防离子溅射的微型潘宁离子源的制作方法

本实用新型涉及测井中子管制造技术中离子源装置，尤其是一种防离子溅射的微型潘宁离子源。

背景技术：

在测井中子管中一般都采用潘宁离子源，这种离子源能在低气压下稳定工作，具有结构和供电系统相对简单、工作寿命长和易于小型化等特点，其结构示意图如图2所示。由图2可知它由阳极筒、阴极、输出阴极、主磁钢、磁环、陶瓷绝缘环、离子源罩和封接环构成。用两个绝缘陶瓷环将阳极筒上下挤压固定，同时，用非磁性材料外、离子源罩和封接环将整个离子源包围在内。阳极筒内径为9mm,采用非磁性不锈钢材料，以免在其内部形成磁分路而降低离子源内部磁场强度；阴极和输出阴极选用了二次电子发射系数大、抗溅射的铬-镍-钛合金，阴阳极间距离为1.5～2.0mm；磁场由永久磁钢提供，材料为铝镍钴，离子源内部磁场强度达到0.2T以上，主磁钢放置阴极端，同时在输出阴极引出孔处放置一个磁环，不仅能起到补偿主磁钢的轴向衰减作用，也增加了引出孔处的等离子体密度。其工作原理如图1，两个相对安装的阴极、输出阴极和阳极筒构成放电室，并处于轴向磁场中，在阳极电压形成的电场和轴向磁场的共同作用下，初始电子沿着阳极筒在两阴极间作螺旋运动，与气体分子碰撞发生电离，碰撞电离的电子又加入下一轮的碰撞，碰撞产生的正离子向低电位运动，一部分轰击阴极产生二次电子发射，在这样循环中，气体电离形成等离子体。通过输出阴极小孔，在加速电压的作用下，从等离子体中引出离子流。这种结构的潘宁离子源目前被广泛应用于各种类型的微型中子管中，并且得到了人们的认可。

但是这种结构的潘宁离子源用上下两个绝缘陶瓷环来固定阳极筒，并由这两个绝缘陶瓷环与阴极或输出阴极隔离绝缘。当中子管使用时间累计到一定程度时，由于离子的溅射在上陶瓷环上内壁和下陶瓷环下内壁表面会形成一层金属膜，导致阴阳极之间绝缘变差，甚至短路。为了避免此问题的发生，本实用新型设计了一种独特的结构，它既能牢固地固定阳极筒，又能使阴阳极之间保 持很好的绝缘，无论中子管使用多长时间，绝不会因离子溅射而使阴阳极之间发生短路现象。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种防离子溅射的微型潘宁离子源，解决了由于离子溅射而导致的阴阳极之间绝缘变差的问题。

本实用新型的技术解决方案是：

一种防离子溅射的微型潘宁离子源，包括阳极筒、阴极、输出阴极、离子源罩、封接环、定位环、主磁钢、磁环和绝缘陶瓷环，其特别之处在于：所述阴极的形状为圆形台阶状，所述绝缘陶瓷环包含外陶瓷环和内陶瓷环，外陶瓷环包括一个水平圆环，沿水平圆环外沿上表面设置有筒状陶瓷环，沿水平圆环内沿下表面设置有筒状陶瓷环；内陶瓷环为筒状陶瓷环垂直设置在外陶瓷环水平圆环的上表面处，内陶瓷环的外侧与外陶瓷环的内侧有间距，外陶瓷环和内陶瓷环为一体结构。

上述内陶瓷环的外侧与外陶瓷环的内侧的间距为0.5mm。

上述的内陶瓷环的壁厚为0.5mm。

为了进一步的降低溅射率，上述的阴极、输出阴极和阳极筒的材料为钼。

优选的，上述的磁钢为钐钴材料。

为了防止磁场外泄，上述的离子源罩和封接环的材料为高导磁材料。

上述的陶瓷绝缘环的材料为99陶瓷材料。

上述的定位环的材料为无磁不锈钢材料。

本实用新型的有益效果是：

1、阴极设计为台阶状，挡住了从阴极端面溅射出来的离子到达外陶瓷环内壁的A区；

2、由于设置了内陶瓷环，它有效隔离了阳极筒和外陶瓷环，这样从阴极表面溅射出来的离子不会沉积在外陶瓷环内壁表面和内陶瓷环外壁表面的C区；

3、由于绝缘陶瓷环下端设计一个高度为1.5mm台阶，从输出阴极表面溅射出来的离子同样不会沉积在D区和E区。

附图说明

图1是潘宁离子源工作原理图；

图2是常规潘宁离子源结构示意图；

图3是本实用新型防离子溅射潘宁离子源结构示意图；

图4是本实用新型防离子溅射潘宁离子源绝缘陶瓷环结构示意图。

图中附图标记为：1-主磁钢；2-阴极；3-阳极筒；4-输出阴极；5-阳极供电；6-封接环；7-绝缘陶瓷管；8-离子源罩；9-磁环；10-绝缘陶瓷环；101-外陶瓷环；102-内陶瓷环。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步的描述。

如图3所示是本实用新型的防离子溅射微型潘宁离子源结构示意图，将阴极2的形状设计为台阶状的，将图2中的两个绝缘陶瓷环和设计为单个绝缘陶瓷环10，如图4所示，绝缘陶瓷环10包含了外陶瓷环101和壁厚为0.5mm的内陶瓷环102，内陶瓷环102的外侧与外陶瓷环101的内侧留有0.5mm的间距，在内陶瓷环102的内侧固定阳极筒3，其余部分同图2的常规微型潘宁离子源结构。

本实用新型的材料选用与图2的常规微型潘宁离子源有所不同，可伐和钼都具有较大的二次电子发射系数，较低的溅射率，能耐高温，都适合做阴极材料；不锈钢和钼都是非磁性材料，也都适合做阳极材料，但一方面考虑到阴阳极材料不同时，因两者膨胀系数不同，阳极表面被阴极材料溅射的沉积层容易起皮，引起阴阳极间尖端放电；另一方面考虑封接工艺的简化，不锈钢难以钎焊，而钼则能钎焊，故选用钼作为阴阳极材料；磁钢材料要根据中子管结构和工作温度来选用，铝镍钴磁钢磁能积较低，稀土磁钢工作温度和居里温度低，而钐钴磁钢工作温度为300～350℃，居里温度为800℃，能满足中子管的要求，故选用钐钴磁钢；离子源罩8和封接环6选用高导磁材料，可以有效防止离子源内部磁场外泄而减弱内部磁场强度，同时，也可以防止外部磁场对离子源内部磁场强度的影响而导致离子源工作不稳定；绝缘陶瓷环10选用99陶瓷材料；定位环11选用无磁不锈钢材料。

本实用新型微型潘宁离子源在起初一段时间内的工作状态与图2结构的常规潘宁离子源相同，随着使用时间的延长，也许会在图3中外陶瓷环101的B区和内陶瓷环102内壁表面溅射一层金属膜。但是由于绝缘陶瓷环10和阴极2结构的特殊性，可以有效地防止离子溅射而使阴阳极之间绝缘变差。

图3中由于阴极2台阶的存在，挡住了从阴极2下端面溅射出来离子到达A区；由于设置了内陶瓷环102，它有效隔离了阳极筒和外陶瓷环101，这样从阴极2下表面溅射出来的离子不会沉积在C区，即外陶瓷环101内壁表面和内陶瓷环102外壁表面；由于绝缘陶瓷环10下端设计一个高度为1.5mm台阶，从输出阴极4上表面溅射出来的离子同样不会沉积在D区和E区表面。从上述三方面分析可知，无论从阴极2下表面或输出阴极4上表面溅射的离子溅射到达绝缘陶瓷环10表面，都不会破坏阴阳极之间的绝缘，从而达到了防离子溅射的目的。

这种防离子溅射微型潘宁离子源在外径为25mm微型中子管中得到了应用，经过近100支这种中子管的实际使用验证表明，其工作寿命超过了200小时。