[发明专利]一种碳纳米管冷阴极考夫曼离子源装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型离子源，特别涉及一种具有冷阴极结构的考夫曼离子源。

背景技术

离子束薄膜沉积和离子束材料改性技术是材料科学的一个重要分支，离子束技术的研究和推广取得了巨大的成就。目前，离子源的种类很多，Kaufman(考夫曼)离子源是使用较为广泛的对薄膜进行离子束轰击的装置，该装置的基本工作原理为：首先由阴极在离子源内腔产生等离子体，然后由两层或三层阳极栅格将离子从等离子腔体中抽取出来，这种离子源产生的离子方向性强，离子能量带宽集中，可广泛应用于真空镀膜中。缺点一：是阴极(往往是钨丝)在反应气体中很快就烧掉了；缺点二：阴极开启电压高，电子输出不稳定。

碳纳米管首先由日本研究人员发现，是一种新型碳材料，其具有优异的导电性能，以及几乎接近理论极限的尖端表面积(尖端表面积越小，其局部电场越集中，场增强因子越大)，所以碳纳米管是已知最好的场发射材料，它具有极低的开启电场(大约2伏/微米)，可传输极大的电流密度，并且有稳定的发射电流，因而是非常适合做冷阴极结构的材料。

发明内容

为解决现有技术的缺点，本发明设计一种碳纳米管冷阴极考夫曼离子源装置，包括进气口、阴极、阳极、放电室、磁棒、屏极、加速极、中和灯丝，其特征在于：所述装置阴极由金属丝表面包覆碳纳米管构成。这种结构使原有技术中，钨丝发射电子转变成碳纳米管发射电子，这种结构的改变有效的降低了开启电压。

该装置还包括：金属丝采用钨丝材料，两端连接电极。现有技术采用钨丝电流加热方法发射电子，阴极灯丝会越烧越细，钨丝使用寿命短，需要经常更换。采用本装置，一般几伏到几十伏的开启电压就会有大量电子发射，并且发射效率也会提高，这样就会延长金属丝的使用寿命。

该装置还包括：碳纳米管垂直金属丝排列。金属丝表面生长碳纳米管是一项成熟的现有技术，对于本行业技术人员可以有多种实现手段，最常用方法是化学气相沉积方法，在金属丝表面定向生长碳纳米管。

与现有技术相比，该装置具有开启电压低(一般小于100伏)，阴极寿命长，电子输出稳定的优点。

附图说明

图1是本离子源结构剖面图；

图2是金属丝结构截面图。

具体实施方式

下面结合说明书附图及具体实施例对本发明实施方式进行描述。

图1是本离子源结构剖面图，它由放电室和离子引出系统两部分组成，其工作原理与现有考夫曼离子源工作原理相同。阴极2位于放电室中央，与阳极3共同作用，在工作电压下发射电子。引出系统采用双栅极系统，由一个屏极6与一个加速极7组成，进气口1通入惰性气体，一般采用氩气进入离子源，气体在放电室4中电离形成的离子，由双栅极系统拔出形成离子束。中和灯丝8发射电子对离子束进行中和。磁棒5在此过程中起到控制与筛选等离子体的作用。

图2是金属丝结构截面图。碳纳米管21垂直金属丝22排列，金属丝22表面生长碳纳米管21是一项成熟的现有技术，对于本行业技术人员可以有多种实现手段，最常用方法是化学气相沉积方法，在金属丝22表面定向生长碳纳米管21。

应用示例

1、预抽真空至3×10^-3帕，开启进气阀至所需流量。

2、打开电源开关，先调屏极电压至200-300伏，加速极电压至200伏左右。

3、调节阳极电压至80-100伏，慢慢调节阴极，使电流逐渐上升，当阴极电流大至十几安培时，阳极电压开始下降，阳极电流表有读数，束流表开始有读数，说明离子源已经开始放电，有离子束被引出。