專利名稱：離子槍的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離子槍。
背景技術(shù)：
1969年A.H.Mcllraith提出了利用在鞍形靜電場(chǎng)中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電子來(lái)電離氣體分子，為鞍形場(chǎng)離子槍研制奠定了理論基礎(chǔ)。1972年A.H.Mcllraith研制出第一支鞍形場(chǎng)離子槍。此后，J.Franks和A.M.Ghander研制出另一種形式的鞍形場(chǎng)離子槍。
目前，普遍采用的是熱陰極離子槍，其采用熱陰極作為電子發(fā)射源，陰極發(fā)射的電子撞擊氣體，將氣體電離為等離子體，而后由柵極系統(tǒng)將等離子抽取加速形成離子束。但是，熱陰極發(fā)射電子不穩(wěn)定，并且熱陰極在使用過(guò)程中不斷消耗，使用壽命有限，需要定期更換，因此在選擇陰極材料時(shí)必須考慮成本。陰極一般使用高純石墨、純鎢、鎢鈰合金、釷鎢合金等成本較高的材料，從而使得熱陰極離子槍整體成本較高。另外，由于熱陰極產(chǎn)生大量的熱量，離子槍表面溫度高，因此需要水冷，所以，采用熱陰極作為電子發(fā)射源的離子槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，有必要提供一種成本低、發(fā)射電子穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的離子槍。
一種離子槍，包括一真空容器、一陽(yáng)極和一陰極裝置，該真空容器上設(shè)置有電子注入孔、離子出射孔及氣體入口，該陽(yáng)極位于真空容器內(nèi)部，該陰極裝置位于電子注入孔處，所述陰極裝置為場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，所述離子槍采用場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置作為電子發(fā)射源，場(chǎng)發(fā)射冷陰極在使用過(guò)程中不會(huì)消耗，使用壽命長(zhǎng)，不需要定期更換，因此該離子槍的成本較低，且場(chǎng)發(fā)射冷陰極發(fā)射電子比熱陰極發(fā)射電子穩(wěn)定。另外，采用場(chǎng)發(fā)射冷陰極作為電子發(fā)射源，由于場(chǎng)發(fā)射冷陰極的發(fā)射功率較熱陰極的熱發(fā)射功率低，離子槍表面的溫度較低，無(wú)需水冷裝置，因此離子槍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例離子槍軸向截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例離子槍徑向截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置的第一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例離子槍內(nèi)電位分布示意圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例離子槍內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)明實(shí)施例場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置的第三種結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1及圖2，其為本發(fā)明實(shí)施例提供的離子槍10，該離子槍10包括一真空容器11、一陽(yáng)極14及場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置16，該容器11上設(shè)置有離子出射孔13、電子注入孔15及氣體入口17，該陽(yáng)極14位于容器11內(nèi)部。
該容器11為圓筒形，其可由鉬、鋼或鈦等金屬制成，優(yōu)選直徑為24毫米(mm)、長(zhǎng)度為50mm。使用時(shí)容器11接地，以防止電子被容器11截獲。
該離子出射孔13位于容器11的一端，且與容器11同軸設(shè)置，優(yōu)選直徑為4mm。
離子出射孔13外面設(shè)有聚焦裝置12，該聚焦裝置12包括三個(gè)平行設(shè)置的第一電極121、第二電極122及第三電極123，該三個(gè)電極121、122及l(fā)23分別具有第一通孔1211、第二通孔1221及第三通孔1231，該三個(gè)通孔1211、1221、及1231同軸設(shè)置，業(yè)界將該三個(gè)電極121、122及123之組合稱為三膜孔透鏡。當(dāng)?shù)谝浑姌O121、第二電極122及第三電極123加上電壓時(shí)，離子從離子出射孔13出射經(jīng)過(guò)聚焦裝置12時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡就會(huì)被匯聚，生成預(yù)定大小及能量的離子束。
陽(yáng)極14為一金屬環(huán)，優(yōu)選該金屬環(huán)的直徑大小為0.2mm，陽(yáng)極14與容器11同軸設(shè)置且垂直于容器11的軸線，并且陽(yáng)極14位于容器11的中間位置。由于該陽(yáng)極14僅為一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的金屬環(huán)，因此電子在容器11中的運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)，離子的產(chǎn)額率高。
電子注入孔15位于容器11的另一端，優(yōu)選直徑大小為1mm，該電子注入孔15位于容器11軸線的一側(cè)，這樣可減少電子回到電子注入孔15的幾率。
對(duì)應(yīng)電子注入孔15處設(shè)置有一場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置16，該場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置16與容器11電性相連，請(qǐng)參閱圖3，該場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置16包括場(chǎng)發(fā)射冷陰極161及柵極162，該場(chǎng)發(fā)射冷陰極161的電子出射端面向電子注入孔15，電子經(jīng)過(guò)柵極162及電子注入孔15進(jìn)入容器11內(nèi)。該場(chǎng)發(fā)射冷陰極161可選用各種微尖結(jié)構(gòu)，如碳納米管、碳納米纖維、碳納米線、各種金屬微尖端、非金屬微尖端、化合物微尖端等尖狀結(jié)構(gòu)或管狀、桿狀結(jié)構(gòu)等，也可以選用各種薄膜，包括金剛石薄膜、氧化鋅(ZnO)薄膜、鉑薄膜、硅薄膜、氧化硅(SiO2)薄膜、氧化鈀(PbO)薄膜等，本實(shí)施例中場(chǎng)發(fā)射冷陰極161為碳納米管。
容器11的側(cè)面上至少設(shè)置有一個(gè)氣體入口17，需要電離的氣體由該氣體入口17進(jìn)入容器11內(nèi)，該氣體一般為惰性氣體，如氬氣(Ar)、氫氣(H2)、氦氣(He)、氙氣(Xe)或者其中幾種的混合氣體。該氣體入口17靠近電子注入孔15所在的一端，場(chǎng)發(fā)射冷陰極161產(chǎn)生的電子經(jīng)過(guò)柵極162加速后由電子注入孔15進(jìn)入容器11內(nèi)部，通過(guò)氣體入口17進(jìn)入的氣體在電子的撞擊下電離產(chǎn)生離子，離子由離子出射孔13發(fā)射出，經(jīng)過(guò)聚焦裝置12形成所需要的離子束。
如圖4及圖5所示，該離子槍10在使用時(shí)，容器11接地，場(chǎng)發(fā)射冷陰極161、柵極162及陽(yáng)極14的電位可依據(jù)離子槍10的實(shí)際尺寸調(diào)整，以獲得最佳工作狀態(tài)。陽(yáng)極14的電位在500～1000伏(V)之間，場(chǎng)發(fā)射冷陰極161的電位大約為10V，柵極162的電位為30V，柵極162的電位需要根據(jù)場(chǎng)發(fā)射冷陰極161的特性決定。離子槍10的容器11內(nèi)形成馬鞍型靜電場(chǎng)，由于電子注入孔15位于容器11軸線的一側(cè)，注入的電子很少回到電子注入孔15內(nèi)，利用靜電場(chǎng)電子振蕩的原理，電子在容器11內(nèi)發(fā)生多次振蕩，撞擊由氣體入口17進(jìn)入的氣體，使氣體發(fā)生電離產(chǎn)生離子，以實(shí)現(xiàn)離子槍10所應(yīng)具備的功能。
離子槍10在工作時(shí)，首先是場(chǎng)發(fā)射冷陰極161產(chǎn)生電子，電子經(jīng)過(guò)柵極162加速后通過(guò)電子注入孔15進(jìn)入容器11內(nèi)，在容器11內(nèi)的馬鞍型靜電場(chǎng)中多次振蕩，撞擊氣體使其電離產(chǎn)生離子，離子由離子出射孔13射出，經(jīng)過(guò)聚焦裝置12后形成預(yù)定的離子束。
由于該離子槍10采用場(chǎng)發(fā)射冷陰極161作為電子產(chǎn)生源，場(chǎng)發(fā)射冷陰極161產(chǎn)生電子所需要的功率要比熱陰極產(chǎn)生電子的功率低，場(chǎng)發(fā)射冷陰極161的發(fā)射功率通常為毫瓦級(jí)，比如鎢絲作的熱陰極，其熱發(fā)射功率一般為幾瓦至幾十瓦。陽(yáng)極14結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單僅僅為一金屬圓環(huán)，從而使電子在容器11內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡較長(zhǎng)。由于電子注入孔15在容器11軸線的一側(cè)，這樣可以減少電子回到電子注入孔15的幾率。
如圖6所示，其為場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置16的第二種結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)為二次電子發(fā)射結(jié)構(gòu)，其包括場(chǎng)發(fā)射冷陰極261及二次電子發(fā)射體262。首先由場(chǎng)發(fā)射冷陰極261發(fā)射電子，該電子打到二次電子發(fā)射體262上，并激發(fā)出更多的二次電子，二次電子由電子注入孔15進(jìn)入容器11內(nèi)，在馬鞍型靜電場(chǎng)的作用下多次振蕩，撞擊氣體使其電離產(chǎn)生離子，該二次電子發(fā)射體262的材料包括鉑或銅。
如圖7所示，其為場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置16的第三種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)也是一種二次電子發(fā)射結(jié)構(gòu)，其包括場(chǎng)發(fā)射冷陰極361及二次電子發(fā)射體362。二次電子發(fā)射體362上設(shè)置一三角形凸起結(jié)構(gòu)363，該凸起結(jié)構(gòu)363凸向電子注入孔15，該二次電子發(fā)射體362的材料包括鉑或銅。
容器11、離子出射孔13、陽(yáng)極14及電子注入孔15的尺寸大小并不唯一確定，可根據(jù)各種具體情況作適當(dāng)改動(dòng)，以獲得離子槍10的最佳工作狀態(tài)。
場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置16的電位也需要根據(jù)離子槍10的實(shí)際尺寸調(diào)整，以獲得最佳的工作狀態(tài)。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種離子槍，其包括一真空容器、一陽(yáng)極和一陰極裝置，該真空容器上設(shè)置有電子注入孔、離子出射孔及氣體入口，該陽(yáng)極位于真空容器內(nèi)部，該陰極裝置位于電子注入孔處，其特征在于所述陰極裝置為場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的離子槍，其特征在于所述場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置包括場(chǎng)發(fā)射冷陰極及柵極。
3.如權(quán)利要求2所述的離子槍，其特征在于所述場(chǎng)發(fā)射冷陰極為微尖端結(jié)構(gòu)或者薄膜結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的離子槍，其特征在于所述微尖端結(jié)構(gòu)為金屬微尖端、非金屬微尖端或者化合物微尖端。
5.如權(quán)利要求3所述的離子槍，其特征在于所述微尖端結(jié)構(gòu)為碳納米管、碳納米線或碳納米纖維。
6.如權(quán)利要求3所述的離子槍，其特征在于所述薄膜結(jié)構(gòu)為金剛石薄膜、氧化鋅薄膜、鉑薄膜、硅薄膜、氧化硅薄膜或氧化鈀薄膜。
7.如權(quán)利要求1所述的離子槍，其特征在于所述場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置包括場(chǎng)發(fā)射冷陰極及二次電子發(fā)射體，該二次電子發(fā)射體面向電子注入孔。
8.如權(quán)利要求7所述的離子槍，其特征在于所述二次電子發(fā)射體的材料為鉑或者銅。
9.如權(quán)利要求7所述的離子槍，其特征在于所述二次電子發(fā)射體進(jìn)一步包括一三角形凸起結(jié)構(gòu)，該凸起結(jié)構(gòu)凸向電子注入孔。
10.如權(quán)利要求1所述的離子槍，其特征在于所述真空容器為圓筒形。
11.如權(quán)利要求10所述的離子槍，其特征在于所述真空容器的材料包括鉬、鋼或鈦。
12.如權(quán)利要求1所述的離子槍，其特征在于所述陽(yáng)極與真空容器同軸設(shè)置。
13.如權(quán)利要求12所述的離子槍，其特征在于所述陽(yáng)極為一金屬環(huán)。
14.如權(quán)利要求1所述的離子槍，其特征在于所述離子出射孔與真空容器同軸設(shè)置。
15.如權(quán)利要求1所述的離子槍，其特征在于所述電子注入孔位于真空容器軸線的一側(cè)。
16.如權(quán)利要求1所述的離子槍，其特征在于所述離子槍進(jìn)一步包括設(shè)置于離子出射孔外側(cè)的聚焦裝置。
17.如權(quán)利要求16所述的離子槍，其特征在于所述聚焦裝置為三膜孔透鏡。
18.如權(quán)利要求17所述的離子槍，其特征在于所述三膜孔透鏡包括三個(gè)平行設(shè)置的電極。
19.如權(quán)利要求18所述的離子槍，其特征在于所述三個(gè)電極具有同軸設(shè)置的通孔。
20.如權(quán)利要求1所述的離子槍，其特征在于所述場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置與真空容器電性相連。
全文摘要
本發(fā)明提供一種離子槍，其包括一真空容器、一陽(yáng)極和一陰極裝置，真空容器上設(shè)置有電子注入孔、離子出射孔及氣體入口，該陽(yáng)極位于真空容器內(nèi)部，該陰極裝置位于電子注入孔處，所述陰極裝置為場(chǎng)發(fā)射冷陰極裝置。該離子槍具有發(fā)射電子穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01J3/00GK1956119SQ20051010060
公開(kāi)日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2005年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月24日
發(fā)明者潛力, 齊京, 唐潔, 劉亮, 胡昭復(fù), 陳丕瑾, 范守善 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司