[发明专利]一种产生过渡金属正离子束的方法和用于该方法的装置

说明书

本发明属于航空航天装置的电推进系统和离子加速器技术领域，特别是涉及一种产生过渡金属正离子束的方法和用于该方法的装置，该方法是在工作物质储层与固体电解质薄膜界面施加引出电压，金属通过氧化还原反应转化成金属离子，然后通过场致蒸发离进入真空，在加速电压作用下获得动能形成离子束。该装置主要由工作物质储层、固体电解质薄膜、加热系统和高压电源系统组成。工作物质储层表面设有针尖，固体电解质薄膜镀在针尖表面，引出电极是与工作物质储层相同材质的金属网。本发明的有益效果在于增大了离子发射面积、提高了束流强度、降低了引出电压以及通过两套独立的电源能实现离子束流强度和能量的独立调节。

技术领域

本发明属于航空航天装置的电推进系统和离子加速器技术领域，特别是涉及一种产生过渡金属正离子束的方法和用于该方法的装置。

背景技术

目前，基于固体电解质(阴离子导体)的场辅助热离子发射器技术比较成熟，它能够产生带负电荷的氧离子束。常见方案的电极是多孔金属薄膜(如Ag)，镀在薄陶瓷板两侧，在两电极间加约100-200V的引出电压。工作物质(氧气)靠近发射器阴极端，通过电化学反应，氧分子在阴极表面形成双电荷氧负离子并扩散至电解质，然后在引出电压产生的电场作用下，这些离子由阴极迁移至阳极，通过加热电解质可以加速离子迁移，最后氧负离子从阳极的表面发射到真空中。此发射器的主要缺点是工作温度过高(500-700℃)，发射的离子太轻，且需要特殊设备来供应和储存气态氧。这些缺点限制了场辅助热离子发射器在小型航天器(如，立方体卫星)中的应用。

发明内容

鉴于上述问题，本发明旨在设计一种平面离子源装置和产生过渡金属正离子束的方法，用于产生过渡金属正离子束流，增大离子发射面积、提高束流强度、降低引出电压以及可以实现发射离子束流强度和能量的独立调节。

为了实现上述目的，本发明提供了一种产生过渡金属正离子束的方法，至少包括工作物质储层和固体电解质薄膜，工作物质储层朝向固体电解质薄膜的正表面设有规则或不规则排列的针尖，固体电解质薄膜设于工作物质储层正表面且与工作物质储层的微形貌一致，所述工作物质为过渡金属，对工作物质储层加热并在工作物质储层和固体电解质薄膜施加引出电压，工作物质薄膜中的金属通过氧化还原反应转化成金属离子，金属离子通过固体电解质中的快速离子传输通道向固体电解质薄膜和真空的界面处移动，再通过场致蒸发使得金属离子发射至真空，在加速电压作用下金属离子获得动能形成离子束。

而且，过渡金属在工作物质储层和固体电解质薄膜界面处发生氧化还原反应离子化。

而且，金属离子在固体电解质中传输，所述金属离子由引出电压的阳极扩散至引出电压的阴极。

而且，金属离子在固体电解质薄膜表面场致蒸发进入真空。

一种用于产生过渡金属正离子束的方法的装置，至少包括工作物质储层、固态电解质薄膜、引出电极，其特征在于：工作物质储层正表面设有规则或不规则排列的针尖，并在正表面镀有固体电解质薄膜，所述工作物质为过渡金属，所述固体电解质薄膜与工作物质储层的微形貌一致，引出电极位于固体电解质薄膜正面但不与固体电解质薄膜相接，工作物质储层、固体电解质薄膜和引出电极之间设有提供引出电压的电源，引出电极正面设有离子收集器，在引出电极和离子收集器之间设有提供加速电压的高压电源，所述工作物质储层、固体电解质薄膜、引出电极和离子收集器均位于真空度为10^-4Pa的真空腔内。

而且，所述工作物质储层为圆柱体，所述过渡金属为银或铜，所述工作物质储层正表面通过微纳加工技术刻蚀出规则或不规则排列的针尖。