專利名稱:一種場電離粒子發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場電離粒子發(fā)生器，屬于離子源和離子束技術(shù)領(lǐng)域：
。
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)研究的一個熱點。各種納米材料在場致發(fā)射和場致電離方面的理論計算和實際應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。這種應(yīng)用包括兩個方面(1)場發(fā)射平板顯示器和場電離氣體傳感器，是目前國內(nèi)外眾多納米材料場發(fā)射器件和場電離器件研究的主攻方向；(2)場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。這種場電離離子源可用于小型加速器或離子注入機，相應(yīng)的中子管可用于地質(zhì)勘探和石油測井等領(lǐng)域，代替普通的放射源，其特點是在電源接通時才產(chǎn)生粒子束，大幅度降低了放射性污染的風(fēng)險，是安全、干凈的粒子源。
中子探測具有其他無損檢測技術(shù)無可替代的特點和優(yōu)點，一直是國際上一些重要機構(gòu)研究的重點課題。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，且存在運輸、貯存等安全隱患問題。基于中子管在危險品檢測、石油測井、地礦勘探、腫瘤治療等多個領(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國家實驗室、歐美日的幾所大學(xué)，而國內(nèi)關(guān)于場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，專利號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電離粒子發(fā)生器。這種裝置通過場電離原理產(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發(fā)射模式和場電離模式。
本發(fā)明為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的場電離粒子發(fā)生器，它由真空腔、電極部分、 低壓電源、高壓電源、束流表和計算機系統(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、高壓電源均與計算機系統(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，試驗時通過調(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。試驗時，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(場發(fā)射模式、場電離模式)的選擇。對于商品化的器件，則根據(jù)器件的用途設(shè)計固化其電源極性。
本發(fā)明所述計算機系統(tǒng)由LabVIEW軟件程序控制場電離的開啟和I_V測試過程， 高壓電源、低壓電源和束流表均與計算機系統(tǒng)相連；通過在軟件的測試界面設(shè)置一些參數(shù)如場電離所需電壓范圍等，計算機系統(tǒng)可自動測試場發(fā)射和場電離過程中的外加電壓和發(fā)射電流。
本發(fā)明中用于場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電離粒子源及其制備方法，這種場電離粒子發(fā)生器可以作為場電離型離子源和中子發(fā)生器。其優(yōu)點是(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)動都由同一個電源驅(qū)動，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)明場電離粒子源的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明測得的CNT陣列的場發(fā)射特性。
圖3為本發(fā)明測得的CNT陣列的場電離特性。
圖4為Au納米陣列的SEM圖像。
圖5為Au納米陣列的場電離初步結(jié)果。
具體實施方式
本發(fā)明所提供的場電離粒子發(fā)生器可以作為場電離離子源和中子發(fā)生器。在惰性氣體的氣氛中進(jìn)行場電離實驗可以得到惰性氣體離子流；在氫氣氣氛下進(jìn)行場電離實驗可引出質(zhì)子束；在氘氣氣氛下進(jìn)行場電離實驗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和計算機系統(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均與計算機系統(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增強因子。同時，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，太密集則會產(chǎn)生電場交疊，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、場電離型離子源的制備原理
因為只有發(fā)射電子能力強的材料才能產(chǎn)生足夠強的離子發(fā)射束流，而且場發(fā)射電子束流大于場電離離子束流，更容易測。所以對納米陣列首先進(jìn)行場發(fā)射特性的測試，確定樣品發(fā)射的電子束流。然后對具有較強場發(fā)射性能的納米陣列樣品進(jìn)行場電離實驗。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，發(fā)射極與柵極之間接4kV低壓電源，且發(fā)射極相對于柵極為負(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電離所需的高的場強，同時使場電離產(chǎn)生的離子在其間加速并由鉬網(wǎng)收集極引出；柵極用于引出場電離產(chǎn)生的氣體離子，使其在柵極與收集極之間加速。測定不同氣壓下場電離發(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)化場電離工作參數(shù)如場強大小、氣氛壓強等，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、場電離中子發(fā)生器的制備原理
對于現(xiàn)有設(shè)備，產(chǎn)生中子的方式有場發(fā)射模式和場電離模式。場發(fā)射模式產(chǎn)生中子是利用場發(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，場發(fā)射模式產(chǎn)生中子的效率很低；場電離模式是利用場電離產(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)測得的氘離子束流計算可能產(chǎn)生的中子產(chǎn)額。這種基于場電離型離子源的中子發(fā)生器，其場電離材料必須具有很強的離子發(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驗結(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，是很有前途的場電離材料。我們用超聲水熱法和反應(yīng)氣相輸運法制備了 ZnO納米陣列，其場發(fā)射電流密度為 0. 5-3. 3mA/cm2。由于場電離通常比場發(fā)射低一個數(shù)量級，因此，ZnO的場發(fā)射電流密度需要進(jìn)一步提高，才能滿足場電離發(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
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，其場發(fā)射特性和場電離特性如圖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，而且又因為可以生長毛刺，提高了有效陣列密度。
權(quán)利要求
1.一種場電離粒子發(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)和計算機系統(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)均與計算機系統(tǒng)(7)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的場電離粒子發(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所述的場電離粒子發(fā)生器，其特征在于用于場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、束流表和計算機系統(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、高壓電源均與計算機系統(tǒng)相連。本發(fā)明中的場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)明所提供的場電離粒子發(fā)生器可以作為場電離離子源和中子發(fā)生器。
文檔編號G21G4/02GKCN102354642SQ201110332681
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月28日
發(fā)明者付德君, 張早娣, 王世旭, 王澤松 申請人:武漢大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan