CN109413835A - 一种产生过渡金属正离子束的方法和用于该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空航天装置的电推进系统和离子加速器技术领域，特别是涉及一种产生过渡金属正离子束的方法和用于该方法的装置，该方法是在工作物质储层与固体电解质薄膜界面施加引出电压，金属通过氧化还原反应转化成金属离子，然后通过场致蒸发离进入真空，在加速电压作用下获得动能形成离子束。该装置主要由工作物质储层、固体电解质薄膜、加热系统和高压电源系统组成。工作物质储层表面设有针尖，固体电解质薄膜镀在针尖表面，引出电极是与工作物质储层相同材质的金属网。本发明的有益效果在于增大了离子发射面积、提高了束流强度、降低了引出电压以及通过两套独立的电源能实现离子束流强度和能量的独立调节。

Description

一种产生过渡金属正离子束的方法和用于该方法的装置

技术领域

本发明属于航空航天装置的电推进系统和离子加速器技术领域，特别是涉及一种产生过渡金属正离子束的方法和用于该方法的装置。

背景技术

目前，基于固体电解质(阴离子导体)的场辅助热离子发射器技术比较成熟，它能够产生带负电荷的氧离子束。常见方案的电极是多孔金属薄膜(如Ag)，镀在薄陶瓷板两侧，在两电极间加约100-200V的引出电压。工作物质(氧气)靠近发射器阴极端，通过电化学反应，氧分子在阴极表面形成双电荷氧负离子并扩散至电解质，然后在引出电压产生的电场作用下，这些离子由阴极迁移至阳极，通过加热电解质可以加速离子迁移，最后氧负离子从阳极的表面发射到真空中。此发射器的主要缺点是工作温度过高(500-700℃)，发射的离子太轻，且需要特殊设备来供应和储存气态氧。这些缺点限制了场辅助热离子发射器在小型航天器(如，立方体卫星)中的应用。

发明内容

鉴于上述问题，本发明旨在设计一种平面离子源装置和产生过渡金属正离子束的方法，用于产生过渡金属正离子束流，增大离子发射面积、提高束流强度、降低引出电压以及可以实现发射离子束流强度和能量的独立调节。

为了实现上述目的，本发明提供了一种产生过渡金属正离子束的方法，至少包括工作物质储层和固体电解质薄膜，工作物质储层朝向固体电解质薄膜的正表面设有规则或不规则排列的针尖，固体电解质薄膜设于工作物质储层正表面且与工作物质储层的微形貌一致，所述工作物质为过渡金属，对工作物质储层加热并在工作物质储层和固体电解质薄膜施加引出电压，工作物质薄膜中的金属通过氧化还原反应转化成金属离子，金属离子通过固体电解质中的快速离子传输通道向固体电解质薄膜和真空的界面处移动，再通过场致蒸发使得金属离子发射至真空，在加速电压作用下金属离子获得动能形成离子束。

而且，过渡金属在工作物质储层和固体电解质薄膜界面处发生氧化还原反应离子化。

而且，金属离子在固体电解质中传输，所述金属离子由引出电压的阳极扩散至引出电压的阴极。

而且，金属离子在固体电解质薄膜表面场致蒸发进入真空。

一种用于产生过渡金属正离子束的方法的装置，至少包括工作物质储层、固态电解质薄膜、引出电极，其特征在于：工作物质储层正表面设有规则或不规则排列的针尖，并在正表面镀有固体电解质薄膜，所述工作物质为过渡金属，所述固体电解质薄膜与工作物质储层的微形貌一致，引出电极位于固体电解质薄膜正面但不与固体电解质薄膜相接，工作物质储层、固体电解质薄膜和引出电极之间设有提供引出电压的电源，引出电极正面设有离子收集器，在引出电极和离子收集器之间设有提供加速电压的高压电源，所述工作物质储层、固体电解质薄膜、引出电极和离子收集器均位于真空度为10^-4Pa的真空腔内。

而且，所述工作物质储层为圆柱体，所述过渡金属为银或铜，所述工作物质储层正表面通过微纳加工技术刻蚀出规则或不规则排列的针尖。

而且，所述固体电解质薄膜厚度小于1微米，通过磁控溅射或脉冲激光沉积技术镀在工作物质储层表面，所述固体电解质是晶态或非晶态超离子导体，如RbAg₄I₅、(AgI)_0.5(AgPO₃)_0.5或Rb₄Cu₁₆I₇Cl₁₃。

而且，所述引出电极为与工作物质储层材料相同的金属网，所述引出电极的透过率为70-80％，所述装置还设有给工作物质储层加热的加热装置，所述加热装置包括欧姆加热器和加热器电源，所述离子收集器为法拉第杯。

而且，所述电源和高压电源为相互独立的电源系统，引出电压和加速电压相互独立调节，通过调节引出电压控制离子束的束流强度，通过控制加速电压控制离子束的能量。

本发明的有益效果是：(1)由于装置表面布满了规则或不规则排列的针尖发射极(微结构)，增加了离子发射面积；(2)降低了引出电压，因为固体电解质薄膜厚度不到1微米，很小的电压就可以引出离子；(3)本装置的引出电压能调节离子的束流强度，加速电压能调节离子的能量，所以通过两套独立的电源能实现离子束流强度和能量的独立调节；(4)基于以上优点，本离子源的使用效率得到大大提高。

附图说明

图1为本发明装置原理图。

图2为引出电极相对位置示意图。

图3为规则排列的四棱锥针尖。

图4为不规则排列的针尖。

附图标记说明：(1)圆柱体工作物质储层 (2)固体电解质薄膜 (3)引出电极 (4)加热器 (5)加热器电源 (6)电源 (7)离子束 (8)离子收集器 (9)电流计 (10)高压电源(11)针尖 (12)引出电极到针尖尖端顶点的距离

具体实施方式

以下结合附图和实施例进行说明，一种产生过渡金属正离子束的方法和用于该方法的装置，装置原理如图1所示，装置整体位于真空度为10^-4Pa的真空腔内，引出电压的阳极与工作物质储层连接，工作物质为过渡金属，实施例中采用高纯度的银圆柱体或铜圆柱体，该圆柱体工作物质储层1正表面设有规则或不规则排列的针尖11。工作物质储层正表面镀有厚度小于1微米的固体电解质薄膜2，所述固体电解质薄膜镀在圆柱体工作物质储层正表面，且该固体电解质薄膜与工作物质储层的微形貌一致，该固体电解质是晶态或非晶态(如玻璃)超离子导体(如RbAg₄I₅或(AgI)_0.5(AgPO₃)_0.5、Rb₄Cu₁₆I₇Cl₁₃)，它们在室温下具有高的离子导电率(电子导电率可忽略不计)，并且暴露于空气中是稳定的不会分解。引出电压阴极连接引出电极3，引出电极是与工作物质储层材料相同的金属网，引出电极的透过率为70-80％，引出电极靠近固体电解质表面。

在圆柱体工作物质储层针尖发射极和引出电极之间加100-500伏特的引出电压U_ext，则针尖尖端产生的电场强度E(V/mm)可用下列公式估算：

其中，r(mm)为针尖尖端的平均曲率半径，d(mm)为引出电极到针尖尖端顶点的距离12，如图2所示。若引出电压U_ext＝250V,r＝5×10^-4mm，d＝10mm，则电场值为在此电场的作用下，工作物质中的单质原子在储层和固体电解质薄膜界面处发生氧化还原反应，转化为带电的金属离子(Ag⁺或Cu²⁺)，并且金属离子沿着固体电解质薄膜内部的快速离子传输通道向薄膜和真空的界面处移动，金属离子由引出电压的阳极扩散至引出电压的阴极，即金属离子由工作物质储层扩散至引出电极，然后金属离子在固体电解质薄膜表面场致蒸发进入真空，被引出电极和离子收集器之间的加速电压产生的电场加速，从而获得动能形成离子束7。

产生带过渡金属正离子束的装置，具体地说是平面离子源装置，至少包括工作物质储层、固态电解质薄膜、引出电极，工作物质储层正表面通过微纳加工技术(例如，电化学、激光或离子辅助技术)刻蚀出规则或不规则排列的针尖，所述工作物质为过渡金属，实施例中采用高纯度的银圆柱体或铜圆柱体。工作物质储层正表面通过磁控溅射(MS)或脉冲激光沉积(PLD)技术镀有厚度小于1微米的固体电解质薄膜，所述固体电解质薄膜与工作物质储层的微形貌一致，该固体电解质是晶态或非晶态(如玻璃)超离子导体(如RbAg₄I₅或(AgI)_0.5(AgPO₃)_0.5、Rb₄Cu₁₆I₇Cl₁₃)。引出电压阳极与工作物质储层连接，阴极与引出电极连接，引出电极位于固体电解质薄膜正面但不与固体电解质薄膜相接，工作物质储层、固体电解质薄膜和引出电极之间设有提供引出电压的电源6，引出电极正面设有离子收集器8，在引出电极和离子收集器之间设有提供加速电压的高压电源10，所述工作物质储层、固体电解质薄膜、引出电极和离子收集器均位于真空度为10^-4Pa的真空腔内。

本装置的圆柱体工作物质(高纯金属银或铜)储层，其直径和高度(即体积)本质上不影响此发明装置的运行，但决定工作物质的储量及装置运行寿命。由于引出电极是由与储层相同的金属制成的，它不会因为受到发射离子束的溅射而污染离子束的纯度。引出电压和加速电压的存在可独立调节发射离子的束流强度和能量，其中引出电压能调节离子的束流强度，加速电压能调节离子的能量。将该离子源即工作物质储层加热到150–200℃可促进离子在固体电解质薄膜中的迁移,提高离子源的效率。固体电解质中发射离子浓度的减小可以通过工作物质储层得到补偿，理论上此装置可以工作到工作物质储层耗尽。

实施例中工作物质采用银时，Ag的密度是10.5g/cm³，其原子密度为5.86×10²²at/cm³,可以估计出20g银储层能够在两个月中产生约1mA的束流。此外，因为针尖在该平面固态离子源表面的平均密度约为10⁴cm^-2，且每个中心可产生1nA的束流,则面积为100cm²的平面产生的总束流可达到1mA。这意味着配备此装置的场发射电推进系统，能够提供数十微牛的推进力,这足已使微型航天器(如立方体卫星)在近地轨道运行。

本发明所述的圆柱体工作物质储层正表面的针尖可以是如图3所示规则排列的四棱锥针尖和如图4所示不规则排列的针尖。

本发明采用的给工作物质储层加热的加热装置包括加热器4和加热器电源5，其中加热器可采用欧姆加热器。而且在引出电极和离子收集器之间设有电流计9，离子收集器可采用法拉第杯。

本发明中提供引出电压的电源、提供加速电压的高压电源和电流计等设备均接地，确保装置的安全性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种产生过渡金属正离子束的方法，其特征在于：至少包括工作物质储层和固体电解质薄膜，工作物质储层朝向固体电解质薄膜的正表面设有规则或不规则排列的针尖，固体电解质薄膜设于工作物质储层正表面且与工作物质储层的微形貌一致，所述工作物质为过渡金属，对工作物质储层加热并在工作物质储层和固体电解质薄膜施加引出电压，工作物质薄膜中的金属通过氧化还原反应转化成金属离子，金属离子通过固体电解质中的快速离子传输通道向固体电解质薄膜和真空的界面处移动，再通过场致蒸发使得金属离子发射至真空，在加速电压作用下金属离子获得动能形成离子束。

2.根据权利要求1所述的产生过渡金属正离子束的方法，其特征在于：过渡金属在工作物质储层和固体电解质薄膜界面处发生氧化还原反应离子化。

3.根据权利要求1所述的产生过渡金属正离子束的方法，其特征在于：金属离子在固体电解质中传输，所述金属离子由引出电压的阳极扩散至引出电压的阴极。

4.根据权利要求1所述的产生过渡金属正离子束的方法，其特征在于：金属离子在固体电解质薄膜表面场致蒸发进入真空。

5.一种用于权利要求1所述产生过渡金属正离子束的方法的装置，至少包括工作物质储层、固态电解质薄膜、引出电极，其特征在于：工作物质储层正表面设有规则或不规则排列的针尖，并在正表面镀有固体电解质薄膜，所述工作物质为过渡金属，所述固体电解质薄膜与工作物质储层的微形貌一致，引出电极位于固体电解质薄膜正面但不与固体电解质薄膜相接，工作物质储层、固体电解质薄膜和引出电极之间设有提供引出电压的电源，引出电极正面设有离子收集器，在引出电极和离子收集器之间设有提供加速电压的高压电源，所述工作物质储层、固体电解质薄膜、引出电极和离子收集器均位于真空度为10^-4Pa的真空腔内。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述工作物质储层为圆柱体，所述过渡金属为银或铜，所述工作物质储层正表面通过微纳加工技术刻蚀出规则或不规则排列的针尖。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述固体电解质薄膜厚度小于1微米，通过磁控溅射或脉冲激光沉积技术镀在工作物质储层表面，所述固体电解质是晶态或非晶态超离子导体，如RbAg₄I₅、(AgI)_0.5(AgPO₃)_0.5或Rb₄Cu₁₆I₇Cl₁₃。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述引出电极为与工作物质储层材料相同的金属网，所述引出电极的透过率为70-80％，所述装置还设有给工作物质储层加热的加热装置，所述加热装置包括欧姆加热器和加热器电源，所述离子收集器为法拉第杯。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述电源和高压电源为相互独立的电源系统，引出电压和加速电压相互独立调节，通过调节引出电压控制离子束的束流强度，通过控制加速电压控制离子束的能量。