CN110444463B

CN110444463B - 一种微电流铯离子源

Info

Publication number: CN110444463B
Application number: CN201910738103.0A
Authority: CN
Inventors: 祁康成; 陈闻斌; 何丰耘; 曹贵川; 王小菊
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-08-12
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2039-08-12
Also published as: CN110444463A

Abstract

一种微电流铯离子源，属于离子源技术领域。该离子源包括铯储器体以及与铯储器体材料不同的密封盖，密封盖所用材料的逸出功高于铯的电离能，密封盖布置为与铯储器体的一端接合形成真空密封，所述铯离子源还包括加热铯源的加热器，加热器布置为与密封盖相靠近侧，使得铯盐分解、单质铯气化、铯原子通过密封盖扩散到密封盖外表面并在外表面电离产生铯离子流。本发明利用铯原子在密封盖中的扩散作用向其外表面源源不断地输送铯原子并基于表面电离引出铯离子流。本发明提供了一种电流可调、可暴露大气、寿命长的铯离子源，降低了对真空系统要求的同时还兼具结构简单、使用方便，铯利用率高等优势。

Description

一种微电流铯离子源

技术领域

本发明属于离子源技术领域，特别涉及一种微电流铯离子源。

背景技术

铯离子源在材料分析、光电技术等领域都有广泛应用前景：

在材料分析领域，金属铯(Cs)常被用作对位于元素周期表右端的那些元素进行二次离子质谱仪(SIMS)检测时的一次离子。SIMS技术通过用高能离子束(“一次”离子束)轰击样品来生成分析信号，该高能离子束从样品表面上“溅射”原子。5-15keV一次离子的每次撞击都使靶表面发射少量的原子。一小部分发射出的原子在发射时被电离并且这些“二次”离子可以加速进入质谱仪中并且进行质量分析以便产生关于样品的化学构成和同位素构成的信息。在高能量一次离子束轰击下，通过级联和能量交换，样品表面附近的原子、分子或分子团获得了足够的能量，得以克服束缚而被溅射出来，在SIMS分析过程中，如果在一次离子所轰击的样品表面附近存在铯原子,由于金属铯是具有较强正电性的元素，采用正电性离子轰击时，表面功和势垒下降，有利于溅射粒子获得额外的电子成为负离子，提高二次负离子的产额。尤其是Ⅵ族元素以及位于元素周期表右端的那些元素,铯原子的存在, 可以使它们的负离子产额高于存在氧时的正离子产额，从而提高这些元素的二次离子质谱分析极限。

在光电技术领域，在研究Ⅲ-Ⅴ族光电发射体中可使用铯离子源作为碱金属铯源，用以避免铯金属沉积到光阴极以外的区域，精确控制光阴极上铯原子吸附量。铯离子源还用于原子碰撞和离子碰撞研究中以及在低气压(p≈10^-5托)情况下伴随电击穿现象的研究中，此时把平稳的离子流作为研究用的一种探针。此外，基于离子束通过电场加速聚焦的原理，铯离子源也作为铯离子加速器的核心部件。

在以上这些应用中，对于铯离子流都要求其能够稳定地产生皮安到亚微安量级的微小铯离子电流。现有关于铯离子源的研究中，得以应用的铯离子源存在诸多不足，比如：无法暴露在大气中导致使用条件严苛，离子源的电流大小难以控制，以及使用寿命较短等。

发明内容

针对现有铯离子源存在的问题，本发明提供一种微电流铯离子源，该离子源产生电流大小方便调节，并且能够长时间暴露在大气中，降低了对于使用离子源的真空系统的要求。

本发明具体采用如下技术方案实现上述目的：

一种微电流铯离子源，其特征在于，包括铯储器体，所述铯储器体具有容纳铯源的腔体，还包括与铯储器体材料不同的密封盖，密封盖所用材料的逸出功高于铯的电离能，密封盖布置为与铯储器体的一端接合形成真空密封，所述铯离子源还包括加热铯源的加热器，使得气态单质铯通过密封盖扩散到密封盖表面产生铯离子流。

进一步地，密封盖的材料选择高逸出功材料，包括但不限于钨、钼或其合金；具体的，所述密封盖的材料选择致密性良好的块材。进一步地，为满足离子束引出电子光学系统的需要，密封盖的表面可以是平面，也可以是曲面。

进一步地，所述铯储器体的材料选择钽、镍或其合金。

进一步地，所述铯储器体与密封盖采用诸如钎焊、电子束焊、氩弧焊或激光焊等焊接技术实现真空密封焊接。

进一步地，所述铯源可以是单质铯，也可以是在高温下化学反应可生成单质铯的铯盐，其中铯盐的选择包括但不限于铯的碳酸盐、铯的硝酸盐、铯的铬酸盐及铯的重铬酸盐。

作为优选方式，当铯源选择为铯盐时，为了降低铯盐的分解温度，所述铯储器体内除了铯盐外还包括还原剂，所述还原剂具体包括锆粉或锆铝合金粉。

进一步地，所述加热器通过辐射或热传导方式对铯储器体进行加热。

作为优选方式，加热器布置为与密封盖相靠近侧。

作为具体实施方式，所述加热器包括加热丝、绝缘陶瓷和热屏，加热丝以螺旋形式绕制在铯储器体上，并且加热丝与铯储器体之间采用绝缘陶瓷绝缘，加热丝外围布置热屏防止热量散失，降低加热功耗。

其中，所述发热丝为在通电时可发热的金属丝或碳丝，包括但不限于钨丝、钨铼丝或者镍铬丝。

进一步地，所述加热器的加热温度需控制在400℃，通过控制温度即可实现对离子源输出铯离子电流的调节。

作为优选方式，所述加热器的加热温度为400℃～1000℃。

本发明的工作原理具体如下：

由于单质铯的蒸气压较高，经加热会部分或全部气化形成铯蒸汽，铯蒸汽将充满由密封盖和铯储器体构成真空密封空间内部，密封盖的选择为气密性良好的材料(即致密性良好，没有孔隙与外界空气流通)，同时由于铯原子在钨、钼材料等具有高逸出功材料中具有较高的扩散系数，这样吸附在密封盖内表面的铯原子能够直接扩散到密封盖的外表面，并满足发生表面电离的条件(即密封盖作为电离器，其表面维持一定温度，且气态铯的电离能小于密封盖所用材料的逸出功)，因此能够有效引出铯离子流。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明利用铯原子在密封盖中的扩散作用向其外表面源源不断地输送铯原子并基于表面电离引出铯离子流。同时，密封盖所选材料在常温下具有非常高的真空气密性，所以本发明的铯离子源可以较长时间地暴露在大气环境中，降低了对真空系统的要求。此外，本发明铯离子源还具有结构简单、使用方便，铯利用率高等优势。本发明提供了一种电流可调(pA～μA)、可暴露大气、寿命长的铯离子源。

附图说明

图1所示为本发明实施例1提供的微电流铯离子源结构示意图。

图2所示为本发明实施例2提供的微电流铯离子源实例结构示意图。

图3所示为本发明实施例2提供的离子电流与加热温度关系曲线。

图中：1为铯储器体；2为密封盖；3为铯源；4为加热器；41 为加热丝；42为绝缘陶瓷；43为热屏，5为顶盖。

具体实施方式

为了使得所属领域技术人员能够更加清楚本发明方案及原理，下面结合附图和具体实施例进行详细描述。本发明的内容不局限于任何具体实施例，也不代表是最佳实施例，本领域技术人员所熟知的一般替代也涵盖在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例提供一种微电流铯离子源，如图1所示包括铯储器体1、密封盖2、铯源3和加热器4；密封盖2通过真空密封焊接与铯储器体构成真空密封容器，铯源3在焊接之前就装在所述真空密封容器中，所述铯源3可以是单质铯或者加热生成单质铯的铯盐，加热器4将真空密封容器和铯源3加热到高温状态，铯盐在高温下生成单质铯，单质铯经加热气化形成铯蒸汽，气态铯原子通过顶盖扩散到顶盖表面并在表面完成电离产生铯离子。

本实施例中，所述密封盖2用钼材料通过车制加工制造；

本实施例中，所述铯储器体1用金属钽棒经过车制加工制造；

本实施例中，所述铯源3为铬酸铯和锆铝合金粉经搅拌混合和压制形成块状体。

实施例2：

本实施例提供一种微电流铯离子源，如图2所示包括铯储器体1、密封盖2、铯源3、加热器4和顶盖5，本实施例中加热器4由加热丝41、绝缘陶瓷42及热屏43构成；密封盖2通过电子束焊接与铯储器体构成真空密封容器，铯源3在焊接之前就装在所述真空密封容器中，加热器4将真空密封容器和铯源3加热到高温状态，单质铯经加热气化形成铯蒸汽，气态铯原子通过顶盖扩散到顶盖表面并在表面完成电离产生铯离子。

本实施例中，所述密封盖2用钼材料通过车制加工制造；所述铯储器体1和顶盖5用金属钽棒经过车制加工制造；

本实施例中，所述铯源3为铬酸铯和锆铝合金粉经搅拌混合和压制形成块状体；

本实施例中，所述加热丝41选用0.5mm直径的钨铼丝，以螺旋形式绕制在铯储器体1上，加热丝41和铯储器体1之间用绝缘陶瓷 42进行绝缘，为了降低加热功率，在加热丝41外围布置一个由0.05mm钽箔卷制而成的多层热屏43。

本实施例2中，按照以下步骤制作铯离子源：

首先将具有开口凹腔的铯储器体1和密封盖2用真空电子束焊接方法进行气密性焊接；然后装入铬酸铯和锆铝合金粉混合块体；接着将顶盖5用真空电子束焊接方法气密性焊接到铯储器体1的开口；随后装配好螺旋布置的加热丝41、绝缘陶瓷42和热屏组件43。

离子源装配完成后，接着进行离子源的激活处理：将装配好的离子源组件安装到真空室中抽真空，待真空度达到1×10^-5Pa后，以5℃/ 分钟的加热速率将离子源加热到850℃，保温10分钟完成铬酸铯的还原反应，在离子源中生成单质铯。

图3为一个按照本实施实例2制作的铯离子源的离子电流与加热温度的关系曲线，该曲线说明本发明的铯离子源只需要控制加热温度即可调节其输出离子电流的大小。相比于其他形式的铯离子源，本发明的铯离子源具有易于控制、真空密封、铯利用率高等优点。

下面结合公式详细说明加热温度控制与铯离子源电流大小之间的关系：

铯原子在密封盖材料中的扩散系数D与加热温度T具有以下关系：

式中，Ea为扩散激活能，k为玻尔兹曼常数。

由此可知，加热温度T越高，真空密封空间中通过密封盖扩散到外表面的铯原子数量也就越多。

接着，扩散到密封盖外表面的铯原子，将在表面发生表面电离现象，根据沙哈-朗缪尔方程，表面电离的电离度(单位时间内离开金属表面的铯离子数与铯原子数之比)为

式中，W_i是铯原子的电离能。为金属表面的逸出功。

由于密封盖所用材料选择为诸如钨和钼这种具有较高逸出功材料，理论计算表明，在低于1000K的温度下，超过99％铯是以离子的形式从钨和钼表面发射出去。

由式(1)和式(2)可知，通过控制本发明离子源密封盖的温度，即可控制本发明离子源产生的离子电流，且本发明的铯离子源具有铯利用效率高的特点。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种微电流铯离子源，其特征在于，包括铯储器体，所述铯储器体具有容纳铯源的腔体，还包括与铯储器体材料不同的密封盖，密封盖所用材料的逸出功高于铯的电离能，密封盖布置为与铯储器体的一端接合形成真空密封，所述铯离子源还包括加热铯源的加热器，使得气化的铯单质通过密封盖扩散到密封盖表面产生铯离子流；

密封盖所用材料没有孔隙，无法与外界空气流通，具有致密性好的特点；

所述加热器的加热温度在400℃以上，通过控制温度即可实现对离子源输出铯离子电流的调节。

2.根据权利要求1所述的一种微电流铯离子源，其特征在于，所述密封盖的材料选择高逸出功材料，包括钨、钼或其合金。

3.根据权利要求1所述的一种微电流铯离子源，其特征在于，所述密封盖的表面为平面或者曲面。

4.根据权利要求1所述的一种微电流铯离子源，其特征在于，所述铯储器体的材料选择钽、镍或其合金。

5.根据权利要求1所述的一种微电流铯离子源，其特征在于，所述铯储器体与密封盖采用焊接技术实现真空密封焊接，所述焊接技术包括钎焊、电子束焊、氩弧焊或激光焊。

6.根据权利要求1所述的一种微电流铯离子源，其特征在于，所述铯源为单质铯或者加热反应生成单质铯的铯盐。

7.根据权利要求6所述的一种微电流铯离子源，其特征在于，所述铯盐的选择包括铯的碳酸盐、铯的硝酸盐、铯的铬酸盐或者铯的重铬酸盐。

8.根据权利要求7所述的一种微电流铯离子源，其特征在于，所述铯储器体内还包括还原剂，所述还原剂具体包括锆粉或锆铝合金粉。

9.根据权利要求1所述的一种微电流铯离子源，其特征在于，所述加热器包括加热丝、绝缘陶瓷和热屏，所述加热丝以螺旋形式绕制在铯储器体上，加热丝与铯储器体之间采用绝缘陶瓷绝缘，加热丝外围布置热屏；其中，所述加热丝为在通电时可发热的金属丝或碳丝。

10.根据权利要求9所述的一种微电流铯离子源，其特征在于，所述金属丝包括钨丝、钨铼丝或者镍铬丝。