TWI407476B - 離子源 - Google Patents

Description

離子源

本發明涉及一種離子源，尤其涉及一種基於場發射電子源的離子源。

場發射電子源係離子源的重要元件，其為離子源提供電子以轟擊工作氣體，使工作氣體電離產生離子。

先前技術中的場發射電子源通常包括一絕緣基底；一設置於該絕緣基底上的陰極電極；複數個設置於陰極電極上的電子發射體；一設置於該絕緣基底上的第一絕緣隔離層，所述第一絕緣隔離層具有通孔，所述電子發射體通過該通孔暴露，以使電子發射體發射的電子通過該通孔射出；以及一柵極電極，所述柵極電極與陰極電極間隔設置。當所述場發射電子源工作時，向柵極電極施加一高電位，向陰極電極施加一低電位。故，電子發射體發射的電子通過該通孔射出。

然而，電子發射體發射的電子會與真空中游離的氣體分子碰撞，從而使氣體分子電離產生離子。而且，該離子會向處於低電位的陰極電極方向運動。由於所述場發射電子源的電子發射體通過所述通孔暴露，故，該電子發射體很容易受到該離子的轟擊，從而導致電子發射體損壞。

有鑒於此，提供一種可以有效避免離子轟擊電子發射體的離子源實為必要。

一種離子源，其包括：一真空容器，該真空容器具有一氣體入口以及一離子出射孔；一離子電極，該離子電極設置於所述真空容器的離子出射孔處；以及一場發射電子源設置於所述真空容器中。該場發射電子源包括：一絕緣基底；一電子引出電極，該電子引出電極設置於該絕緣基底的一表面；一二次電子發射層，該二次電子發射層設置於該電子引出電極的表面；一陰極電極，該陰極電極通過一第一絕緣隔離層與該電子引出電極間隔設置，所述電子引出電極設置於陰極電極與絕緣基底之間，該陰極電極具有一表面至少部分與該電子引出電極面對設置，該陰極電極具有一第一開口，該第一開口定義一電子出射部；一電子發射層，該電子發射層設置於陰極電極面對該電子引出電極設置的至少部分表面；以及一柵極電極，該柵極電極與陰極電極絕緣設置，且所述陰極電極設置於電子引出極與柵極電極之間。

一種離子源，其包括：一真空容器，該真空容器具有一氣體入口，一電子注入孔以及一離子出射孔；一陽極電極，該陽極電極設置於所述真空容器內；以及一場發射電子源設置於所述電子注入孔附近。該場發射電子源包括：一絕緣基底；一電子引出電極，該電子引出電極設置於該絕緣基底的一表面；一二次電子發射層，該二次電子發射層設置於該電子引 出電極的表面；一陰極電極，該陰極電極通過一第一絕緣隔離層與該電子引出電極間隔設置，所述電子引出電極設置於陰極電極與絕緣基底之間，該陰極電極具有一表面至少部分與該電子引出電極面對設置，該陰極電極具有一第一開口，該第一開口定義一電子出射部，且該電子出射部與電子注入孔對準；以及一電子發射層，該電子發射層設置於陰極電極面對該電子引出電極設置的至少部分表面。

一種離子源，其包括：一絕緣基底；一電子引出電極，該電子引出電極設置於該絕緣基底的一表面；一二次電子發射層，該二次電子發射層設置於該電子引出電極的表面；一陰極電極，該陰極電極通過一第一絕緣隔離層與該電子引出電極間隔設置，所述電子引出電極設置於陰極電極與絕緣基底之間，該陰極電極具有一表面至少部分與該電子引出電極面對設置，該陰極電極具有一第一開口，該第一開口定義一電子出射部；一電子發射層，該電子發射層設置於陰極電極面對該電子引出電極設置的至少部分表面；一柵極電極，該柵極電極與陰極電極絕緣設置，且所述陰極電極設置於電子引出極與柵極電極之間；一第四絕緣層設置於所述柵極電極遠離絕緣基底的表面，所述第四絕緣層具有一與電子出射部相對的第五開口以定義一真空空間，且所述第四絕緣層的側壁上具有一氣體入口；以及一離子電極，該離子電極設置於第四絕緣層遠離柵極電極的表面。

與先前技術相比，由於電子出射部形成於陰極電極上，電子 發射體的電子發射端不會通過電子出射部暴露，故，當電子發射體發射的電子與真空中游離的氣體分子碰撞產生離子向電子引出電極方向運動時，該離子不會轟擊到該電子發射體，從而使該電子發射體具有較長壽命。

10,20,30‧‧‧離子源

12,22‧‧‧真空容器

13‧‧‧絕緣層

14‧‧‧離子電極

16,26‧‧‧氣體入口

18,28‧‧‧離子出射孔

21‧‧‧第一電極

211‧‧‧第一通孔

23‧‧‧第二電極

231‧‧‧第二通孔

24‧‧‧陽極電極

25‧‧‧第三電極

251‧‧‧第三通孔

27‧‧‧電子注入孔

29‧‧‧聚焦裝置

100,200,300,400‧‧‧場發射電子源

110,210,310,410‧‧‧絕緣基底

112,212,312,412‧‧‧第一絕緣隔離層

1120‧‧‧第二開口

114,214,314,414‧‧‧陰極電極

1140,2140,4140‧‧‧第一開口

116,216,316,416‧‧‧電子發射層

1162,2162‧‧‧電子發射體

1164,2164‧‧‧電子發射端

118,218,318,418‧‧‧電子引出電極

120,220,320,420‧‧‧二次電子發射層

121,221,321,421‧‧‧第二絕緣隔離層

1212,3212‧‧‧第三開口

122,222,322,422‧‧‧柵極電極

2142‧‧‧第二突起

2202‧‧‧第一突起

424‧‧‧二次電子倍增極

4240‧‧‧第四開口

4242‧‧‧二次電子發射材料

426‧‧‧第三絕緣隔離層

圖1為本發明第一實施例提供的場發射電子源的結構示意圖。

圖2為圖1的場發射電子源沿II-II線剖開後的俯視圖。

圖3為圖1的場發射電子源沿III-III線剖開後的仰視圖。

圖4為本發明第一實施例提供的場發射電子源的製備方法工藝流程圖。

圖5為本發明第二實施例提供的場發射電子源的結構示意圖。

圖6為本發明第三實施例提供的場發射電子源的結構示意圖。

圖7為本發明第四實施例提供的場發射電子源的結構示意圖。

圖8為本發明第五實施例提供的離子源的結構示意圖。

圖9為本發明第六實施例提供的離子源的結構示意圖。

圖10為本發明第七實施例提供的離子源的結構示意圖。

以下將結合附圖詳細說明本發明實施例提供的離子源。由於場發射電子源為離子源提供電子以轟擊工作氣體，使工作氣體電離產生離子。所述本發明首先介紹幾種用於離子源的場發射電子源。該場發射電子源可以包括一個或複數個單元。本發明實施例僅以一個單元為例說明。

請參閱圖1至圖3，本發明第一實施例提供一種場發射電子源100，其包括一絕緣基底110，一第一絕緣隔離層112，一陰極電極114，一電子發射層116，一電子引出電極118，一二次電子發射層120，一第二絕緣隔離層121以及一柵極電極122。

所述絕緣基底110具有一表面，且所述電子引出電極118設置於該絕緣基底110的表面。所述二次電子發射層120設置於所述電子引出電極118遠離絕緣基底110的表面。所述陰極電極114通過一第一絕緣隔離層112與該電子引出電極118間隔設置，且所述電子引出電極118設置於陰極電極114與絕緣基底110之間。所述陰極電極114定義一第一開口1140作為電子出射部。所述陰極電極114的第一開口1140與所述電子引出電極118面對設置，即電子出射部與所述電子引出電極118相對設置。所述陰極電極114具有一表面，且該表面的至少部分與該電子引出電極118面對設置。所述電子發射層116設置於陰極電極114與該電子引出電極118面對設置的部分表面。優選地，所述電子發射層116設置於陰極電極114表面靠近電子出射部的位置。所述柵極電極122通過所述第二絕緣隔離層 121與所述陰極電極114間隔設置。所述電子發射層116發射的電子轟擊所述二次電子發射層120產生二次電子。所述二次電子發射層120發射的二次電子在柵極電極122作用下通過電子出射部射出。

所述絕緣基底110的材料可以為矽、玻璃、陶瓷、塑膠或聚合物。所述絕緣基底110的形狀與厚度不限，可以根據實際需要選擇。優選地，所述絕緣基底110的形狀為圓形、正方形或矩形。本實施例中，所述絕緣基底110為一邊長為10毫米，厚度為1毫米的正方形玻璃板。

所述電子引出電極118為一導電層，且其厚度和大小可以根據實際需要選擇。所述電子引出電極118的材料可以為純金屬、合金、氧化銦錫或導電漿料等。可以理解，當絕緣基底110為矽片時，該電子引出電極118可以為一矽摻雜層。本實施例中，所述電子引出電極118為一厚度為20微米的圓形鋁膜。該鋁膜通過磁控濺射法沈積於絕緣基底110表面。

所述二次電子發射層120的材料包括氧化鎂(MgO)、氧化鈹(BeO)、氟化鎂(MgF2)、氟化鈹(BeF2)、氧化銫(CsO)、氧化鋇(BaO)、銀氧銫、銻銫、銀鎂合金、鋁鎂合金、鎳鈹合金、銅鈹合金以及GaP(Cs)中的一種或幾種，其厚度和大小可以根據實際需要選擇。所述二次電子發射層120可以通過塗敷、電子束蒸發、熱蒸發或磁控濺射等方法形成於電子引出電極118的表面。可以理解，所述二次電子發射層120的表面還可以形成有凹凸結構以增加二次電子發 射層120的面積，可提高二次電子發射效率。本實施例中，所述二次電子發射層120為一厚度為20微米的圓形氧化鋇層。

所述陰極電極114可以為一導電層或導電基板，其材料可以為金屬、合金、氧化銦錫(ITO)或導電漿料等。所述陰極電極114的厚度和大小可以根據實際需要選擇。所述陰極電極114的至少部分表面與所述二次電子發射層120面對設置。所述陰極電極114具有一第一開口1140作為電子出射部。具體地，所述陰極電極114可以為一具有通孔的層狀結構或複數個相隔一定距離設置的條狀結構。所述第一開口1140可以為所述陰極電極114的通孔或相隔一定距離設置的條狀結構之間的間隔。本實施例中，所述陰極電極114為一圓環形鋁導電層，且其中心具有一通孔作為電子出射部。

所述第一絕緣隔離層112設置於所述陰極電極與電子引出電極之間，用於使所述陰極電極與電子引出電極之間絕緣。所述第一絕緣隔離層112的材料可以為樹脂、厚膜曝光膠、玻璃、陶瓷、金屬氧化物中的一種或機種。所述氧化物包括二氧化矽、三氧化二鋁、氧化鉍等，其厚度和形狀可以根據實際需要選擇。所述第一絕緣隔離層112可以直接設置於絕緣基底110表面，也可設置於電子引出電極118表面。所述第一絕緣隔離層112具有一第二開口1120。具體地，所述第一絕緣隔離層112可以為一具有通孔的層狀結構，所述通孔為第二開口1120，暴露出二次電子發射層120。所述第一絕緣隔 離層112也可為複數個相隔一定距離設置的條狀結構，且所述相隔一定距離設置的條狀結構之間的間隔為第二開口1120。所述陰極電極114的至少部分對應設置於所述第一絕緣隔離層112的第二開口1120處，並通過該第一絕緣隔離層112的第二開口1120暴露出部分表面面對所述二次電子發射層120設置。所述陰極電極114的第一開口1140與所述第一絕緣隔離層的第二開口1120至少部分交疊設置。所述第一開口1140與所述第二開口1120交疊的部分作為電子出射部。優選地，所述第一開口1140完全設置於第二開口1120範圍內，所述第一開口1140作為電子出射部。本實施例中，所述第一絕緣隔離層112為一厚度為100微米的圓環形SU-8光刻膠設置於玻璃板表面，且其定義有一圓形通孔，所述陰極電極114的部分表面通過該圓形通孔與二次電子發射層120面對設置，所述陰極電極114的通孔設置於第一絕緣隔離層112的圓形通孔的範圍內，作為電子出射部。

所述柵極電極122可以為金屬柵網、金屬片、氧化銦錫薄膜或導電漿料層等。所述柵極電極122設置於第二絕緣隔離層121與陰極電極114相對的另一表面，即第二絕緣隔離層121設置於柵極電極122與陰極電極114之間。具體地，所述柵極電極122可設置於第二絕緣隔離層121的上表面靠近電子出射部的位置。當所述柵極電極122為柵網時，可覆蓋所述電子出射部設置。所述柵極電極122可以通過絲網列印、電鍍、化學氣相沈積、磁控濺射、熱沈積等方法製備，也可以將提 前製備好的金屬柵網直接設置於第二絕緣隔離層121上。本實施例中，所述柵極電極122為金屬柵網，且該柵極電極122從第二絕緣隔離層121的表面延伸至電子出射部上方，且該金屬柵網覆蓋所述電子出射部。可以理解，所述金屬柵網上還可以塗敷二次電子發射材料，以進一步增強場發射電子源100的場發射電流密度。

所述第二絕緣隔離層121的材料和形成方法與第一絕緣隔離層112的材料和形成方法相同。所述第二絕緣隔離層121的作用為使陰極電極114與柵極電極絕緣。所述陰極電極114設置於第二絕緣隔離層121靠近電子引出電極118的表面。所述第二絕緣隔離層121為一層狀結構，其形狀和大小與陰極電極114相對應。所述第二絕緣隔離層121具有一與電子出射部對應的第三開口1212。所述第三開口1212與第一開口1140及第二開口1120至少部分交疊設置，所述第三開口1212與第一開口1140及所述第二開口1120交疊的部分作為電子出射部。本實施例中，所述第二絕緣隔離層121具有一與電子出射部相對應的通孔。所述第二絕緣隔離層121在第三開口1212的內壁上可以進一步設置有二次電子發射材料。即，所述第二絕緣隔離層121靠近電子出射部的表面可以設置二次電子發射材料。此時，所述第二絕緣隔離層121的厚度可以做的較大，如500微米~1000微米，以提高二次電子發射材料的面積。進一步，所述第二絕緣隔離層121在第三開口1212的內壁上可以形成複數個凹凸結構，以增加二次電子發射材料的面積 。

所述電子發射層116設置於陰極電極114面對二次電子發射層120的部分表面，所述電子發射層116面對所述二次電子發射層120設置。優選地，所述電子發射層116設置於陰極電極114的表面靠近電子出射部的位置。所述電子發射層116包括複數個電子發射體1162，如奈米碳管、奈米碳纖維、或矽奈米線等。所述每個電子發射體1162具有一電子發射端1164，且該電子發射端1164指向所述二次電子發射層120設置。所述電子發射層116的厚度和大小可以根據實際需要選擇。進一步，所述電子發射層116的表面開可以設置一層抗離子轟擊材料以提高其穩定性和壽命。所述抗離子轟擊材料包括碳化鋯、碳化鉿、六硼化鑭等中的一種或複數種。本實施例中，所述電子發射層116為一環形奈米碳管漿料層。所述奈米碳管漿料包括奈米碳管、低熔點玻璃粉以及有機載體。其中，有機載體在烘烤過程中蒸發，低熔點玻璃粉在烘烤過程中熔化並將奈米碳管固定於陰極電極114表面。所述環形電子發射層116的外徑小於或等於二次電子發射層120的半徑，且內徑等於電子出射部的半徑。

所述電子發射層116的電子發射體1162的電子發射端1164與二次電子發射層120相對於電子發射端1164的表面的距離小於電子與氣體分子的平均自由程，以減少離子對電子發射體1162的轟擊。一方面，由於電子發射端1164與二次電子發射層120相對於電子發射端1164的表面的距離小於電子與氣體 分子的平均自由程，故，電子發射體1162發射的電子在與氣體分子(指電子發射端1164與二次電子發射層120之間的氣體分子)碰撞之前會先轟擊二次電子發射層120，從而提高的電子發射體1162發射的電子轟擊二次電子發射層120幾率。另一方面，由於電子發射體1162發射的電子與氣體分子碰撞的幾率減小，即氣體分子被電離的產生離子的幾率也減小，故，電子發射端1164與二次電子發射層120之間產生離子的幾率也減小，從而使電子發射端1164被離子正面轟擊的幾率減小。

根據氣體分子運動論，在一定壓強下，氣體分子之間的平均自由程以及自由電子與氣體分子之間的平均自由程分別由公式(1)和(2)所示，

其中，k=1.38×10^-23J/K為波爾茲曼常數；T為絕對溫度；d為氣體分子的有效直徑；P為氣體壓強。以溫度為300K的氮氣為例，在氣體壓強為1Torr的真空度下，空氣分子的平均自由程約為50微米，而自由電子與氣體分子的平均自由程為283微米。故，如果所述電子發射端1164與二次電子發射層120表面的距離足夠小的情況下，所述場發射電子源100就 可以在低真空狀態工作而不會引起電子發射體1162的損壞。

本實施例中，所述電子發射端1164與二次電子發射層120相對於電子發射端1164的表面的距離為10微米~30微米。相應地，所述場發射電子源100可以在9Torr~27Torr的低真空的條件下工作也不至於導致發射體的損壞。在更好的真空如壓強降低1個量級至1Torr左右下工作，電子在發射間隙與氣體分子的碰撞就可以忽略至不計，因而發射體由於離子轟擊造成的破壞也就可以忽略不計。可以理解，所述場發射電子源100也可以在高真空環境或惰性氣體環境中工作，會有更穩定的性能。

具體地，本實施例所述場發射電子源100的具體結構如下。所述第一絕緣隔離層112設置於所述絕緣基底110的一表面，且該第一絕緣隔離層112定義一第二開口1120以使絕緣基底110的表面通過該第二開口1120暴露。所述電子引出電極118設置於所述絕緣基底110通過該第二開口1120暴露的表面，且所述電子引出電極118的厚度小於第一絕緣隔離層112的厚度。所述二次電子發射層120設置於所述電子引出電極118的表面，且與電子引出電極118電連接。所述陰極電極114設置於所述第一絕緣隔離層112的表面，且延伸至所述二次電子發射層120的上方。所述陰極電極114定義一第一開口1140作為電子出射部。所述電子發射層116設置於所述陰極電極114面向二次電子發射層120的表面，且與陰極電極114電連接。所述電子發射層116與二次電子發射層120相對且間隔設置。 所述第二絕緣隔離層121設置於所述陰極電極114遠離二次電子發射層120的表面，且該第二絕緣隔離層121的第三開口1212與電子出射部對應設置。所述柵極電極122設置於第二絕緣隔離層121的表面，且從第二絕緣隔離層121的表面延伸至電子出射部的上方以將電子出射部覆蓋。

所述場發射電子源100工作時，電子引出電極118的電位高於陰極電極114的電位，柵極電極122的電位高於電子引出電極118的電位。本實施例中，所述陰極電極114保持零電位，電子引出電極118上施加一100伏特的電壓，柵極電極122上施加一500伏特的電壓。所述電子發射體1162在電子引出電極118電壓作用下發射電子，且該電子轟擊二次電子發射層120以使二次電子發射層120發射二次電子。所述二次電子發射層120發射的二次電子在柵極電極122電壓作用下從電子出射部射出。

所述場發射電子源100具有以下優點：由於電子出射部形成於陰極電極114上，電子發射體1162的電子發射端1164不會通過電子出射部暴露，故，當電子發射體1162發射的電子與真空中游離的氣體分子碰撞產生離子向電子引出電極118方向運動時，該離子不會轟擊到該電子發射體1162，從而使該電子發射體1162具有較長壽命。由於電子發射層116上形成抗離子轟擊材料可以提高其穩定性和壽命。同時，由於採用了二次電子發射層120，可以在較低的發射電壓情況下得到較大的發射電流。

請參閱圖4，本發明第一實施例提供一種場發射電子源100的製備方法，其包括以下步驟：

步驟一，提供一絕緣基底110。

本實施例中，所述絕緣基底110為一方形玻璃板。

步驟二，在絕緣基底110的一表面形成一電子引出電極118。

所述電子引出電極118可以通過絲網列印、電鍍、化學氣相沈積、磁控濺射或熱沈積等方法製備。本實施例中，通過磁控濺射法在絕緣基底110表面沈積一鋁層作為電子引出電極118。

步驟三，在電子引出電極118的表面形成一二次電子發射層120。

所述二次電子發射層120可以通過絲網列印、電鍍、化學氣相沈積、磁控濺射或熱沈積等方法製備。本實施例中，通過表面塗覆在電子引出電極118表面形成一層氧化鋇作為二次電子發射層120。

步驟四，在絕緣基底110表面形成一第一絕緣隔離層112，該第一絕緣隔離層112具有一第二開口1120以使得二次電子發射層120的表面通過該第二開口1120暴露。

所述第一絕緣隔離層112可以通過絲網列印、甩膠、塗敷或厚膜工藝等方法製備。本實施例中，通過絲網列印法在陰極電極114表面直接形成一具有圓形通孔的第一絕緣隔離層112 ，從而使得二次電子發射層120的表面通過該圓形通孔暴露。

步驟五，提供一陰極電極板(圖未標)，該陰極電極板具有一第一開口1140，並在該陰極電極板的部分表面形成一電子發射層116。

所述陰極電極板可以為一導電基板或形成有導電層的絕緣基板。

本實施例中，所述陰極電極板的製備方法包括以下步驟：首先，提供一第二絕緣隔離層121。

所述第二絕緣隔離層121可以為具有通孔的基板或條狀體。本實施例中，所述第二絕緣隔離層121為一圓環形玻璃板，且所述第二絕緣隔離層121具有一第三開口1212。

然後，在所述第二絕緣隔離層121的表面靠近第三開口1212的位置形成一陰極電極114。

所述陰極電極114可以通過絲網列印，真空鍍膜等方法製備，也可以將一金屬片直接設置於第二絕緣隔離層121表面。 本實施例中，通過磁控濺射法在第二絕緣隔離層121的表面沈積一圓環形鋁層作為陰極電極114，且所述陰極電極114形成有與第三開口1212對應的第一開口1140，作為電子出射部。

所述電子發射層116可以通過列印漿料或化學氣相沈積法等 方法製備。本實施例中，先通過絲網列印在陰極電極114表面形成一環形奈米碳管漿料層，再對該奈米碳管漿料層進行烘烤。所述奈米碳管漿料包括奈米碳管、低熔點玻璃粉以及有機載體。其中，有機載體在烘烤過程中蒸發，低熔點玻璃粉在烘烤過程中熔化並將奈米碳管固定於陰極電極114表面。進一步，還可以採用膠帶黏結剝離等方式對奈米碳管電子發射層116進行表面處理，以使得更多的奈米碳管暴露。可以理解，採用膠帶黏結剝離奈米碳管電子發射層116可以使得奈米碳管暴露的同時豎立以與二次電子發射層120表面垂直。

進一步，可在此電子發射層116上形成抗離子轟擊材料如碳化鋯、碳化鉿、六硼化鑭等，以提高其穩定性和壽命。本實施例中，採用磁控濺射的方法在奈米碳管表面形成一碳化鉿的薄膜。

步驟六，將陰極電極板組裝於第一絕緣隔離層112相對於絕緣基底110的另一表面，使第一開口1140與第二開口1120至少部分交疊設置以定義一電子出射部，並使得電子發射層116至少部分設置在第一絕緣隔離層112的第二開口1120處並面對電子引出電極118設置。

將陰極電極114的第一開口1140對應於第一絕緣隔離層112的第二開口1120設置，並使得第一開口1140與第二開口1120至少部分重疊以定義一電子出射部。

本實施例中，將所述圓環形陰極電極板直接設置於第一絕緣隔離層112的表面，使得第一開口1140完全設置在第二開口1120的範圍內，並使得電子發射層116至少部分面對電子引出電極118設置。可以理解，當陰極電極板為條狀體時，可以將至少兩個陰極電極板平行間隔設置於第一絕緣隔離層112的表面。間隔設置的陰極電極板之間定義一第一開口1140以作為電子出射部。

步驟七，在第二絕緣隔離層121遠離電子引出電極118的表面設置一柵極電極122。

所述柵極電極122可以通過絲網列印、電鍍、化學氣相沈積、磁控濺射或熱沈積等方法製備，也可以將提前製備好的金屬柵網直接設置於第二絕緣隔離層121上。本實施例中，將一金屬柵網直接設置並固定於第二絕緣隔離層121表面。可以理解，該步驟為可選步驟。

可以理解，上述場發射電子源100的製備方法的步驟不限於上述順序，本領域技術人員可以根據實際需要進行調整。例如，上述場發射電子源100的製備方法可以包括以下步驟：

步驟一，提供一陰極電極板，該陰極電極板具有一第一開口1140，並在該陰極電極板的部分表面形成一電子發射層116。

步驟二，在陰極電極板表面形成一第一絕緣隔離層112，該第一絕緣隔離層112具有第二開口1120以使得電子發射層116 通過該第二開口1120暴露。

步驟三，提供一絕緣基底110。

步驟四，在絕緣基底110表面依次形成一電子引出電極118和一二次電子發射層120。

步驟五，將該絕緣基底110組裝於第一絕緣隔離層112相對於絕緣基底110的另一的表面，使第一開口1140與第二開口1120至少部分交疊設置以定義一電子出射部，並使得使得電子發射層116至少部分設置在第一絕緣隔離層112的第二開口1120處並面對電子引出電極118設置。

請參閱圖5，本發明第二實施例提供一種場發射電子源200，其包括一絕緣基底210，一第一絕緣隔離層212，一陰極電極214，一電子發射層216，一電子引出電極218，一二次電子發射層220，一第二絕緣隔離層221以及一柵極電極222。本發明第二實施例提供的場發射電子源200的結構與本發明第一實施例提供的場發射電子源100的結構基本相同，其區別在於所述二次電子發射層220表面與第一開口2140相對的位置具有至少一第一突起2202，所述陰極電極214與二次電子發射層220相對的表面具有至少一第二突起2142。所述電子發射層216設置於該至少一第二突起2142的表面，且所述電子發射體2162的電子發射端2164指向至少一第一突起2202的表面。

所述第一突起2202和第二突起2142的形狀和大小不限，可以 根據實際需要選擇。可以理解，當所述陰極電極214為一具有通孔的層狀結構時，所述第一突起2202可以為一錐形，所述第二突起2142為一圍繞第一突起2202的環形突起；當所述陰極電極214為複數個間隔設置的條狀結構時，所述第一突起2202與第二突起2142可以為一沿著條狀結構延伸的棱錐體。本實施例中，所述第一突起2202為一指向第一開口2140的圓錐體。所述第二突起2142與第一突起2202相對的側面與第一突起2202的表面平行。所述電子發射層216的電子發射體2162向第一突起2202的表面垂直延伸。可以理解，所述電子發射體2162發射的電子轟擊第一突起2202的表面激發的二次電子更容易在柵極電極222作用下從電子出射部射出。

請參閱圖6，本發明第三實施例提供一種場發射電子源300，其包括一絕緣基底310，一第一絕緣隔離層312，一陰極電極314，一電子發射層316，一電子引出電極318，一二次電子發射層320，一第二絕緣隔離層321以及一柵極電極322。本發明第三實施例提供的場發射電子源300的結構與本發明第一實施例提供的場發射電子源100的結構基本相同，其區別在於所述第二絕緣隔離層321的厚度大於500微米，所述第二絕緣隔離層321具有一第三開口3212，所述第三開口3212的內壁，即第二絕緣隔離層321靠近電子出射部的表面進一步設置有二次電子發射材料，且第三開口3212的大小沿著遠離電子引出電極318的方向逐漸減小，以使得二次電子發射層320發射的電子更容易轟擊到第三開口3212內壁的二次電子 發射材料。所述柵極電極322為一圓環形導電層。所述柵極電極322可以對二次電子發射層320發射的電子起到聚焦作用。

請參閱圖7，本發明第四實施例提供一種場發射電子源400，其包括一絕緣基底410，一第一絕緣隔離層412，一陰極電極414，一電子發射層416，一電子引出電極418，一二次電子發射層420，一第二絕緣隔離層421，一二次電子倍增極424，一第三絕緣隔離層426，以及一柵極電極422。本發明第四實施例提供的場發射電子源400的結構與本發明第一實施例提供的場發射電子源100的結構基本相同，其區別在於所述第二絕緣隔離層421與柵極電極422之間進一步包括一二次電子倍增極424以及一第三絕緣隔離層426。所述柵極電極422與二次電子倍增極424之間通過該第三絕緣隔離層426絕緣。所述柵極電極422為一金屬柵網。

所述二次電子倍增極424為一導電層，其厚度大於500微米，且其具有一與第一開口4140對應的第四開口4240。該第四開口4240的內壁，即二次電子倍增極424靠近電子出射部的表面，塗敷有二次電子發射材料4242，以進一步增強場發射電子源400的場發射電流密度。進一步，所述第四開口4240的內壁還可以形成複數個凹凸結構以增加塗敷二次電子發射材料4242的面積。所述場發射電子源400工作時，電子引出電極418的電位高於陰極電極414的電位，二次電子倍增極424的電位高於電子引出電極518的電位，柵極電極422的電位高 於二次電子倍增極424的電位。可以理解，所述二次電子發射層420發射的電子在二次電子倍增極424的作用下可以更有力的轟擊二次電子倍增極424表面的二次電子發射材料4242，以激發更多的二次電子。

請參閱圖8，本發明第五實施例提供一種採用該場發射電子源100的離子源10，其包括一真空容器12，一場發射電子源100以及一離子電極14。

所述真空容器12具有一氣體入口16以及一離子出射孔18。所述場發射電子源100設置於該真空容器12中。所述場發射電子源100的絕緣基底110設置在真空容器12內遠離離子出射孔18的一側，所述電子發射層116位於離子出射孔18與絕緣基底110之間，從而使所述場發射電子源100的電子出射部相對於離子出射孔18設置。所述離子電極14設置於離子出射孔18處，且與真空容器12之間通過一絕緣層13電絕緣。可以理解，所述離子源10也可以採用本發明第二實施例、第三實施例或第四實施例提供的場發射電子源200，300，400。

所述真空容器12的材料不限，其大小和形狀不限，可以根據實際需要選擇。可以理解，當所述真空容器12採用絕緣材料或半導體材料製備時，真空容器12內需要設置一導電層。本實施例中，所述真空容器12為一邊長為15毫米的正方體金屬殼。可以理解，所述離子源10需在一真空環境下工作，以確保真空容器12內具有一定的真空度。

所述氣體入口16的大小可以根據實際需要選擇。所述氣體入口16位於真空容器12的側面，以使需要電離的工作氣體由該氣體入口16進入真空容器12內。該工作氣體一般為惰性氣體，如氬氣(Ar)、氫氣(H2)、氦氣(He)、氙氣(Xe)或者其中幾種的混合氣體。

所述離子出射孔18設置於真空容器12的一表面，其大小可以根據實際需要選擇。本實施例中，所述真空容器12的一面敞開以作為離子出射孔18。所述離子電極14為一金屬網。所述離子源10工作時，離子電極14上施加一負電壓。

所述離子源10工作時，場發射電子源100產生電子從電子出射部射出，電子經過柵極電極122加速後進入真空容器12內，撞擊工作氣體使其電離產生離子，離子在離子電極14作用下由離子出射孔18射出。

請參閱圖9，本發明第六實施例提供一種採用該場發射電子源100的離子源20，其包括一真空容器22，一陽極電極24以及一場發射電子源100。

所述真空容器22具有一氣體入口26，一電子注入孔27以及一離子出射孔28。所述陽極電極24設置於真空容器22內部。所述場發射電子源100設置於真空容器22的電子注入孔27附近，且場發射電子源100的電子出射部與真空容器22的電子注入孔27對準，以使場發射電子源100發射的電子可以由電子注入孔27進入真空容器22內部。具體地，所述場發射電子源 100的第二絕緣隔離層121靠近電子注入孔27設置，且第三開口1212正對電子注入孔27。所述場發射電子源100的陰極電極114與真空容器22電連接。可以理解，所述離子源20也可以採用本發明第二實施例、第三實施例或第四實施例提供的場發射電子源200，300，400。

所述真空容器22為圓筒形，其可由鉬、鋼或鈦等金屬製成。所述真空容器22的直徑和長度可以根據實際需要選擇。優選底，所述真空容器22的直徑為18毫米、長度為36毫米。使用時容所述真空容器22需接地，以防止電子被所述真空容器22截獲。可以理解，所述離子源20需在一真空環境下工作，以確保真空容器22內具有一定的真空度。本實施例的離子源20採用圓筒形真空容器22，可以形成一離子槍。

所述離子出射孔28位於真空容器22的一端，且與真空容器22同軸設置，所述離子出射孔28的直徑可以根據實際需要選擇。所述電子注入孔27位於真空容器22與離子出射孔28相對的另一端。所述電子注入孔27的直徑可以根據實際需要選擇。優選地，所述電子注入孔27位於真空容器22軸線的一側，這樣可減少真空容器22內部的電子回到電子注入孔27的幾率。本實施例中，所述離子出射孔28的直徑為1毫米，所述電子注入孔27的直徑為4毫米。

所述陽極電極24為一金屬環，優選該金屬環的直徑可以根據實際需要選擇。所述陽極電極24與真空容器22同軸設置且垂直於真空容器22的軸線，並且陽極電極24位於真空容器22的 中間位置。當陽極電極24施加一電壓後，真空容器22內形成一馬鞍型靜電場。由於該陽極電極24僅為一結構簡單的金屬環，故，電子在真空容器22中的運動軌跡長，離子的產額率高。本實施例中，所述金屬環的直徑為0.2毫米。

所述氣體入口26的大小可以根據實際需要選擇。所述氣體入口26位於真空容器22的側面，以使需要電離的工作氣體由該氣體入口26進入真空容器22內。該工作氣體一般為惰性氣體，如氬氣(Ar)、氫氣(H2)、氦氣(He)、氙氣(Xe)或者其中幾種的混合氣體。該氣體入口26靠近電子注入孔27所在的一端。

進一步，所述離子源20還可以包括一設置於離子出射孔28處的聚焦裝置29。所述聚焦裝置29包括三個平行設置的第一電極21、第二電極23及第三電極25。所述第一電極21具有一第一通孔211，所述第二電極23具有一第二通孔231，所述第三電極25具有一第三通孔251。所述第一通孔211，第二通孔231以及第三通孔251同軸設置且依次增大。該三個平行設置電極組成的三膜孔透鏡。當第一電極21、第二電極23及第三電極25加上電壓時，離子從離子出射孔28出射經過聚焦裝置29時，其運動軌跡就會被彙聚，生成預定大小及能量的離子束。

所述離子源20工作時，首先場發射電子源300產生電子，電子經過柵極電極222加速後通過電子注入孔27進入真空容器22內，在真空容器22內的靜電場中多次振盪，撞擊工作氣體 使其電離產生離子，離子由離子出射孔28射出，經過聚焦裝置29後形成預定的離子束。

請參閱圖10，本發明第六實施例提供一種採用該場發射電子源100的離子源30，其包括一場發射電子源100，一第四絕緣層128及一離子電極130。

所述第四絕緣層128設置於柵極電極122遠離絕緣基底110的表面。所述第四絕緣層128具有一與電子出射部相對的第五開口1280以定義一真空空間。所述第五開口1280的面積大於第三開口1212的面積。本實施例中，所述第五開口1280的面積等於第二開口1120的面積。所述第四絕緣層128的側壁上具有一氣體入口1282，以使工作氣體進入所述真空空間內。所述離子電極130為一金屬柵網，其設置於第四絕緣層128遠離柵極電極122的表面，且從第四絕緣層128的表面延伸以將第五開口1280覆蓋。所述離子源30工作時需要一真空環境，且離子電極130上施加一負電壓。可以理解，所述離子源30也可以採用本發明第二實施例、第三實施例或第四實施例提供的場發射電子源200，300，400。由於本實施例直接在柵極電極122上製備第四絕緣層128和離子電極130以形成離子源30，使得離子源30的結構更簡單。所述離子源30工作時，場發射電子源100發射的電子由電子出射部進入第五開口1280定義的真空空間，並在該真空空間轟擊由氣體入口1282通入的工作氣體，以使工作氣體電離。所述工作氣體電離產生的離子在離子電極130作用下射出。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10‧‧‧離子源

12‧‧‧真空容器

13‧‧‧絕緣層

14‧‧‧離子電極

16‧‧‧氣體入口

18‧‧‧離子出射孔

100‧‧‧場發射電子源

110‧‧‧絕緣基底

116‧‧‧電子發射層

Claims (15)

1. 一種離子源，其包括：一真空容器，該真空容器具有一氣體入口以及一離子出射孔；一離子電極，該離子電極設置於所述真空容器的離子出射孔處；以及一場發射電子源設置於所述真空容器中，該場發射電子源包括：一絕緣基底；一電子引出電極，該電子引出電極設置於該絕緣基底的一表面；一二次電子發射層，該二次電子發射層設置於該電子引出電極的表面；一陰極電極，該陰極電極通過一第一絕緣隔離層與該電子引出電極間隔設置，所述電子引出電極設置在陰極電極與絕緣基底之間，該陰極電極具有一表面至少部分與該電子引出電極面對設置，該陰極電極具有一第一開口，該第一開口定義一電子出射部；一電子發射層，該電子發射層設置在陰極電極面對該電子引出電極設置的至少部分表面；一柵極電極，該柵極電極與陰極電極絕緣設置，且所述陰極電極設置在電子引出極與柵極電極之間，該柵極電極使所述 二次電子發射層發射的電子從所述電子出射部出射。
2. 如請求項第1項所述的離子源，其中，所述第一絕緣隔離層具有一第二開口對應於所述陰極電極的第一開口設置，所述陰極電極的第一開口與第一絕緣隔離層的第二開口部分交疊設置，交疊部分定義為電子出射部。
3. 如請求項第1項所述的離子源，其中，所述電子發射層包括複數個電子發射體，所述電子發射體具有一電子發射端，且該電子發射端指向所述二次電子發射層；所述二次電子發射層表面與電子出射部相對的位置具有至少一第一突起，所述陰極電極與二次電子發射層相對的表面具有至少一第二突起，所述電子發射層設置於該至少一第二突起的表面，且所述電子發射體的電子發射端指向該至少一第一突起的表面。
4. 如請求項第1項所述的離子源，其中，所述柵極電極設置於陰極電極遠離電子引出電極的一側，且與陰極電極之間通過一第二絕緣隔離層絕緣間隔設置，所述柵極電極為一金屬柵網，且柵極電極覆蓋所述電子出射部設置，且所述該金屬柵網上塗敷有二次電子發射材料。
5. 如請求項第4項所述的離子源，其中，所述第二絕緣隔離層具有一第三開口與所述陰極電極的第一開口對應設置，所述第三開口的內壁設置有二次電子發射材料。
6. 如請求項第5項所述的離子源，其中，所述第一絕緣隔離層具有一第二開口，所述第二絕緣隔離層具有一第三開口，所述第一開口、第二開口與第三開口部分交疊設置，交疊部分定義為電子出射部。
7. 如請求項第4項所述的離子源，其中，所述第二絕緣隔離層的厚度大於500微米，所述第三開口的大小沿著遠離電子引出電極的方向逐漸減小。
8. 如請求項第4項所述的離子源，其中，進一步包括一二次電子倍增極，該二次電子倍增極設置於所述柵極電極與第二絕緣隔離層之間，該二次電子倍增極與柵極電極之間通過一第三絕緣隔離層絕緣間隔設置，所述二次電子倍增極具有一第四開口與所述陰極電極的第一開口對應設置，所述第四開口的內壁設置有二次電子發射材料。
9. 如請求項第1項所述的離子源，其中，所述真空容器為一金屬殼，所述場發射電子源的陰極電極與真空容器電連接，且使用時所述真空容器接地。
10. 如請求項第9項所述的離子源，其中，所述場發射電子源的電子出射部與離子出射孔相對設置。
11. 一種離子源，其包括：一真空容器，該真空容器具有一氣體入口，一電子注入孔以及一離子出射孔；一陽極電極，該陽極電極設置於所述真空容器內；以及一場發射電子源設置於所述電子注入孔附近，該場發射電子源包括：一絕緣基底；一電子引出電極，該電子引出電極設置於該絕緣基底的一表面；一二次電子發射層，該二次電子發射層設置於該電子引出電 極的表面；一陰極電極，該陰極電極通過一第一絕緣隔離層與該電子引出電極間隔設置，所述電子引出電極設置在陰極電極與絕緣基底之間，該陰極電極具有一表面至少部分與該電子引出電極面對設置，該陰極電極具有一第一開口，該第一開口定義一電子出射部，且該電子出射部與電子注入孔對準；一電子發射層，該電子發射層設置在陰極電極面對該電子引出電極設置的至少部分表面。
12. 如請求項第11項所述的離子源，其中，所述真空容器為一金屬圓筒，所述陽極電極為一金屬環。
13. 如請求項第12項所述的離子源，其中，進一步包括一設置於離子出射孔處的聚焦裝置。
14. 一種離子源，其包括：一絕緣基底；一電子引出電極，該電子引出電極設置於該絕緣基底的一表面；一二次電子發射層，該二次電子發射層設置於該電子引出電極的表面；一陰極電極，該陰極電極通過一第一絕緣隔離層與該電子引出電極間隔設置，所述電子引出電極設置在陰極電極與絕緣基底之間，該陰極電極具有一表面至少部分與該電子引出電極面對設置，該陰極電極具有一第一開口，該第一開口定義一電子出射部；一電子發射層，該電子發射層設置在陰極電極面對該電子引 出電極設置的至少部分表面；一柵極電極，該柵極電極與陰極電極絕緣設置，且所述陰極電極設置在電子引出極與柵極電極之間；一第四絕緣層設置於所述柵極電極遠離絕緣基底的表面，所述第四絕緣層具有一與電子出射部相對的第五開口以定義一真空空間，且所述第四絕緣層的側壁上具有一氣體入口；以及一離子電極，該離子電極設置於第四絕緣層遠離柵極電極的表面。
15. 如請求項第14項所述的離子源，其中，所述離子電極為一金屬柵網，且該金屬柵網從第四絕緣層的表面延伸以將第五開口覆蓋。