[实用新型]一种用于输出单原子氢离子束的场发射离子源

说明书

技术领域

本发明涉及一种场发射离子源，特别涉及一种专用于输出单原子氢离子束的场发射离子源，属于小型特种离子源技术领域。

背景技术

中子管是一种安全便携的中子源，与普通同位素中子源相比，其能谱单色性好，无γ本底且可以产生脉冲中子，不用时可以关断，因而防护容易、存储管理和运输方便。中子管把离子源、加速器、靶和气压调节系统全部集成在一支密闭管内，工作时无需抽真空设备和气源装置。中子管可广泛应用于国防工程和工、农、医领域，特别是军工及安全检查领域。在野外使用中子管的时，中子管的便携性显得更为重要，但目前很多具有高产额的中子源都体积庞大，只能在实验室中运行。

中子管的中子产额和其中关键部件--氘离子源产生的单原子和分子氘离子的比率有关，在同样加速电压和束流密度下，离子源产生的单原子氘离子比率越高，中子产额就越大，也就是说，检测的灵敏度和效率也越高。例如，一束含50%D⁺和50%D₂⁺的离子束以100 KeV能量轰击氚靶获得的中子产额比用100%D⁺束在同样的轰击条件下获得的中子产额低48%，即此条件下D₂⁺离子几乎没有与氚靶发生核反应。目前中子管的离子源基本都是基于气体放电原理，如潘宁源、射频离子源等，其中潘宁源占主导。潘宁离子源具有结构简单、工作气压低、供电系统简单、工作可靠等优点，但其电离产生的单原子离子所占比例非常低，例如某潘宁源工作在2×10^-1 Pa H₂气压、放电电流为2 A时，输出的H⁺：H₂⁺：H₃⁺=1:1.7:6.3。此情况下要获得高产额中子，潘宁源必须输出的高束流离子轰击靶材，但这又导致离子溅射和二次电子发射现象严重，原因是由H₂⁺所引发的金属表面次级电子的产额几乎是同一能量下质子所引发的次级电子的二倍。

由于目前各种离子源无法同时满足高单原子离子产额和中子管（及配件）小型化的需求，美国于2005年率先将使用直流脉冲电源的场发射离子源用于中子管。文献（B.B. Johnson, P.R. Schwoebel, C.E. Holland, P.J. Resnick, K.L. Hertz, D.L. Chichester, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section a-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 663/1 (2012) 64；P.R. Schwoebel, Applied Physics Letters 87/5 (2005) 和A. Persaud, I. Allen, M.R. Dickinson, T. Schenkel, R. Kapadia, K. Takei, A. Javey, Journal of Vacuum Science & Technology B 29/2 (2011)）公布的用于中子管的场发射离子源的结构如图1所示，由衬底（5）、尖锥阵列（6）、绝缘层（7）、开孔栅极（8）和氚靶（9）构成。场发射离子源的基本原理是这样，它是利用极其锐利的尖端来获得很高的电场强度，从而使得气体分子电离或从尖端表面以离子的形式脱附，从而形成离子发射。研究发现尖端表面电场强度越高，发射原子氘离子的比例就越大。当尖端电场强度达到30 V/nm时，尖端发射H⁺、H₂⁺比例约为4:1，因而用场发射离子源制备的中子管可以获得较高的中子产额，并且由于场发射离子源采用相对简单的直流电源驱动，非常具有实用性。

目前场发射离子源的在用于中子管时在运行中还会出现一个大问题：场发射阵列在运行时，当发射尖端电场达到足够强度（30 V/nm）使得原子离子发射的同时，栅极表面的电场强度也引起栅极发射电子束轰击尖锥，导致尖锥大面积烧毁。这一问题对于中子管的离子源长期安全运行要求来说是致命的。