CN102354642B - 一种场电离粒子发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种场电离粒子发生器，由真空腔、电极部分、低压电源、高压电源、束流表和计算机系统构成，电极部分由顺次垂直安装在真空腔中的发射极、栅极和收集极构成，栅极通过真空腔中导出的低压电极与低压电源连接，低压电源、束流表、发射极依次相连；收集极通过真空腔中导出的高压电极与高压电源连接，高压电源、束流表、发射极依次相连；束流表、束流表、低压电源、高压电源均与计算机系统相连。本发明中的场电离材料为带有毛刺并且制备在镀有钛膜的硅衬底上的纳米阵列。本发明所提供的场电离粒子发生器可以作为场电离离子源和中子发生器。

Description

一种场电离粒子发生器
技术领域
本发明涉及一种场电离粒子发生器，属于离子源和离子束技术领域。
背景技术
近年来，碳纳米管和其它一些纳米材料的发现及其在场发射方面的应用研究，使一维纳米材料的合成和应用成为材料学研究的一个热点。各种纳米材料在场致发射和场致电离方面的理论计算和实际应用引起了广泛关注。这种应用包括两个方面：（1）场发射平板显示器和场电离气体传感器，是目前国内外众多纳米材料场发射器件和场电离器件研究的主攻方向；（2）场电离离子源和中子发生器。与高频离子源或潘宁放电型气体离子源相比，场电离型粒子源可以达到体积更小、能耗更低的目的，是便携式粒子源的理想选择。这种场电离离子源可用于小型加速器或离子注入机，相应的中子管可用于地质勘探和石油测井等领域，代替普通的放射源，其特点是在电源接通时才产生粒子束，大幅度降低了放射性污染的风险，是安全、干净的粒子源。
中子探测具有其他无损检测技术无可替代的特点和优点，一直是国际上一些重要机构研究的重点课题。目前产生中子的四种主要方式，即放射性同位素、加速器、反应堆和中子管，其中加速器和反应堆都是十分庞大的装备；同位素寿命较短，且存在运输、贮存等安全隐患问题。基于中子管在危险品检测、石油测井、地矿勘探、肿瘤治疗等多个领域的广泛应用，结构紧凑的中子管的使用必然是大势所趋。而迄今纳米阵列的中子发射研究主要集中在美国几个国家实验室、欧美日的几所大学，而国内关于场电离型离子源的中子发射装置的研究还比较少。本发明之前，国内在2008年9月24日公开了西安石油大学“高温高压小型激光氘－氘聚变中子管”专利申请，专利号200810018070，该技术利用氘-氘在管内的聚变反应产生中子。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种场电离粒子发生器。这种装置通过场电离原理产生所需的气体离子流，作为一种离子源。在特殊条件下可以用来产生中子，作为一种中子发生器。该装置可以工作在场发射模式和场电离模式。
本发明为了达到上述目的，本发明的场电离粒子发生器，它由真空腔、电极部分、低压电源、高压电源、束流表和计算机系统构成，电极部分由顺次安装在真空腔中的发射极、栅极和收集极构成，栅极通过真空腔中导出的低压电极与低压电源连接，低压电源、束流表、发射极依次相连；收集极通过真空腔中导出的高压电极与高压电源连接，高压电源、束流表、发射极依次相连；束流表、低压电源、高压电源均与计算机系统相连。
本发明所述真空腔，其背底真空可达5x10-5Pa，其侧壁有一充气孔，可以向内充入所需离子类型的气体如惰性气体、氢气、氘气等，试验时通过调节气体的流量来维持真空腔中特定的真空度，以提供场电离所需真空条件。
本发明所述发射极由金属平板制成，其上承载纳米发射材料；栅极由孔径为1~2mm2的钼网制成，用于引出场电离产生的离子，然后使其在栅极与收集极之间加速；收集极由中间带一小孔的金属平板制成，其内表面有几毫米厚的氘钛膜，为D-D反应提供氘源。
本发明所述高压电源要求提供60-80kV高电压，低压电源要求提供2-4kV的低电压，高压电源和低压电源的地线均为悬空，自成回路。试验时，两套电源均可通过双刀双掷开关来适当选择电压正负极性，这取决于工作模式（场发射模式、场电离模式）的选择。对于商品化的器件，则根据器件的用途设计固化其电源极性。
本发明所述计算机系统由LabVIEW软件程序控制场电离的开启和I-V测试过程，高压电源、低压电源和束流表均与计算机系统相连；通过在软件的测试界面设置一些参数如场电离所需电压范围等，计算机系统可自动测试场发射和场电离过程中的外加电压和发射电流。
本发明中用于场电离的材料为纳米阵列。通过减小纳米阵列直径、在纳米材料尖端上形成毛刺等方法，提高纳米阵列密度；采取特意吸附方法（如钛吸附氢、氘），将纳米阵列制备在镀有钛膜的硅衬底上，以达到提高特定元素的离子束流的目的。
本发明的有益效果是提供了一种场电离粒子源及其制备方法，这种场电离粒子发生器可以作为场电离型离子源和中子发生器。其优点是（1）冷阴极发射，无需灯丝，使用寿命长；（2）电子或离子的驱动都由同一个电源驱动，能源利用率很高；（3）由于电源减少，发射极无需冷却，因而发生器体积重量大大缩小。
附图说明
图1为本发明场电离粒子源的结构示意图。
图2为本发明测得的CNT阵列的场发射特性。
图3为本发明测得的CNT阵列的场电离特性。
图4为Au纳米阵列的SEM图像。
图5为Au纳米阵列的场电离初步结果。
具体实施方式
本发明所提供的场电离粒子发生器可以作为场电离离子源和中子发生器。在惰性气体的气氛中进行场电离实验可以得到惰性气体离子流；在氢气气氛下进行场电离实验可引出质子束；在氘气气氛下进行场电离实验可以得到氘离子束流，再经氘-氘反应产生中子。
本发明的场电离粒子发生器，它由真空腔1、电极部分2、低压电源3、高压电源4、束流表5、6和计算机系统7构成，电极部分2由顺次垂直安装在真空腔1中的发射极2a、栅极2b和收集极2c构成，栅极2b通过真空腔中导出的低压电极与低压电源3连接，低压电源3、束流表5、发射极2a依次相连；收集极2c通过真空腔中导出的高压电极与高压电源4连接，高压电源4、束流表6 、发射极2a依次相连；束流表5、束流表6、低压电源3、高压电源4均与计算机系统7相连。
为了得到较大的发射束流，首先发射器材料纳米阵列的制备是关键。纳米阵列的顶部必须具有较小的曲率半径，从而保证纳米阵列具有较大的几何场增强因子。同时，纳米阵列之间应有合理的空间分布，太稀疏难以得到大束流发射，太密集则会产生电场交叠，造成静电屏蔽。因此，首先需要优化工艺参数，制备出曲率半径小、垂直取向好、分布均匀、顶部较尖锐的纳米阵列。
1、场电离型离子源的制备原理
因为只有发射电子能力强的材料才能产生足够强的离子发射束流，而且场发射电子束流大于场电离离子束流，更容易测。所以对纳米阵列首先进行场发射特性的测试，确定样品发射的电子束流。然后对具有较强场发射性能的纳米阵列样品进行场电离实验。当真空腔中真空度达10-5Pa,向真空腔内通入某种惰性气体或氢气等，发射器材料放在发射极样品台，发射极与栅极之间接4kV低压电源，且发射极相对于栅极为负电压，发射极与收集极之间接60-80kV的高压电源，且发射极相对于收集极为正电压。发射极与收集极之间的高电压提供场电离所需的高的场强，同时使场电离产生的离子在其间加速并由钼网收集极引出；栅极用于引出场电离产生的气体离子，使其在栅极与收集极之间加速。测定不同气压下场电离发射的束流-电压特性曲线，获得开启电压和束流密度等参数，然后通过不断调整和优化场电离工作参数如场强大小、气氛压强等，以获得低开启电压、高束流密度的离子束流。
这种离子源设备能够提供惰性气体离子流， 若通入的气体气氛为氢气或氘气，可以得到质子束或氘离子束。为了提高质子束流或氘离子束流，可以采用钛吸附氢或氘的方法，将纳米阵列制备在镀有钛膜的硅衬底上，使纳米阵列预先吸附氢或氘，以获得较高束流的质子束或氘束。
2、场电离中子发生器的制备原理
对于现有设备，产生中子的方式有场发射模式和场电离模式。场发射模式产生中子是利用场发射产生的电子轰击氘气，使之电离成为氘离子，进一步轰击氘靶，发生D-D反应，由于电子质量很小，场发射模式产生中子的效率很低；场电离模式是利用场电离产生的氘离子轰击氘靶，发生D-D反应，从而产生中子，由于离子轰击的效率远远高于电子轰击，中子产额大幅度提高。D-D反应采用D离子穿越氘气，轰击氘靶，主要过程为：D+D=n+3He+Q。本发明采用场电离模式产生中子，产生中子的过程中，真空腔内冲入的气体为氘气 ，中子发生器的工作原理与离子源的工作原理基本相同，唯一不同的是中子发生器的平板型收集极内表面有一层几毫米厚的氘钛膜，这个氘钛膜用于给发射器预加载氘，作为D-D反应的氘靶。
根据测得的氘离子束流计算可能产生的中子产额。这种基于场电离型离子源的中子发生器，其场电离材料必须具有很强的离子发射能力，因此需采用钛吸附氘的方法，在镀有钛膜的硅衬底上制备较高质量的纳米阵列，以提高氘离子束流。按108cm-2的阵列密度和100kV工作电压，预计用氘吸附阵列可获得1011n/cm2的中子产额。这种设备结构简单，操作易行的产生中子的方法，作为一种中子发生器为中子管的研究提供了新的方向。
    3、部分纳米阵列材料的实验结果
由于ZnO在高温、氧化、辐照环境中都具有很好的稳定性，是很有前途的场电离材料。我们用超声水热法和反应气相输运法制备了ZnO纳米阵列，其场发射电流密度为0.5-3.3mA/cm2。由于场电离通常比场发射低一个数量级，因此，ZnO的场发射电流密度需要进一步提高，才能满足场电离发射达到1.0 mA/cm2以上的技术指标。CNT是公认的高效场发射材料，我们用电泳技术和涂敷法在单晶硅上制备的碳纳米管阵列，其场发射特性和场电离特性如图2和图3所示。
用三电极电化学沉积方法在Si衬底上制备了Au纳米阵列，形成Au-array/Ag/Ti/Si结构。Au纳米阵列的SEM图像和场电离特性结果如图4和图5所示。
通过一系列工作表明，CNT、Au纳米阵列经场电离效应产生离子的束流应优于ZnO阵列，而Au纳米阵列由于密度较低，可以避免阵列尖端之间的静电屏蔽，而且又因为可以生长毛刺，提高了有效阵列密度。 

Claims (3)

1. 一种场电离粒子发生器，其特征在于：由真空腔（1）、电极部分（2）、低压电源（3）、高压电源（4）、第一束流表（5）、第二束流表（6）和计算机系统（7）构成，电极部分（2）由顺次安装在真空腔（1）中的发射极（2a）、栅极（2b）和收集极（2c）构成，栅极（2b）通过真空腔中导出的低压电极与低压电源（3）连接，低压电源（3）、第一束流表（5）、发射极（2a）依次相连；收集极（2c）通过真空腔中导出的高压电极与高压电源（4）连接，高压电源（4）、第二束流表（6）、发射极（2a）依次相连；第一束流表（5）、第二束流表（6）、低压电源（3）、高压电源（4）均与计算机系统（7）相连；
所述发射极由金属平板制成，其上承载纳米发射材料；栅极由孔径为1～2mm的钼网制成；收集极由中间带一小孔的金属平板制成，其内表面有几毫米厚的氘钛膜；
所述高压电源要求提供60-80kV高电压，低压电源要求提供2-4kV的低电压，高压电源和低压电源的地线均为悬空，自成回路。
2. 根据权利要求1所述的场电离粒子发生器，其特征在于：所述真空腔侧壁有一充气孔，可以向内冲入所需离子类型的气体。
3.根据权利要求1或2所述的场电离粒子发生器，其特征在于：用于场电离的纳米发射材料，其尖端带有毛刺，并且纳米阵列与衬底之间以钛膜作为过渡层。
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