原子和分子尚子束之比變為1:1.5。實施例四
如圖2所示，在碳納米管場發射陣列I之上，用I mm厚的絕緣材料2隔離放置一 Ti泡沫金屬活性薄板3，其厚度是5 mm、平均孔徑=0.95 mm、比表面積=500 m2/m3 ;另還有一加速極4置于Ti泡沫金屬活性薄板3之上。在氘氣體氣氛中，接上外置電源啟動本離子源，由于Ti泡沫金屬活性薄板3的催化作用，碳納米管場發射陣列場發射陣列I發射的氘分子離子會轉變成為氘原子離子，經加速極4加速后可用回旋質譜儀測試氘原子和分子離子束比例。啟動場發射陣列后，Ti泡沫金屬活性薄板3相對于碳納米管場發射陣列I的上表面外接-700 V左右的低壓電源，加速極4相對于Ti泡沫金屬活性薄板3外接-10 kV以上的高壓脈沖電源。無Ti泡沫金屬活性板3時，測得輸出氘原子和分子離子離子束之比為1:99， 加Ti泡沫金屬活性板3后氣原子和分子尚子束之比變為I: I. 5。
權利要求
1.一種用于輸出單原子氫離子束的場發射離子源，包括場發射陣列(1)，其特征在于，還包括一泡沫金屬活性薄板(3)和加速極(4),所述泡沫金屬活性薄板(3)通過一絕緣材料(2)隔離后，放置于場發射陣列(I)之上，其表面與場發射陣列表面平行，所述加速極(4)置于泡沫金屬活性薄板之上。
2.根據權利要求I所述的用于輸出單原子氫離子束的場發射離子源，其特征在于，所述場發射陣列(I)可以是碳納米管場發射陣列、金屬尖錐場發射陣列或硅尖錐場發射陣列。
3.根據權利要求I所述的用于輸出單原子氫離子束的場發射離子源，其特征在于，所述泡沫金屬活性薄板(3)的材料是Fe、Co、Ni或Ti。
4.根據權利要求I所述的用于輸出單原子氫離子束的場發射離子源，其特征在于，所述泡沫金屬活性薄板(3)的厚度< 10 mm、平均孔徑彡O. 23 mm、比表面積彡250 m2/m3。
全文摘要
一種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。主要包括場發射陣列、泡沫金屬活性薄板和加速極。泡沫金屬活性薄板通過絕緣材料隔離后，放置于場發射陣列之上，其表面與場發射陣列表面平行，加速極置于泡沫金屬活性薄板之上。工作時，場發射陣列的工作電壓小于1kV，使尖端表面電場處于15~20V/nm即可。泡沫金屬活性薄板相對于場發射陣列的上表面外接-700V左右的低壓電源，加速極相對于泡沫金屬活性薄板外接-10kV以上的高壓脈沖電源。采用本發明后可以從加速極輸出高比例氫(包括其同位素氘或氚)原子離子束，并且降低場發射陣列工作電壓使其不至于燒毀。
文檔編號H01J27/02GK102709139SQ20121016196
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者伍建春, 展長勇, 鄒宇 申請人:四川大學