場致離子發(fā)射體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天器推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，本發(fā)明涉及一種場致離子發(fā)射體的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]場致離子發(fā)射現(xiàn)象是一種物理現(xiàn)象，其原理是在強電場下，液態(tài)金屬在靜電場作用下，在表面產(chǎn)生感生電荷；電荷在靜電場作用下，產(chǎn)生電場力，從而將金屬變形，形成“Taylor”尖;當(dāng)靜電場足夠大時，“Taylor”尖端金屬原子將被電場力直接從金屬液面拔出，并形成離子，發(fā)射出去，形成離子流。利用該物理現(xiàn)象發(fā)展的場致離子發(fā)射技術(shù)在重力波探測衛(wèi)星、相對論驗證衛(wèi)星等無拖曳衛(wèi)星領(lǐng)域有著重要的用途，它可以提供亞微牛至毫牛量級的推力，可以為衛(wèi)星提供高精度的推力控制。因此，場致離子發(fā)射技術(shù)在航天器微推進(jìn)領(lǐng)域有著重要的作用，它可以提供最小亞微牛級的推力，并且比沖高，這是其他推進(jìn)技術(shù)無法實現(xiàn)的。而如此小的推力控制技術(shù)在重力場測量衛(wèi)星、引力波探測衛(wèi)星等需要高精度控制衛(wèi)星上有著重要作用。
[0003]場致離子發(fā)射需要極高的電場，必須利用尖狀發(fā)射體，利用尖端增強電場方式，在較低電壓下，實現(xiàn)較大電場強度，從而達(dá)到液態(tài)金屬離化、發(fā)射的目的。
[0004]場致離子發(fā)射的發(fā)射體有小孔或者狹縫狀，以及針尖狀兩大類。在針尖狀發(fā)射體中，一般采用機械加工或者化學(xué)腐蝕的方法，將鎢絲等刻蝕出發(fā)射體，例如如圖1所示，圖1顯示了利用電化學(xué)方法腐蝕鎢絲形成的針尖形貌。奧地利的ACRS等國外公司主要就是采用這種方法獲得尖狀體，再利用浸潤現(xiàn)象在尖狀體上附著金屬銦，從而得到場致離子發(fā)射的發(fā)射體。然而這種發(fā)射體尖端曲率半徑一般在10微米左右，很難進(jìn)一步減小。由于發(fā)射體尖端曲率半徑越小，則需要的發(fā)射電壓越低，發(fā)射性能越好，為此，有必要制備更小尺寸的針尖狀發(fā)射體，以更高效地解決空間航天器在軌的微推進(jìn)控制問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種新的場致離子發(fā)射體制備方法。本發(fā)明利用碳納米管陣列，通過物理蒸發(fā)的方法，在其表面蒸鍍上銦(In)或者鎵(Ga)金屬，作為場致離子發(fā)射的發(fā)射體。該方法可以將發(fā)射體的尺寸降低到10nm以下。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0007]—種場致離子發(fā)射體制備方法，包括如下步驟:
[0008]在碳納米管陣列表面，通過熱蒸鍍或者電子束蒸發(fā)、磁控濺射方法在碳納米管陣列表面鍍上一層低熔點金屬銦(In)或鎵(Ga)，作為場致離子發(fā)射的發(fā)射體。
[0009]其中，所述碳納米管陣列通過CVD法制備，在基底上生長出取向排列的碳納米管陣列。
[0010]其中，所述基底為硅或金屬。
[0011]其中，所述金屬為大多數(shù)金屬，常用的有鐵、銅等。
[0012]其中，將碳納米管陣列放入真空鍍膜設(shè)備中，將塊狀金屬銦或者鎵放入蒸發(fā)器皿中，在真空條件下，利用電阻加熱方法或者電子束加熱方法，將金屬銦或者鎵加熱融化，并蒸發(fā)，直至需要的鍍膜厚度。
[0013]其中，通過控制鍍膜的厚度獲得不同曲率半徑的納米線，作為場致離子的發(fā)射體。
[0014]進(jìn)一步地，碳納米管陣列中碳納米管尖端曲率半徑與碳納米管直徑基本一致，為20nm左右。
[0015]其中，通過控制加熱溫度，調(diào)節(jié)鍍膜速率，鍍膜速率為0.lnm/s至5nm/s，直至達(dá)到需要的厚度，厚度在10nm以下。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的制備方法可以降低場致離子發(fā)射體的制備難度，減小發(fā)射體的尺寸，從而提高場致離子發(fā)射器的整體性能。將該發(fā)射體放入場致離子發(fā)射測試裝置，其可以在1500V電壓下實現(xiàn)發(fā)射。而一般采用微米級尖狀發(fā)射體發(fā)射電壓需要3000-5000Vo
【附圖說明】
[0017]圖1顯示了利用電化學(xué)方法腐蝕鎢絲形成的針尖形貌；
[0018]圖2顯示了鍍覆之前通過CVD法制備得到的碳納米管陣列表面形貌；
[0019]圖3顯示了表面蒸鍍后碳納米管陣列表面上Ga后的形貌，其中，Ga的鍍覆厚度為10nm0
[0020]圖4顯示了表面蒸鍍后碳納米管陣列表面上In的形貌，其中，In的鍍覆厚度為10nm0
[0021 ]圖5顯示了場致離子發(fā)射體的制備過程示意圖。
[0022]圖中:1-碳納米管陣列，1.1是基底，1.2是碳納米管；2-碳納米管鍍膜，其中2.1是真空室，2.2是金屬源(In或Ga)，2.3是加熱裝置;3-鍍膜后的碳納米管陣列，3.1是碳納米管表面鍍的金屬層。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的場致離子發(fā)射體制備方法作進(jìn)一步的說明。
[0024]本發(fā)明的制備方法的基礎(chǔ)是首先獲得碳納米管陣列樣品，該碳納米管陣列樣品的制備在目前已經(jīng)是成熟工藝，故不在此做詳細(xì)說明。通過CVD法制備得到的碳納米管陣列樣品是可以生長在硅上或金屬基底上的，其制備前的形貌參見圖2。
[0025]本發(fā)明的方法是在碳納米管陣列表面，通過熱蒸鍍或者電子束蒸發(fā)、磁控濺射方法在碳納米管陣列表面鍍上一層低熔點金屬銦(In)或鎵(Ga)，作為場致發(fā)射的發(fā)射體。
[0026]實施例一以In為場致發(fā)射體的鍍覆材料
[0027]將已知的碳納米管陣列放入真空室2.1內(nèi)，真空室2.1的壓力為IX 10—3Pa至I X 10一1Pa，將In金屬源2.2放入加熱裝置2.3上。抽真空，在真空條件下，加熱In金屬源2.2，使其氣化，蒸鍍到碳納米管陣列，形成鍍膜后的碳納米管陣列3，其上鍍覆有金屬層3.1。利用石英晶體振蕩天平等測量In源的鍍膜速率，通過控制加熱溫度，調(diào)節(jié)鍍膜速率0.2nm/s，直至達(dá)到10nm的厚度，碳納米管陣列中碳納米管尖端曲率半徑與碳納米管直徑基本一致，為20nm左右。鍍覆In后的碳納米管形貌如圖3所示，具體的制備過程參見圖5中的步驟2。
[0028]實施例二以Ga為場致發(fā)射體的鍍覆材料
[0029]將已知的碳納米管陣列放入真空室2.1內(nèi)，真空室2.1的壓力為IX 10—3Pa至I X 10一1Pa，將Ga金屬源2.2放入加熱裝置2.3上。抽真空，在真空條件下，加熱Ga金屬源2.2，使其氣化，蒸鍍到碳納米管陣列，形成鍍膜后的碳納米管陣列3，其上鍍覆有金屬層3.1。利用石英晶體振蕩天平等測量In源的鍍膜速率，通過控制加熱溫度，調(diào)節(jié)鍍膜速率0.2nm/s，直至達(dá)至Ij 10nm的厚度，碳納米管陣列中碳納米管尖端曲率半徑與碳納米管直徑基本一致，為50nm左右。鍍覆Ga后的碳納米管形貌如圖4所示，具體的制備過程參見圖5中的步驟2。
[0030]隨后將碳納米管陣列取出，則獲得了尺寸在納米量級的金屬場致離子發(fā)射體，參見圖5中的步驟3。
[0031]利用物理蒸鍍的方法，碳納米管表面被蒸鍍上一層金屬，形成的新的納米線尖端曲率半徑在lOOnm，通過控制鍍膜的厚度可以獲得不同曲率半徑的納米線，作為場致離子的發(fā)射體。這種方法很容易獲得曲率半徑為I OOnm—下的發(fā)射體。
[0032]將該發(fā)射體放入場致離子發(fā)射測試裝置，其可以在1500V電壓下實現(xiàn)發(fā)射。而一般采用微米級尖狀發(fā)射體發(fā)射電壓需要3000-5000V。
[0033]盡管上文對本專利的【具體實施方式】給予了詳細(xì)描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明專利的構(gòu)想對上述實施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種場致離子發(fā)射體制備方法，包括如下步驟: 在碳納米管陣列表面，通過熱蒸鍍或者電子束蒸發(fā)、磁控濺射方法在碳納米管陣列表面鍍上一層低熔點金屬銦(In)或鎵(Ga)，作為場致發(fā)射的發(fā)射體。2.如權(quán)利要求1所述的場致離子發(fā)射體制備方法，其中，所述碳納米管陣列通過CVD法制備，在基底上生長出取向排列的碳納米管陣列。3.如權(quán)利要求2所述的場致離子發(fā)射體制備方法，其中，所述基底為硅或金屬。4.如權(quán)利要求2所述的場致離子發(fā)射體制備方法，其中，所述金屬為鐵或銅。5.如權(quán)利要求1所述的場致離子發(fā)射體制備方法，其中，將碳納米管陣列放入真空鍍膜設(shè)備中，將塊狀金屬銦或者鎵放入蒸發(fā)器皿中，在真空條件下，利用電阻加熱方法或者電子束加熱方法，將金屬銦或者鎵加熱融化，并蒸發(fā)，直至需要的鍍膜厚度。6.如權(quán)利要求1所述的場致離子發(fā)射體制備方法，其中，通過控制鍍膜的厚度獲得不同曲率半徑的納米線，作為場致離子的發(fā)射體。7.如權(quán)利要求1所述的場致離子發(fā)射體制備方法，其中，碳納米管陣列中碳納米管尖端曲率半徑與碳納米管直徑基本一致，為20nm左右。8.如權(quán)利要求1所述的場致離子發(fā)射體制備方法，其中，通過控制加熱溫度，調(diào)節(jié)鍍膜速率，鍍膜速率為0.lnm/s至5nm/s，直至達(dá)到需要的厚度，厚度在10nm以下。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種場致離子發(fā)射體制備方法，包括在碳納米管陣列表面，通過熱蒸鍍或者電子束蒸發(fā)、磁控濺射方法在碳納米管陣列表面鍍上一層低熔點金屬銦(In)或鎵(Ga)，作為場致發(fā)射的發(fā)射體。本發(fā)明的制備方法可以降低場致離子發(fā)射體的制備難度，減小發(fā)射體的尺寸，從而提高場致離子發(fā)射器的整體性能。將該發(fā)射體放入場致離子發(fā)射測試裝置，其可以在1500V電壓下實現(xiàn)發(fā)射。而一般采用微米級尖狀發(fā)射體發(fā)射電壓需要3000-5000V。
【IPC分類】B82Y40/00, C23C14/35, F03H1/00, H01J9/02, C23C14/24
【公開號】CN105609394
【申請?zhí)枴緾N201610104405
【發(fā)明人】劉宇明, 張凱, 李蔓, 趙春晴, 劉向鵬
【申請人】北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2016年2月25日