CN111146049A - 一种碳纳米管场发射阴极的小型离子源 - Google Patents

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成永军
裴晓强
习振华
张虎忠
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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管场发射阴极的小型离子源，包括碳纳米管阴极、电离室、准直磁铁、推斥电极、聚焦电极、离子出口电极和物缝电极；碳纳米管阴极产生的电子进入电离室，并在准直磁铁产生的磁场作用下电离中性气体，电离得到的离子束依次在推斥电极、电离室、聚焦电极、离子出口电极和物缝电极所加载电压产生的静电场的作用下，加速、聚焦于物缝电极的圆孔处；本发明能够在真空环境下具备较高的电子利用率和离子传输效率，进而提高离子源灵敏度。

Description

一种碳纳米管场发射阴极的小型离子源
技术领域
本发明属于真空测量技术领域，具体涉及一种碳纳米管场发射阴极的小型离子源。
背景技术
随着科学技术迅猛发展，高新技术领域对极高真空测量提出了更高的要求，尤其是航空航天、高能物理、表面科学等高新技术领域，对真空测量提出了更加迫切的要求。
现有技术的缺陷：
(1)传统的离子源均是以铼-钨丝或氧化物等金属材料作为阴极发射电子。传统的这种热阴极存在着加热温度高(铼-钨丝1800℃时才可发射电子)、有分解残余气体及化学清除等作用，会改变气体成分及压强、且还存在阴极发射比低、加热功率高、集成化加工难度大、难以小型化等问题。
(2)传统离子源的离子光学系统采用多电极结构(电极多达7-9个)，结构复杂，且这种多电极结构会造成更多离子的丢失，从而减小离子传输效率，影响灵敏度。
(3)传统的离子源存在着质量歧视效应(对不同质荷比的离子具有不同的电离几率)和空间电荷效应(电离室电场及其分布不合理导致带电离子和电子相互碰撞、相互作用，一方面影响中性气体的进一步电离，另一方面影响离子从电离室的引出)，从而最终影响离子源的灵敏度。
因此，如何消耗更低的功率，集中更多的热量，发射更多的电子，实现发射电子流更高的稳定度，对离子化效率和稳定性等离子源性能有着重要影响。
碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNT)具有优异的电学、力学等性能，在高真空环境下具有优良的场致发射特性，在碳纳米管阴极中，电子是在外加电场作用下产生的，消除了热阴极加热功耗大，阴极材料的蒸发等不利因素；极快的响应时间使场致发射阴极可以在脉冲电压模式下工作，减小了场致发射阴极遭受离子轰击的几率，从而显著增长它的使用寿命；而且场致发射碳纳米管阴极稳定性在真空度越高的条件下越好。
因此，有必要提出一种新型质谱离子源，克服传统高温热阴极引起的问题，同时，通过优化设计离子源各电极结构和它的物理、几何参数，改善离子源中的电场分布特性，提高离子源电子利用率和离子传输效率，进而进一步提高离子源灵敏度，拓展离子源工作压力范围。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种碳纳米管场发射阴极的小型离子源，能够在真空环境下具备较高的电子利用率和离子传输效率，进而提高离子源灵敏度。
实现本发明的技术方案如下：
一种碳纳米管场发射阴极的小型离子源，包括碳纳米管阴极、电离室、准直磁铁、推斥电极、聚焦电极、离子出口电极和物缝电极；
所述碳纳米管阴极为依次由碳纳米管、栅极和阳极组成的三电极结构；
碳纳米管阴极产生的电子进入电离室，并在准直磁铁产生的磁场作用下电离中性气体，电离得到的离子束依次在推斥电极、电离室、聚焦电极、离子出口电极和物缝电极所加载电压产生的静电场的作用下，加速、聚焦于物缝电极的圆孔处；
电离室出口与聚焦电极的间距为2mm，聚焦电极与离子出口电极的间距为2.5mm，离子出口电极和物缝电极的间距为9.5mm；
电离室电压为U，聚焦电极的电压为0.5U，推斥电极的电压为(U+8)V，离子出口电极的电压为-400V，物缝电极接地。
进一步地，电离室的电子入口孔径为2.5mm，电离室的离子出口孔径为1mm，聚焦电极孔径为1.2mm，离子出口电极的孔径为0.3mm，物缝电极的孔径为0.6mm。
进一步地，推斥电极端面为正八边形结构。
进一步地，准直磁铁的材料为钕镍钴或钕铁硼的永磁材料。
有益效果：
(1)本发明的离子源和传统基于热电子发射的EI源相比，采用基于碳纳米管阴极的三电极结构，具有功耗低，响应速度快，室温下工作，尺度小，电流密度大，抗氧化强，操作维护方便等优点。
(2)本发明碳纳米管阴极的三电极结构，通过在阴阳极之间引入栅极，对栅极施加电压，在阴栅区域形成高场强，使得电子突破势垒区逸出，栅网结构的引入不但能有效降低场致发射的工作电压和动态电压调制范围，还能提高电流强度、有效的减弱打火现象对阴极的损害。
(3)本发明通过理论分析计算、数值模拟仿真和实验验证确定的离子光学透镜的各物理参数(包括几何尺寸和电压参数)能够增大离子源电离效率和离子传输效率，有效提高了离子源的核心性能指标—灵敏度(灵敏度指的是最后从物缝电极出射的离子流与离子源真空度之比，在真空度一定的条件下，通过物缝电极出射的离子流越大，灵敏度就越高)，从而使得该离子源应用于磁偏转质谱计、飞行时间质谱计、离子阱质谱计等各种不同工作原理的质谱仪器中时，能够整体提升整个质谱仪器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明离子源的结构示意图。
其中，1-准直磁铁N极，2-准直磁铁S极，3-栅极，4-阳极，5-电子入口孔径，6-推斥电极，7-碳纳米管，8-电离室，9-聚焦电极，10-离子出口电极，11-物缝电极。
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。
本发明提供了一种碳纳米管场发射阴极的小型离子源，如图1所示，包括碳纳米管阴极、电离室8、准直磁铁(准直磁铁N极1和准直磁铁S极2)、推斥电极6、聚焦电极9、离子出口电极10和物缝电极11；
碳纳米管阴极为碳纳米管(CNTs)7、栅极3和阳极4组成的三电极结构，CNTs7用于发射电子，栅极3用于加速电子，阳极4用于收集电子，且通过反馈电路控制电子发射电流在300μA～1mA内。
电离室8的几何尺寸为10mm×10mm×7mm，材料选用耐高温的电热合金(牌号为Cr20Ni80)。
准直磁铁包括N极1和S极2，中心区域的磁感应强度为0.04T，材料选用钕镍钴(AlNiCo)或钕铁硼(NdFeB)永磁材料，准直磁铁的主要作用是延长电子运动路径，聚焦电子束流，增大中性气体电离效率。
推斥电极端面为正八边形结构(电极结构为正八边形时，离子源中电场分布会将更多的离子从电离室推出)。
为增大离子的传输效率，减小离子丢失，离子光学各透镜电极结构由传统的狭缝状改为圆孔状。电离室离子出口孔径为1mm，聚焦电极孔径为1.2mm，离子出口电极10的孔径为0.3mm，物缝电极11的孔径为0.6mm。
同样为获得离子源的高性能，采用离子光学理论计算、Simion离子光学数值模拟仿真软件和实验验证的方法，确定了各透镜电极的物理参数，包括各电极间间距和电压参数。最后确定电子入口孔径为2.5mm，电离室与聚焦极的间距为2mm，聚焦极与离子出口电极10的间距为2.5mm，离子出口电极10和物缝电极11的间距为9.5mm。聚焦极电压为电离室电压的0.5倍，离子出口电极10的电压为-400V，物缝电极11接地，为0电位。
为了减小多种碎片杂乱峰对质谱分析带来的不利影响，实现气体组分的定性准确分析，碳纳米管阴极与电离室之间的电压设定为-70V。
本发明的离子光学透镜由推斥电极6，电离室8，聚焦电极9和离子出口电极10，物缝电极11组成，用于对离子的加速、聚焦和传输成像，最后离子聚焦于物缝电极11的圆孔处。
各离子光学透镜之间的物理参数要满足如下关系：
①电离室与聚焦极的间距l1＝2mm，聚焦极与离子出口电极10的间距l2＝2.5mm，离子出口电极10和物缝电极11的间距l3＝9.5mm。
②聚焦极电压为电离室电压的0.5倍，离子出口电极10的电压为-400V，物缝电极11接地，为0电位。碳纳米管阴极与电离室之间的电压设定为-70V。
离子源的工作过程为：首先碳纳米管阴极发射出能量为70eV的电子，通过电子入口孔径引入到电离室，电子在准直磁铁的作用下以螺旋状形式和中性气体不断碰撞使中性气体电离，电离得到的不同荷质比的离子束在推斥极6、电离室8、聚焦极9、离子出口电极10和物缝电极11所加电压产生的静电场的作用下，加速、聚焦于物缝电极11的圆孔处。
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 (4)

1.一种碳纳米管场发射阴极的小型离子源，其特征在于，包括碳纳米管阴极、电离室、准直磁铁、推斥电极、聚焦电极、离子出口电极和物缝电极；
所述碳纳米管阴极为依次由碳纳米管、栅极和阳极组成的三电极结构；
碳纳米管阴极产生的电子进入电离室，并在准直磁铁产生的磁场作用下电离中性气体，电离得到的离子束依次在推斥电极、电离室、聚焦电极、离子出口电极和物缝电极所加载电压产生的静电场的作用下，加速、聚焦于物缝电极的圆孔处；
电离室出口与聚焦电极的间距为2mm，聚焦电极与离子出口电极的间距为2.5mm，离子出口电极和物缝电极的间距为9.5mm；
电离室电压为U，聚焦电极的电压为0.5U，推斥电极的电压为(U+8)V，离子出口电极的电压为-400V，物缝电极接地。
2.如权利要求1所述的一种碳纳米管场发射阴极的小型离子源，其特征在于，电离室的电子入口孔径为2.5mm，电离室的离子出口孔径为1mm，聚焦电极孔径为1.2mm，离子出口电极的孔径为0.3mm，物缝电极的孔径为0.6mm。
3.如权利要求1所述的一种碳纳米管场发射阴极的小型离子源，其特征在于，推斥电极端面为正八边形结构。
4.如权利要求1所述的一种碳纳米管场发射阴极的小型离子源，其特征在于，准直磁铁的材料为钕镍钴或钕铁硼的永磁材料。
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