专利名称：离子枪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种离子枪。
背景技术：
1969年A.H.Mcllraith提出了利用在鞍形静电场中做往复运动的电子来电离气体分子，为鞍形场离子枪研制奠定了理论基础。1972年A.H.Mcllraith研制出第一支鞍形场离子枪。此后，J.Franks和A.M.Ghander研制出另一种形式的鞍形场离子枪。
目前，普遍采用的是热阴极离子枪，其采用热阴极作为电子发射源，阴极发射的电子撞击气体，将气体电离为等离子体，而后由栅极系统将等离子抽取加速形成离子束。但是，热阴极发射电子不稳定，并且热阴极在使用过程中不断消耗，使用寿命有限，需要定期更换，因此在选择阴极材料时必须考虑成本。阴极一般使用高纯石墨、纯钨、钨铈合金、钍钨合金等成本较高的材料，从而使得热阴极离子枪整体成本较高。另外，由于热阴极产生大量的热量，离子枪表面温度高，因此需要水冷，所以，采用热阴极作为电子发射源的离子枪结构复杂。
发明内容有鉴于此，有必要提供一种成本低、发射电子稳定、结构简单的离子枪。
一种离子枪，包括一真空容器、一阳极和一阴极装置，该真空容器上设置有电子注入孔、离子出射孔及气体入口，该阳极位于真空容器内部，该阴极装置位于电子注入孔处，所述阴极装置为场发射冷阴极装置。
与现有技术相比，所述离子枪采用场发射冷阴极装置作为电子发射源，场发射冷阴极在使用过程中不会消耗，使用寿命长，不需要定期更换，因此该离子枪的成本较低，且场发射冷阴极发射电子比热阴极发射电子稳定。另外，采用场发射冷阴极作为电子发射源，由于场发射冷阴极的发射功率较热阴极的热发射功率低，离子枪表面的温度较低，无需水冷装置，因此离子枪结构简单。
图1是本发明实施例离子枪轴向截面结构示意图。
图2是本发明实施例离子枪径向截面结构示意图。
图3是本发明实施例场发射冷阴极装置的第一种结构示意图。
图4是本发明实施例离子枪内电位分布示意图。
图5是本发明实施例离子枪内电子运动轨迹示意图。
图6是本发明实施例场发射冷阴极装置的第二种结构示意图。
图7是本发明实施例场发射冷阴极装置的第三种结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1及图2，其为本发明实施例提供的离子枪10，该离子枪10包括一真空容器11、一阳极14及场发射冷阴极装置16，该容器11上设置有离子出射孔13、电子注入孔15及气体入口17，该阳极14位于容器11内部。
该容器11为圆筒形，其可由钼、钢或钛等金属制成，优选直径为24毫米(mm)、长度为50mm。使用时容器11接地，以防止电子被容器11截获。
该离子出射孔13位于容器11的一端，且与容器11同轴设置，优选直径为4mm。
离子出射孔13外面设有聚焦装置12，该聚焦装置12包括三个平行设置的第一电极121、第二电极122及第三电极123，该三个电极121、122及l23分别具有第一通孔1211、第二通孔1221及第三通孔1231，该三个通孔1211、1221、及1231同轴设置，业界将该三个电极121、122及123之组合称为三膜孔透镜。当第一电极121、第二电极122及第三电极123加上电压时，离子从离子出射孔13出射经过聚焦装置12时，其运动轨迹就会被汇聚，生成预定大小及能量的离子束。
阳极14为一金属环，优选该金属环的直径大小为0.2mm，阳极14与容器11同轴设置且垂直于容器11的轴线，并且阳极14位于容器11的中间位置。由于该阳极14仅为一结构简单的金属环，因此电子在容器11中的运动轨迹长，离子的产额率高。
电子注入孔15位于容器11的另一端，优选直径大小为1mm，该电子注入孔15位于容器11轴线的一侧，这样可减少电子回到电子注入孔15的几率。
对应电子注入孔15处设置有一场发射冷阴极装置16，该场发射冷阴极装置16与容器11电性相连，请参阅图3，该场发射冷阴极装置16包括场发射冷阴极161及栅极162，该场发射冷阴极161的电子出射端面向电子注入孔15，电子经过栅极162及电子注入孔15进入容器11内。该场发射冷阴极161可选用各种微尖结构，如碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米线、各种金属微尖端、非金属微尖端、化合物微尖端等尖状结构或管状、杆状结构等，也可以选用各种薄膜，包括金刚石薄膜、氧化锌(ZnO)薄膜、铂薄膜、硅薄膜、氧化硅(SiO2)薄膜、氧化钯(PbO)薄膜等，本实施例中场发射冷阴极161为碳纳米管。
容器11的侧面上至少设置有一个气体入口17，需要电离的气体由该气体入口17进入容器11内，该气体一般为惰性气体，如氩气(Ar)、氢气(H2)、氦气(He)、氙气(Xe)或者其中几种的混合气体。该气体入口17靠近电子注入孔15所在的一端，场发射冷阴极161产生的电子经过栅极162加速后由电子注入孔15进入容器11内部，通过气体入口17进入的气体在电子的撞击下电离产生离子，离子由离子出射孔13发射出，经过聚焦装置12形成所需要的离子束。
如图4及图5所示，该离子枪10在使用时，容器11接地，场发射冷阴极161、栅极162及阳极14的电位可依据离子枪10的实际尺寸调整，以获得最佳工作状态。阳极14的电位在500～1000伏(V)之间，场发射冷阴极161的电位大约为10V，栅极162的电位为30V，栅极162的电位需要根据场发射冷阴极161的特性决定。离子枪10的容器11内形成马鞍型静电场，由于电子注入孔15位于容器11轴线的一侧，注入的电子很少回到电子注入孔15内，利用静电场电子振荡的原理，电子在容器11内发生多次振荡，撞击由气体入口17进入的气体，使气体发生电离产生离子，以实现离子枪10所应具备的功能。
离子枪10在工作时，首先是场发射冷阴极161产生电子，电子经过栅极162加速后通过电子注入孔15进入容器11内，在容器11内的马鞍型静电场中多次振荡，撞击气体使其电离产生离子，离子由离子出射孔13射出，经过聚焦装置12后形成预定的离子束。
由于该离子枪10采用场发射冷阴极161作为电子产生源，场发射冷阴极161产生电子所需要的功率要比热阴极产生电子的功率低，场发射冷阴极161的发射功率通常为毫瓦级，比如钨丝作的热阴极，其热发射功率一般为几瓦至几十瓦。阳极14结构简单仅仅为一金属圆环，从而使电子在容器11内的运动轨迹较长。由于电子注入孔15在容器11轴线的一侧，这样可以减少电子回到电子注入孔15的几率。
如图6所示，其为场发射冷阴极装置16的第二种结构，该种结构为二次电子发射结构，其包括场发射冷阴极261及二次电子发射体262。首先由场发射冷阴极261发射电子，该电子打到二次电子发射体262上，并激发出更多的二次电子，二次电子由电子注入孔15进入容器11内，在马鞍型静电场的作用下多次振荡，撞击气体使其电离产生离子，该二次电子发射体262的材料包括铂或铜。
如图7所示，其为场发射冷阴极装置16的第三种结构，该结构也是一种二次电子发射结构，其包括场发射冷阴极361及二次电子发射体362。二次电子发射体362上设置一三角形凸起结构363，该凸起结构363凸向电子注入孔15，该二次电子发射体362的材料包括铂或铜。
容器11、离子出射孔13、阳极14及电子注入孔15的尺寸大小并不唯一确定，可根据各种具体情况作适当改动，以获得离子枪10的最佳工作状态。
场发射冷阴极装置16的电位也需要根据离子枪10的实际尺寸调整，以获得最佳的工作状态。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种离子枪，其包括一真空容器、一阳极和一阴极装置，该真空容器上设置有电子注入孔、离子出射孔及气体入口，该阳极位于真空容器内部，该阴极装置位于电子注入孔处，其特征在于所述阴极装置为场发射冷阴极装置。
2.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于所述场发射冷阴极装置包括场发射冷阴极及栅极。
3.如权利要求2所述的离子枪，其特征在于所述场发射冷阴极为微尖端结构或者薄膜结构。
4.如权利要求3所述的离子枪，其特征在于所述微尖端结构为金属微尖端、非金属微尖端或者化合物微尖端。
5.如权利要求3所述的离子枪，其特征在于所述微尖端结构为碳纳米管、碳纳米线或碳纳米纤维。
6.如权利要求3所述的离子枪，其特征在于所述薄膜结构为金刚石薄膜、氧化锌薄膜、铂薄膜、硅薄膜、氧化硅薄膜或氧化钯薄膜。
7.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于所述场发射冷阴极装置包括场发射冷阴极及二次电子发射体，该二次电子发射体面向电子注入孔。
8.如权利要求7所述的离子枪，其特征在于所述二次电子发射体的材料为铂或者铜。
9.如权利要求7所述的离子枪，其特征在于所述二次电子发射体进一步包括一三角形凸起结构，该凸起结构凸向电子注入孔。
10.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于所述真空容器为圆筒形。
11.如权利要求10所述的离子枪，其特征在于所述真空容器的材料包括钼、钢或钛。
12.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于所述阳极与真空容器同轴设置。
13.如权利要求12所述的离子枪，其特征在于所述阳极为一金属环。
14.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于所述离子出射孔与真空容器同轴设置。
15.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于所述电子注入孔位于真空容器轴线的一侧。
16.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于所述离子枪进一步包括设置于离子出射孔外侧的聚焦装置。
17.如权利要求16所述的离子枪，其特征在于所述聚焦装置为三膜孔透镜。
18.如权利要求17所述的离子枪，其特征在于所述三膜孔透镜包括三个平行设置的电极。
19.如权利要求18所述的离子枪，其特征在于所述三个电极具有同轴设置的通孔。
20.如权利要求1所述的离子枪，其特征在于所述场发射冷阴极装置与真空容器电性相连。
全文摘要
本发明提供一种离子枪，其包括一真空容器、一阳极和一阴极装置，真空容器上设置有电子注入孔、离子出射孔及气体入口，该阳极位于真空容器内部，该阴极装置位于电子注入孔处，所述阴极装置为场发射冷阴极装置。该离子枪具有发射电子稳定、结构简单的特点。
文档编号H01J3/00GK1956119SQ20051010060
公开日2007年5月2日 申请日期2005年10月24日 优先权日2005年10月24日
发明者潜力, 齐京, 唐洁, 刘亮, 胡昭复, 陈丕瑾, 范守善 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司