一种热阴极组件、真空虚拟阴极自动测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种热阴极组件、真空虚拟阴极自动测量装置及方法，包括：电子收集极，所述电子收集极为中空的金属结构，所述金属结构上设有一开口，绝缘支架底端穿过所述开口并深入到电子收集极内部；所述绝缘支架底端连接热阴极灯丝；所述热阴极灯丝的两端分别与灯丝导线连接，所述灯丝导线穿过绝缘支架并引出到电子收集极外部；电子收集极的外部包围绝缘层，所述绝缘层和绝缘支架通过绝缘连接固件连接，能够使得电子收集极外部形成封闭的绝缘结构。本发明专利技术虚拟阴极由热阴极灯丝产生，而灯丝的加热电流由软件程序控制数据采集卡自动输出，因而该装置中的虚拟阴极是可控可变的。该装置中的虚拟阴极是可控可变的。该装置中的虚拟阴极是可控可变的。

【技术实现步骤摘要】
一种热阴极组件、真空虚拟阴极自动测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及热阴极电子发射
，特别涉及一种热阴极组件、真空虚拟阴极自动测量装置及方法。

技术介绍

[0002]发射探针作为一种测量空间电势的有效手段，无论是在等离子体环境测量还是真空环境测量中都具有非常重要的作用。发射探针的核心部件(灯丝)通常为一种具有良好导电性的热阴极材料，在使用发射探针测量空间电势时，一方面需要对灯丝进行激光加热或直流加热，使其能够发射热电子，同时也需要对发射探针灯丝施加扫描偏压，最终获得发射探针的I
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V特性曲线。
[0003]在不考虑热电子初速度的理想状态下，I
‑
V特性曲线中电子发射电流起始处所对应的灯丝偏置电压或者I
‑
V特性曲线的一阶导曲线的峰值电势即为待测的空间电势结果。然而，实际上，发射探针灯丝发射的热电子必然具有一定初速度，并且其初始能量也不是唯一的。热电子初始能量的差异性会导致高能电子远离灯丝而低能电子聚集在灯丝附近，最终导致在灯丝附近形成一个负势阱，即形成所谓的“虚拟阴极”。
[0004]虚拟阴极的存在必然会引起发射探针I
‑
V特性曲线的一阶导曲线的峰值电势或者I
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V特性曲线中电子发射电流起始处所对应的灯丝偏置电压偏离实际的空间电势，最终导致发射探针给出错误的测量结果。当发射探针灯丝处于弱发射状态时，由虚拟阴极引起的空间电势测量误差可能并不显著。然而，随着发射探针灯丝电子发射强度的增大，灯丝面前所形成的虚拟阴极(势阱深度以及空间尺寸)也会随之增大，由虚拟阴极引起的空间电势测量误差将不容忽视。
[0005]尽管虚拟阴极形成的物理机制并不复杂，但是在实验上准确测量虚拟阴极仍具有严峻的挑战性。一方面，由于虚拟阴极的空间尺寸通常很小，准确测量虚拟阴极往往需要高精度的测量技术和严密的实验设计；另一方面，虚拟阴极的准确测量也需要可靠的理论模型提供支撑，而现有的关于虚拟阴极的理论模型均无法给出准确的虚拟阴极表达式。
[0006]总之，截止目前，国内外还未见能够测量虚拟阴极的装置，也没有能够自动完成虚拟阴极测量、自动进行数据分析并快速给出测量结果的自动化测量装置。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种热阴极组件、真空虚拟阴极自动测量装置及方法，该装置及方法能够自动地对热阴极灯丝施加扫描偏压和加热电流，自动地对电子收集极施加偏置电压，并自动采集电子收集极的电流信号，同时也能够自动分析处理实验数据，最终计算得到真空环境中虚拟阴极的势阱深度以及空间尺寸等参数。
[0008]为了实现上述目的，根据本专利技术的第一个方面，采用如下技术方案：
[0009]一种能够产生虚拟阴极的热阴极组件，包括：电子收集极，所述电子收集极为中空的金属结构，所述金属结构上设有一开口，绝缘支架底端穿过所述开口并深入到电子收集
极内部；所述绝缘支架底端连接热阴极灯丝；所述热阴极灯丝的两端分别与灯丝导线连接，所述灯丝导线穿过绝缘支架并引出到电子收集极外部；
[0010]所述电子收集极的外部包围绝缘层，所述绝缘层和绝缘支架通过绝缘连接固件连接，能够使得电子收集极外部形成封闭的绝缘结构。
[0011]根据本专利技术的第二个方面，采用如下技术方案：
[0012]一种真空虚拟阴极自动测量装置，包括：主控制器、数据采集装置、上述的热阴极组件、灯丝加热电路、灯丝扫描偏压电路以及电子收集极扫描偏压电路；
[0013]主控制器与数据采集装置连接，所述数据采集装置与灯丝加热电路、灯丝扫描偏压电路以及电子收集极扫描偏压电路分别连接；
[0014]所述热阴极组件设置在真空腔内；灯丝加热电路和灯丝扫描偏压电路分别与灯丝导线连接，电子收集极扫描偏压电路通过电子收集极导线与电子收集极连接。
[0015]根据本专利技术的第三个方面，采用如下技术方案：
[0016]一种真空虚拟阴极自动测量方法，包括：
[0017]数据采集装置接收主控制器的信号，分别控制灯丝加热电路、灯丝扫描偏压电路以及电子收集极扫描偏压电路的输出信号，从而自动为热阴极灯丝施加设定的扫描偏压和加热电流，自动为电子收集极施加设定的偏置电压；
[0018]数据采集装置自动收集电子收集极的电流信号和偏置电压信号，以及热阴极灯丝的加热电流信号和扫描偏压信号，并将收集的数据传送至主控制器；
[0019]主控制器根据接收到的数据计算得到虚拟阴极的势阱深度以及空间尺寸。
[0020]本专利技术有益效果：
[0021]①
本专利技术虚拟阴极由热阴极灯丝产生，而灯丝的加热电流由软件程序控制数据采集卡自动输出，因而该装置中的虚拟阴极是可控可变的。
[0022]②
本专利技术将热阴极灯丝置于电子收集极内部，同时对电子收集极外部进行绝缘处理，该设计方案一方面能够保证电子收集极上的电流信号全部来自于热阴极灯丝的电子发射，另一方面也能够实现热阴极灯丝发射的电子全部被电子收集极收集，从而为虚拟阴极的计算提供准确的电子电流数据。
[0023]③
本专利技术能够通过软件程序中测量参数的设置，自动地对热阴极灯丝施加扫描偏压和加热电流，自动地对电子收集极施加偏置电压，并自动采集电子收集极的电流信号，同时也能够自动分析处理实验数据，最终给出待测虚拟阴极的特征参数，整个虚拟阴极测量过程快速、便捷、高效。
[0024]④
本专利技术中的热阴极灯丝易于制作和更换，从而能够实现对不同热阴极灯丝材料形成的虚拟阴极的测量。
[0025]⑤
本专利技术装置有严谨的虚拟阴极理论模型作为支撑，能够保证测量原理方面的可靠性。
[0026]本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0027]图1为热阴极组件结构图；
[0028]图2为自动的虚拟阴极测量装置硬件构成原理图；
[0029]图3为自动的虚拟阴极测量装置软件流程图；
[0030]图4为利用自动的虚拟阴极测量装置获得的灯丝温度与灯丝加热电流之间的实验结果关系图；
[0031]图5为利用自动的虚拟阴极测量装置获得的虚拟阴极电势大小与灯丝加热电流之间的实验结果关系图；
[0032]图6为利用自动的虚拟阴极测量装置获得的虚拟阴极空间尺寸与灯丝加热电流之间的实验结果关系图；
[0033]其中，1.灯丝导线；2.绝缘支架；3.绝缘连接固件；4.电子收集极；5.绝缘层；6.电子收集极导线；7.热阴极灯丝；8.真空法兰；9.电极；10.真空腔；11.热阴极组件；12.接地电极；13.灯丝加热电路；14.隔离运算放大器；15.灯丝扫描偏压电路；16.电子收集极扫描偏压电路；17.模拟输入通道a；18.模拟输入通道b；19.模拟输入通道c；20.模拟输入通道d；21.模拟输出通道a；22.模拟输出通道b；23.模拟输出通道c；24.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能够产生虚拟阴极的热阴极组件，其特征在于，包括：电子收集极，所述电子收集极为中空的金属结构，所述金属结构上设有一开口，绝缘支架底端穿过所述开口并深入到电子收集极内部；所述绝缘支架底端连接热阴极灯丝；所述热阴极灯丝的两端分别与灯丝导线连接，所述灯丝导线穿过绝缘支架并引出到电子收集极外部；所述电子收集极的外部包围绝缘层，所述绝缘层和绝缘支架通过绝缘连接固件连接，能够使得电子收集极外部形成封闭的绝缘结构。2.如权利要求1所述的一种能够产生虚拟阴极的热阴极组件，其特征在于，所述电子收集极的金属壳体连接电子收集极导线，用于为电子收集极的金属壳体施加设定的偏置电压，以及采集电子收集极内部的电子电流信号。3.如权利要求1所述的一种能够产生虚拟阴极的热阴极组件，其特征在于，所述电子收集极为中空的金属球壳结构。4.如权利要求1所述的一种能够产生虚拟阴极的热阴极组件，其特征在于，所述热阴极灯丝为纯金属热阴极电子发射材料，或者是在金属丝上涂抹六硼化镧粉末或电子粉浆的热阴极电子发射材料。5.如权利要求1所述的一种能够产生虚拟阴极的热阴极组件，其特征在于，所述绝缘支架为单孔或双孔的毛细玻璃管或陶瓷管材料。6.一种真空虚拟阴极自动测量装置，其特征在于，包括：主控制器、数据采集装置、权利要求1
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5任一项所述的热阴极组件、灯丝加热电路、灯丝扫描偏压电路以及电子收集极扫描偏压电路；主控制器与数据采集装置连接，所述数据采集装置与灯丝加热电路、灯丝扫描偏压电路以及电子收集极扫描偏压电路分别连接；所述热阴极组件设置在真空腔内；灯丝加热电路和灯丝扫描偏压电路分别与灯丝导线连接，电子收集极扫...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建泉，李书翰，张清和，邢赞扬，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：