碳纳米管阴极电离真空计表面分子层多态脱附机理与精确测量研究

The ultra-high and extremely high vacuum measurement is a challenging and cutting-edge technology. It is important trendency to study the influence of physicochemical phenomena and surface effect on accurate vacuum measurement under the condition of extremely high vacuum. For extending the lower limit and improving measurement accuracy of extremely high vacuum gauge with carbon nanotube (CNT) cathode, the gas adsorption and desorption character is the key constraint. Taking gas multiform desorption of molecular layer on electrodes surface as research object, the project will study the theoretical principle of gas desoption and optimize outgassing rate experimentally, through molecular force field calculation, ions motion character simulation and outgassing experimental test. The gas desorption effect of ionizaton gauge with CNT cathode will be suppressed by theoretical and experimental researches. The project aims to expose the electrodes surface effects and reduce the outgassing rate, which will lay the theoretical and technological foundation for the lower limit extension and accurate measurement of ionization gauge with CNT cathode.

超高/极高真空测量是真空计量领域一项富有挑战的前沿技术难题，重点研究极高真空条件下的物理化学现象和表面效应对精确测量的影响是重要发展趋势。碳纳米管（CNT）阴极极高真空计气体吸附-脱附特性成为了目前制约其下限延伸和精确测量的主要问题。本项目以CNT阴极电离真空计电极表面分子层多态脱附特性为研究对象，在极高真空条件下，基于分子力场计算、离子微观运动特征分析及实验验证优化的思路，开展气体脱附理论规律研究，通过宏观放气率优化实验，抑制极高真空环境下的CNT阴极电离真空计气体脱附效应。本项目旨在揭示CNT阴极电离真空计电极表面效应，降低宏观放气率，为推动CNT阴极电离真空计测量下限延伸和精确测量奠定理论与技术基础。

超高/极高真空测量是真空计量领域一项富有挑战的前沿技术难题，重点研究极高真空条件下的物理化学现象和表面效应对精确测量的影响是重要发展趋势。碳纳米管（CNT）阴极电离真空计气体吸附-脱附特性成为了目前制约其下限延伸和精确测量的主要问题。.本项目通过第一性原理计算，研究了CNT材料表面C原子和N、H、O原子或者其分子的相互作用机理，讨论了气体在CNT表面的物理和化学吸附现象，并通过功函数等参数计算，理论分析了气体吸附对场发射性能的影响。实验研究了不同Ar、He、H2、CH4、O2、CO2气体作用下的场发射及离子流稳定性，分析了不同气体对场发射性能可逆性的影响。实验研究Ti和Bi纳米颗粒改性处理的CNT表面的气体吸附特性和热传导特性，Ti保护CNT表面，避免直接吸附气体分子（H为主），场发射本征特性较好，且稳定性得到提升，另外，Ti-CNT工作过程中改变了超高真空环境下的残余气体组成；Bi纳米颗粒有助于提升热传导性能，使得场发射过程中产生的焦耳热通过衬底导出，减少CNT尖端损伤，而较低的尖端温度，也减少了H2为主的气体热脱附，抑制其对超高真空的影响。针对超高真空测量技术应用，研制的CNT电离真空计采用离子能量分析的原理，通过静电场偏转作用，将能量较高的ESD离子阻挡，使得能量较低的气相离子进入收集极，实验在10-9Pa~10-6Pa的超高真空条件下开展，ESD离子流峰值约为10-15A量级，由此引起的干扰压力约为10-11Pa量级，宏观放气率可降低到10-11Pa m3/s量级，对应本底干扰压力10-10Pa量级，全量程校准结果表明，该仪器具有良好的长期稳定性，灵敏度S的相对标准偏差在一年内的变化为2.0%（Ar）和1.6%（N2）。.本项目以理论指导实验研究，并应用于工程实践。研究了CNT阴极在超高真空环境下的气体吸附-脱附效应，促进了CNT阴极在电真空器件中的实际应用，目前已初步应用于电离真空计和空间质谱计低能离子校准源，未来随着微纳卫星技术的发展和快速应用，低功耗快响应CNT电子源在空间科学探测仪器中将具有更加广阔的应用前景。