CN100561634C - 离子枪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种离子枪，其包括一真空容器、一阳极和一阴极装置，真空容器上设置有电子注入孔、离子出射孔及气体入口，该阳极位于真空容器内部，该阴极装置位于电子注入孔处，所述阴极装置为场发射冷阴极装置。该离子枪具有发射电子稳定、结构简单的特点。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种离子枪。
【背景技术】
1969年A·H·Mcllraith提出了利用在鞍形静电场中做往复运动的电子来电离气体分子，为鞍形场离子枪研制奠定了理论基础。1972年A·H·Mcllraith研制出第一支鞍形场离子枪。此后，J·Franks和A·M·Ghander研制出另一种形式的鞍形场离子枪。
目前，普遍采用的是热阴极离子枪，其采用热阴极作为电子发射源，阴极发射的电子撞击气体，将气体电离为等离子体，而后由栅极系统将等离子抽取加速形成离子束。但是，热阴极发射电子不稳定，并且热阴极在使用过程中不断消耗，使用寿命有限，需要定期更换，因此在选择阴极材料时必须考虑成本。阴极一般使用高纯石墨、纯钨、钨铈合金、钍钨合金等成本较高的材料，从而使得热阴极离子枪整体成本较高。另外，由于热阴极产生大量的热量，离子枪表面温度高，因此需要水冷，所以，采用热阴极作为电子发射源的离子枪结构复杂。
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种成本低、发射电子稳定、结构简单的离子枪。
一种离子枪，包括一真空容器、一阳极和一阴极装置，该真空容器上设置有电子注入孔、离子出射孔及气体入口，该阳极位于真空容器内部，该阴极装置位于电子注入孔处，所述阴极装置为场发射冷阴极装置，所述阳极与所述真空容器同轴设置，所述电子注入孔位于所述真空容器轴线的一侧。
与现有技术相比，所述离子枪采用场发射冷阴极装置作为电子发射源，场发射冷阴极在使用过程中不会消耗，使用寿命长，不需要定期更换，因此该离子枪的成本较低，且场发射冷阴极发射电子比热阴极发射电子稳定。另外，采用场发射冷阴极作为电子发射源，由于场发射冷阴极的发射功率较热阴极的热发射功率低，离子枪表面的温度较低，无需水冷装置，因此离子枪结构简单。
【附图说明】
图1是本发明实施例离子枪轴向截面结构示意图。
图2是本发明实施例离子枪径向截面结构示意图。
图3是本发明实施例场发射冷阴极装置的第一种结构示意图。
图4是本发明实施例离子枪内电位分布示意图。
图5是本发明实施例离子枪内电子运动轨迹示意图。
图6是本发明实施例场发射冷阴极装置的第二种结构示意图。
图7是本发明实施例场发射冷阴极装置的第三种结构示意图。
【具体实施方式】
请参阅图1及图2，其为本发明实施例提供的离子枪10，该离子枪10包括一真空容器11、一阳极14及场发射冷阴极装置16，该容器11上设置有离子出射孔13、电子注入孔15及气体入口17，该阳极14位于容器11内部。
该容器11为圆筒形，其可由钼、钢或钛等金属制成，优选直径为24毫米(mm)、长度为50mm。使用时容器11接地，以防止电子被容器11截获。
该离子出射孔13位于容器11的一端，且与容器11同轴设置，优选直径为4mm。
离子出射孔13外面设有聚焦装置12，该聚焦装置12包括三个平行设置的第一电极121、第二电极122及第三电极123，该三个电极121、122及123分别具有第一通孔1211、第二通孔1221及第三通孔1231，该三个通孔1211、1221、及1231同轴设置，业界将该三个电极121、122及123之组合称为三膜孔透镜。当第一电极121、第二电极122及第三电极123加上电压时，离子从离子出射孔13出射经过聚焦装置12时，其运动轨迹就会被汇聚，生成预定大小及能量的离子束。
阳极14为一金属环，优选该金属环的直径大小为0.2mm，阳极14与容器11同轴设置且垂直于容器11的轴线，并且阳极14位于容器11的中间位置。由于该阳极14仅为一结构简单的金属环，因此电子在容器11中的运动轨迹长，离子的产额率高。
电子注入孔15位于容器11的另一端，优选直径大小为1mm，该电子注入孔15位于容器11轴线的一侧，这样可减少电子回到电子注入孔15的几率。
对应电子注入孔15处设置有一场发射冷阴极装置16，该场发射冷阴极装置16与容器11电性相连，请参阅图3，该场发射冷阴极装置16包括场发射冷阴极161及栅极162，该场发射冷阴极161的电子出射端面向电子注入孔15，电子经过栅极162及电子注入孔15进入容器11内。该场发射冷阴极161可选用各种微尖结构，如碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米线、各种金属微尖端、非金属微尖端、化合物微尖端等尖状结构或管状、杆状结构等，也可以选用各种薄膜，包括金刚石薄膜、氧化锌(ZnO)薄膜、铂薄膜、硅薄膜、氧化硅(SiO2)薄膜、氧化钯(PbO)薄膜等，本实施例中场发射冷阴极161为碳纳米管。
容器11的侧面上至少设置有一个气体入口17，需要电离的气体由该气体入口17进入容器11内，该气体一般为惰性气体，如氩气(Ar)、氢气(H2)、氦气(He)、氙气(Xe)或者其中几种的混合气体。该气体入口17靠近电子注入孔15所在的一端，场发射冷阴极161产生的电子经过栅极162加速后由电子注入孔15进入容器11内部，通过气体入口17进入的气体在电子的撞击下电离产生离子，离子由离子出射孔13发射出，经过聚焦装置12形成所需要的离子束。
如图4及图5所示，该离子枪10在使用时，容器11接地，场发射冷阴极161、栅极162及阳极14的电位可依据离子枪10的实际尺寸调整，以获得最佳工作状态。阳极14的电位在500～1000伏(V)之间，场发射冷阴极161的电位大约为10V，栅极162的电位为30V，栅极162的电位需要根据场发射冷阴极161的特性决定。离子枪10的容器11内形成马鞍型静电场，由于电子注入孔15位于容器11轴线的一侧，注入的电子很少回到电子注入孔15内，利用静电场电子振荡的原理，电子在容器11内发生多次振荡，撞击由气体入口17进入的气体，使气体发生电离产生离子，以实现离子枪10所应具备的功能。
离子枪10在工作时，首先是场发射冷阴极161产生电子，电子经过栅极162加速后通过电子注入孔15进入容器11内，在容器11内的马鞍型静电场中多次振荡，撞击气体使其电离产生离子，离子由离子出射孔13射出，经过聚焦装置12后形成预定的离子束。
由于该离子枪10采用场发射冷阴极161作为电子产生源，场发射冷阴极161产生电子所需要的功率要比热阴极产生电子的功率低，场发射冷阴极161的发射功率通常为毫瓦级，比如钨丝作的热阴极，其热发射功率一般为几瓦至几十瓦。阳极14结构简单仅仅为一金属圆环，从而使电子在容器11内的运动轨迹较长。由于电子注入孔15在容器11轴线的一侧，这样可以减少电子回到电子注入孔15的几率。
如图6所示，其为场发射冷阴极装置16的第二种结构，该种结构为二次电子发射结构，其包括场发射冷阴极261及二次电子发射体262。首先由场发射冷阴极261发射电子，该电子打到二次电子发射体262上，并激发出更多的二次电子，二次电子由电子注入孔15进入容器11内，在马鞍型静电场的作用下多次振荡，撞击气体使其电离产生离子，该二次电子发射体262的材料包括铂或铜。
如图7所示，其为场发射冷阴极装置16的第三种结构，该结构也是一种二次电子发射结构，其包括场发射冷阴极361及二次电子发射体362。二次电子发射体362上设置一三角形凸起结构363，该凸起结构363凸向电子注入孔15，该二次电子发射体362的材料包括铂或铜。
容器11、离子出射孔13、阳极14及电子注入孔15的尺寸大小并不唯一确定，可根据各种具体情况作适当改动，以获得离子枪10的最佳工作状态。
场发射冷阴极装置16的电位也需要根据离子枪10的实际尺寸调整，以获得最佳的工作状态。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (22)
1.一种离子枪，其包括一真空容器、一阳极和一阴极装置，该真空容器上设置有电子注入孔、离子出射孔及气体入口，该阳极位于真空容器内部，该阴极装置位于电子注入孔处，其特征在于：所述阴极装置为场发射冷阴极装置，所述阳极与所述真空容器同轴设置，所述电子注入孔位于所述真空容器轴线的一侧。
2.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于：所述场发射冷阴极装置包括场发射冷阴极及栅极。
3.如权利要求2所述的离子枪，其特征在于：所述场发射冷阴极为微尖端结构或者薄膜结构。
4.如权利要求3所述的离子枪，其特征在于：所述微尖端结构为金属微尖端、非金属微尖端或者化合物微尖端。
5.如权利要求3所述的离子枪，其特征在于：所述微尖端结构为碳纳米管、碳纳米线或碳纳米纤维。
6.如权利要求3所述的离子枪，其特征在于：所述薄膜结构为金刚石薄膜、氧化锌薄膜、铂薄膜、硅薄膜、氧化硅薄膜或氧化钯薄膜。
7.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于：所述场发射冷阴极装置包括场发射冷阴极及二次电子发射体，该二次电子发射体面向电子注入孔。
8.如权利要求7所述的离子枪，其特征在于：所述二次电子发射体的材料为铂或者铜。
9.如权利要求7所述的离子枪，其特征在于：所述二次电子发射体进一步包括一三角形凸起结构，该凸起结构凸向电子注入孔。
10.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于：所述真空容器为圆筒形。
11.如权利要求10所述的离子枪，其特征在于：所述真空容器的材料包括钼、钢或钛。
12.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于：所述阳极为一金属环。
13.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于：所述离子出射孔与真空容器同轴设置。
14.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于：所述离子枪进一步包括设置于离子出射孔外侧的聚焦装置。
15.如权利要求14所述的离子枪，其特征在于：所述聚焦装置为三膜孔透镜。
16.如权利要求15所述的离子枪，其特征在于：所述三膜孔透镜包括三个平行设置的电极。
17.如权利要求16所述的离子枪，其特征在于：所述三个电极具有同轴设置的通孔。
18.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于：所述场发射冷阴极装置与真空容器电性相连。
19.如权利要求12所述的离子枪，其特征在于：所述阳极设置于所述真空容器的中间。
20.如权利要求19所述的离子枪，其特征在于：所述金属环的直径为0.2毫米。
21.如权利要求20所述的离子枪，其特征在于：所述真空容器为一圆筒形真空容器，该圆筒形真空容器的直径为24毫米，长度为50毫米。
22.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于：所述场发射冷阴极装置设置于所述真空容器的外部。
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