專(zhuān)利名稱(chēng)：多級(jí)式離子射流裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種航空航天技術(shù)領(lǐng)域和微電子技術(shù)領(lǐng)域的離子射流裝置 與方法，具體地說(shuō)，涉及的是一種多級(jí)式離子射流裝置與方法。
背景技術(shù)：
離子推進(jìn)器在航天技術(shù)中的作用非常重要，與固體或者液體化學(xué)火箭相比， 離子推進(jìn)器具有十倍高的效率、十倍大的比沖、十倍高的有效噴射速度，并且有 長(zhǎng)得多的運(yùn)行時(shí)間，雖然化學(xué)火箭產(chǎn)生的推力比離子推進(jìn)器高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但 是上述特征使得離子推進(jìn)器在飛行器的長(zhǎng)距離太空飛行和姿態(tài)、軌道的微調(diào)整方 面有著更大的適應(yīng)性。這是因?yàn)?，由于離子推進(jìn)器效率更高、運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，雖 然其推力小使得瞬時(shí)加速度小，進(jìn)而使得飛行器在短時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到化學(xué)火箭在
推動(dòng)時(shí)所能達(dá)到的速度，但是，它可以使得飛行器在長(zhǎng)得多的時(shí)間內(nèi)處于不斷加 速的狀態(tài)，因此，如果是長(zhǎng)距離的行星際航行，使用離子推進(jìn)器可以使得飛行器 達(dá)到比化學(xué)火箭推進(jìn)時(shí)高得多的飛行速度，可以運(yùn)行長(zhǎng)得多的距離。另一方面， 由于飛行器姿態(tài)與軌道的調(diào)整需要非常高的控制精度，化學(xué)火箭所具有的大推力 特征便成了一個(gè)弊病，相反，小推力離子推進(jìn)器則更容易作為精確控制飛行器飛 行姿態(tài)與軌跡的手段。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朥S 7,306,189，申請(qǐng)日 2007年8月2日，名禾爾"System and method for an ambient atmosphere ion thrnster"(—種常壓離子推進(jìn)器的系統(tǒng)和方法)，介紹了一種可以工作于近地 軌道的離子推進(jìn)器，其特征在于，它依靠使得近地空間中的H、 He、 0、 N等離子 在推進(jìn)器電極中被加速，從而實(shí)現(xiàn)射流并提供給負(fù)載以推力、扭轉(zhuǎn)力等。其主要 結(jié)構(gòu)包括一對(duì)離子可透入性的電極，在電極間施加電壓產(chǎn)生電場(chǎng)，加速環(huán)境中的 離子而不再進(jìn)一步電離，或者進(jìn)一步電離環(huán)境中的分子并將環(huán)境中的離子共同加 速，不必?cái)y帶任何附加燃料，可以提供10,-10—4N數(shù)量級(jí)的推力。這種推進(jìn)裝置
的應(yīng)用范圍是狹窄的，只能在環(huán)境中存在一定電離度的氣體環(huán)境中才具有一定的
技術(shù)優(yōu)勢(shì)，當(dāng)使用氙氣等工作氣體時(shí)，該結(jié)構(gòu)僅僅是一對(duì)篩網(wǎng)狀電極，作為星際 航行用航天器的主推進(jìn)器時(shí)并不具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
真正在技術(shù)上最需要的離子推進(jìn)器，必須在保證高比沖、長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間這兩個(gè) 特征的同時(shí)，具有一定的、化學(xué)火箭所具有的"爆發(fā)力"，亦即能夠在某些特殊 條件下，例如緊急制動(dòng)條件下，變比沖輸出更大的推力，并且在航天器需要維持 軌道運(yùn)行速度或者調(diào)整姿態(tài)時(shí)，在沒(méi)有或者只有極其微量的燃料供給的情況下， 能夠?qū)崿F(xiàn)能夠滿(mǎn)足要求的力或力矩輸出。上述文獻(xiàn)顯然不能提供滿(mǎn)足這樣要求的 推進(jìn)器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多級(jí)式離子射流裝置與方 法，適用于直接加速近地空間中的離子，也適用于常壓空氣中的離子射流，同時(shí) 可以用于電離和加速航天燃料，例如氙氣等。由于一維納米電極和準(zhǔn)一維納米電 極等納電極陣的引入，使得電離過(guò)程能夠在更小的工作電壓進(jìn)行，從而可以顯著 提高電離度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)離子推進(jìn)器更大的推力輸出。在常壓下，由于納電極陣的 引入，電離過(guò)程可以在更小的電壓下進(jìn)行，從而大大拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。納電極陣 所造成的電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)僅發(fā)生在納電極陣尖端部分鄰近區(qū)域，這就意味著，但由 于電離部分分散于多級(jí)結(jié)構(gòu)之中，因此，相對(duì)于簡(jiǎn)單的電極結(jié)構(gòu)會(huì)極大地增加電 離幾率，顯著增加離子射流的電離度，而且，也可以增加電場(chǎng)加速作用的效率。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的一種多級(jí)式離子射流裝置，包括第一加速電極、第二加速電 極和末端鏤空電極，第一加速電極和第二加速電極交替排列，構(gòu)成多級(jí)電極結(jié)構(gòu)， 每?jī)蓚€(gè)相鄰的第一加速電極和第二加速電極之間，設(shè)置有絕緣層使得兩者相互絕 緣，末端鏤空電極位于多級(jí)電極結(jié)構(gòu)的末端，末端鏤空電極和與其相鄰的第一加 速電極或者第二加速電極之間，設(shè)置有絕緣層使得兩者相互絕緣；
第一加速電極和第二加速電極都是由鏤空電極、極化電極陣列和電極支柱三 部分組成，每個(gè)第一加速電極的極化電極和與其相鄰的、并且與其電極支柱相接 觸的第二加速電極的鏤空電極之間，存在氣體間隙，相反，每個(gè)第二加速電極的 極化電極和與其相鄰的、并且與其電極支柱相接觸的第一加速電極的鏤空電極之 間，存在氣體間隙；
在第一加速電極和第二加速電極中，所述的極化電極陣列包括數(shù)量大于二的
多個(gè)分立的極化電極組成，每個(gè)分立的極化電極均位于鏤空電極未鏤空部分的表 面，每?jī)蓚€(gè)分立的極化電極之間，存在氣體間隙使其相互隔離；
電極支柱或者是一個(gè)封閉的整體，或者是由多于兩個(gè)的分立的電極支柱組成 的陣列，每?jī)蓚€(gè)分立的電極支柱之間，存在氣體間隙使其相互隔離，每個(gè)分立的 電極支柱位于鏤空電極表面未鏤空的部分，或者只是位于鏤空電極表面的邊緣部 分，或者位于鏤空電極表面的邊緣和其他部分；
對(duì)于任意兩個(gè)相鄰的第一加速電極和第二加速電極，鏤空電極的結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn) 足如下特征當(dāng)氣體在第一加速電極或者第二加速電極的極化電極尖端被電離 后，能夠穿過(guò)相鄰加速電極的鏤空電極進(jìn)入下一級(jí)加速電極的氣體間隙。
本發(fā)明所涉及的一種多級(jí)式離子射流方法，包括如下具體步驟
第一步形成多級(jí)式離子射流結(jié)構(gòu)。
利用具有長(zhǎng)徑比大于10的線(xiàn)狀、管狀或者帶狀的極化電極陣列尖端部分的 電場(chǎng)收斂效應(yīng)，使得電極鄰近區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，設(shè)置鏤空電極于極化電極陣 列尖端附近，從而構(gòu)成電極間隙，鏤空電極局部鏤空并且至少在靠近極化電極一 側(cè)表面有絕緣層覆蓋，電極間隙中存在氣體；
采用多級(jí)式離子射流結(jié)構(gòu)， 一個(gè)末端設(shè)置有極化電極陣列、另一個(gè)末端設(shè)置 有鏤空電極，在兩個(gè)末端之間設(shè)置有多個(gè)極化電極陣列和鏤空電極，形成多個(gè)所 述的電極間隙，氣體可以在各個(gè)電極間隙之間流通；
第二步給極化電極陣列和鏤空電極施加電壓，從而在電極間隙中產(chǎn)生電場(chǎng)， 使得電極間隙中處于極化電極陣列鄰近區(qū)域的氣體被部分地電離，正離子在電場(chǎng) 作用下向鏤空電極運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)中性氣體分子或原子形成荷正電的流體；
在多級(jí)式離子射流結(jié)構(gòu)中，通過(guò)設(shè)置各個(gè)極化電極陣列和鏤空電極上的加載 電壓的關(guān)系，使得一個(gè)電極間隙中形成的荷正電的流體在進(jìn)入鄰近的電極間隙時(shí) 會(huì)被電場(chǎng)進(jìn)一步加速，并且進(jìn)一步電離，從而使其運(yùn)動(dòng)速度越來(lái)越快，直到流出 處于另一個(gè)末端的鏤空電極，形成離子射流。
第二步中，給極化電極陣列和鏤空電極施加電壓，并且極化電極陣列的電壓 高于鏤空電極的電壓，從而在電極間隙中產(chǎn)生電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度大于氣體分子或 原子的場(chǎng)致電離閥值或與電子碰撞的電離閥值，并且小于產(chǎn)生熱平衡等離子體所 需要的電場(chǎng)強(qiáng)度閥值，電極間隙中處于極化電極陣列鄰近區(qū)域的氣體被部分地電 離，正離子在電場(chǎng)作用下向鏤空電極運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)中性氣體分子或原子形成荷正電的流體；
第二步中，在多級(jí)式離子射流結(jié)構(gòu)中，各個(gè)極化電極陣列和鏤空電極上的加 載電壓的關(guān)系具有如下特征從位于末端的極化電極陣列開(kāi)始，加載電壓逐漸下 降，位于另一個(gè)末端的鏤空電極的加載電壓最低，從而使得一個(gè)電極間隙中形成 的荷正電的流體在進(jìn)入鄰近的電極間隙時(shí)會(huì)被電場(chǎng)繼續(xù)加速，并且，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到與 其相鄰的另一個(gè)極化電極陣列尖端時(shí)，該流體中更多的氣體分子或原子會(huì)被電 離，從而增加荷正電流體的荷電量，進(jìn)而增加電場(chǎng)加速的效果，以此類(lèi)推，所述 的流體在每一個(gè)電極間隙中都會(huì)被進(jìn)一步加速、進(jìn)一步電離，從而使其運(yùn)動(dòng)速度 越來(lái)越快，直到流出處于另一個(gè)末端的鏤空電極，形成離子射流。
所述的極化電極陣列，其中每一個(gè)分立的極化電極的電極材料是導(dǎo)體性或者 半導(dǎo)體性的、長(zhǎng)徑比大于10的大長(zhǎng)徑比電極材料，電極材料具有帶狀、針狀、 管狀或者條狀的形狀特征，其中兩種電極材料是一維納米材料和準(zhǔn)一維納米材 料，如果電極材料不是由原位制造工藝制備的，則電極材料與基片之間布置有單 層或多層的金屬層。
所述的一維納米材料，包括碳納米管、碳化硅納米線(xiàn)、金屬納米線(xiàn)、金屬氮 化物納米線(xiàn)或者金屬氧化物納米線(xiàn)中 一種。
所述的電極支柱和鏤空電極可以設(shè)置在一個(gè)基片上，并且彼此之間有電連 接，也可以設(shè)置在兩個(gè)不同的基片上。
所述的電極支柱，如果是半導(dǎo)體材料或者導(dǎo)體材料，則必須與鏤空電極之間 絕緣。
所述的鏤空電極，如果是半導(dǎo)體材料或者導(dǎo)體材料，則必須與電極支柱之間 絕緣，如果是絕緣材料，則在設(shè)置有極化電極陣列一側(cè)表面，沒(méi)有與電極支柱和 極化電極陣列接觸的范圍內(nèi)，布置有導(dǎo)體材料或者半導(dǎo)體材料薄膜，該薄膜與極 化電極陣列相連，并且，如果電極支柱不是絕緣材料或者表面沒(méi)有絕緣材料薄膜， 則與電極支柱絕緣。
所述的鏤空電極的鏤空部分和極化電極陣列中的每一個(gè)分立的極化電極必 須滿(mǎn)足下述關(guān)系在從垂直于鏤空電極表面的方向上觀察任意兩個(gè)相鄰的第一加 速電極和第二加速電極時(shí)，鏤空電極的鏤空部分在鏤空電極表面上的投影圖形， 必須能夠把每一個(gè)與其對(duì)應(yīng)的分立的極化電極在鏤空電極表面上的投影圖形完 全包括，兩種投影圖形的外輪廓必須不相交、不相切，而是兩者之間存在間隙。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的有益效果
首先，本發(fā)明提供的技術(shù)，利用納電極陣等大長(zhǎng)徑比電極陣列所具有的、強(qiáng) 烈的電場(chǎng)收斂效應(yīng)，使得碰撞電離和場(chǎng)致電離兩種電離機(jī)制能夠在更低的加載電 壓下發(fā)生，從而可以提高電場(chǎng)能量向粒子的離化能轉(zhuǎn)化的效率，在更小的加載電 壓下提高氣體的荷電量，從而提高氣體所受到的電場(chǎng)力的幅度，從而在更小的加 載電壓下就可以增加噴射裝置的功率。
其次，本發(fā)明提供的方法和結(jié)構(gòu)設(shè)置方案，利用多級(jí)式加速電極的設(shè)置，使 得帶電粒子能夠更大限度地利用電極間隙中的電壓降，這是因?yàn)?，大長(zhǎng)徑比電極 的電場(chǎng)收斂效應(yīng)集中在尖端的部分，而絕大部分電極高度上并沒(méi)有這種效應(yīng)，因 此，如果是單級(jí)電極結(jié)構(gòu)，那么，在電極間隙上所施加的電壓，并不能全部用于 荷電氣流的加速，因?yàn)闅怏w只是在尖端部分才因?yàn)椴糠蛛婋x而荷電。但是，在多 級(jí)式電極中，電壓分散地加載于各個(gè)電極，氣體在第一級(jí)加速電極尖端被電離并 荷電后，可以在到達(dá)下一級(jí)加速電極的極化電極尖端之前，即受到電場(chǎng)力的作用 而獲得更大的動(dòng)能，因此，即便多級(jí)式的設(shè)置也并不能使得全部電壓加載有效轉(zhuǎn) 換為荷電流體的動(dòng)能，但是可以顯著提高這一轉(zhuǎn)換效率。
再次，本發(fā)明所提供的方法和結(jié)構(gòu)設(shè)置方案，能夠適用于環(huán)境中存在一定氣 壓的氣體但不存在足夠密度的離子的情況，例如地球大氣條件下；又可以適用于 環(huán)境中存在一定密度的離子，使得不必要加載過(guò)高電壓就可以實(shí)現(xiàn)離子加速和推 進(jìn)的情況；同時(shí)又可以在基本上屬于真空的環(huán)境中，通過(guò)提供氣體燃料給離子加 速器，極化電極能夠使得氣體荷電并被加速，從而可以工作在真空環(huán)境中。因此， 本發(fā)明所提供的方法具有廣泛的應(yīng)用前景，例如在航天領(lǐng)域，可以用于航天器的 星際航行，同時(shí)又可以滿(mǎn)足維持軌道運(yùn)行速度和保持、改變運(yùn)行姿態(tài)的情況中對(duì) 推進(jìn)系統(tǒng)的要求。
最后，本發(fā)明所提供的方法所需的結(jié)構(gòu)設(shè)置方案，能夠用微電子加工工藝制 造實(shí)現(xiàn)，因此可以大幅度提高結(jié)構(gòu)參數(shù)控制精度，此外，利于小型化、微型化， 符合小型衛(wèi)星、微型飛行器領(lǐng)域的使用要求。


圖1為本發(fā)明多級(jí)式離子射流裝置結(jié)構(gòu)示意其中，極化電極陣列l(wèi)、鏤空電極2、電極支柱3、第一加速電極4、第二加 速電極5和末端鏤空電極6。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
一種離子射流方法，具體步驟是
第一步，如圖1所示，形成多級(jí)式離子射流結(jié)構(gòu)，級(jí)數(shù)為四級(jí)，每個(gè)加速電 極構(gòu)成一級(jí)，每個(gè)加速電極均由一個(gè)硅片構(gòu)成，多個(gè)第一加速電極和第二加速電 極交替排列，通過(guò)"氧化硅一氧化硅"鍵合形成最終的結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例涉及的多 級(jí)式離子射流裝置結(jié)構(gòu)如下-
包括第一加速電極4、第二加速電極5和末端鏤空電極6，第一加速電極4 和第二加速電極5交替排列，構(gòu)成多級(jí)電極結(jié)構(gòu)，每?jī)蓚€(gè)相鄰的第一加速電極4
和第二加速電極5之間，設(shè)置有絕緣層使得兩者相互絕緣，末端鏤空電極6位于 多級(jí)電極結(jié)構(gòu)的末端，末端鏤空電極6和與其相鄰的第一加速電極4或者第二加 速電極5之間，設(shè)置有絕緣層使得兩者相互絕緣；
第一加速電極4和第二加速電極5都是由鏤空電極2、極化電極陣列l(wèi)和電 極支柱3三部分組成，每個(gè)第一加速電極4的極化電極1和與其相鄰的、并且與 其電極支柱3相接觸的第二加速電極5的鏤空電極2之間，存在氣體間隙，相反， 每個(gè)第二加速電極5的極化電極1和與其相鄰的、并且與其電極支柱3相接觸的 第一加速電極4的鏤空電極2之間，存在氣體間隙；
在第一加速電極4和第二加速電極5中，所述的極化電極陣列1包括數(shù)量大 于二的多個(gè)分立的極化電極組成，每個(gè)分立的極化電極均位于鏤空電極2未鏤空 部分的表面，每?jī)蓚€(gè)分立的極化電極之間，存在氣體間隙使其相互隔離；
電極支柱3或者是一個(gè)封閉的整體，或者是由多于兩個(gè)的分立的電極支柱組 成的陣列，每?jī)蓚€(gè)分立的電極支柱之間，存在氣體間隙使其相互隔離，每個(gè)分立 的電極支柱位于鏤空電極2表面未鏤空的部分，或者只是位于鏤空電極2表面的 邊緣部分，或者位于鏤空電極2表面的邊緣和其他部分；
對(duì)于任意兩個(gè)相鄰的第一加速電極4和第二加速電極5，鏤空電極2的結(jié)構(gòu) 必須滿(mǎn)足如下特征當(dāng)氣體在第一加速電極4或者第二加速電極5的極化電極尖 端被電離后，能夠穿過(guò)相鄰加速電極的鏤空電極2進(jìn)入下一級(jí)加速電極的氣體間
隙。
極化電極陣列由定向生長(zhǎng)的碳納米管陣列組成，碳納米管的平均直徑和平均 高度分別為10nm和30Wn。鏤空電極和電極支柱設(shè)置在同一個(gè)硅片上，硅片表面 在刻蝕后經(jīng)氧化，覆蓋有2Mm厚度的氧化硅絕緣層，鏤空電極是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)硅工藝 形成的"微坑"結(jié)構(gòu)的陣列。在鏤空電極設(shè)置有碳納米管陣列一側(cè)的表面，沉積 有30nm/300nm的Cr/Au電極薄膜，第一和第二加速電極的鏤空電極圖形通過(guò)刻 蝕形成，兩者的結(jié)構(gòu)所具有的特征，使得氣體能夠在極化電極尖端被電離后，即 穿過(guò)相鄰的鏤空電極進(jìn)入下一級(jí)加速電極間隙。鏤空部分為圓形，直徑為80m。 極化電極陣列尖端與鏤空電極之間的平均距離為12Mffi。裝置噴口部分的直徑為 7cm，共有76個(gè)噴口。
第二步，在各級(jí)加速電極上的加載電壓分別為200V、 150V、 IOOV、 50V，末 端鏤空電極接地。測(cè)試在真空腔中進(jìn)行，真空腔中氣體為常壓空氣，被抽至約 90Torr氣壓，由四對(duì)放電電極使得氣體被部分電離，0+和N+離子的數(shù)量密度均保 持在約104-107，3數(shù)量級(jí)的水平。
經(jīng)測(cè)量，推進(jìn)裝置的輸出力約等于97微牛。
實(shí)施例2
一種離子射流方法，具體步驟是
第一步，如圖1所示，形成多級(jí)式離子射流裝置結(jié)構(gòu)形式如實(shí)施例1。
第二步，在各級(jí)加速電極上的加載電壓分別為100V、 75V、 50V、 25V，末端 鏤空電極接地。測(cè)試在真空腔中進(jìn)行，真空腔中氣體為常壓空氣，被抽至10—4Pa 的氣壓，通過(guò)真空腔的進(jìn)氣口，設(shè)置一個(gè)柔性送氣道與離子射流裝置的入口處相 連，送入的氣體為N2氣，流速為5. lm/s，流出氣的流速為12.4m/s，質(zhì)量流速為 0.031g/s，經(jīng)測(cè)量，推力約為230微牛。
實(shí)施例1和2說(shuō)明，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案能夠在以一、兩百伏特量級(jí)的 加載電壓下，在存在局部電離的條件下輸出幾十微牛的推力，或者在有氣體燃料 輸入的條件下輸出幾百微牛的推力，如果進(jìn)一步提高電壓并且增加射流裝置的級(jí) 數(shù)，推力輸出可以進(jìn)一步增加。
實(shí)施例3
一種離子射流方法以在常壓下產(chǎn)生氣流，其具體步驟是
第一步，如圖1所示，形成多級(jí)式離子射流裝置結(jié)構(gòu)形式如實(shí)施例1。第二步，在各級(jí)加速電極上的加載電壓分別為200V、 150V、 IOOV、 50V，末 端鏤空電極接地。測(cè)試在常壓空氣中進(jìn)行，測(cè)試時(shí)裝置被安裝在滑軌上，以 0.001m/s的速度沿平行于測(cè)試平臺(tái)方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)氣的加速電極處于運(yùn)動(dòng)方向上 的前端，測(cè)量射流出口處的流速為9. 3m/s，質(zhì)量流速為0. 079g/s。
與一個(gè)常規(guī)的離子風(fēng)產(chǎn)生裝置相比，該裝置是由間隙為350微米、針尖最小 直徑20微米的針狀電極式電暈放電結(jié)構(gòu)組成的，其較穩(wěn)定的工作電壓在 4200-4900V之間，離子射流產(chǎn)生的離子風(fēng)流速約為2.7m/s?？梢?jiàn)，本發(fā)明所提 供的技術(shù)方案能夠在更小的加載電壓下，提供更大的離子射流速度。
以上的實(shí)施例說(shuō)明，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，能夠提高電離效率，降低工 作電壓，在多種氣體一等離子體環(huán)境下工作，具有廣闊的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1. 一種多級(jí)式離子射流裝置，其特征在于，包括第一加速電極、第二加速電極和末端鏤空電極，第一加速電極和第二加速電極交替排列，構(gòu)成多級(jí)電極結(jié)構(gòu)，每?jī)蓚€(gè)相鄰的第一加速電極和第二加速電極之間設(shè)置有絕緣層使得兩者相互絕緣，末端鏤空電極位于多級(jí)電極結(jié)構(gòu)的末端，末端鏤空電極和與其相鄰的第一加速電極或者第二加速電極之間設(shè)置有絕緣層使得兩者相互絕緣；第一加速電極和第二加速電極都是由鏤空電極、極化電極陣列和電極支柱三部分組成，每個(gè)第一加速電極的極化電極和與其相鄰的、并且與其電極支柱相接觸的第二加速電極的鏤空電極之間，存在氣體間隙，相反，每個(gè)第二加速電極的極化電極和與其相鄰的、并且與其電極支柱相接觸的第一加速電極的鏤空電極之間，存在氣體間隙；在第一加速電極和第二加速電極中，所述的極化電極陣列包括數(shù)量大于二的多個(gè)分立的極化電極組成，每個(gè)分立的極化電極均位于鏤空電極未鏤空部分的表面，每?jī)蓚€(gè)分立的極化電極之間，存在氣體間隙使其相互隔離；對(duì)于任意兩個(gè)相鄰的第一加速電極和第二加速電極，鏤空電極的結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)足如下特征當(dāng)氣體在第一加速電極或者第二加速電極的極化電極尖端被電離后，能夠穿過(guò)相鄰加速電極的鏤空電極進(jìn)入下一級(jí)加速電極的氣體間隙。
2. 如權(quán)利要求1所述的多級(jí)式離子射流裝置，其特征是，所述的一維納米 材料，包括碳納米管、碳化硅納米線(xiàn)、金屬納米線(xiàn)、金屬氮化物納米線(xiàn)或者金屬 氧化物納米線(xiàn)中一種。
3. 如權(quán)利要求1所述的多級(jí)式離子射流裝置，其特征是，所述的電極支柱 和鏤空電極設(shè)置在一個(gè)基片上，并且彼此之間有電連接，或者設(shè)置在兩個(gè)基片上。
4. 如權(quán)利要求1或3所述的多級(jí)式離子射流裝置，其特征是，所述的電極 支柱，如果是半導(dǎo)體材料或者導(dǎo)體材料，則必須與鏤空電極之間絕緣。
5. 如權(quán)利要求1或3所述的多級(jí)式離子射流裝置結(jié)構(gòu)，其特征是，所述的電 極支柱是一個(gè)封閉的整體，或者是由多于兩個(gè)的分立的電極支柱組成的陣列，每 兩個(gè)分立的電極支柱之間，存在氣體間隙使其相互隔離，每個(gè)分立的電極支柱位 于鏤空電極表面未鏤空的部分，或者只是位于鏤空電極表面的邊緣部分，或者位 于鏤空電極表面的邊緣和其他部分，
6. 如權(quán)利要求1所述的多級(jí)式離子射流裝置，其特征是，所述的鏤空電極， 如果是半導(dǎo)體材料或者導(dǎo)體材料，則必須與電極支柱之間絕緣，如果是絕緣材料， 則在設(shè)置有極化電極陣列一側(cè)表面，沒(méi)有與電極支柱和極化電極陣列接觸的范圍 內(nèi)，布置有導(dǎo)體材料或者半導(dǎo)體材料薄膜，該薄膜與極化電極陣列相連，并且， 如果電極支柱不是絕緣材料或者表面沒(méi)有絕緣材料薄膜，則與電極支柱絕緣。
7. 如權(quán)利要求1所述的多級(jí)式離子射流裝置，其特征是，所述的鏤空電極的 鏤空部分和極化電極陣列中的每一個(gè)分立的極化電極必須滿(mǎn)足下述關(guān)系:在從垂 直于鏤空電極表面的方向上觀察任意兩個(gè)相鄰的第一加速電極和第二加速電極 時(shí)，鏤空電極的鏤空部分在鏤空電極表面上的投影圖形，必須能夠把每一個(gè)與其 對(duì)應(yīng)的分立的極化電極在鏤空電極表面上的投影圖形完全包括，兩種投影圖形的 外輪廓之間存在間隙。
8. —種多級(jí)式離子射流方法，其特征在于包括如下步驟第一步利用具有長(zhǎng)徑比大于10的線(xiàn)狀、管狀或者帶狀的極化電極陣列尖 端部分的電場(chǎng)收斂效應(yīng)，使得電極鄰近區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，設(shè)置鏤空電極于極 化電極陣列尖端附近，從而構(gòu)成電極間隙，鏤空電極局部鏤空并且至少在靠近極 化電極一側(cè)表面有絕緣層覆蓋，電極間隙中存在氣體，形成多級(jí)式離子射流結(jié)構(gòu)；利用多級(jí)式離子射流結(jié)構(gòu)， 一個(gè)末端設(shè)置有極化電極陣列、另一個(gè)末端設(shè)置 有鏤空電極，在兩個(gè)末端之間設(shè)置有多個(gè)極化電極陣列和鏤空電極，形成多個(gè)所 述的電極間隙，氣體可以在各個(gè)電極間隙之間流通；第二步給極化電極陣列和鏤空電極施加電壓，從而在電極間隙中產(chǎn)生電場(chǎng)， 使得電極間隙中處于極化電極陣列鄰近區(qū)域的氣體被部分地電離，正離子在電場(chǎng) 作用下向鏤空電極運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)中性氣體分子或原子形成荷正電的流體；在多級(jí)式離子射流結(jié)構(gòu)中，通過(guò)設(shè)置各個(gè)極化電極陣列和鏤空電極上的加載 電壓的關(guān)系，使得一個(gè)電極間隙中形成的荷正電的流體在進(jìn)入鄰近的電極間隙時(shí) 會(huì)被電場(chǎng)進(jìn)一步加速，并且進(jìn)一步電離，從而使其運(yùn)動(dòng)速度越來(lái)越快，直到流出 處于另一個(gè)末端的鏤空電極，形成離子射流。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的多級(jí)式離子射流方法，其特征是，第二步中，給極 化電極陣列和鏤空電極施加電壓，并且極化電極陣列的電壓高于鏤空電極的電 壓，從而在電極間隙中產(chǎn)生電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度大于氣體分子或原子的場(chǎng)致電離閥 值或與電子碰撞的電離閥值，并且小于產(chǎn)生熱平衡等離子體所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度閥 值，電極間隙中處于極化電極陣列鄰近區(qū)域的氣體被部分地電離，正離子在電場(chǎng) 作用下向鏤空電極運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)中性氣體分子或原子形成荷正電的流體。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多級(jí)式離子射流方法，其特征是，第二步中，在 多級(jí)式離子射流裝置結(jié)構(gòu)中，各個(gè)極化電極陣列和鏤空電極上的加載電壓的關(guān)系 具有如下特征從位于末端的極化電極陣列開(kāi)始，加載電壓逐漸下降，位于另一 個(gè)末端的鏤空電極的加載電壓最低，從而使得一個(gè)電極間隙中形成的荷正電的流 體在進(jìn)入鄰近的電極間隙時(shí)會(huì)被電場(chǎng)繼續(xù)加速，并且，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到與其相鄰的另一 個(gè)極化電極陣列尖端時(shí)，該流體中更多的氣體分子或原子會(huì)被電離，從而增加荷 正電流體的荷電量，進(jìn)而增加電場(chǎng)加速的效果，以此類(lèi)推，所述的流體在每一個(gè) 電極間隙中都會(huì)被進(jìn)一步加速、進(jìn)一步電離，從而使其運(yùn)動(dòng)速度越來(lái)越快，直到 流出處于另一個(gè)末端的鏤空電極，形成離子射流。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種航空航天技術(shù)領(lǐng)域和微電子技術(shù)領(lǐng)域的多級(jí)式離子射流裝置與方法。所述裝置包括第一、第二加速電極和末端鏤空電極，第一和第二加速電極交替排列，構(gòu)成多級(jí)電極結(jié)構(gòu)，每?jī)蓚€(gè)相鄰的第一和第二加速電極之間設(shè)置有絕緣層使得兩者相互絕緣，末端鏤空電極位于多級(jí)電極結(jié)構(gòu)的末端，末端鏤空電極和與其相鄰的第一加速電極或第二加速電極之間設(shè)置有絕緣層使得兩者相互絕緣。所述方法利用極化電極陣列尖端部分的電場(chǎng)收斂效應(yīng)，使得電極鄰近區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，從而電離鄰近區(qū)域的氣體分子，采用多級(jí)式離子射流裝置結(jié)構(gòu)，施加電壓，形成離子射流。本發(fā)明能夠提高電離效率，降低工作電壓，在多種氣體—等離子體環(huán)境下工作。
文檔編號(hào)B64G1/22GK101381005SQ200810201599
公開(kāi)日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2008年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日
發(fā)明者侯中宇, 蔡炳初 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)