本發(fā)明涉及一種碳納米管陰極電離規(guī)，具體涉及一種測量下限達(dá)10^-9Pa的碳納米管陰極電離規(guī)，屬于真空測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電離真空計是一種通過測量荷能電子碰撞氣體分子產(chǎn)生的正離子流來間接獲得測量壓力的真空傳感器。目前，電離真空計是測量高真空的重要真空器件，而在超高極高真空測量領(lǐng)域，它是唯一實際可用的真空傳感器件。

近年來，隨著我國高新尖端技術(shù)的迅猛發(fā)展，極高真空測量技術(shù)在空間探測、高能核物理、超清潔固體表面物理和納米材料技術(shù)等領(lǐng)域具有迫切的需要。例如，在深空探測活動中，要求在地面空間環(huán)境模擬設(shè)備中盡可能真實的、綜合的反應(yīng)探測器所處的空間環(huán)境，以便創(chuàng)造必要的試驗條件去探知許多未知因素。真空度是空間眾多環(huán)境參量中最基本的一個因素，它的精確測量是開展各項空間試驗的前提和基礎(chǔ)。同近地軌道航天器相比，行星際和行星空間環(huán)境探測任務(wù)將會遭遇諸如極高真空等更為惡劣的空間環(huán)境，這將對行星際探測器的可靠性構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。因此，開展極高真空測量相關(guān)研究無論對于制定行星際空間探測計劃，還是探測器的設(shè)計都非常重要，它將會為航天器的軌道控制、修正、姿態(tài)調(diào)控提供實時實測依據(jù)，還將為航天器飛行期間出現(xiàn)異常時進(jìn)行分析提供參考數(shù)據(jù)；在高能粒子加速器中，為確保粒子與殘氣分子不發(fā)生碰撞散射現(xiàn)象，真空度必須要達(dá)到極高范圍，否則不但會引起束流損失或粒子達(dá)不到所要求的高能量，而且容易發(fā)生真空絕緣不夠?qū)е录铀倨鲹舸┈F(xiàn)象，使加速器不能處于正常工作狀態(tài)。例如，歐洲核子聯(lián)合中心的交叉存貯環(huán)在交叉點真空度在10^-9Pa到10^-12Pa之間；中國科學(xué)院近代物理研究所的重離子冷卻存貯環(huán)中主環(huán)的平均靜態(tài)真空度達(dá)到了10^-10Pa；在納米材料領(lǐng)域，分子束外延技術(shù)用來生長極純半導(dǎo)體晶體材料，而這種材料的光電性能對外來雜質(zhì)分子極為敏感。在單晶生長過程中，除材料本身要求純度極高外，還不能引入環(huán)境雜質(zhì)分子，因此，高純度半導(dǎo)體晶體材料的生長就離不開極高真空環(huán)境。而這樣高的真空度很難在地面實現(xiàn)，在此背景下科學(xué)家提出了利用太空清潔環(huán)境生長極純材料的思路，利用近地軌道分子屏技術(shù)，在極高真空環(huán)境下生長晶體材料；在表面物理研究中，原則上需要對固體表面組成、表面構(gòu)造和表面的電子狀態(tài)進(jìn)行原位測量。因此，一方面需要在超高甚至極高真空環(huán)境下制備超清潔固體表面，另一方面必須避免研究固體表面時所需的各種分析儀器的表面污染問題。由此可以看出，極高真空能為清潔固體表面研究提供最適宜的理想環(huán)境；上世紀(jì)末興起的納米技術(shù)、納米構(gòu)造、納米粒子及邊緣反應(yīng)的研究將引起電子器件的第二次革命。進(jìn)行納米技術(shù)研究離不開極高真空、極限清潔的氛圍，預(yù)計下一代大規(guī)模電子器件生產(chǎn)中，所需的真空度為10^-10Pa，這對極高真空精確測量提出了極高的要求。目前，測量超高極高真空的器件是各種不同類型的電離規(guī)，最常見的是冷、熱陰極電離規(guī)，然而這兩種傳統(tǒng)陰極電離規(guī)在超高極高真空測量中存在，例如，熱陰極電離規(guī)中存在光輻射、熱輻射等效應(yīng)，極大的限制了電離規(guī)的測量下限；而在冷陰極電離規(guī)具有非線性、不穩(wěn)定性、抽速大、低壓力下存在放電延遲效應(yīng)、在較寬壓力范圍內(nèi)電流與壓力不連續(xù)性等不足之處。因此，超高極高真空的精確測量還有待于新原理的提出和新技術(shù)的應(yīng)用。新型碳納米管場發(fā)射電子源在電離規(guī)中的應(yīng)用，被認(rèn)為是為解決極高真空測量而邁出的關(guān)鍵一步。

2004年Dong等人(Appl.Phys.Lett.84卷，26期，5443-5445頁)首次報道了碳納米管陰極在德國萊寶公司生產(chǎn)的IE514分離規(guī)上的應(yīng)用，這種碳納米管陰極電離規(guī)解決了傳統(tǒng)熱陰極電離規(guī)中陰極出氣的問題，并且在10^-5Pa以下的真空范圍內(nèi)，碳納米管陰極的發(fā)射穩(wěn)定性要比金屬型場致發(fā)射陰極更好。但是這種電離規(guī)靈敏度非常低，因此，它在氮氣中的測量下限僅為10^-8Pa。如果要把新型碳納米管陰極電離規(guī)的測量下限拓展到極高真空范圍，那么就必須大幅提高這種電離規(guī)的靈敏度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對目前碳納米管陰極電離規(guī)靈敏度低的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高靈敏度的碳納米管陰極電離規(guī)；所述電離規(guī)的測量下限達(dá)10^-9Pa。

本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種高靈敏度的碳納米管陰極電離規(guī)，所述電離規(guī)主要包括碳納米管陰極電子源、門極柵、陽極柵和離子收集極；

其中，所述陽極柵為圓筒狀結(jié)構(gòu)，其頂端和筒身均為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，底端為封閉結(jié)構(gòu)；

所述離子收集極的材質(zhì)為金屬，為一端開口的圓筒狀結(jié)構(gòu)，其外徑大于所述陽極柵的外徑；

所述陽極柵、離子收集極、門極柵和碳納米管陰極電子源同軸布置，且所述陽極柵套裝在所述離子收集極的內(nèi)部，所述門極柵布置在所述陽極柵和碳納米管陰極電子源之間。

進(jìn)一步的，所述碳納米管陰極電子源主要包括襯底，固接在所述襯底上的碳納米管陣列，以及圍繞在所述碳納米管陣列周圍的絕緣云母片。

更進(jìn)一步的，所述門極柵的材質(zhì)為鎢，采用點焊的方式焊接在所述云母片的端部，且所述碳納米管陣列的端部距所述門極柵80±10μm，距所述陽極柵的頂端1～2mm。

更進(jìn)一步的，所述碳納米管陣列采用熱化學(xué)氣相沉積法直接沉積在所述襯底上。

進(jìn)一步的，所述電離規(guī)還包括電極基座；所述襯底通過點焊焊接在所述基座上。

進(jìn)一步的，所述離子收集極的內(nèi)徑為16mm，所述陽極柵的內(nèi)徑為13mm。

進(jìn)一步的，所述陽極柵頂端網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的物理透過率為80～90％；網(wǎng)絲的直徑為80～100mm。

進(jìn)一步的，所述離子收集極的材質(zhì)為金屬；所述陽極柵底端的材質(zhì)的不銹鋼。

進(jìn)一步的，所述門極柵為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)為鎢。

有益效果

(1)本發(fā)明所述碳納米管陰極電離規(guī)可有效的增大氣相分子產(chǎn)生離子的收集效率，提高碳納米管陰極電離規(guī)的靈敏度，其測量下限達(dá)10^-9Pa。

(2)本發(fā)明所述碳納米管陰極電離規(guī)采用圓筒狀結(jié)構(gòu)的離子收集極，不僅增大了離子收集極面積，還提供了更廣的離子收集角度，進(jìn)而有效的提高所述碳納米管陰極電離規(guī)的靈敏度。

(3)本發(fā)明所述碳納米管陰極電離規(guī)的陽極柵網(wǎng)頂端和筒身為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅有利于提高電離電子在陽極柵網(wǎng)空間往復(fù)運動的路徑，增大電離電子和氣體分子的碰撞幾率；還有利于電離氣體分子移出陽極空間被外圍的離子收集極接收；所述陽極柵網(wǎng)底端為封閉結(jié)構(gòu)，可限制電離離子的向陽極柵網(wǎng)外圍的離子收集極方向運動而不從低端移出湮滅，進(jìn)而有效的提高所述碳納米管陰極電離規(guī)的靈敏度。

(4)本發(fā)明所述碳納米管陰極電離規(guī)采用碳納米管作為陰極場發(fā)射電子源，可以使室溫下發(fā)射電子，不具有傳統(tǒng)熱燈絲產(chǎn)生的光輻射、熱輻射等不利因素，而且電子源的功耗比傳統(tǒng)熱陰極電離規(guī)小3個數(shù)量級。

(5)本發(fā)明所述碳納米管陰極電離規(guī)選用的碳納米管電子源采用熱化學(xué)氣相沉積法直接沉積在所述襯底上，具有結(jié)合強度高、電阻率小的優(yōu)勢。

(6)本發(fā)明所述碳納米管陰極電離規(guī)的門極柵采用點焊的方式焊接在云母片上，可避免采用銀膠等有機物，減小出氣的不利影響，采用鎢網(wǎng)，具有出氣率小、物理透過率大的特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述碳納米管陰極電離規(guī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1-基座，2-碳納米管陣列，3-云母片，4-門極柵，5-離子收集極，6-陽極柵。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例來詳述本發(fā)明，但不限于此。

實施例1

如圖1所示，一種高靈敏度的碳納米管陰極電離規(guī)，所述電離規(guī)主要包括碳納米管陰極電子源、門極柵4、陽極柵6和離子收集極5；

其中，所述陽極柵6為圓筒狀結(jié)構(gòu)，其頂端和筒身均為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，底端為封閉結(jié)構(gòu)；

所述離子收集極5的材質(zhì)為金屬，為一端開口的圓筒狀結(jié)構(gòu)，其外徑大于所述陽極柵6的外徑；

所述陽極柵6、離子收集極5、門極柵4和碳納米管陰極電子源同軸布置，且所述陽極柵6套裝在所述離子收集極5的內(nèi)部，所述門極柵4布置在所述陽極柵6和碳納米管陰極電子源之間。

其中，所述碳納米管陰極電子源主要包括襯底，固接在所述襯底上的碳納米管陣列2，以及圍繞在所述碳納米管陣列2周圍的絕緣云母片3。

所述門極柵4的材質(zhì)為鎢，采用點焊的方式焊接在所述云母片的端部，且所述碳納米管陣列2的端部距所述門極柵480±10μm，距所述陽極柵6的頂端1～2mm。

所述碳納米管陣列2采用熱化學(xué)氣相沉積法直接沉積在所述襯底上。

所述電離規(guī)還包括電極基座1；所述襯底通過點焊焊接在所述基座1上。

所述離子收集極5的內(nèi)徑為16mm，所述陽極柵6的內(nèi)徑為13mm。

所述陽極柵6頂端網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的物理透過率為80～90％；網(wǎng)絲的直徑為80～100mm。

所述離子收集極5的材質(zhì)為金屬；所述陽極柵6底端的材質(zhì)的不銹鋼。

所述門極柵4為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)為鎢。

本發(fā)明包括但不限于以上實施例，凡是在本發(fā)明精神的原則之下進(jìn)行的任何等同替換或局部改進(jìn)，都將視為在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。