CN105070628A - 一种对称式碳纳米管阴极电离规 - Google Patents

一种对称式碳纳米管阴极电离规 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对称式碳纳米管阴极电离规，采用室温下可以实现电子场发射的碳纳米管阵列作为阴极，克服了高温热阴极对热敏感、光敏感和强磁场系统的干扰，同时基于场发射机理，降低了功耗需求。在衬底双面生长碳纳米管阵列阴极，并采用对称双电极设置，在不改变电路复杂性的前提下，有效延长了电子运动轨迹长度，有利于提高此类电离规的灵敏度；另外，在门极4与收集极6之间增加电压更高的阳极5，使得电子在门极4与收集极6之间震荡，也延长了电子运动路径，进一步提高了电离规的灵敏度。

Description

一种对称式碳纳米管阴极电离规
技术领域
本发明涉及一种对称式碳纳米管阴极电离规，属于真空测量技术领域。
背景技术
随着科学技术发展，高新技术领域对真空测量过程中的热敏感、强磁干扰、高功耗等提出了新的要求，例如，航空航天、核聚变、表面科学、微纳电子等高新技术领域，均对真空测量提出了更加迫切的要求。碳纳米管阴极的应用，为解决高温热灯丝引起的各类问题，提供了新的思路。
电离规的电子发射极产生电子，形成电子流Ie，在电离规各个电极间形成的约束电场下，电子振荡运动并与气体分子碰撞产生气相离子，气相离子在加速电场作用下被收集极接收后形成离子流Ic，以上参数和环境真空度P的关系为：
K P = I c I e - - - ( 1 )
与热灯丝发射极相比较，碳纳米管阴极在较高的电压下，电流密度较大，但是总发射电流较小，不利于微弱离子流信号的检测，同时，传统三极式电离规存在电子运动路径较短，灵敏度较低的问题，从而限制了微型电离规的发展。
YangYuanchao等提出了一种类似于三极管型的碳纳米管阴极电离规(请参见“YangY,QianL,TangJ,LiuL,FanS.Alow-vacuumionizationgaugewithHfC-modifiedcarbonnanotubefieldemitters.Appl.Phys.Lett,2008；92:153105)。Yang等制备出一种类似于三极管型CNT阴极电离规，如图1所示，该电离规包括玻璃基座a、导电层b、CNT阴极c、门极栅网d、玻璃垫块e以及收集极f，此电离规在10-5Pa-100Pa范围内具有较好地线性度，随着压力升高，CNT阴极场发射性能的逐渐退化，阴极发射电流逐渐降低。
因此，有必要提出一种新型电离规，克服热阴极电离规高温热阴极引起的问题，同时，延长电子轨迹，提高灵敏度，改善场发射性能，进而提高测量精度，扩展真空测量范围。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种对称式的三极碳纳米管阴极电离规，具有较高的灵敏度和较大的场发射电流。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种对称式三极碳纳米管阴极电离规，包括位于同一平面上且互相平行的衬底，阴极，两个门极，两个阳极以及两个收集极；
所述阴极在衬底的两侧平面对称生长的碳纳米管结构；所述两个门极对称分布于阴极的外侧，两个阳极对称布置于两个门极的外侧，离子收集极对称布置于两个阳极外侧；
所述阳极加载的电压均高于所述门极加载的电压和收集极加载的电压。
较佳的，所述衬底的两个侧面分别镀制催化剂层后再成长所述阴极，催化剂层的材料选用铁、钴或镍。
较佳的，所述阴极采用热化学气相沉积法、模板法、反粘法、粘接法或丝网印刷法工艺制备。
较佳的，所述衬底选用不锈钢、因科镍合金或硅片材料制备。
较佳的，所述阴极与同侧的门极之间的距离为100微米～200微米。
较佳的，所述阳极与同侧的门极之间的距离为2毫米～3毫米。
较佳的，所述门极的制备方法包括：对金属片进行化学刻蚀，激光刻蚀或者采用金属丝编织；门极的材料选用钨、钼、或者不锈钢。
较佳的，所述电离规还包括金属法兰和四根绝缘接线柱；所述金属法兰与所述电离规欲测量的真空腔室开口密封连接；两个所述收集极通过导线实现电连接，两个所述阳极通过导线实现电连接；
所述绝缘接线柱穿过所述金属法兰，一端位于所述真空腔室内，另一端位于真空腔室外侧；
其中一个所述收集极由对应位置的绝缘接线柱支撑在金属法兰上，该收集极的电极连线通过所述绝缘接线柱引出至真空腔室之外，并串接静电计后接收集极电源；另外一个收集极通过支撑柱固定在所述金属法兰上；
其中一个所述阳极由对应位置的绝缘接线柱支撑在金属法兰上，该阳极的电极连线通过所述绝缘接线柱引出至真空腔室之外，并接在阳极电源上；另外一个阳极通过支撑柱固定在所述金属法兰上；
其中一个所述门极由对应位置的绝缘接线柱支撑在金属法兰上，该门极的电极连线通过所述绝缘接线柱引出至真空腔室之外，并接在门极电源上；另外一个门极通过支撑柱固定在所述金属法兰上；
所述衬底由对应位置的绝缘接线柱支撑在金属法兰上，该衬底的电极连线通过所述绝缘接线柱引出至真空腔室之外，并接在阴极电源上。
较佳的，所述阴极的两端分别设置一对绝缘垫片，绝缘垫片设置在所述门极与衬底之间，所述门极与同侧的阴极之间的距离通过绝缘垫片的厚度调节。
较佳的，所述门极的栅网透过率介于60％～85％之间。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用室温下可以实现电子场发射的碳纳米管阵列作为阴极，克服了高温热阴极对热敏感、光敏感和强磁场系统的干扰，同时基于场发射机理，降低了功耗需求。在衬底双面生长碳纳米管阵列阴极，并采用对称双电极设置，在不改变电路复杂性的前提下，有效延长了电子运动轨迹长度，有利于提高此类电离规的灵敏度；另外，在门极4与收集极6之间增加电压更高的阳极5，使得电子在门极4与收集极6之间震荡，也延长了电子运动路径，进一步提高了电离规的灵敏度。
(2)本发明涉及的衬底双面生长碳纳米管阵列阴极，不改变衬底面积条件下，有效保证了碳纳米管束的直立型和均匀性，也维持了较好的场发射性能，配合两对门极，实现较大的发射电流，有利于器件的微型化应用。
附图说明
图1为YangYuanchao等提出的三极管型碳纳米管阴极电离规结构示意图；
图2为本发明的一种碳纳米管阴极电离规侧视结构示意图；
图3为本发明的碳纳米管阴极和门极结构示意图；
图4为本发明的一种碳纳米管阴极电离规中两个场发射电子的轨迹模拟图。
其中，a—玻璃基座，b—导电层，c—CNT阴极，d—门极栅网，e—玻璃垫块，f—收集极；1-电离规，2-衬底，3-碳纳米管阵列阴极，4-门极，5-阳极，6-收集极，7-法兰，8-接线柱，9-催化剂层，10-绝缘垫片，11-场发射电子。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的电离规1包括阴极3、双门极4、双阳极5和双收集极6，所有电极平行共轴设置，各电极间相互绝缘，其中阴,3选用了双面发射的碳纳米管阵列结构，电离区域采用对称分布三极式结构，具体结构如图2所示，包括阴极3、衬底2、门极4，阳极5和收集极6。阴极阵列3生长于衬底2的两侧表面，以衬底2为对称平面双面生长，门极4对称分布于阴极阵列3外侧，阳极5平行对称安装于门极4外侧，离子收集极6平行对称安装于阳极5外侧。阴极3与门极4的间距分别为100微米～200微米，阳极5与门极4间距分别为2毫米～3毫米。该电离规1还包括金属法兰7和电极引线8，法兰7与真空腔室实现密封连接，四根电极引线8分别与各个电极连接，另一端通过陶瓷芯柱从法兰7引向大气端，法兰7可根据实际需要选择标准件和或非标件。
如图3所示，该碳纳米管阵列阴极3可通过热化学气相沉积法、模板法、反粘法、粘接法、丝网印刷法等各种工艺制备，生长衬底2可选用不锈钢、因科镍合金、硅片等材料，衬底2两面分别镀制了催化剂层9，其成分通常选用铁、钴、镍等，制备的碳纳米管束分布于整个衬底2表面，具有双面发射特性。在本实施例中，阵列阴极3由热化学气相沉积法在不锈钢基底2上直接生长制备，过渡层镀制了催化剂层9。衬底尺寸为6×9mm2，厚度可根据加工要求进行设置，通常低于100微米。
门极栅网4可通过对金属片进行化学刻蚀、激光刻蚀等制成，也可采用金属丝编织而成，栅网透过率通常要求介于60％～85％之间，材料可选用钨、钼、不锈钢等。本实施例的门极4采用金属片化学刻蚀制备，透过率约为70％，材料为不锈钢。门极4与阴极3之间分别采用绝缘垫片10隔开，同时控制电极间距，绝缘垫片10的材料通常可选用陶瓷、云母、石英等，本实施例选用厚度200微米，宽度1毫米的云母条，实现电极相互之间绝缘。在本实施例中，门极4，绝缘垫片10、衬底2之间采用相对较为简单的胶合剂粘接工艺固定，而其它新型焊接及机械连接的方法也可行。
所述的两个阳极5为金属栅网，可通过焊接、绝缘垫子隔离、支撑架等方式固定并保证间距，本实施例采用镍片点焊的方式固定并控制其与门极4之间的距离分别为2-4毫米，实际可根据微型化要求选择具体尺寸，阳极5可选用钨、钼、铍铜合金、不锈钢等材料，厚度约为400微米，面积8×10mm2，要求其透过率要适当大于门极4透过率，既减少电子振荡过程中的损失，同时也要保证电离区域的电场约束性。本实施例选用电化学刻蚀不锈钢的工艺制备了阳极5。
所述的收集极6也为一对面对称设置的金属片或者金属网，可采用类似于阳极5的方式进行固定，收集极6与阳极栅网5之间的距离分别控制为2-4毫米，本实施例选用厚度0.25毫米厚度的不锈钢片制成的收集极面积约为10×15mm2。
以上所述的阳极5和收集极6也可以选用类似于图3的绝缘垫片10进行固定和控制间距。
不锈钢基座镀制催化剂，利用热化学气相沉积的方法实施双面生长碳纳米管，利用银胶或其它胶合剂使得云母片分别与碳纳米管衬底2、门极4外边缘粘接固定，云母片尺寸通过辅助设备进行精确测量，衬底2通过支撑引线实现结构固定和法兰7贯通电连接，两对阳极5之间采用镍条点焊连接固定，并通过电极引线从法兰7贯通引出，收集极6采用与阳极5相同的连接方式，阳极5和收集极6分别通过另外两根非贯通支撑柱进行加固。具体安装过程是，首先采用粘合方式固定碳纳米管阴极3和门极4的相对位置，也同时采用镍片点焊的方式分别固定阳极5、收集极6之间的相对位置，以上所有电极间的相对公称距离均需要通过辅助设备进行精确测量。然后利用陶瓷芯柱焊接的支撑杆与碳纳米管阴极衬底3延伸端点焊固定，任何一侧的门极5通过引线与陶瓷芯柱8点焊连接，阳极5和收集极6分别通过一根引线与陶瓷芯柱8焊接。
如图4所示，本发明的电离规1的工作原理为：电离规1选用面对称双电极布置，碳纳米管阵列阴极3发射面积增大，获得了更高的发射电流，同时有效延长了电子运动路径，提高了电离规1的灵敏度。门极4、阳极5和收集极6之间形成了约束电场，电子从阴极3发射出来后，透过门极4的栅网，开始向阳极5运动，由于阳极5的电压高于门极4电压，在高电压作用下，电子穿过阳极5的栅网，并向收集极6运动，由于阳极5的电压高于收集极6，电子减速运动，并开始向返回阳极5的方向运动，通过阳极5的栅网后，继续向门极4运动。如此，电子在门极4与收集极6之间振荡运动，进一步延长了电子运动路径，也可以提高电离规1的灵敏度。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对称式三极碳纳米管阴极电离规，其特征在于，包括位于同一平面上且互相平行的衬底(2)，阴极(3)，两个门极(4)，两个阳极(5)以及两个收集极(6)；
所述阴极(3)在衬底(2)的两侧平面对称生长的碳纳米管结构；所述两个门极(4)对称分布于阴极(3)的外侧，两个阳极(5)对称布置于两个门极(4)的外侧，离子收集极(6)对称布置于两个阳极(5)外侧；
所述阳极(5)加载的电压均高于所述门极(4)加载的电压和收集极(6)加载的电压。
2.如权利要求1所述的一种对称式三极碳纳米管阴极电离规，其特征在于，所述衬底(2)的两个侧面分别镀制催化剂层(9)后再成长所述阴极(3)，催化剂层(9)的材料选用铁、钴或镍。
3.如权利要求1所述的一种对称式三极碳纳米管阴极电离规，其特征在于，所述阴极(3)采用热化学气相沉积法、模板法、反粘法、粘接法或丝网印刷法工艺制备。
4.如权利要求1所述的一种对称式三极碳纳米管阴极电离规，其特征在于，所述衬底(2)选用不锈钢、因科镍合金或硅片材料制备。
5.如权利要求1所述的一种对称式三极碳纳米管阴极电离规，其特征在于，所述阴极(3)与同侧的门极(4)之间的距离为100微米～200微米。
6.如权利要求1所述的一种对称式三极碳纳米管阴极电离规，其特征在于，所述阳极(5)与同侧的门极(4)之间的距离为2毫米～3毫米。
7.如权利要求1所述的一种对称式三极碳纳米管阴极电离规，其特征在于，所述门极(4)的制备方法包括：对金属片进行化学刻蚀，激光刻蚀或者采用金属丝编织；门极(4)的材料选用钨、钼、或者不锈钢。
8.如权利要求1所述的一种对称式三极碳纳米管阴极电离规，其特征在于，所述电离规(1)还包括金属法兰(7)和四根绝缘接线柱(8)；所述金属法兰(7)与所述电离规(1)欲测量的真空腔室开口密封连接；两个所述收集极(6)通过导线实现电连接，两个所述阳极(5)通过导线实现电连接；
所述绝缘接线柱(8)穿过所述金属法兰(7)，一端位于所述真空腔室内，另一端位于真空腔室外侧；
其中一个所述收集极(6)由对应位置的绝缘接线柱(8)支撑在金属法兰(7)上，该收集极(6)的电极连线通过所述绝缘接线柱(8)引出至真空腔室之外，并串接静电计后接收集极电源；另外一个收集极(6)通过支撑柱固定在所述金属法兰(7)上；
其中一个所述阳极(5)由对应位置的绝缘接线柱(8)支撑在金属法兰(7)上，该阳极(5)的电极连线通过所述绝缘接线柱(8)引出至真空腔室之外，并接在阳极电源上；另外一个阳极(5)通过支撑柱固定在所述金属法兰(7)上；
其中一个所述门极(4)由对应位置的绝缘接线柱(8)支撑在金属法兰(7)上，该门极(4)的电极连线通过所述绝缘接线柱(8)引出至真空腔室之外，并接在门极电源上；另外一个门极(4)通过支撑柱固定在所述金属法兰(7)上；
所述衬底(2)由对应位置的绝缘接线柱(8)支撑在金属法兰(7)上，该衬底(2)的电极连线通过所述绝缘接线柱(8)引出至真空腔室之外，并接在阴极电源上。
9.如权利要求1所述的一种对称式三极碳纳米管阴极电离规，其特征在于，所述阴极(3)的两端分别设置一对绝缘垫片(10)，绝缘垫片(10)设置在所述门极(4)与衬底(2)之间，所述门极(4)与同侧的阴极(3)之间的距离通过绝缘垫片(10)的厚度调节。
10.如权利要求1所述的一种对称式三极碳纳米管阴极电离规，其特征在于，所述门极(4)的栅网透过率介于60％～85％之间。
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