CN106206237B - 一种高灵敏度的碳纳米管阴极电离规 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度的碳纳米管阴极电离规，属于真空测量技术领域。该电离规主要包括碳纳米管阴极电子源、门极栅、阳极栅和离子收集极；其中，阳极栅为圆筒状结构，其顶端和筒身均为网状结构，底端为封闭结构；离子收集极的材质为金属，为一端开口的圆筒状结构，其外径大于阳极栅的外径；阳极栅、离子收集极、门极栅和碳纳米管阴极电子源同轴布置，且阳极栅套装在离子收集极的内部，门极栅布置在阳极栅和碳纳米管阴极电子源之间。该电离规可有效的增大气相分子产生离子的收集效率，提高碳纳米管阴极电离规的灵敏度，其测量下限达10‑ 9Pa。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管阴极电离规，具体涉及一种测量下限达10-9Pa的碳纳米管阴极电离规，属于真空测量技术领域。
背景技术
电离真空计是一种通过测量荷能电子碰撞气体分子产生的正离子流来间接获得测量压力的真空传感器。目前，电离真空计是测量高真空的重要真空器件，而在超高极高真空测量领域，它是唯一实际可用的真空传感器件。
近年来，随着我国高新尖端技术的迅猛发展，极高真空测量技术在空间探测、高能核物理、超清洁固体表面物理和纳米材料技术等领域具有迫切的需要。例如，在深空探测活动中，要求在地面空间环境模拟设备中尽可能真实的、综合的反应探测器所处的空间环境，以便创造必要的试验条件去探知许多未知因素。真空度是空间众多环境参量中最基本的一个因素，它的精确测量是开展各项空间试验的前提和基础。同近地轨道航天器相比，行星际和行星空间环境探测任务将会遭遇诸如极高真空等更为恶劣的空间环境，这将对行星际探测器的可靠性构成严重的威胁。因此，开展极高真空测量相关研究无论对于制定行星际空间探测计划，还是探测器的设计都非常重要，它将会为航天器的轨道控制、修正、姿态调控提供实时实测依据，还将为航天器飞行期间出现异常时进行分析提供参考数据；在高能粒子加速器中，为确保粒子与残气分子不发生碰撞散射现象，真空度必须要达到极高范围，否则不但会引起束流损失或粒子达不到所要求的高能量，而且容易发生真空绝缘不够导致加速器击穿现象，使加速器不能处于正常工作状态。例如，欧洲核子联合中心的交叉存贮环在交叉点真空度在10-9Pa到10-12Pa之间；中国科学院近代物理研究所的重离子冷却存贮环中主环的平均静态真空度达到了10-10Pa；在纳米材料领域，分子束外延技术用来生长极纯半导体晶体材料，而这种材料的光电性能对外来杂质分子极为敏感。在单晶生长过程中，除材料本身要求纯度极高外，还不能引入环境杂质分子，因此，高纯度半导体晶体材料的生长就离不开极高真空环境。而这样高的真空度很难在地面实现，在此背景下科学家提出了利用太空清洁环境生长极纯材料的思路，利用近地轨道分子屏技术，在极高真空环境下生长晶体材料；在表面物理研究中，原则上需要对固体表面组成、表面构造和表面的电子状态进行原位测量。因此，一方面需要在超高甚至极高真空环境下制备超清洁固体表面，另一方面必须避免研究固体表面时所需的各种分析仪器的表面污染问题。由此可以看出，极高真空能为清洁固体表面研究提供最适宜的理想环境；上世纪末兴起的纳米技术、纳米构造、纳米粒子及边缘反应的研究将引起电子器件的第二次革命。进行纳米技术研究离不开极高真空、极限清洁的氛围，预计下一代大规模电子器件生产中，所需的真空度为10-10Pa，这对极高真空精确测量提出了极高的要求。目前，测量超高极高真空的器件是各种不同类型的电离规，最常见的是冷、热阴极电离规，然而这两种传统阴极电离规在超高极高真空测量中存在，例如，热阴极电离规中存在光辐射、热辐射等效应，极大的限制了电离规的测量下限；而在冷阴极电离规具有非线性、不稳定性、抽速大、低压力下存在放电延迟效应、在较宽压力范围内电流与压力不连续性等不足之处。因此，超高极高真空的精确测量还有待于新原理的提出和新技术的应用。新型碳纳米管场发射电子源在电离规中的应用，被认为是为解决极高真空测量而迈出的关键一步。
2004年Dong等人(Appl.Phys.Lett.84卷，26期，5443-5445页)首次报道了碳纳米管阴极在德国莱宝公司生产的IE514分离规上的应用，这种碳纳米管阴极电离规解决了传统热阴极电离规中阴极出气的问题，并且在10-5Pa以下的真空范围内，碳纳米管阴极的发射稳定性要比金属型场致发射阴极更好。但是这种电离规灵敏度非常低，因此，它在氮气中的测量下限仅为10-8Pa。如果要把新型碳纳米管阴极电离规的测量下限拓展到极高真空范围，那么就必须大幅提高这种电离规的灵敏度。
发明内容
针对目前碳纳米管阴极电离规灵敏度低的问题，本发明的目的在于提供一种高灵敏度的碳纳米管阴极电离规；所述电离规的测量下限达10-9Pa。
本发明的目的由以下技术方案实现：
一种高灵敏度的碳纳米管阴极电离规，所述电离规主要包括碳纳米管阴极电子源、门极栅、阳极栅和离子收集极；
其中，所述阳极栅为圆筒状结构，其顶端和筒身均为网状结构，底端为封闭结构；
所述离子收集极的材质为金属，为一端开口的圆筒状结构，其外径大于所述阳极栅的外径；
所述阳极栅、离子收集极、门极栅和碳纳米管阴极电子源同轴布置，且所述阳极栅套装在所述离子收集极的内部，所述门极栅布置在所述阳极栅和碳纳米管阴极电子源之间。
进一步的，所述碳纳米管阴极电子源主要包括衬底，固接在所述衬底上的碳纳米管阵列，以及围绕在所述碳纳米管阵列周围的绝缘云母片。
更进一步的，所述门极栅的材质为钨，采用点焊的方式焊接在所述云母片的端部，且所述碳纳米管阵列的端部距所述门极栅80±10μm，距所述阳极栅的顶端1～2mm。
更进一步的，所述碳纳米管阵列采用热化学气相沉积法直接沉积在所述衬底上。
进一步的，所述电离规还包括电极基座；所述衬底通过点焊焊接在所述基座上。
进一步的，所述离子收集极的内径为16mm，所述阳极栅的内径为13mm。
进一步的，所述阳极栅顶端网状结构的物理透过率为80～90％；网丝的直径为80～100mm。
进一步的，所述离子收集极的材质为金属；所述阳极栅底端的材质的不锈钢。
进一步的，所述门极栅为网状结构，其材质为钨。
有益效果
(1)本发明所述碳纳米管阴极电离规可有效的增大气相分子产生离子的收集效率，提高碳纳米管阴极电离规的灵敏度，其测量下限达10-9Pa。
(2)本发明所述碳纳米管阴极电离规采用圆筒状结构的离子收集极，不仅增大了离子收集极面积，还提供了更广的离子收集角度，进而有效的提高所述碳纳米管阴极电离规的灵敏度。
(3)本发明所述碳纳米管阴极电离规的阳极栅网顶端和筒身为网状结构，不仅有利于提高电离电子在阳极栅网空间往复运动的路径，增大电离电子和气体分子的碰撞几率；还有利于电离气体分子移出阳极空间被外围的离子收集极接收；所述阳极栅网底端为封闭结构，可限制电离离子的向阳极栅网外围的离子收集极方向运动而不从低端移出湮灭，进而有效的提高所述碳纳米管阴极电离规的灵敏度。
(4)本发明所述碳纳米管阴极电离规采用碳纳米管作为阴极场发射电子源，可以使室温下发射电子，不具有传统热灯丝产生的光辐射、热辐射等不利因素，而且电子源的功耗比传统热阴极电离规小3个数量级。
(5)本发明所述碳纳米管阴极电离规选用的碳纳米管电子源采用热化学气相沉积法直接沉积在所述衬底上，具有结合强度高、电阻率小的优势。
(6)本发明所述碳纳米管阴极电离规的门极栅采用点焊的方式焊接在云母片上，可避免采用银胶等有机物，减小出气的不利影响，采用钨网，具有出气率小、物理透过率大的特点。
附图说明
图1为本发明所述碳纳米管阴极电离规的结构示意图；
其中，1-基座，2-碳纳米管阵列，3-云母片，4-门极栅，5-离子收集极，6-阳极栅。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。
实施例1
如图1所示，一种高灵敏度的碳纳米管阴极电离规，所述电离规主要包括碳纳米管阴极电子源、门极栅4、阳极栅6和离子收集极5；
其中，所述阳极栅6为圆筒状结构，其顶端和筒身均为网状结构，底端为封闭结构；
所述离子收集极5的材质为金属，为一端开口的圆筒状结构，其外径大于所述阳极栅6的外径；
所述阳极栅6、离子收集极5、门极栅4和碳纳米管阴极电子源同轴布置，且所述阳极栅6套装在所述离子收集极5的内部，所述门极栅4布置在所述阳极栅6和碳纳米管阴极电子源之间。
其中，所述碳纳米管阴极电子源主要包括衬底，固接在所述衬底上的碳纳米管阵列2，以及围绕在所述碳纳米管阵列2周围的绝缘云母片3。
所述门极栅4的材质为钨，采用点焊的方式焊接在所述云母片的端部，且所述碳纳米管阵列2的端部距所述门极栅480±10μm，距所述阳极栅6的顶端1～2mm。
所述碳纳米管阵列2采用热化学气相沉积法直接沉积在所述衬底上。
所述电离规还包括电极基座1；所述衬底通过点焊焊接在所述基座1上。
所述离子收集极5的内径为16mm，所述阳极栅6的内径为13mm。
所述阳极栅6顶端网状结构的物理透过率为80～90％；网丝的直径为80～100mm。
所述离子收集极5的材质为金属；所述阳极栅6底端的材质的不锈钢。
所述门极栅4为网状结构，其材质为钨。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种碳纳米管阴极电离规，其特征在于：所述电离规主要包括碳纳米管阴极电子源、门极栅(4)、阳极栅(6)和离子收集极(5)；
其中，所述阳极栅(6)为圆筒状结构，其顶端和筒身均为网状结构，底端为封闭结构；
所述离子收集极(5)的材质为金属，为一端开口的圆筒状结构，其外径大于所述阳极栅(6)的外径；
所述阳极栅(6)、离子收集极(5)、门极栅(4)和碳纳米管阴极电子源同轴布置，且所述阳极栅(6)套装在所述离子收集极(5)的内部，所述门极栅(4)布置在所述阳极栅(6)和碳纳米管阴极电子源之间。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管阴极电离规，其特征在于：所述碳纳米管阴极电子源主要包括衬底，固接在所述衬底上的碳纳米管阵列(2)，以及围绕在所述碳纳米管阵列(2)周围的绝缘云母片(3)。
3.根据权利要求2所述的一种碳纳米管阴极电离规，其特征在于：所述门极栅(4)的材质为钨，采用点焊的方式焊接在所述云母片的端部，且所述碳纳米管阵列(2)的端部距所述门极栅(4)80±10μm，距所述阳极栅(6)的顶端1～2mm。
4.根据权利要求2所述的一种碳纳米管阴极电离规，其特征在于：所述碳纳米管阵列(2)采用热化学气相沉积法直接沉积在所述衬底上。
5.根据权利要求2所述的一种碳纳米管阴极电离规，其特征在于：所述电离规还包括电极基座(1)；所述衬底通过点焊焊接在所述基座(1)上。
6.根据权利要求1所述的一种碳纳米管阴极电离规，其特征在于：所述离子收集极(5)的内径为16mm，所述阳极栅(6)的内径为13mm。
7.根据权利要求1所述的一种碳纳米管阴极电离规，其特征在于：所述阳极栅(6)顶端网状结构的物理透过率为80～90％；网丝的直径为80～100mm。
8.根据权利要求1所述的一种碳纳米管阴极电离规，其特征在于：所述离子收集极(5)的材质为金属；所述阳极栅(6)底端的材质的不锈钢。
9.根据权利要求1所述的一种碳纳米管阴极电离规，其特征在于：所述门极栅(4)为网状结构，其材质为钨。
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