一种场发射和场电离测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种场发射和场电离测量装置，由真空腔、电极部分、低压电源、高压电源、数字电流表、数模转换器和计算机系统构成，电极部分由顺次垂直安装在真空腔中的发射极、栅极和收集极构成，三者之间分别用绝缘材料隔开；栅极、低压电源、数字电流表、发射极依次相连，收集极、高压电源、数字电流表、发射极依次相连，数字电流表与计算机系统相连，低压电源、高压电源分别通过数模转换器与计算机系统相连。本实用新型专利技术装置采用计算机控制、在同一真空腔内实现了场发射和场电离过程的自动扫描测试，方便快捷，且提高了测试精度。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于场发射和场电离测试领域，尤其涉及一种场发射和场电离测量装置。
技术介绍
场发射是一种冷电子发射，是指在物体表面施加强电场来抑制其表面势垒，使物体内的电子穿过表面势垒并逸出的电子发射现象。场发射可应用于平板显示器、电子显微镜和真空微电子器件等。作为场发射器件核心部分的冷阴极材料，应具有较小的逸出功和较大的场增强因子，同时能够保证足够大且较稳定的发射电流密度。中国专利CN 2608984Y 公开了一种能在更换样品过程中不直接暴露于大气环境、可以在较短时间内获得超高真空的纳米炭材料场发射性能测试装置，该测试装置适用范围广，操作方便。但测量是采用手动测量，不方便且误差较大，测量结果精度不高。场电离是利用强大的电场使气体原子或分子电离的现象。一般的场离子发射器， 均利用尖端发射体，加高压以产生强大的电场，使附近的气体原子产生电离。在目前的场发射及场电离测试领域，还没有能在同一个真空腔内进行场发射和场电离过程自动化测试的设备。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本技术提供了一种能在同一真空腔内、自动化测试场发射和场电离过程的场发射和场电离测量装置。为解决上述技术问题，本技术采用如下技术方案一种场发射和场电离测量装置，由真空腔(1)、电极部分O)、低压电源(3)、高压电源⑷、数字电流表(5、6)、数模转换器(7,8)和计算机系统(9)构成，电极部分(2)由顺次垂直安装在真空腔(1)中的发射极( )、栅极Ob)和收集极Oc)构成，三者之间分别用绝缘材料隔开；栅极(2b)、低压电源(3)、数字电流表(5)、发射极Qa)依次相连，收集极 (2c)、高压电源G)、数字电流表(6)、发射极Qa)依次相连，数字电流表(5)、数字电流表均与计算机系统(9)相连，低压电源(3)、高压电源(4)分别通过数模转换器(7)、数模转换器(8)与计算机系统(9)相连。作为优选1)绝缘材料为四聚氟乙烯；2)栅极由孔径为1 2mm2的钼网制成。与现有技术相比，本技术具有以下优点和有益效果1、本技术装置可以在同一个真空腔内进行场发射和场电离过程的测试；2、本技术装置采用计算机控制，实现了场发射和场电离过程的自动扫描测试，方便快捷，且提高了测试精度。附图说明图1为本技术场发射和场电离测量装置的结构框图；图2为CNT场发射器的场发射过程的测试结果；图3为CNT场发射器的场发射与场电离过程的测试结果比较；图中，真空腔1、发射极2a、栅极2b、收集极2c、低压电源3、高压电源4、数字电流表5、数字电流表6、数模转换器7、数模转换器8、计算机系统9。具体实施方式本技术所提供的场发射/场电离测量装置，由真空腔(1)、电极部分O)、低压电源⑶、高压电源⑷、数字电流表(5、6)、数模转换器(7、8)和计算机系统(9)构成，电极部分O)由顺次垂直安装在真空腔(1)中的发射极( )、栅极Ob)和收集极Oc)构成， 三者之间分别用绝缘材料隔开；栅极Ob)通过真空腔中导出的低压电极与低压电源(3)连接，低压电源(3)、数字电流表(5)、发射极Qa)依次相连；收集极Oc)通过真空腔中导出的高压电极与高压电源(4)连接，高压电源G)、数字电流表(5)、发射极Qa)依次相连；数字电流表(5)、数字电流表(6)均与计算机系统(9)相连，低压电源(3)、高压电源(4)分别通过数模转换器(7)、数模转换器(8)与计算机系统(9)相连。在本实施例中，隔开发射极、栅极和收集级的绝缘材料为四聚氟乙烯，且其上设置有一个小孔，小孔的面积根据场发射阴极的面积而定，能允许发射的电子通过；栅极由孔径为1 2mm2的钼网制成，栅极也可以采用钨网；高压电源可提供25kV或更高的电压，低压电源可提供4kV的低电压，高压电源和低压电源均是悬空放置，并均通过双刀双掷开关来适当选择电压正负极性，以减少电子噪声干扰，实现电流的精确测量；数字电流表(5)、数字电流表(6)、数模转换器(7)、数模转换器(8)均通过RS232通讯接口与计算机系统(9) 连接；操作者可以通过计算机系统(9)预设电压扫描范围、步进电压、电流极限和等待时间等四项参数，计算机系统(9)可自动测试场发射和场电离过程中的外加电压和发射电流。下面将详细描述本技术装置的工作过程1、场发射测试如图1所示，栅极(2b)、低压电源(3)、数字电流表(5)、发射极Qa)依次相连形成的回路是用来测试场发射过程，发射极Oa)相对于栅极Qb)是负电压，通过计算机系统(9)预设参数控制电压扫描范围、步进电压、电流极限和等待时间，当该回路中发射电流达到预设电流极限值时，本装置立刻停止运行，以避免测量过程中高电流冲击引起短路。测量时，计算机系统(9)根据预设参数、通过数模转换器控制低压电源的电压由O 增加到电压扫描范围的上限电压值，然后从该电压值又降到0，在上述电压变化过程中，数字电流表(7)将接收到的场发射电流信息发送给计算机系统，通过计算机即可得到场发射过程中的I-V特性曲线。2、场电离测试如图1所示，收集极Qc)、高压电源(4)、数字电流表(6)、发射极Qa)依次相连形成的回路是用来测试场电离性能，在收集极测量提取到的电子或离子，收集极由高压电源供电，可以根据粒子电荷极性而选择适当的电压极性。测量过程与前面提到的场发射测试过程相同。在本底真空达到KT5Pa下，采用本技术装置对用涂敷法制备的炭纳米管 (CNT)场发射阴极分别进行场发射和场电离性能测试，发射极接4kV低压电源，且相对于栅极是负电压，通过设置计算机测试界面中的参数，包括电压扫描范围、步进电压、电流极限、等待时间。每次测量时，外加电压由0增加到预设电压扫描范围的上限值，然后又从该电压值降到0，在测试界面即可以看到完整的I-V特性曲线。如图2所示为上述CNT场发射阴极的场发射过程的I-V特征曲线，从图中可以看出，其开启场强，即电流密度为1 μ A/cm2时的电场强度，为1. 24V/ μ m ；阈值场强，即电流密度为ImA/cm2时的场强，是1. 85V/微米；从内插图所示的福勒-诺德罕姆曲线可以观察到ln(I/V2)与1/V之间是直线关系，表明场发射是由电场驱动，并且可算得场增强因子为 4. 3xl03。随着场发射从高压到低压或者重复测试的进行，电流没有衰减，而且开启电场没有变化。在Ar气压为1. BxlO-3Pa的真空中测试了 CNT场发射阴极的场电离过程，如图3所示，由于场电离产生的离子电流仅有几十微安，比场发射电流小很多，为了方便与场发射过程比较，所以将场电离的I-V特征曲线中的离子电流放大20倍，如图3所示，从图中可以看出，场电离的开启电压为3. 5kV，高于场发射的开启电压。权利要求1.一种场发射和场电离测量装置，其特征在于由真空腔(1)、电极部分(2)、低压电源(3)、高压电源(4)、数字电流表(5、6)、数模转换器(7、8)和计算机系统(9)构成，电极部分(2)由顺次垂直安装在真空腔(1)中的发射极 (2a)、栅极(2b)和收集极(2c)构成，三者之间分别用绝缘材料隔开；栅极(2b)、低压电源(3)、数字电流表(5)、发射极(2a)依次相连，收集极(2c)、高压电源(4)、数字电流表(6)、发射极(2a)依次相连，数字电本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种场发射和场电离测量装置，其特征在于：由真空腔（１）、电极部分（２）、低压电源（３）、高压电源（４）、数字电流表（５、６）、数模转换器（７、８）和计算机系统（９）构成，电极部分（２）由顺次垂直安装在真空腔（１）中的发射极（２ａ）、栅极（２ｂ）和收集极（２ｃ）构成，三者之间分别用绝缘材料隔开；栅极（２ｂ）、低压电源（３）、数字电流表（５）、发射极（２ａ）依次相连，收集极（２ｃ）、高压电源（４）、数字电流表（６）、发射极（２ａ）依次相连，数字电流表（５）、数字电流表（６）均与计算机系统（９）相连，低压电源（３）、高压电源（４）分别通过数模转换器（７）、数模转换器（８）与计算机系统（９）相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张早娣，王泽松，付德君，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：实用新型
国别省市：83