多级式离子射流装置与方法
专利汇可以提供多级式离子射流装置与方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开一种航空航天技术领域和微 电子 技术领域的多级式离子射流装置与方法。所述装置包括第一、第二 加速 电极 和末端镂空电极，第一和第二加速电极交替排列，构成多级电极结构，每两个相邻的第一和第二加速电极之间设置有绝缘层使得两者相互绝缘，末端镂空电极位于多级电极结构的末端，末端镂空电极和与其相邻的第一加速电极或第二加速电极之间设置有绝缘层使得两者相互绝缘。所述方法利用极化电极阵列尖端部分的 电场 收敛效应，使得电极邻近区域的电场强度增强，从而电离邻近区域的气体分子，采用多级式离子射流装置结构，施加 电压 ，形成离子射流。本发明能够提高电离效率，降低工作电压，在多种气体－ 等离子体 环境下工作。，下面是多级式离子射流装置与方法专利的具体信息内容。
1.一种多级式离子射流装置，其特征在于，包括第一加速电极、第二加速电 极和末端镂空电极，第一加速电极和第二加速电极交替排列，构成多级电极结构， 每两个相邻的第一加速电极和第二加速电极之间设置有绝缘层使得两者相互绝 缘，末端镂空电极位于多级电极结构的末端，末端镂空电极和与其相邻的第一加 速电极或者第二加速电极之间设置有绝缘层使得两者相互绝缘；
第一加速电极和第二加速电极都是由镂空电极、极化电极阵列和电极支柱三 部分组成，每个第一加速电极的极化电极和与其相邻的、并且与其电极支柱相接 触的第二加速电极的镂空电极之间，存在气体间隙，相反，每个第二加速电极的 极化电极和与其相邻的、并且与其电极支柱相接触的第一加速电极的镂空电极之 间，存在气体间隙；
在第一加速电极和第二加速电极中，所述的极化电极阵列包括数量大于二的 多个分立的极化电极组成，每个分立的极化电极均位于镂空电极未镂空部分的表 面，每两个分立的极化电极之间，存在气体间隙使其相互隔离；
对于任意两个相邻的第一加速电极和第二加速电极，镂空电极的结构必须满 足如下特征：当气体在第一加速电极或者第二加速电极的极化电极尖端被电离 后，能够穿过相邻加速电极的镂空电极进入下一级加速电极的气体间隙。
2.如权利要求1所述的多级式离子射流装置，其特征是，所述的一维纳米 材料，包括碳纳米管、碳化硅纳米线、金属纳米线、金属氮化物纳米线或者金属 氧化物纳米线中一种。
3.如权利要求1所述的多级式离子射流装置，其特征是，所述的电极支柱 和镂空电极设置在一个基片上，并且彼此之间有电连接，或者设置在两个基片上。
4.如权利要求1或3所述的多级式离子射流装置，其特征是，所述的电极 支柱，如果是半导体材料或者导体材料，则必须与镂空电极之间绝缘。
5.如权利要求1或3所述的多级式离子射流装置结构，其特征是，所述的电 极支柱是一个封闭的整体，或者是由多于两个的分立的电极支柱组成的阵列，每 两个分立的电极支柱之间，存在气体间隙使其相互隔离，每个分立的电极支柱位 于镂空电极表面未镂空的部分，或者只是位于镂空电极表面的边缘部分，或者位 于镂空电极表面的边缘和其他部分。
6.如权利要求1所述的多级式离子射流装置，其特征是，所述的镂空电极， 如果是半导体材料或者导体材料，则必须与电极支柱之间绝缘，如果是绝缘材料， 则在设置有极化电极阵列一侧表面，没有与电极支柱和极化电极阵列接触的范围 内，布置有导体材料或者半导体材料薄膜，该薄膜与极化电极阵列相连，并且， 如果电极支柱不是绝缘材料或者表面没有绝缘材料薄膜，则与电极支柱绝缘。
7.如权利要求1所述的多级式离子射流装置，其特征是，所述的镂空电极的 镂空部分和极化电极阵列中的每一个分立的极化电极必须满足下述关系：在从垂 直于镂空电极表面的方向上观察任意两个相邻的第一加速电极和第二加速电极 时，镂空电极的镂空部分在镂空电极表面上的投影图形，必须能够把每一个与其 对应的分立的极化电极在镂空电极表面上的投影图形完全包括，两种投影图形的 外轮廓之间存在间隙。
8.一种多级式离子射流方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步：利用具有长径比大于10的线状、管状或者带状的极化电极阵列尖 端部分的电场收敛效应，使得电极邻近区域的电场强度增强，设置镂空电极于极 化电极阵列尖端附近，从而构成电极间隙，镂空电极局部镂空并且至少在靠近极 化电极一侧表面有绝缘层覆盖，电极间隙中存在气体，形成多级式离子射流结构；
利用多级式离子射流结构，一个末端设置有极化电极阵列、另一个末端设置 有镂空电极，在两个末端之间设置有多个极化电极阵列和镂空电极，形成多个所 述的电极间隙，气体可以在各个电极间隙之间流通；
第二步：给极化电极阵列和镂空电极施加电压，从而在电极间隙中产生电场， 使得电极间隙中处于极化电极阵列邻近区域的气体被部分地电离，正离子在电场 作用下向镂空电极运动，从而带动中性气体分子或原子形成荷正电的流体；
在多级式离子射流结构中，通过设置各个极化电极阵列和镂空电极上的加载 电压的关系，使得一个电极间隙中形成的荷正电的流体在进入邻近的电极间隙时 会被电场进一步加速，并且进一步电离，从而使其运动速度越来越快，直到流出 处于另一个末端的镂空电极，形成离子射流。
9.根据权利要求8所述的多级式离子射流方法，其特征是，第二步中，给极 化电极阵列和镂空电极施加电压，并且极化电极阵列的电压高于镂空电极的电 压，从而在电极间隙中产生电场，当电场强度大于气体分子或原子的场致电离阀 值或与电子碰撞的电离阀值，并且小于产生热平衡等离子体所需要的电场强度阀 值，电极间隙中处于极化电极阵列邻近区域的气体被部分地电离，正离子在电场 作用下向镂空电极运动，从而带动中性气体分子或原子形成荷正电的流体。
10.根据权利要求8所述的多级式离子射流方法，其特征是，第二步中，在 多级式离子射流装置结构中，各个极化电极阵列和镂空电极上的加载电压的关系 具有如下特征：从位于末端的极化电极阵列开始，加载电压逐渐下降，位于另一 个末端的镂空电极的加载电压最低，从而使得一个电极间隙中形成的荷正电的流 体在进入邻近的电极间隙时会被电场继续加速，并且，当运动到与其相邻的另一 个极化电极阵列尖端时，该流体中更多的气体分子或原子会被电离，从而增加荷 正电流体的荷电量，进而增加电场加速的效果，以此类推，所述的流体在每一个 电极间隙中都会被进一步加速、进一步电离，从而使其运动速度越来越快，直到 流出处于另一个末端的镂空电极，形成离子射流。
技术领域
本发明涉及的是一种航空航天技术领域和微电子技术领域的离子射流装置 与方法，具体地说，涉及的是一种多级式离子射流装置与方法。
背景技术
经对现有技术的文献检索发现，美国专利申请号：US 7,306,189，申请日 2007年8月2日，名称“System and method for an ambient atmosphere ion thruster”(一种常压离子推进器的系统和方法)，介绍了一种可以工作于近地 轨道的离子推进器，其特征在于，它依靠使得近地空间中的H、He、O、N等离子 在推进器电极中被加速，从而实现射流并提供给负载以推力、扭转力等。其主要 结构包括一对离子可透入性的电极，在电极间施加电压产生电场，加速环境中的 离子而不再进一步电离，或者进一步电离环境中的分子并将环境中的离子共同加 速，不必携带任何附加燃料，可以提供10-6N-10-4N数量级的推力。这种推进装置 的应用范围是狭窄的，只能在环境中存在一定电离度的气体环境中才具有一定的 技术优势，当使用氙气等工作气体时，该结构仅仅是一对筛网状电极，作为星际 航行用航天器的主推进器时并不具有明显的技术优势。
真正在技术上最需要的离子推进器，必须在保证高比冲、长运行时间这两个 特征的同时，具有一定的、化学火箭所具有的“爆发力”，亦即能够在某些特殊 条件下，例如紧急制动条件下，变比冲输出更大的推力，并且在航天器需要维持 轨道运行速度或者调整姿态时，在没有或者只有极其微量的燃料供给的情况下， 能够实现能够满足要求的力或力矩输出。上述文献显然不能提供满足这样要求的 推进器。
发明内容
本发明是通过以下技术实现的：
本发明所涉及的一种多级式离子射流装置，包括第一加速电极、第二加速电 极和末端镂空电极，第一加速电极和第二加速电极交替排列，构成多级电极结构， 每两个相邻的第一加速电极和第二加速电极之间，设置有绝缘层使得两者相互绝 缘，末端镂空电极位于多级电极结构的末端，末端镂空电极和与其相邻的第一加 速电极或者第二加速电极之间，设置有绝缘层使得两者相互绝缘；
第一加速电极和第二加速电极都是由镂空电极、极化电极阵列和电极支柱三 部分组成，每个第一加速电极的极化电极和与其相邻的、并且与其电极支柱相接 触的第二加速电极的镂空电极之间，存在气体间隙，相反，每个第二加速电极的 极化电极和与其相邻的、并且与其电极支柱相接触的第一加速电极的镂空电极之 间，存在气体间隙；
在第一加速电极和第二加速电极中，所述的极化电极阵列包括数量大于二的 多个分立的极化电极组成，每个分立的极化电极均位于镂空电极未镂空部分的表 面，每两个分立的极化电极之间，存在气体间隙使其相互隔离；
电极支柱或者是一个封闭的整体，或者是由多于两个的分立的电极支柱组成 的阵列，每两个分立的电极支柱之间，存在气体间隙使其相互隔离，每个分立的 电极支柱位于镂空电极表面未镂空的部分，或者只是位于镂空电极表面的边缘部 分，或者位于镂空电极表面的边缘和其他部分；
对于任意两个相邻的第一加速电极和第二加速电极，镂空电极的结构必须满 足如下特征：当气体在第一加速电极或者第二加速电极的极化电极尖端被电离 后，能够穿过相邻加速电极的镂空电极进入下一级加速电极的气体间隙。
本发明所涉及的一种多级式离子射流方法，包括如下具体步骤：
第一步：形成多级式离子射流结构。
利用具有长径比大于10的线状、管状或者带状的极化电极阵列尖端部分的 电场收敛效应，使得电极邻近区域的电场强度增强，设置镂空电极于极化电极阵 列尖端附近，从而构成电极间隙，镂空电极局部镂空并且至少在靠近极化电极一 侧表面有绝缘层覆盖，电极间隙中存在气体；
采用多级式离子射流结构，一个末端设置有极化电极阵列、另一个末端设置 有镂空电极，在两个末端之间设置有多个极化电极阵列和镂空电极，形成多个所 述的电极间隙，气体可以在各个电极间隙之间流通；
第二步：给极化电极阵列和镂空电极施加电压，从而在电极间隙中产生电场， 使得电极间隙中处于极化电极阵列邻近区域的气体被部分地电离，正离子在电场 作用下向镂空电极运动，从而带动中性气体分子或原子形成荷正电的流体；
在多级式离子射流结构中，通过设置各个极化电极阵列和镂空电极上的加载 电压的关系，使得一个电极间隙中形成的荷正电的流体在进入邻近的电极间隙时 会被电场进一步加速，并且进一步电离，从而使其运动速度越来越快，直到流出 处于另一个末端的镂空电极，形成离子射流。
第二步中，给极化电极阵列和镂空电极施加电压，并且极化电极阵列的电压 高于镂空电极的电压，从而在电极间隙中产生电场，当电场强度大于气体分子或 原子的场致电离阀值或与电子碰撞的电离阀值，并且小于产生热平衡等离子体所 需要的电场强度阀值，电极间隙中处于极化电极阵列邻近区域的气体被部分地电 离，正离子在电场作用下向镂空电极运动，从而带动中性气体分子或原子形成荷 正电的流体；
第二步中，在多级式离子射流结构中，各个极化电极阵列和镂空电极上的加 载电压的关系具有如下特征：从位于末端的极化电极阵列开始，加载电压逐渐下 降，位于另一个末端的镂空电极的加载电压最低，从而使得一个电极间隙中形成 的荷正电的流体在进入邻近的电极间隙时会被电场继续加速，并且，当运动到与 其相邻的另一个极化电极阵列尖端时，该流体中更多的气体分子或原子会被电 离，从而增加荷正电流体的荷电量，进而增加电场加速的效果，以此类推，所述 的流体在每一个电极间隙中都会被进一步加速、进一步电离，从而使其运动速度 越来越快，直到流出处于另一个末端的镂空电极，形成离子射流。
所述的极化电极阵列，其中每一个分立的极化电极的电极材料是导体性或者 半导体性的、长径比大于10的大长径比电极材料，电极材料具有带状、针状、 管状或者条状的形状特征，其中两种电极材料是一维纳米材料和准一维纳米材 料，如果电极材料不是由原位制造工艺制备的，则电极材料与基片之间布置有单 层或多层的金属层。
所述的一维纳米材料，包括碳纳米管、碳化硅纳米线、金属纳米线、金属氮 化物纳米线或者金属氧化物纳米线中一种。
所述的电极支柱和镂空电极可以设置在一个基片上，并且彼此之间有电连 接，也可以设置在两个不同的基片上。
所述的电极支柱，如果是半导体材料或者导体材料，则必须与镂空电极之间 绝缘。
所述的镂空电极，如果是半导体材料或者导体材料，则必须与电极支柱之间 绝缘，如果是绝缘材料，则在设置有极化电极阵列一侧表面，没有与电极支柱和 极化电极阵列接触的范围内，布置有导体材料或者半导体材料薄膜，该薄膜与极 化电极阵列相连，并且，如果电极支柱不是绝缘材料或者表面没有绝缘材料薄膜， 则与电极支柱绝缘。
所述的镂空电极的镂空部分和极化电极阵列中的每一个分立的极化电极必 须满足下述关系：在从垂直于镂空电极表面的方向上观察任意两个相邻的第一加 速电极和第二加速电极时，镂空电极的镂空部分在镂空电极表面上的投影图形， 必须能够把每一个与其对应的分立的极化电极在镂空电极表面上的投影图形完 全包括，两种投影图形的外轮廓必须不相交、不相切，而是两者之间存在间隙。
与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：
首先，本发明提供的技术，利用纳电极阵等大长径比电极阵列所具有的、强 烈的电场收敛效应，使得碰撞电离和场致电离两种电离机制能够在更低的加载电 压下发生，从而可以提高电场能量向粒子的离化能转化的效率，在更小的加载电 压下提高气体的荷电量，从而提高气体所受到的电场力的幅度，从而在更小的加 载电压下就可以增加喷射装置的功率。
其次，本发明提供的方法和结构设置方案，利用多级式加速电极的设置，使 得带电粒子能够更大限度地利用电极间隙中的电压降，这是因为，大长径比电极 的电场收敛效应集中在尖端的部分，而绝大部分电极高度上并没有这种效应，因 此，如果是单级电极结构，那么，在电极间隙上所施加的电压，并不能全部用于 荷电气流的加速，因为气体只是在尖端部分才因为部分电离而荷电。但是，在多 级式电极中，电压分散地加载于各个电极，气体在第一级加速电极尖端被电离并 荷电后，可以在到达下一级加速电极的极化电极尖端之前，即受到电场力的作用 而获得更大的动能，因此，即便多级式的设置也并不能使得全部电压加载有效转 换为荷电流体的动能，但是可以显著提高这一转换效率。
再次，本发明所提供的方法和结构设置方案，能够适用于环境中存在一定气 压的气体但不存在足够密度的离子的情况，例如地球大气条件下；又可以适用于 环境中存在一定密度的离子，使得不必要加载过高电压就可以实现离子加速和推 进的情况；同时又可以在基本上属于真空的环境中，通过提供气体燃料给离子加 速器，极化电极能够使得气体荷电并被加速，从而可以工作在真空环境中。因此， 本发明所提供的方法具有广泛的应用前景，例如在航天领域，可以用于航天器的 星际航行，同时又可以满足维持轨道运行速度和保持、改变运行姿态的情况中对 推进系统的要求。
最后，本发明所提供的方法所需的结构设置方案，能够用微电子加工工艺制 造实现，因此可以大幅度提高结构参数控制精度，此外，利于小型化、微型化， 符合小型卫星、微型飞行器领域的使用要求。
附图说明
图1为本发明多级式离子射流装置结构示意图；
其中，极化电极阵列1、镂空电极2、电极支柱3、第一加速电极4、第二加 速电极5和末端镂空电极6。
具体实施方式
实施例1
一种离子射流方法，具体步骤是：
第一步，如图1所示，形成多级式离子射流结构，级数为四级，每个加速电 极构成一级，每个加速电极均由一个硅片构成，多个第一加速电极和第二加速电 极交替排列，通过“氧化硅—氧化硅”键合形成最终的结构，本实施例涉及的多 级式离子射流装置结构如下：
包括第一加速电极4、第二加速电极5和末端镂空电极6，第一加速电极4 和第二加速电极5交替排列，构成多级电极结构，每两个相邻的第一加速电极4 和第二加速电极5之间，设置有绝缘层使得两者相互绝缘，末端镂空电极6位于 多级电极结构的末端，末端镂空电极6和与其相邻的第一加速电极4或者第二加 速电极5之间，设置有绝缘层使得两者相互绝缘；
第一加速电极4和第二加速电极5都是由镂空电极2、极化电极阵列1和电 极支柱3三部分组成，每个第一加速电极4的极化电极1和与其相邻的、并且与 其电极支柱3相接触的第二加速电极5的镂空电极2之间，存在气体间隙，相反， 每个第二加速电极5的极化电极1和与其相邻的、并且与其电极支柱3相接触的 第一加速电极4的镂空电极2之间，存在气体间隙；
在第一加速电极4和第二加速电极5中，所述的极化电极阵列1包括数量大 于二的多个分立的极化电极组成，每个分立的极化电极均位于镂空电极2未镂空 部分的表面，每两个分立的极化电极之间，存在气体间隙使其相互隔离；
电极支柱3或者是一个封闭的整体，或者是由多于两个的分立的电极支柱组 成的阵列，每两个分立的电极支柱之间，存在气体间隙使其相互隔离，每个分立 的电极支柱位于镂空电极2表面未镂空的部分，或者只是位于镂空电极2表面的 边缘部分，或者位于镂空电极2表面的边缘和其他部分；
对于任意两个相邻的第一加速电极4和第二加速电极5，镂空电极2的结构 必须满足如下特征：当气体在第一加速电极4或者第二加速电极5的极化电极尖 端被电离后，能够穿过相邻加速电极的镂空电极2进入下一级加速电极的气体间 隙。
极化电极阵列由定向生长的碳纳米管阵列组成，碳纳米管的平均直径和平均 高度分别为10nm和30μm。镂空电极和电极支柱设置在同一个硅片上，硅片表面 在刻蚀后经氧化，覆盖有2μm厚度的氧化硅绝缘层，镂空电极是通过标准硅工艺 形成的“微坑”结构的阵列。在镂空电极设置有碳纳米管阵列一侧的表面，沉积 有30nm/300nm的Cr/Au电极薄膜，第一和第二加速电极的镂空电极图形通过刻 蚀形成，两者的结构所具有的特征，使得气体能够在极化电极尖端被电离后，即 穿过相邻的镂空电极进入下一级加速电极间隙。镂空部分为圆形，直径为80μm。 极化电极阵列尖端与镂空电极之间的平均距离为12μm。装置喷口部分的直径为 7cm，共有76个喷口。
第二步，在各级加速电极上的加载电压分别为200V、150V、100V、50V，末 端镂空电极接地。测试在真空腔中进行，真空腔中气体为常压空气，被抽至约 90Torr气压，由四对放电电极使得气体被部分电离，O+和N+离子的数量密度均保 持在约104-106/cm3数量级的水平。
经测量，推进装置的输出力约等于97微牛。
实施例2
一种离子射流方法，具体步骤是：
第一步，如图1所示，形成多级式离子射流装置结构形式如实施例1。
第二步，在各级加速电极上的加载电压分别为100V、75V、50V、25V，末端 镂空电极接地。测试在真空腔中进行，真空腔中气体为常压空气，被抽至10-4Pa 的气压，通过真空腔的进气口，设置一个柔性送气道与离子射流装置的入口处相 连，送入的气体为N2气，流速为5.1m/s，流出气的流速为12.4m/s，质量流速为 0.031g/s，经测量，推力约为230微牛。
实施例1和2说明，本发明所提供的技术方案能够在以一、两百伏特量级的 加载电压下，在存在局部电离的条件下输出几十微牛的推力，或者在有气体燃料 输入的条件下输出几百微牛的推力，如果进一步提高电压并且增加射流装置的级 数，推力输出可以进一步增加。
实施例3
一种离子射流方法以在常压下产生气流，其具体步骤是：
第一步，如图1所示，形成多级式离子射流装置结构形式如实施例1。
第二步，在各级加速电极上的加载电压分别为200V、150V、100V、50V，末 端镂空电极接地。测试在常压空气中进行，测试时装置被安装在滑轨上，以 0.001m/s的速度沿平行于测试平台方向运动，进气的加速电极处于运动方向上 的前端，测量射流出口处的流速为9.3m/s，质量流速为0.079g/s。
与一个常规的离子风产生装置相比，该装置是由间隙为350微米、针尖最小 直径20微米的针状电极式电晕放电结构组成的，其较稳定的工作电压在 4200-4900V之间，离子射流产生的离子风流速约为2.7m/s。可见，本发明所提 供的技术方案能够在更小的加载电压下，提供更大的离子射流速度。
以上的实施例说明，本发明所提供的技术方案，能够提高电离效率，降低工 作电压，在多种气体—等离子体环境下工作，具有广阔的应用。
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