CN112599397B - 一种储存式离子源 - Google Patents

Abstract

本申请涉及真空电子学技术领域，具体而言，涉及一种储存式离子源，包括阴极、电子聚焦系统、电离室以及电子收集极，其中：电子聚焦系统设置在阴极的上方，阴极产生的电子通过电子聚焦系统形成电子束流；电离室设置在电子聚焦系统与电子收集极之间，电离室的两侧设置有栅网，电离室与栅网之间形成均匀电场；电子束流通过均匀电场电离后，被电子收集极接收。本申请利用电子的空间电荷效应囚禁储存离子，使得离子的初始状态具有良好一致性，在引出离子源时，离子束的稳定性和均匀性得到很大提升。

Description

一种储存式离子源

技术领域

本申请涉及真空电子学技术领域，具体而言，涉及一种储存式离子源。

背景技术

离子源广泛应用于质谱计、表面镀膜、离子推进器等领域，提高离子束流稳定性和均匀性成为技术发展的重要趋势，例如，对于飞行时间质谱计而言，离子能量和空间均匀性直接影响仪器分辨本领、灵敏度等性能参数。

离子源种类很多，传统电子碰撞型离子源通常应用于气体分子的电离，电子能量通常达到70eV左右，电子在电场、磁场等作用下，在电离室中振荡运动，最终通过与分子碰撞发生电离，电离产生的离子均匀分布于整个电离空间中，当施加引入电压或者增加推斥电压时，离子被拉出电离室，形成离子束流，用于质谱计、表面镀膜、离子推进器等。储存式离子源则是利用空间电荷效应将低能离子囚禁于电离室中，可以保证良好的离子初始状态，解决各类离子源在瞬时电离和瞬时引出过程中存在的状态差异。

传统电子碰撞型离子源电子束聚焦引入的轨迹可控性较差，电子碰撞产生的初始离子的初始位置分散性较大，在引出电离室时，离子的能量差异较大，且存在较大空间和时间差异。这些问题限制了离子源技术的发展，也限制了其在高端测量仪器或者分析仪器领域的应用。如图1所示，S.Sheridan等提出了一种应用于空间质谱计的碳纳米管阴极碰撞型离子源(请参见“S.Sheridan，M.W.Bardwell，A.D.Morse et al.A carbon nanotubeelectron impact ionization source for low-power，compact spacecraft massspectrometers.Advances in Space Research，2012；49：1245)，该电子源的出射电子能量达到数百电子伏特，碳纳米管阴极面积0.5mm²，电离效率相对较低，电子引出后随机碰撞电离气体分子，离子被直接引入质量分析器，离子束流均匀性和稳定性较差。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种储存式离子源，克服了电子束和离子束发散的问题，提高了电子束聚焦特性，能够限制电子碰撞电离的发生区域，改善离子束流的稳定性和均匀性。

本申请提供的储存式离子源，包括阴极、电子聚焦系统、电离室以及电子收集极，其中：电子聚焦系统设置在阴极的上方，阴极产生的电子通过电子聚焦系统形成电子束流；电离室设置在电子聚焦系统与电子收集极之间，电离室的两侧设置有栅网，电离室与栅网之间形成均匀电场；电子束流通过均匀电场电离后，被电子收集极接收。

进一步的，阴极表面设置有门极，门极平行安装在阴极表面上。

进一步的，电子聚焦系统包括减速电极和聚焦电极，减速电极设置在门极的上方，聚焦电极设置在减速电极的上方，聚焦电极为锥形结构。

进一步的，电离室设置在聚焦电极的上方，电离室为方框结构，上下两端设置有通孔。

进一步的，栅网包括推斥栅网和引出栅网。

进一步的，推斥栅网为单层栅网，设置在电离室框架的一侧，引出栅网为双层栅网，设置在电离室框架的另一侧。

进一步的，电子收集极设置在电离室的上方，电子收集极的电位高于阴极的电位。

进一步的，阴极为点状阴极，采用碳纳米管阵列。

本发明提供的一种储存式离子源，具有以下有益效果：

(1)本发明采用碳纳米管阴极作为电子发射源，具有较小的发射面积，出射电子的角度分散性和能量分散性较小，也具有更低的功耗，响应时间优于传统热电子发射阴极。

(2)本发明的碳纳米管阵列阴极采用气相化学沉积技术进行制备，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，配合门极，可实现较大的发射电流，有利于离子源的微型化。

(3)本发明依次设置有电子聚焦系统、电离室、栅网以及电子收集极，利用电子的空间电荷效应囚禁储存离子，使得离子的初始状态具有良好一致性，在引出离子源时，离子束的稳定性和均匀性得到很大提升。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为现有技术应用于空间质谱计的碳纳米管阴极碰撞型离子源的示意图；

图2为本申请储存式离子源的结构示意图；

图3为本申请储存式离子源的电子聚焦系统的结构示意图；

图4为本申请储存式离子源发射电子的轨迹模拟图；

图中：a-玻璃基座、b-门极栅网支架、c-CNT阴极、d-门极栅网、1-阴极、2-电子聚焦系统、21-减速电极、22-聚焦电极、3-电离室、4-电子收集极、5-门极、6-推斥栅网、7-引出栅网、8-电子运动轨迹。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图2至图4所示，本申请提供的储存式离子源，包括阴极1、电子聚焦系统2、电离室3以及电子收集极4，其中：电子聚焦系统2设置在阴极1的上方，阴极1产生的电子通过电子聚焦系统2形成电子束流；电离室3设置在电子聚焦系统2与电子收集极4之间，电离室3的两侧设置有栅网，电离室3与栅网之间形成均匀电场；电子束流通过均匀电场电离后，被电子收集极4接收。

具体的，本发明实施例提供了一种储存式离子源，主要利用电子的空间电荷效应将低能离子囚禁储存在电离室3中，使得离子的初始状态具有良好的一致性，并且在引出离子源时，可以大大提升离子束的稳定性和均匀性。阴极1是整体结构的电子源，主要用于发射电子。电子聚焦系统2主要用于对阴极1发射出来的电子进行聚焦，使大量电子形成平行电子束。电离室3主要用于电子的电离，与两侧的栅网形成半封闭电离区域，形成均匀的电场，电子束通过均匀电场时会发生电离，电离产生的离子会被引入电离室3进行储存，形成离子源或者离子束。电子收集极4用于收集通过电离室3发生电离后的电子束。电子聚焦系统2和电离室3通过陶瓷绝缘，并通过螺纹连接的方式夹持固定。在本发明实施例中，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，然后将所有电极通过焊接引线的方式与法兰连接。

进一步的，阴极1表面设置有门极5，门极5平行安装在阴极1表面上。门极5主要用于提供电子引出的电场，将阴极1发射出来的电子引出到电子聚焦系统2中，门极5优选由不锈钢、钼、钨等耐电子和离子轰击材料制成的栅网结构，通过化学刻蚀、电镀、编制等工艺进行栅网结构的加工，透过率介于50％-80％之间，门极5的引出电压优选设置在400V-1000V之间，具体电压根据阴极1的发射性能确定。门极5设置的相对位置与阴极1表面平行，门极5与阴极1之间采用云母片粘接的方式进行固定，可以采用银胶或其它胶合剂使云母片分别与阴极1的衬底和门极5栅网外边缘进行粘接固定。

进一步的，电子聚焦系统2包括减速电极21和聚焦电极22，减速电极21设置在门极5的上方，聚焦电极22设置在减速电极21的上方，聚焦电极22为锥形结构。电子聚焦系统2是电子光学系统，减速电极21优选为不锈钢、钼或者钨网，聚焦电极22设置为锥形结构，下端窄，上端宽，可以根据阴极1种类不同，选择不同聚焦电极22结构和材料，减速电极21和聚焦电极22共同组成电子聚焦系统2，用于聚焦门极5引出的电子，使电子聚焦形成准直平行的电子束。

进一步的，电离室3设置在聚焦电极22的上方，电离室3为方框结构，上下两端设置有通孔。电离室3主要用于电子的电离，并将电离产生的离子进行储存。电离室3优选为不锈钢等金属材料制成的框架结构，框架上下两端设置的通孔主要用于电子的进出，电子束通过下端的通孔进入电离室3，电子在经过电离室3的过程中会与气体分子发生碰撞电离，电离产生的离子会通过电离室3两侧栅网形成的电场引入储存在电离室3内，形成离子束流及离子源，使得离子的初始状态具有良好一致性，后续引出离子源时，离子束的稳定性和均匀性能够得到很大的提升，而电离结束后电子通过上端的通孔射出，进入后续的电子收集极4被收集处理。

进一步的，栅网包括推斥栅网6和引出栅网7。设置推斥栅网6与引出栅网7，主要用于保证电离区域电场的均匀，栅网优选采用化学刻蚀或者物理编织等方式制备，具有一定的物理透过率，能够保证气体分子进入电离室3，也保证电子电离产生的离子以较高的效率引入电离室3进行储存。

进一步的，推斥栅网6为单层栅网，设置在电离室3框架的一侧，引出栅网7为双层栅网，设置在电离室3框架的另一侧。推斥栅网6通过焊接的方式固定在电离室3的左侧，引出栅网7通过焊接的方式固定在电离室3的右侧，电离室3、推斥栅网6以及引出栅网7之间形成均匀电场，并共同组成半封闭电离区域，电子束会漂移通过电离区域发生电离，电离产生的离子会被引入到电离室3进行储存，电离后的电子束离开电离区域，最终被电子收集极4接收。

进一步的，电子收集极4设置在电离室3的上方，电子收集极4的电位高于阴极1的电位。电子收集极4主要用于接收穿过电离室3的电子束，优选为电位略高于阴极1的金属电极。

进一步的，阴极1为点状阴极1，采用碳纳米管阵列。阴极1优选采用热气相化学沉积法直接生长制备的碳纳米管阵列，发射面积为1mm左右，设置为点电子源，主要用于提供电子。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种储存式离子源，其特征在于，包括阴极、电子聚焦系统、电离室以及电子收集极，其中：

所述电子聚焦系统设置在所述阴极的上方，所述阴极产生的电子通过所述电子聚焦系统形成电子束流；

所述阴极表面设置有门极，所述门极平行安装在所述阴极表面上；

所述电子聚焦系统包括减速电极和聚焦电极，所述减速电极设置在所述门极的上方，所述聚焦电极设置在所述减速电极的上方，所述聚焦电极为锥形结构；

所述电离室设置在所述电子聚焦系统与所述电子收集极之间，所述电离室设置在所述聚焦电极的上方，所述电离室为方框结构，上下两端设置有通孔；

推斥栅网为单层栅网，通过焊接的方式固定在电离室的左侧，引出栅网为双层栅网，通过焊接的方式固定在电离室的右侧；

电离室、推斥栅网以及引出栅网之间形成均匀电场，并共同组成半封闭电离区域；

所述电子束流通过所述均匀电场电离后，被所述电子收集极接收。

2.如权利要求1所述的储存式离子源，其特征在于，所述电子收集极设置在所述电离室的上方，所述电子收集极的电位高于所述阴极的电位。

3.如权利要求1所述的储存式离子源，其特征在于，所述阴极为点状阴极，采用碳纳米管阵列。

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