專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于輸出單原子氫離子束的場(chǎng)發(fā)射離子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場(chǎng)發(fā)射離子源，特別涉及一種專(zhuān)用于輸出單原子氫離子束的場(chǎng)發(fā)射離子源，屬于小型特種離子源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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(wú)Y本底且可以產(chǎn)生脈沖中子，不用時(shí)可以關(guān)斷，因而防護(hù)容易、存儲(chǔ)管理和運(yùn)輸方便。中子管把離子源、加速器、靶和氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)全部集成在一支密閉管內(nèi)，工作時(shí)無(wú)需抽真空設(shè)備和氣源裝置。中子管可廣泛應(yīng)用于國(guó)防工程和工、農(nóng)、醫(yī)領(lǐng)域，特別是軍工及安全檢查領(lǐng)域。在野外使用中子管的時(shí)，中子管的便攜性顯得更為重要，但目前很多具有高產(chǎn)額的中子源都體積龐大，只能在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行。
中子管的中子產(chǎn)額和其中關(guān)鍵部件一氘離子源產(chǎn)生的單原子和分子氘離子的比率有關(guān)，在同樣加速電壓和束流密度下，離子源產(chǎn)生的單原子氘離子比率越高，中子產(chǎn)額就越大，也就是說(shuō)，檢測(cè)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(chǎn)額比用100%D+束在同樣的轟擊條件下獲得的中子產(chǎn)額低48%，即此條件下D2+離子幾乎沒(méi)有與氚靶發(fā)生核反應(yīng)。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(dǎo)。潘寧離子源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作氣壓低、供電系統(tǒng)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其電離產(chǎn)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(shí)，輸出的H+=H2+:H3+=1:1. 7:6. 3。此情況下要獲得高產(chǎn)額中子，潘寧源必須輸出的高束流離子轟擊靶材，但這又導(dǎo)致離子濺射和二次電子發(fā)射現(xiàn)象嚴(yán)重，原因是由H2+所引發(fā)的金屬表面次級(jí)電子的產(chǎn)額幾乎是同一能量下質(zhì)子所引發(fā)的次級(jí)電子的二倍。由于目前各種離子源無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足高單原子離子產(chǎn)額和中子管(及配件)小型化的需求，美國(guó)于2005年率先將使用直流脈沖電源的場(chǎng)發(fā)射離子源用于中子管。文獻(xiàn)(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(chǎng)發(fā)射離子源的結(jié)構(gòu)如圖I所示，由襯底(5)、尖錐陣列(6)、絕緣層(7)、開(kāi)孔柵極(8)和氚靶(9)構(gòu)成。場(chǎng)發(fā)射離子源的基本原理是這樣，它是利用極其銳利的尖端來(lái)獲得很高的電場(chǎng)強(qiáng)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(fā)射。研究發(fā)現(xiàn)尖端表面電場(chǎng)強(qiáng)度越高，發(fā)射原子氘離子的比例就越大。當(dāng)尖端電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到30 V/nm時(shí)，尖端發(fā)射H\H2+比例約為4:1，因而用場(chǎng)發(fā)射離子源制備的中子管可以獲得較高的中子產(chǎn)額，并且由于場(chǎng)發(fā)射離子源采用相對(duì)簡(jiǎn)單的直流電源驅(qū)動(dòng)，非常具有實(shí)用性。
目前場(chǎng)發(fā)射離子源的在用于中子管時(shí)在運(yùn)行中還會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大問(wèn)題場(chǎng)發(fā)射陣列在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)發(fā)射尖端電場(chǎng)達(dá)到足夠強(qiáng)度(30 V/nm)使得原子離子發(fā)射的同時(shí)，柵極表面的電場(chǎng)強(qiáng)度也引起柵極發(fā)射電子束轟擊尖錐，導(dǎo)致尖錐大面積燒毀。這一問(wèn)題對(duì)于中子管的離子源長(zhǎng)期安全運(yùn)行要求來(lái)說(shuō)是致命的。本發(fā)明的目的就是要解決場(chǎng)發(fā)射離子源在調(diào)高電壓達(dá)到高比率氫原子離子輸出要求后，因尖端高電場(chǎng)強(qiáng)度引起柵極發(fā)射電子轟擊而易燒毀的問(wèn)題，使場(chǎng)發(fā)射離子源穩(wěn)定工作并能發(fā)射高比率氫原子離子束。國(guó)外解決這一問(wèn)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(fā)射從而抑制電子對(duì)場(chǎng)發(fā)射陣列的轟擊。

發(fā)明內(nèi)容
為解決以上問(wèn)題，本發(fā)明在傳統(tǒng)場(chǎng)發(fā)射離子源中增加了一個(gè)活性金屬?；钚越饘俚淖饔檬鞘狗肿与x子束在催化作用下裂解為原子離子束發(fā)射，這樣降低了場(chǎng)發(fā)射陣列的工 作電場(chǎng)強(qiáng)度，使其在15 20 V/nm的安全電場(chǎng)強(qiáng)度下發(fā)射氫分子離子。這些分子離子通過(guò)活性金屬時(shí)，由于催化作用使分子離子分解為原子離子發(fā)射。使用這種改進(jìn)的離子源后，既提高了中子管的產(chǎn)額，又可延長(zhǎng)場(chǎng)發(fā)射陣列的工作壽命。本發(fā)明的一種用于輸出單原子氫離子束的場(chǎng)發(fā)射離子源，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括場(chǎng)發(fā)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(guò)一絕緣材料隔離后，放置于場(chǎng)發(fā)射陣列之上，其表面與場(chǎng)發(fā)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(jìn)一步地，上述的用于輸出單原子氫離子束的場(chǎng)發(fā)射離子源，其特征在于所述場(chǎng)發(fā)射陣列包括碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列、金屬尖錐場(chǎng)發(fā)射陣列或硅尖錐場(chǎng)發(fā)射陣列。更進(jìn)一步地，上述的用于輸出單原子氫離子束的場(chǎng)發(fā)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(jìn)一步地，上述的用于輸出單原子氫離子束的場(chǎng)發(fā)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(shí)，調(diào)整場(chǎng)發(fā)射陣列的工作電壓使尖端表面電場(chǎng)處于15 20 V/nm即可。泡沫金屬活性薄板相對(duì)于場(chǎng)發(fā)射陣列的上表面外接-700 V左右的低壓電源,加速極相對(duì)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(fā)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(chǎng)發(fā)射陣列工作電壓保護(hù)其不至于
o


圖I現(xiàn)有的場(chǎng)發(fā)射離子源剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2本發(fā)明的用于輸出單原子氫離子束的場(chǎng)發(fā)射離子源剖面結(jié)構(gòu)示意圖。其中，各附圖的標(biāo)記含義為
I-場(chǎng)發(fā)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(kāi)孔柵極和9-氚靶。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例及附圖2，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述。實(shí)施例一
如圖2所示，在金屬尖錐場(chǎng)發(fā)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(dòng)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(chǎng)發(fā)射陣列I發(fā)射的氘分子離子會(huì)轉(zhuǎn)變成為氘原子離子，經(jīng)加速極4加速后可用回旋質(zhì)譜儀測(cè)試氘原子和分子離子束比例。啟動(dòng)場(chǎng)發(fā)射陣列后，Ni泡沫金屬活性薄板3相對(duì)于場(chǎng)發(fā)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(duì)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(wú)Ni泡沫金屬活性薄板3時(shí)，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?yōu)?:0.6。實(shí)施例二
如圖2所示，在硅尖錐場(chǎng)發(fā)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(dòng)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(chǎng)發(fā)射陣列I發(fā)射的氘分子離子會(huì)轉(zhuǎn)變成為氘原子離子，經(jīng)加速極4加速后可用回旋質(zhì)譜儀測(cè)試氘原子和分子離子束比例。啟動(dòng)場(chǎng)發(fā)射陣列后，F(xiàn)e泡沫金屬活性薄板3相對(duì)于場(chǎng)發(fā)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(duì)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(wú)Fe泡沫金屬活性薄板3時(shí)，測(cè)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?yōu)?:1。實(shí)施例三
如圖2所示，在碳納米管場(chǎng)發(fā)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(dòng)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(chǎng)發(fā)射陣列場(chǎng)發(fā)射陣列I發(fā)射的氘分子離子會(huì)轉(zhuǎn)變成為氘原子離子，經(jīng)加速極4加速后可用回旋質(zhì)譜儀測(cè)試氘原子和分子離子束比例。啟動(dòng)碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列I后，Co泡沫金屬活性薄板3相對(duì)于場(chǎng)發(fā)射陣列的上表面外接-700 V左右的低壓電源，加速極4相對(duì)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(wú)Co泡沫金屬活性薄板3時(shí)，測(cè)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?yōu)?:1.5。實(shí)施例四
如圖2所示，在碳納米管場(chǎng)發(fā)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(dòng)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(chǎng)發(fā)射陣列場(chǎng)發(fā)射陣列I發(fā)射的氘分子離子會(huì)轉(zhuǎn)變成為氘原子離子，經(jīng)加速極4加速后可用回旋質(zhì)譜儀測(cè)試氘原子和分子離子束比例。啟動(dòng)場(chǎng)發(fā)射陣列后，Ti泡沫金屬活性薄板3相對(duì)于碳納米管場(chǎng)發(fā)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(duì)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(wú)Ti泡沫金屬活性板3時(shí)，測(cè)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?yōu)镮: I. 5。
權(quán)利要求
1.一種用于輸出單原子氫離子束的場(chǎng)發(fā)射離子源，包括場(chǎng)發(fā)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(guò)一絕緣材料(2)隔離后，放置于場(chǎng)發(fā)射陣列(I)之上，其表面與場(chǎng)發(fā)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(jù)權(quán)利要求I所述的用于輸出單原子氫離子束的場(chǎng)發(fā)射離子源，其特征在于，所述場(chǎng)發(fā)射陣列(I)可以是碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列、金屬尖錐場(chǎng)發(fā)射陣列或硅尖錐場(chǎng)發(fā)射陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于輸出單原子氫離子束的場(chǎng)發(fā)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(jù)權(quán)利要求I所述的用于輸出單原子氫離子束的場(chǎng)發(fā)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(chǎng)發(fā)射離子源，屬于小型特種離子源技術(shù)領(lǐng)域。主要包括場(chǎng)發(fā)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(guò)絕緣材料隔離后，放置于場(chǎng)發(fā)射陣列之上，其表面與場(chǎng)發(fā)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(shí)，場(chǎng)發(fā)射陣列的工作電壓小于1kV，使尖端表面電場(chǎng)處于15~20V/nm即可。泡沫金屬活性薄板相對(duì)于場(chǎng)發(fā)射陣列的上表面外接-700V左右的低壓電源，加速極相對(duì)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(fā)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(chǎng)發(fā)射陣列工作電壓使其不至于燒毀。
文檔編號(hào)H01J27/02GK102709139SQ20121016196
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者伍建春, 展長(zhǎng)勇, 鄒宇 申請(qǐng)人:四川大學(xué)