CN101303955B - 离子源组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离子源组件，该离子源组件包括冷阴极、栅极和离子加速极，冷阴极、栅极和离子加速极分别相向间隔设置，该栅极位于冷阴极与离子加速极之间，其中，冷阴极与栅极之间的距离小于或等于2毫米，冷阴极包括基底及场发射薄膜，场发射薄膜设置于基底上且面向栅极，所述场发射薄膜含有碳纳米管、低熔点玻璃及导电金属微粒。该离子源组件的冷阴极采用碳纳米管作为场发射薄膜来发射电子，因此其具有低功耗、低放气率、发射电子稳定及抗离子轰击等优点。

Description

离子源组件
技术领域
本发明涉及一离子源组件，尤其涉及一种发射离子稳定的离子源组件。
背景技术
碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)具有极优异的导电性能、化学稳定性及机械性质，且其具有几乎接近理论极限的长径比及尖端表面积(尖端表面积愈小，其局部电场愈集中)，使得碳纳米管在场发射真空离子源领域具有潜在的应用前景。如，应用在平面显示装置、真空离子源组件、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope)、透射电子显微镜(Transmission ElectronMicroscope)等设备的电子发射部件中。
传统的场发射离子源组件中，其包括以碳纳米管为场发射薄膜的冷阴极，设置于冷阴极上的栅极，以及设置于栅极上的离子加速极，冷阴极、栅极与离子加速极三者相互绝缘地间隔设置。在离子源组件的工作状态下，由于离子源组件内气体分子的脱附、吸附效应，气体离子对碳纳米管的轰击及活性气体分子与碳纳米管之间的相互作用，会造成碳纳米管形态的改变，从而影响碳纳米管发射电子的稳定性，进而阻碍了碳纳米管于离子源中的应用。
有鉴于此，提供一种低功耗、低放气率、发射电子稳定且抗离子轰击的离子源组件是必要的。
发明内容
一种离子源组件，包括冷阴极，栅极和离子加速极，冷阴极，栅极和离子加速极相互绝缘地间隔设置，该栅极位于冷阴极与离子加速极之间，其中，冷阴极与栅极之间的距离小于或等于2毫米，冷阴极包括基底及场发射薄膜，场发射薄膜设置于基底上且面向栅极，所述场发射薄膜含有碳纳米管、低熔点玻璃及导电金属微粒。
冷阴极包括基底及场发射薄膜，场发射薄膜设置于基底上且面向栅极。场发射薄膜包括长度在5微米至15微米的碳纳米管、低熔点玻璃及导电金属微粒。
与现有的离子源组件相比，本发明实施例所提供的离子源组件具有如下优点：(1)冷阴极与栅极之间的距离远小于工作状态下电子的平均自由程，因此电子在此区间碰撞气体分子而使之电离的几率远小于1，从而减少气体离子对碳纳米管的轰击；(2)栅极的透过率较高，电子轰击栅极所产生的脱附离子量对碳纳米管的稳定性影响极小。由于采用碳纳米管发射电子，该离子源组件还具有功耗低、放气率低等特点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种离子源组件结构的截面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明提供一种离子源组件100，该离子源组件100包括冷阴极102，栅极104和离子加速极106，冷阴极102，栅极104和离子加速极106相互绝缘地间隔设置，该栅极104位于冷阴极102与离子加速极106之间。冷阴极102与栅极104之间的距离小于或等于2毫米，栅极104与离子加速极106的之间的距离为大于或等于2毫米。该离子源组件100置于具有一定真空度的封闭的空间内。
栅极104和离子加速极106的材料为导电金属，如镍、钨、铜等。栅极104和离子加速极106为具有较高透过率的金属环，金属孔或者金属网等孔状结构，其中，栅极104的透过率大于80％。
冷阴极102包括基底108及场发射薄膜110，该场发射薄膜110设置于基底108上且面向栅极104。基底108的材料优选为导电的氧化铟锡玻璃或导电的金属板。基底108的底面可为平面或曲面。相应地，阴极、栅极及离子加速极也可为平面或曲面结构。
场发射薄膜110包括碳纳米管浆料及导电浆料。碳纳米管浆料包括碳纳米管、有机载体，导电浆料包括低熔点玻璃及导电金属微粒，各成分的重量百分比为：碳纳米管为5～15％、导电金属微粒为10～20％、低熔点玻璃为5％及有机载体为60～80％。
碳纳米管为通过化学气相沉积法、电弧放电法或激光蒸发法等现有方法制备，通过离心提纯所得到的纯度较高的碳纳米管。碳纳米管所选的长度在5微米至15微米的范围内为佳，过短会减弱碳纳米管的场发射特性，过长容易使碳纳米管折断。
有机载体包括作为主要溶剂的松油醇、作为增塑剂的少量邻位苯二甲酸二丁酯及作为稳定剂的少量乙基纤维素的混合物。
低熔点玻璃的熔点要低于基底108的材料的熔点，从而保证在加热的情况下，低熔点玻璃先熔化。优选地，低熔点玻璃熔点在400～500℃的范围内。低熔点玻璃的作用是将场发射材料110中的碳纳米管与基底108进行粘结，从而防止在电场的作用下碳纳米管从基底108上脱落，进而延长冷阴极102的使用寿命。
导电金属微粒的材料可为氧化铟锡或银，导电金属微粒作用是保证碳纳米管与基底108之间的电性连接。
冷阴极102的制备具体步骤如下：
(1)将碳纳米管、导电金属微粒、低熔点玻璃及有机载体等按一定的重量百分比混合；
(2)通过超声震荡等方法使各成份均匀分散而得到均匀稳定的浆料；
(3)将所得的浆料通过丝网印刷等方法涂覆于基底108上，再进行烘干和焙烧而形成覆于基底108上的场发射薄膜110。
步骤(3)中烘干的目的是去掉步骤(2)中所得到的浆料中的有机载体；焙烧的目的是使低熔点玻璃熔融，起到粘结碳纳米管与基底108的作用。
为进一步地增强冷阴极102的场发射特性，在步骤(3)之后，可进一步包括对场发射薄膜110的表面进行摩擦处理或者用胶带粘结处理的步骤。该步骤可使得碳纳米管冒头，且冒出头的碳纳米管取向一致，因此可增强冷阴极102的场发射特性。
场发射薄膜110还可为通过化学气相沉积法、电弧放电法或激光蒸发法等方法直接生长于基底108的碳纳米管。
以下将说明该离子源组件100的工作原理：
冷阴极102为零电位，栅极104上施加正电位，离子加速极106施加负电位。在栅极104的作用下，冷阴极102中的场发射薄膜110发射出电子。由于栅极104具有较高的透过率(大于80％)，所以大部分电子会穿过栅极104，飞向离子加速极106。而小部分电子会轰击栅极104产生少量的脱附离子，因此，该少量脱附的离子对碳纳米管工作的稳定性影响极小。离子加速极106对穿过栅极104的电子的运动有减速的作用，电子折回后被栅极104捕获，因此可以防止因电子对冷阴极102的回轰而影响冷阴极102的稳定性。另外，在电子的飞行过程中，电子与气体分子碰撞可使气体分子电离，产生带正电的气体离子。但是冷阴极102与栅极104之间产生的气体离子会轰击冷阴极102而使其损坏或不稳定，因此应尽量减小冷阴极102与栅极104之间电子与气体分子碰撞而产生离子的几率P。
当电子在冷阴极102与栅极104间飞行时，其与气体分子的碰撞几率P可由公式(1)表示：
P(d)＝1-exp(-d/l)    (1)
其中l为电子平均自由程，d为冷阴极102与栅极104间的距离，其中，l与离子源组件100工作时的气体压强成反比。因此，为减小冷阴极102与栅极104间产生离子的几率P，就要求d远小于l。本实施例中，该离子源组件100的工作压强小于10-3托，为满足d远小于l，因此d应小于或等于2毫米。
当电子在栅极104与离子加速极106间飞行时，其与气体分子碰撞而产生带正电的气体离子。由于离子加速极106为具有一定透过率的孔状结构，所以大部分气体离子在离子加速极106的作用下，加速透过离子加速极106而引出离子源组件100(仅有小部分的气体离子被离子加速极106所捕获)。
该离子源组件100可应用于各种类型质谱仪的离子源、离子枪(如氩离子剥离枪，二次离子谱仪的离子枪等)及低中真空测量离子规。
与现有的离子源组件相比，本发明实施例所提供的离子源组件具有如下优点：(1)冷阴极与栅极之间的距离小于工作状态下电子的平均自由程，因此电子在此区间碰撞气体分子而使之电离的几率远小于1，从而减少气体离子对碳纳米管的轰击；(2)栅极的透过率较高，电子轰击栅极所产生的脱附离子对碳纳米管的稳定性影响极小。由于采用碳纳米管发射电子，该离子源组件还具有功耗低、放气率低等特点。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，如场发射薄膜的变更，各电极间距离的变更等。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 (9)

1.一种离子源组件，包括冷阴极、栅极和离子加速极，冷阴极、栅极和离子加速极相互绝缘地间隔设置，该栅极位于冷阴极与离子加速极之间，其特征在于：冷阴极与栅极之间的距离小于或等于2毫米，冷阴极包括基底及场发射薄膜，场发射薄膜设置于基底上且面向栅极，所述场发射薄膜含有碳纳米管、低熔点玻璃及导电金属微粒。
2.如权利要求1所述的离子源组件，其特征在于，基底的底面为平面或曲面。
3.如权利要求1所述的离子源组件，其特征在于，所述碳纳米管于场发射薄膜中露头。
4.如权利要求1所述的离子源组件，其特征在于，所述导电金属微粒的材料选自氧化铟锡或银。
5.如权利要求1所述的离子源组件，其特征在于，所述碳纳米管的长度为5微米至15微米。
6.如权利要求1所述的离子源组件，其特征在于，所述栅极与离子加速极为金属环、金属孔或金属网的孔状结构。
7.如权利要求6所述的离子源组件，其特征在于，所述栅极的透过率大于80％。
8.如权利要求1所述的离子源组件，其特征在于，所述栅极与离子加速极之间的距离为大于或等于2毫米。
9.如权利要求1所述的离子源组件，其特征在于，所述离子源组件的工作压强为小于10-3托。
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