基于鐵電陰極材料離子源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

金克強(qiáng)，黃 剛，徐 波，張立紅

(中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

1 引言

很多專家認(rèn)為質(zhì)譜儀的核心部件離子源需要擁有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和明顯的創(chuàng)新性，才能使我國(guó)在此領(lǐng)域占有一席之地。離子源被譽(yù)為質(zhì)譜儀的心臟，其作用有兩個(gè)方面:將被分析的樣品電離成正離子或負(fù)離子;通過(guò)引出、加速和聚焦把樣品離子傳輸?shù)劫|(zhì)量分析器。離子源的類型不同，適用的樣品也不一樣。筆者選擇離子源的類型是電子電離源(EI源)，基于其可以分析所有的氣體、并且離子流穩(wěn)定度高、便于調(diào)節(jié)離子能量、離子能散小等優(yōu)點(diǎn)。

鐵電陰極電子發(fā)射是要有在外界激勵(lì)作用下，例如:力、熱、光、電等，鐵電材料表面產(chǎn)生的電子發(fā)射。1960年，Albert Savage和 Robert C.Miller最初提出了鐵電體電子發(fā)射的概念，他們?cè)趩尉Р牧螧aTiO3極化反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電子的產(chǎn)生［4］。然后在1974年，B.Rosenblum和B.Braunlich等人在LiNbO3熱釋電實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電子發(fā)射現(xiàn)象，同時(shí)測(cè)得幾千伏的發(fā)射電子能量［5］。盡管獲得的發(fā)射電流微弱，但是世界上已經(jīng)初步認(rèn)可了關(guān)于鐵電體的電子發(fā)射能力。一直到1989年，歐洲核子研究中心(CERN)的H.Gundel和H.Riege等人在脈沖電場(chǎng)下將陰極用PLZT材料，測(cè)得了強(qiáng)流電子束大于100 A/cm2，同時(shí)理論上預(yù)言鐵電陰極電子發(fā)射電流密度可達(dá)105A/cm2［6］。

我國(guó)對(duì)鐵電陰極材料的電子發(fā)射研究發(fā)展比較快。筆者采用的是西安交大馮玉軍等人制備了La改性 Pb(Zr，Sn，Ti)O3獲得了 PbLa(Zr，Sn，Ti)O3(PLZST)的鐵電陶瓷材料［7］。該陶瓷樣品是厚度為0.5 mm、直徑為18 mm的圓片。陶瓷的背電極涂成直徑為14 mm的圓形滿電極、陶瓷前電極涂成直徑為12 mm的等間距條形電極，樣品的有效發(fā)射面積為0.47 mm2。如圖1鐵電陰極樣品實(shí)物拍攝所示。

圖1 鐵電陰極樣品實(shí)物拍攝

2 鐵電陰極材料離子源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本節(jié)主要是對(duì)鐵電陰極材料離子源的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，借鑒國(guó)內(nèi)外電子電離源的構(gòu)造與特點(diǎn)，提出電子發(fā)射陰極為鐵電陰極材料的離子源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)之前需要先了解電子電離源的工作原理，如圖2所示，陰極發(fā)射的電子在電離室內(nèi)與樣品氣體分子碰撞產(chǎn)生離子。在場(chǎng)強(qiáng)的作用下，電子會(huì)飛向陽(yáng)極;而離子會(huì)因?yàn)殡婋x室、聚焦極、加速極上施加的電壓值，穿過(guò)透鏡系統(tǒng)到達(dá)法拉第桶。

圖2 鐵電陰極材料離子源工作示意圖

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

離子源一般由多個(gè)不同的電極組合而成，各個(gè)電極形狀、尺寸、工藝及電參數(shù)等因素都會(huì)影響離子源的性能，因此在設(shè)計(jì)離子源結(jié)構(gòu)時(shí)，要綜合考慮各個(gè)因素。本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的要點(diǎn)如下:首先是結(jié)構(gòu)問(wèn)題，離子源的結(jié)構(gòu)由陰極組件、陽(yáng)極組件、電離室區(qū)、進(jìn)樣組件、透鏡系統(tǒng)和固定法蘭等組成，如圖3所示。其次是絕緣問(wèn)題，離子源的各個(gè)電極之間要施加不同的電參數(shù)，因此彼此之間要固定牢固又要絕緣，這是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn);最后是尺寸問(wèn)題，在文獻(xiàn)［8］中已經(jīng)做過(guò)關(guān)于電離室對(duì)靈敏度的影響的實(shí)驗(yàn)分析，電離室越大，電離區(qū)范圍大，則靈敏度越高，但是過(guò)大的電離室會(huì)降低離子的聚焦性能;本文根據(jù)鐵電陶瓷材料形狀是直徑為12 mm的圓形等間距條形電極，綜合考慮電離室區(qū)長(zhǎng)寬高上為15 mm×15 mm×15.7 mm;電離室的電子入口孔和出口孔與前電極有效發(fā)射形狀相對(duì)應(yīng)為直徑10 mm的圓;離子透鏡系統(tǒng)中的聚集極孔徑為2 mm，加速極孔徑為2 mm，調(diào)節(jié)墊圈孔徑為2.2 mm;離子透鏡極間距選為1 mm，間距過(guò)大會(huì)減弱離子源的性能。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型鐵電陰極材料離子源的結(jié)構(gòu)由陰極組件、電離室組件、透鏡系統(tǒng)、陽(yáng)極及各個(gè)配件等部分組成。通過(guò)計(jì)算機(jī)繪圖軟件SolidWorks繪制3D結(jié)構(gòu)圖和工程圖。這里重點(diǎn)介紹陰極組件、電離室組件、透鏡系統(tǒng)及陽(yáng)極。

(1)陰極組件是由金屬固件、陶瓷固件、螺釘17 mm、陶瓷定位套筒和陶瓷墊片組成，在設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮到固定問(wèn)題和絕緣問(wèn)題，鐵電陶瓷圓片固定主要是靠金屬固件的兩個(gè)卡箍和陶瓷墊片三點(diǎn)作用，使得鐵電陶瓷圓片能垂直豎立在電離室一側(cè)。為了使螺釘和金屬固件絕緣，采用材料為96陶瓷的陶瓷定位套筒包裹住螺釘。圖4是陰極組件的3D結(jié)構(gòu)圖，圖5是陰極組件的剖面工程圖。

圖3 離子源簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 3D結(jié)構(gòu)圖

圖5 剖面工程圖

(2)電離室組件是離子源的主體部份，由電離盒蓋進(jìn)樣孔、電離盒蓋、電離盒、電離盒引出底片、電離盒定位陶瓷件、螺釘30 mm、螺釘8 mm等組成。結(jié)構(gòu)如圖6，圖7所示。避免螺釘和金屬部件接觸導(dǎo)電，也是通過(guò)陶瓷件來(lái)實(shí)施絕緣。

(3)透鏡系統(tǒng)由聚焦極、加速極、調(diào)節(jié)墊圈和固定法蘭組成。透鏡系統(tǒng)的作用就是將離子流引出到法拉第桐上，使其離子束流更加穩(wěn)定。離子透鏡系統(tǒng)中的聚集極孔徑、加速極孔徑及調(diào)節(jié)墊圈孔和離子透鏡極間距，透鏡孔徑的大小會(huì)影響離子束聚焦性，孔徑越小聚焦性能越好，同時(shí)離子束流會(huì)減小也會(huì)影響靈敏度，一般孔徑大小都是選擇2.6～3.0 mm，此外透鏡之間間距增大會(huì)減弱離子源的性能。為了讓鐵電陰極材料的發(fā)射電子中心對(duì)準(zhǔn)電離室的電子入口孔，對(duì)聚焦極和加速極切出槽口，使得陰極組件直接固定在調(diào)節(jié)墊圈上。結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖6 3D結(jié)構(gòu)圖

圖7 剖面工程圖

圖8 透鏡系統(tǒng)的3D結(jié)構(gòu)圖

(4)陽(yáng)極，其主要目的是接收鐵電陰極材料發(fā)射的電子流，使得陰極和陽(yáng)極之間形成閉合回路。一般陽(yáng)極的材料為不銹鋼、石墨等吸附性較好的材料。本課題采用的是不銹鋼材料。結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 陽(yáng)極的3D結(jié)構(gòu)圖

(5)完整裝配圖，如圖10、11離子源完整裝配圖所示。

圖10 完整離子源裝配圖

圖11 離子源組裝后的拍攝圖

3 總結(jié)

本文將原本完全獨(dú)立的兩塊領(lǐng)域——鐵電陰極材料和離子源的發(fā)射陰極相結(jié)合，由此出發(fā)設(shè)計(jì)新型鐵電陰極材料離子源的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)結(jié)合中外離子源設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，發(fā)揮主觀創(chuàng)造性合理設(shè)計(jì)各個(gè)部件。本研究是為鐵電陰極材料離子源對(duì)樣品氣體分子電離效率實(shí)驗(yàn)作前提和鋪墊，并且后續(xù)工作已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，相信不久的將來(lái)鐵電陰極材料離子源能夠在質(zhì)譜儀等分析儀器上會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

［1］Chirko K，KRASIK Y E，F(xiàn)ELSTEINER J.En－ hanced emission mode of a ferroelectric plasma cathode.［J］.Journal of Applied Physics，2002，92(10):5691 －5697.

［2］Riege H.Electronemission from ferroelectrics:a re－view［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research:Section A，1994，340(1):80－89.

［3］Fleddermann C B，NATION J A.Ferroelectric sources and their application to pulsed power:a review ［J］.IEEE Trans Plasma Sci，1997，25(2):212－220.

［4］Miller R C，Savage A.Motion of 1800 domain walls in metal electroded barium titanate crystals as a function of electric field and sample thickness［J］.J.Appl.Phys.，1960，31(4):662 －669.

［5］Rosenblum B，Braunlich P，Carrico JP.Thermally stimulated field emission from pyroelectric LiNbO3［J］.Appl.Phys.Lett.，1974，25(1):17－19.

［6］Gundel H，Riege H，Handerek J，et al.Low －pressure hollow cathode switch triggered by a pulsed electron beam emitted from ferroelectrics［J］.Appl.Phys.Lett.，1989(54):2071 －2073.

［7］馮玉軍.Pb(Zr，Sn，Ti)O3反鐵電材料的性能和制備［D］.西安:西安交通大學(xué)，2001.

［8］許勝國(guó).熱電子轟擊氣體離子源若干結(jié)構(gòu)和工藝問(wèn)題［J］.質(zhì)譜學(xué)報(bào)，1993(13):42 －54.