[发明专利]场致离子发射体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器推进技术领域，具体而言，本发明涉及一种场致离 子发射体的制备方法。

背景技术

场致离子发射现象是一种物理现象，其原理是在强电场下，液态金属在 静电场作用下，在表面产生感生电荷；电荷在静电场作用下，产生电场力， 从而将金属变形，形成“Taylor”尖；当静电场足够大时，“Taylor”尖端 金属原子将被电场力直接从金属液面拔出，并形成离子，发射出去，形成离 子流。利用该物理现象发展的场致离子发射技术在重力波探测卫星、相对论 验证卫星等无拖曳卫星领域有着重要的用途，它可以提供亚微牛至毫牛量级 的推力，可以为卫星提供高精度的推力控制。因此，场致离子发射技术在航 天器微推进领域有着重要的作用，它可以提供最小亚微牛级的推力，并且比 冲高，这是其他推进技术无法实现的。而如此小的推力控制技术在重力场测 量卫星、引力波探测卫星等需要高精度控制卫星上有着重要作用。

场致离子发射需要极高的电场，必须利用尖状发射体，利用尖端增强电 场方式，在较低电压下，实现较大电场强度，从而达到液态金属离化、发射 的目的。

场致离子发射的发射体有小孔或者狭缝状，以及针尖状两大类。在针尖 状发射体中，一般采用机械加工或者化学腐蚀的方法，将钨丝等刻蚀出发射 体，例如如图1所示，图1显示了利用电化学方法腐蚀钨丝形成的针尖形貌。 奥地利的ACRS等国外公司主要就是采用这种方法获得尖状体，再利用浸润现 象在尖状体上附着金属铟，从而得到场致离子发射的发射体。然而这种发射 体尖端曲率半径一般在10微米左右，很难进一步减小。由于发射体尖端曲率 半径越小，则需要的发射电压越低，发射性能越好，为此，有必要制备更小 尺寸的针尖状发射体，以更高效地解决空间航天器在轨的微推进控制问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种新的场致离子发射体制备方法。本 发明利用碳纳米管阵列，通过物理蒸发的方法，在其表面蒸镀上铟(In)或 者镓(Ga)金属，作为场致离子发射的发射体。该方法可以将发射体的尺寸 降低到100nm以下。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种场致离子发射体制备方法，包括如下步骤：

在碳纳米管阵列表面，通过热蒸镀或者电子束蒸发、磁控溅射方法在碳 纳米管阵列表面镀上一层低熔点金属铟(In)或镓(Ga)，作为场致离子发 射的发射体。

其中，所述碳纳米管阵列通过CVD法制备，在基底上生长出取向排列的 碳纳米管阵列。

其中，所述基底为硅或金属。

其中，所述金属为大多数金属，常用的有铁、铜等。

其中，将碳纳米管阵列放入真空镀膜设备中，将块状金属铟或者镓放入 蒸发器皿中，在真空条件下，利用电阻加热方法或者电子束加热方法，将金 属铟或者镓加热融化，并蒸发，直至需要的镀膜厚度。

其中，通过控制镀膜的厚度获得不同曲率半径的纳米线，作为场致离子 的发射体。

进一步地，碳纳米管阵列中碳纳米管尖端曲率半径与碳纳米管直径基本 一致，为20nm左右。

其中，通过控制加热温度，调节镀膜速率，镀膜速率为0.1nm/s至5nm/s， 直至达到需要的厚度，厚度在100nm以下。

与现有技术相比，本发明的制备方法可以降低场致离子发射体的制备难 度，减小发射体的尺寸，从而提高场致离子发射器的整体性能。将该发射体 放入场致离子发射测试装置，其可以在1500V电压下实现发射。而一般采用 微米级尖状发射体发射电压需要3000-5000V。

附图说明

图1显示了利用电化学方法腐蚀钨丝形成的针尖形貌；

图2显示了镀覆之前通过CVD法制备得到的碳纳米管阵列表面形貌；

图3显示了表面蒸镀后碳纳米管阵列表面上Ga后的形貌，其中，Ga的镀 覆厚度为100nm。

图4显示了表面蒸镀后碳纳米管阵列表面上In的形貌，其中，In的镀覆 厚度为100nm。

图5显示了场致离子发射体的制备过程示意图。

图中：1-碳纳米管阵列，1.1是基底，1.2是碳纳米管；2-碳纳米管镀 膜，其中2.1是真空室，2.2是金属源(In或Ga)，2.3是加热装置；3-镀膜 后的碳纳米管阵列,3.1是碳纳米管表面镀的金属层。