[发明专利]一种场电离粒子发生器

说明书

技术领域

本发明涉及一种场电离粒子发生器，属于离子源和离子束技术领域。

背景技术

近年来，碳纳米管和其它一些纳米材料的发现及其在场发射方面的应用研究，使一维纳米材料的合成和应用成为材料学研究的一个热点。各种纳米材料在场致发射和场致电离方面的理论计算和实际应用引起了广泛关注。这种应用包括两个方面：（1）场发射平板显示器和场电离气体传感器，是目前国内外众多纳米材料场发射器件和场电离器件研究的主攻方向；（2）场电离离子源和中子发生器。与高频离子源或潘宁放电型气体离子源相比，场电离型粒子源可以达到体积更小、能耗更低的目的，是便携式粒子源的理想选择。这种场电离离子源可用于小型加速器或离子注入机，相应的中子管可用于地质勘探和石油测井等领域，代替普通的放射源，其特点是在电源接通时才产生粒子束，大幅度降低了放射性污染的风险，是安全、干净的粒子源。

中子探测具有其他无损检测技术无可替代的特点和优点，一直是国际上一些重要机构研究的重点课题。目前产生中子的四种主要方式，即放射性同位素、加速器、反应堆和中子管，其中加速器和反应堆都是十分庞大的装备；同位素寿命较短，且存在运输、贮存等安全隐患问题。基于中子管在危险品检测、石油测井、地矿勘探、肿瘤治疗等多个领域的广泛应用，结构紧凑的中子管的使用必然是大势所趋。而迄今纳米阵列的中子发射研究主要集中在美国几个国家实验室、欧美日的几所大学，而国内关于场电离型离子源的中子发射装置的研究还比较少。本发明之前，国内在2008年9月24日公开了西安石油大学“高温高压小型激光氘－氘聚变中子管”专利申请，专利号200810018070，该技术利用氘-氘在管内的聚变反应产生中子。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种场电离粒子发生器。这种装置通过场电离原理产生所需的气体离子流，作为一种离子源。在特殊条件下可以用来产生中子，作为一种中子发生器。该装置可以工作在场发射模式和场电离模式。

本发明为了达到上述目的，本发明的场电离粒子发生器，它由真空腔、电极部分、低压电源、高压电源、束流表和计算机系统构成，电极部分由顺次安装在真空腔中的发射极、栅极和收集极构成，栅极通过真空腔中导出的低压电极与低压电源连接，低压电源、束流表、发射极依次相连；收集极通过真空腔中导出的高压电极与高压电源连接，高压电源、束流表、发射极依次相连；束流表、低压电源、高压电源均与计算机系统相连。

本发明所述真空腔，其背底真空可达5x10^-5Pa，其侧壁有一充气孔，可以向内充入所需离子类型的气体如惰性气体、氢气、氘气等，试验时通过调节气体的流量来维持真空腔中特定的真空度，以提供场电离所需真空条件。

本发明所述发射极由金属平板制成，其上承载纳米发射材料；栅极由孔径为1~2mm²的钼网制成，用于引出场电离产生的离子，然后使其在栅极与收集极之间加速；收集极由中间带一小孔的金属平板制成，其内表面有几毫米厚的氘钛膜，为D-D反应提供氘源。

本发明所述高压电源要求提供60-80kV高电压，低压电源要求提供2-4kV的低电压，高压电源和低压电源的地线均为悬空，自成回路。试验时，两套电源均可通过双刀双掷开关来适当选择电压正负极性，这取决于工作模式（场发射模式、场电离模式）的选择。对于商品化的器件，则根据器件的用途设计固化其电源极性。

本发明所述计算机系统由LabVIEW软件程序控制场电离的开启和I-V测试过程，高压电源、低压电源和束流表均与计算机系统相连；通过在软件的测试界面设置一些参数如场电离所需电压范围等，计算机系统可自动测试场发射和场电离过程中的外加电压和发射电流。

本发明中用于场电离的材料为纳米阵列。通过减小纳米阵列直径、在纳米材料尖端上形成毛刺等方法，提高纳米阵列密度；采取特意吸附方法（如钛吸附氢、氘），将纳米阵列制备在镀有钛膜的硅衬底上，以达到提高特定元素的离子束流的目的。

本发明的有益效果是提供了一种场电离粒子源及其制备方法，这种场电离粒子发生器可以作为场电离型离子源和中子发生器。其优点是（1）冷阴极发射，无需灯丝，使用寿命长；（2）电子或离子的驱动都由同一个电源驱动，能源利用率很高；（3）由于电源减少，发射极无需冷却，因而发生器体积重量大大缩小。

附图说明

图1为本发明场电离粒子源的结构示意图。

图2为本发明测得的CNT阵列的场发射特性。

图3为本发明测得的CNT阵列的场电离特性。