基于微纳加工技术的场解吸附离子源关键技术研究

Terrorism and nuclear proliferation concerns have made the detection of special nuclear materials (SNM) a major focus of homeland and national security activities for many countries, in particular highly enriched uranium (HEU) and plutonium. Active neutron interrogation is an effective and, in some instances, the only reliable means to remotely detect such special nuclear materials. A critical component hindering the development of ?eldable active neutron interrogation systems is the characterization of neutron generators. Traditional ion sources based on various types of electrical discharges lead to neutron generators with either high outputs and short lifetimes, or low outputs and long lifetimes. This project concerns the research on key technologies of field desorption ion source using microfabrication technology. The ionization mechanism of field desorption with the operation of high electrical field strength will be investigated, the scientific issues between design of micro-configuration for emission array and technics processing will be explored, the characterization of field desorption ion source will be studied, and the influence of parameters on characterizations will be discussed. The purpose of this project not only means to solve the critical problem that traditional neutron generators can not have the characterization of high outputs and long lifetimes at the same time for field applications, make the development of neutron generators with high performance and integrative configuration, and meet the requirment for homeland and national security activities，but also explore the application possibility of field desorption ion source for particle accelerator injection, surface modification and so on.

随着国际恐怖主义和核扩散事件的日益泛滥，如何有效地检测特殊核材料成为各国保障国土安全所关注的重点，如高浓缩铀、钚等。有源中子探寻法是可用于主动检测特殊核材料的一种有效方法，某些情况下甚至是唯一可信赖的方法。但目前阻碍有源中子探寻技术发展的关键点是中子发生器技术，传统基于气体放电方式的离子源导致中子发生器工作性能或是高产额短寿命，或是低产额长寿命，难以兼具二者之长。本项目基于微纳加工技术开展场解吸附离子源关键技术研究，阐明强电场作用下场解吸附工作电离机制，探索发射阵列微结构设计和工艺制备相互关联的科学问题，掌握场解吸附离子源发射阵列工作特性并揭示外界参数的影响规律。通过开展本项目研究不仅可解决目前中子发生器不能兼具长使用寿命和高中子产额的难点，实现中子发生器高性能、一体化的发展，满足保障国土安全的需求；同时也可探索场解吸附离子源在加速器粒子注入、材料表面改性等方向的应用前景。

目前阻碍有源中子探寻技术发展的关键点在于中子发生器技术，传统基于气体放电方式的离子源导致中子发生器工作性能难以兼具高产额和长寿命，新一代离子源技术的研究迫在眉睫。本项目重点围绕场解吸附电离工作机制研究、场解吸附离子源发射阵列微结构设计及微加工技术研究和离子源发射阵列工作特性研究等方面展开，取得了一系列重要的研究成果。首先，完成场解吸附气体电离过程理论研究，建立了强电场作用下场解吸附气体电离势能关系，阐明了场解吸附气体电离的物理机制。并基于单尖发射体电场分布仿真研究获得了各结构参数对电场分布性能的影响；开展了电化学腐蚀技术制备钨尖端研究，制备了高精度尖端曲率半径的金属单尖；开展了单尖端发射体离子发射工作特性研究，获得了不同环境气氛下单尖端发射体场解吸附电离工作特性，D2环境气氛下，阳极收集的离子电流最大，N2次之。其次，开展了Spindt与碳纳米管发射阵列微结构设计数值模拟研究，研究了各结构参数对电场分布的影响，优化模型参数后可实现尖端发射离子的同时栅极不发射电子。基于电子束光刻和纳米球光刻技术开展了金属栅孔阵列制备工艺探索，设计工艺流程并摸索各工艺参数，制备出了高集成度、高一致性的金属栅孔阵列，栅孔底部平整干净，侧壁光滑陡直。与双向沉积技术结合制备出了Spindt阵列，Spindt阵列的锥半角较小，锥尖的一致性很好。基于定向生长和丝网印刷技术制备了与基底有优良导电性和强附着力的碳纳米管发射阵列。最后，开展了Spindt阵列发射性能研究，基于SEM 检测、阴栅短路测试、真空烘烤除气等后处理手段对Spindt阵列样品进行初步鉴别，针对Spindt阵列的失效问题，提出了制备改进方案。开展了碳纳米管阵列发射性能研究，获得了气氛环境、碳纳米管长度、阳极电压、阴极电压等对离子发射流强的影响。开展了阵列离子发射质谱诊断设计研究，拟采用直线式结构，主要由离子源、准直聚焦系统、离子门、微通道板（MCP）检测器、真空系统、供电系统及采集系统组成。上述成果对于基于微纳加工技术的场解吸附离子源的应用具有重要的理论和实际意义。