專利名稱:一種場(chǎng)電離粒子發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場(chǎng)電離粒子發(fā)生器，屬于離子源和離子束技術(shù)領(lǐng)域：
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技術(shù)背景
近年來，碳納米管和其它一些納米材料的發(fā)現(xiàn)及其在場(chǎng)發(fā)射方面的應(yīng)用研究，使一維納米材料的合成和應(yīng)用成為材料學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。各種納米材料在場(chǎng)致發(fā)射和場(chǎng)致電離方面的理論計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。這種應(yīng)用包括兩個(gè)方面(1)場(chǎng)發(fā)射平板顯示器和場(chǎng)電離氣體傳感器，是目前國內(nèi)外眾多納米材料場(chǎng)發(fā)射器件和場(chǎng)電離器件研究的主攻方向；(2)場(chǎng)電離離子源和中子發(fā)生器。與高頻離子源或潘寧放電型氣體離子源相比，場(chǎng)電離型粒子源可以達(dá)到體積更小、能耗更低的目的，是便攜式粒子源的理想選擇。這種場(chǎng)電離離子源可用于小型加速器或離子注入機(jī)，相應(yīng)的中子管可用于地質(zhì)勘探和石油測(cè)井等領(lǐng)域，代替普通的放射源，其特點(diǎn)是在電源接通時(shí)才產(chǎn)生粒子束，大幅度降低了放射性污染的風(fēng)險(xiǎn)，是安全、干凈的粒子源。
中子探測(cè)具有其他無損檢測(cè)技術(shù)無可替代的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，一直是國際上一些重要機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)課題。目前產(chǎn)生中子的四種主要方式，即放射性同位素、加速器、反應(yīng)堆和中子管，其中加速器和反應(yīng)堆都是十分龐大的裝備；同位素壽命較短，且存在運(yùn)輸、貯存等安全隱患問題?；谥凶庸茉谖ｋU(xiǎn)品檢測(cè)、石油測(cè)井、地礦勘探、腫瘤治療等多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，結(jié)構(gòu)緊湊的中子管的使用必然是大勢(shì)所趨。而迄今納米陣列的中子發(fā)射研究主要集中在美國幾個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室、歐美日的幾所大學(xué)，而國內(nèi)關(guān)于場(chǎng)電離型離子源的中子發(fā)射裝置的研究還比較少。本發(fā)明之前，國內(nèi)在2008年9月M日公開了西安石油大學(xué)“高溫高壓小型激光氘一氘聚變中子管”專利申請(qǐng)，專利號(hào)200810018070，該技術(shù)利用氘-氘在管內(nèi)的聚變反應(yīng)產(chǎn)生中子。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種場(chǎng)電離粒子發(fā)生器。這種裝置通過場(chǎng)電離原理產(chǎn)生所需的氣體離子流，作為一種離子源。在特殊條件下可以用來產(chǎn)生中子，作為一種中子發(fā)生器。該裝置可以工作在場(chǎng)發(fā)射模式和場(chǎng)電離模式。
本發(fā)明為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的場(chǎng)電離粒子發(fā)生器，它由真空腔、電極部分、 低壓電源、高壓電源、束流表和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，電極部分由順次安裝在真空腔中的發(fā)射極、柵極和收集極構(gòu)成，柵極通過真空腔中導(dǎo)出的低壓電極與低壓電源連接，低壓電源、束流表、發(fā)射極依次相連；收集極通過真空腔中導(dǎo)出的高壓電極與高壓電源連接，高壓電源、 束流表、發(fā)射極依次相連；束流表、低壓電源、高壓電源均與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。
本發(fā)明所述真空腔，其背底真空可達(dá)hlO_5Pa，其側(cè)壁有一充氣孔，可以向內(nèi)充入所需離子類型的氣體如惰性氣體、氫氣、氘氣等，試驗(yàn)時(shí)通過調(diào)節(jié)氣體的流量來維持真空腔中特定的真空度，以提供場(chǎng)電離所需真空條件。
本發(fā)明所述發(fā)射極由金屬平板制成，其上承載納米發(fā)射材料；柵極由孔徑為廣2mm2的鉬網(wǎng)制成，用于引出場(chǎng)電離產(chǎn)生的離子，然后使其在柵極與收集極之間加速；收集極由中間帶一小孔的金屬平板制成，其內(nèi)表面有幾毫米厚的氘鈦膜，為D-D反應(yīng)提供氘源。
本發(fā)明所述高壓電源要求提供60_80kV高電壓，低壓電源要求提供2_4kV的低電壓，高壓電源和低壓電源的地線均為懸空，自成回路。試驗(yàn)時(shí)，兩套電源均可通過雙刀雙擲開關(guān)來適當(dāng)選擇電壓正負(fù)極性，這取決于工作模式(場(chǎng)發(fā)射模式、場(chǎng)電離模式)的選擇。對(duì)于商品化的器件，則根據(jù)器件的用途設(shè)計(jì)固化其電源極性。
本發(fā)明所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由LabVIEW軟件程序控制場(chǎng)電離的開啟和I_V測(cè)試過程， 高壓電源、低壓電源和束流表均與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連；通過在軟件的測(cè)試界面設(shè)置一些參數(shù)如場(chǎng)電離所需電壓范圍等，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可自動(dòng)測(cè)試場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離過程中的外加電壓和發(fā)射電流。
本發(fā)明中用于場(chǎng)電離的材料為納米陣列。通過減小納米陣列直徑、在納米材料尖端上形成毛刺等方法，提高納米陣列密度；采取特意吸附方法(如鈦吸附氫、氘)，將納米陣列制備在鍍有鈦膜的硅襯底上，以達(dá)到提高特定元素的離子束流的目的。
本發(fā)明的有益效果是提供了一種場(chǎng)電離粒子源及其制備方法，這種場(chǎng)電離粒子發(fā)生器可以作為場(chǎng)電離型離子源和中子發(fā)生器。其優(yōu)點(diǎn)是(1)冷陰極發(fā)射，無需燈絲，使用壽命長；(2 )電子或離子的驅(qū)動(dòng)都由同一個(gè)電源驅(qū)動(dòng)，能源利用率很高；(3 )由于電源減少，發(fā)射極無需冷卻，因而發(fā)生器體積重量大大縮小。


圖1為本發(fā)明場(chǎng)電離粒子源的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明測(cè)得的CNT陣列的場(chǎng)發(fā)射特性。
圖3為本發(fā)明測(cè)得的CNT陣列的場(chǎng)電離特性。
圖4為Au納米陣列的SEM圖像。
圖5為Au納米陣列的場(chǎng)電離初步結(jié)果。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明所提供的場(chǎng)電離粒子發(fā)生器可以作為場(chǎng)電離離子源和中子發(fā)生器。在惰性氣體的氣氛中進(jìn)行場(chǎng)電離實(shí)驗(yàn)可以得到惰性氣體離子流；在氫氣氣氛下進(jìn)行場(chǎng)電離實(shí)驗(yàn)可引出質(zhì)子束；在氘氣氣氛下進(jìn)行場(chǎng)電離實(shí)驗(yàn)可以得到氘離子束流，再經(jīng)氘-氘反應(yīng)產(chǎn)生中子。
本發(fā)明的場(chǎng)電離粒子發(fā)生器，它由真空腔1、電極部分2、低壓電源3、高壓電源4、 束流表5、6和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)7構(gòu)成，電極部分2由順次垂直安裝在真空腔1中的發(fā)射極加、柵極2b和收集極2c構(gòu)成，柵極2b通過真空腔中導(dǎo)出的低壓電極與低壓電源3連接，低壓電源3、束流表5、發(fā)射極加依次相連；收集極2c通過真空腔中導(dǎo)出的高壓電極與高壓電源4 連接，高壓電源4、束流表6、發(fā)射極加依次相連；束流表5、束流表6、低壓電源3、高壓電源4均與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)7相連。
為了得到較大的發(fā)射束流，首先發(fā)射器材料納米陣列的制備是關(guān)鍵。納米陣列的頂部必須具有較小的曲率半徑，從而保證納米陣列具有較大的幾何場(chǎng)增強(qiáng)因子。同時(shí)，納米陣列之間應(yīng)有合理的空間分布，太稀疏難以得到大束流發(fā)射，太密集則會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)交疊，造成靜電屏蔽。因此，首先需要優(yōu)化工藝參數(shù)，制備出曲率半徑小、垂直取向好、分布均勻、頂部較尖銳的納米陣列。
1、場(chǎng)電離型離子源的制備原理
因?yàn)橹挥邪l(fā)射電子能力強(qiáng)的材料才能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的離子發(fā)射束流，而且場(chǎng)發(fā)射電子束流大于場(chǎng)電離離子束流，更容易測(cè)。所以對(duì)納米陣列首先進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射特性的測(cè)試，確定樣品發(fā)射的電子束流。然后對(duì)具有較強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射性能的納米陣列樣品進(jìn)行場(chǎng)電離實(shí)驗(yàn)。當(dāng)真空腔中真空度達(dá)10’a，向真空腔內(nèi)通入某種惰性氣體或氫氣等，發(fā)射器材料放在發(fā)射極樣品臺(tái)，發(fā)射極與柵極之間接4kV低壓電源，且發(fā)射極相對(duì)于柵極為負(fù)電壓，發(fā)射極與收集極之間接60-80kV的高壓電源，且發(fā)射極相對(duì)于收集極為正電壓。發(fā)射極與收集極之間的高電壓提供場(chǎng)電離所需的高的場(chǎng)強(qiáng)，同時(shí)使場(chǎng)電離產(chǎn)生的離子在其間加速并由鉬網(wǎng)收集極引出；柵極用于引出場(chǎng)電離產(chǎn)生的氣體離子，使其在柵極與收集極之間加速。測(cè)定不同氣壓下場(chǎng)電離發(fā)射的束流-電壓特性曲線，獲得開啟電壓和束流密度等參數(shù)，然后通過不斷調(diào)整和優(yōu)化場(chǎng)電離工作參數(shù)如場(chǎng)強(qiáng)大小、氣氛壓強(qiáng)等，以獲得低開啟電壓、高束流密度的離子束流。
這種離子源設(shè)備能夠提供惰性氣體離子流，若通入的氣體氣氛為氫氣或氘氣，可以得到質(zhì)子束或氘離子束。為了提高質(zhì)子束流或氘離子束流，可以采用鈦吸附氫或氘的方法，將納米陣列制備在鍍有鈦膜的硅襯底上，使納米陣列預(yù)先吸附氫或氘，以獲得較高束流的質(zhì)子束或氘束。
2、場(chǎng)電離中子發(fā)生器的制備原理
對(duì)于現(xiàn)有設(shè)備，產(chǎn)生中子的方式有場(chǎng)發(fā)射模式和場(chǎng)電離模式。場(chǎng)發(fā)射模式產(chǎn)生中子是利用場(chǎng)發(fā)射產(chǎn)生的電子轟擊氘氣，使之電離成為氘離子，進(jìn)一步轟擊氘靶，發(fā)生D-D反應(yīng)， 由于電子質(zhì)量很小，場(chǎng)發(fā)射模式產(chǎn)生中子的效率很低；場(chǎng)電離模式是利用場(chǎng)電離產(chǎn)生的氘離子轟擊氘靶，發(fā)生D-D反應(yīng)，從而產(chǎn)生中子，由于離子轟擊的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電子轟擊，中子產(chǎn)額大幅度提高。D-D反應(yīng)采用D離子穿越氘氣，轟擊氘靶，主要過程為D+D=n+3He+Q。 本發(fā)明采用場(chǎng)電離模式產(chǎn)生中子，產(chǎn)生中子的過程中，真空腔內(nèi)沖入的氣體為氘氣，中子發(fā)生器的工作原理與離子源的工作原理基本相同，唯一不同的是中子發(fā)生器的平板型收集極內(nèi)表面有一層幾毫米厚的氘鈦膜，這個(gè)氘鈦膜用于給發(fā)射器預(yù)加載氘，作為D-D反應(yīng)的氘靶。
根據(jù)測(cè)得的氘離子束流計(jì)算可能產(chǎn)生的中子產(chǎn)額。這種基于場(chǎng)電離型離子源的中子發(fā)生器，其場(chǎng)電離材料必須具有很強(qiáng)的離子發(fā)射能力，因此需采用鈦吸附氘的方法，在鍍有鈦膜的硅襯底上制備較高質(zhì)量的納米陣列，以提高氘離子束流。按IO8CnT2的陣列密度和 IOOkV工作電壓，預(yù)計(jì)用氘吸附陣列可獲得IO11rVcm2的中子產(chǎn)額。這種設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作易行的產(chǎn)生中子的方法，作為一種中子發(fā)生器為中子管的研究提供了新的方向。
3、部分納米陣列材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由于ZnO在高溫、氧化、輻照環(huán)境中都具有很好的穩(wěn)定性，是很有前途的場(chǎng)電離材料。我們用超聲水熱法和反應(yīng)氣相輸運(yùn)法制備了 ZnO納米陣列，其場(chǎng)發(fā)射電流密度為 0. 5-3. 3mA/cm2。由于場(chǎng)電離通常比場(chǎng)發(fā)射低一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，ZnO的場(chǎng)發(fā)射電流密度需要進(jìn)一步提高，才能滿足場(chǎng)電離發(fā)射達(dá)到1.0 mA/cm2以上的技術(shù)指標(biāo)。CNT是公認(rèn)的高效場(chǎng)
5發(fā)射材料，我們用電泳技術(shù)和涂敷法在單晶硅上制備的碳納米管陣列，其場(chǎng)發(fā)射特性和場(chǎng)電離特性如圖2和圖3所示。
用三電極電化學(xué)沉積方法在Si襯底上制備了 Au納米陣列，形成Au-array/Ag/Ti/ Si結(jié)構(gòu)。Au納米陣列的SEM圖像和場(chǎng)電離特性結(jié)果如圖4和圖5所示。
通過一系列工作表明，CNT, Au納米陣列經(jīng)場(chǎng)電離效應(yīng)產(chǎn)生離子的束流應(yīng)優(yōu)于ZnO 陣列，而Au納米陣列由于密度較低，可以避免陣列尖端之間的靜電屏蔽，而且又因?yàn)榭梢陨L毛刺，提高了有效陣列密度。
權(quán)利要求
1.一種場(chǎng)電離粒子發(fā)生器，其特征在于由真空腔(1)、電極部分(2)、低壓電源(3)、高壓電源(4)、束流表(5、6)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(7)構(gòu)成，電極部分(2)由順次安裝在真空腔(1)中的發(fā)射極(2a)、柵極(2b)和收集極(2c)構(gòu)成，柵極(2b)通過真空腔中導(dǎo)出的低壓電極與低壓電源(3)連接，低壓電源(3)、束流表(5)、發(fā)射極(2a)依次相連；收集極(2c)通過真空腔中導(dǎo)出的高壓電極與高壓電源(4)連接，高壓電源(4)、束流表(6)、發(fā)射極(2a)依次相連; 束流表(5)、束流表(6)、低壓電源(3)、高壓電源(4)均與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(7)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的場(chǎng)電離粒子發(fā)生器，其特征在于所述真空腔側(cè)壁有一充氣孔，可以向內(nèi)沖入所需離子類型的氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的場(chǎng)電離粒子發(fā)生器，其特征在于所述發(fā)射極由金屬平板制成，其上承載納米發(fā)射材料；柵極由孔徑為1 2mm2的鉬網(wǎng)制成；收集極由中間帶一小孔的金屬平板制成，其內(nèi)表面有幾毫米厚的氘鈦膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的場(chǎng)電離粒子發(fā)生器，其特征在于用于場(chǎng)電離的納米陣列材料，其尖端帶有毛刺，并且納米陣列與襯底之間以鈦膜作為過渡層。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種場(chǎng)電離粒子發(fā)生器，由真空腔、電極部分、低壓電源、高壓電源、束流表和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，電極部分由順次垂直安裝在真空腔中的發(fā)射極、柵極和收集極構(gòu)成，柵極通過真空腔中導(dǎo)出的低壓電極與低壓電源連接，低壓電源、束流表、發(fā)射極依次相連；收集極通過真空腔中導(dǎo)出的高壓電極與高壓電源連接，高壓電源、束流表、發(fā)射極依次相連；束流表、束流表、低壓電源、高壓電源均與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。本發(fā)明中的場(chǎng)電離材料為帶有毛刺并且制備在鍍有鈦膜的硅襯底上的納米陣列。本發(fā)明所提供的場(chǎng)電離粒子發(fā)生器可以作為場(chǎng)電離離子源和中子發(fā)生器。
文檔編號(hào)G21G4/02GKCN102354642SQ201110332681
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年10月28日
發(fā)明者付德君, 張?jiān)珂? 王世旭, 王澤松 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan