基于碳納米管陰極的離子源的研究.pdf

1、為解決傳統(tǒng)電子轟擊電離源的熱陰極發(fā)射比低、加熱功率高、集成化加工難度大等問題，需要用更好的陰極材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈絲等熱陰極材料。碳納米管(CarbonNanotubes，CNT)具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)等性能，在高真空環(huán)境下具有優(yōu)良的場致發(fā)射特性，是理想的電子源材料。在碳納米管陰極中，電子是在外加電場作用下產(chǎn)生的，消除了熱陰極加熱功耗大，陰極材料的蒸發(fā)等不利因素;極快的響應(yīng)時間使場致發(fā)射陰極可以在脈沖電壓模式下工作，減小了場致發(fā)射陰極遭受離

2、子轟擊的幾率。場致發(fā)射陰極穩(wěn)定性在真空度越高的條件下越好。
　　綜上，本文將碳納米管場致發(fā)射陰極應(yīng)用于電子轟擊型離子源的陰極，通過計算機軟件建立模型，模擬場發(fā)射陰極的電子運動軌跡，設(shè)計CNT場發(fā)射陰極離子源的結(jié)構(gòu)，模擬離子運動軌跡。利用超高真空質(zhì)譜系統(tǒng)進行實驗研究，以實現(xiàn)一個基于碳納米管場發(fā)射陰極的EI離子源。本文分析研究了碳納米管冷陰極的金屬柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用絲網(wǎng)印刷法在金屬基底上直接制備碳納米管陰極，采用三極場發(fā)射結(jié)構(gòu)對輪形鉬柵網(wǎng)

3、和方孔形鉬柵網(wǎng)進行場致發(fā)射特性測試，然后利用場致發(fā)射產(chǎn)生的電子流在空間與氣體分子碰撞電離，通過離子收集板收集進行離子源測試。主要內(nèi)容有:
　　1)基于計算機仿真軟件CST對場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)進行建模，對電場分布、電子運動進行了模擬，對柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)下電子通過率、陰極發(fā)射電流及陽極電流與柵網(wǎng)網(wǎng)格尺寸D的關(guān)系進行了研究。對離子源結(jié)構(gòu)中電子、離子運動軌跡建模，為減輕離子轟擊陰極問題，構(gòu)造附加屏蔽極，為場發(fā)射器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。
　　2)

4、對不銹鋼基底進行機械拋光、丙酮超聲清洗，采用絲網(wǎng)印刷法在不銹鋼襯底上制備了碳納米管材料，烘烤處理，增強碳納米管與基底的附著性。
　　3)設(shè)計并加工了場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，設(shè)計并加工了兩款鉬柵網(wǎng)，采用三極式場發(fā)射結(jié)構(gòu)對兩款不同鉬柵網(wǎng)進行了測試。輪形柵網(wǎng)（物理通過率85％）實際的電子通過率隨著電場的增大趨向穩(wěn)定于60％左右，CNT閾值電場Ethr為1.6V/μm。方孔形柵網(wǎng)（物理通過率67％）的實際電子通過率隨著電場的增大趨向穩(wěn)定于55％左

5、右，CNT閾值電場Ethr為2.5V/μm。
　　4)四極質(zhì)譜儀放氣分析。在對碳納米管樣品進行測試之前及測試時，用四極質(zhì)譜儀，對真空系統(tǒng)樣品室進行掃描。本底在常溫時實驗前主要存在N2，H2O，NH3，CO2，O2，H2（即大氣的主要氣體成分）的碎片峰。碳納米管場致發(fā)射時，碳納米管會放出大量H2，H2O，CO，少量CH4等烷烴類氣體。
　　5)利用CNT場致發(fā)射陰極產(chǎn)生的電子流在空間與氣體分子碰撞電離，通過加負(fù)壓的不銹鋼板進行