一种热阴极组件、真空虚拟阴极自动测量装置及方法
阅读说明：本技术 一种热阴极组件、真空虚拟阴极自动测量装置及方法 (Hot cathode assembly, vacuum virtual cathode automatic measuring device and method ) 是由 李建泉 李书翰 张清和 邢赞扬 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention discloses a hot cathode assembly, a vacuum virtual cathode automatic measuring device and a method, comprising the following steps: the electron collector is a hollow metal structure, an opening is formed in the metal structure, and the bottom end of the insulating support penetrates through the opening and extends into the electron collector; the bottom end of the insulating support is connected with a hot cathode filament; two ends of the hot cathode filament are respectively connected with filament leads, and the filament leads penetrate through the insulating support and are led out of the electron collector; the outer part of the electron collector is surrounded by an insulating layer, and the insulating layer is connected with the insulating support through an insulating connecting fastener, so that a closed insulating structure can be formed outside the electron collector. The virtual cathode of the invention is generated by a hot cathode filament, and the heating current of the filament is automatically output by a data acquisition card controlled by a software program, so that the virtual cathode in the device is controllable and variable.)
技术领域
本发明涉及热阴极电子发射技术领域，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。
背景技术
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-V特性曲线。
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”。
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-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。
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。
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。
发明内容
有鉴于此，本发明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。
为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，采用如下技术方案：
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；
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。
根据本发明的第二个方面，采用如下技术方案：
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；
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，电子收集极扫描偏压电路通过电子收集极导线与电子收集极连接。
根据本发明的第三个方面，采用如下技术方案：
一种真空虚拟阴极自动测量方法，包括：
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；
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；
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。
本发明有益效果：
①本发明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。
②本发明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。
③本发明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。
④本发明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。
⑤本发明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。
本发明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，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为热阴极组件结构图；
图2为自动的虚拟阴极测量装置硬件构成原理图；
图3为自动的虚拟阴极测量装置软件流程图；
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；
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；
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；
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.数据采集卡；25.计算机。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种能够产生虚拟阴极的热阴极组件11，参照图1，包括：电子收集极4,电子收集极4为中空的金属结构，金属结构上设有一开口，绝缘支架2底端穿过所述开口并深入到电子收集极4内部；绝缘支架2底端连接热阴极灯丝7；热阴极灯丝7的两端分别与灯丝导线1连接，灯丝导线1穿过绝缘支架2并引出到电子收集极4外部；
电子收集极4的外部包围绝缘层5，绝缘层5和绝缘支架2通过绝缘连接固件3连接，能够使得电子收集极4外部形成封闭的绝缘结构。
具体地，电子收集极4为中空的金属球，材质为铜、铝或不锈钢等导体材料，金属球壳顶部开一道狭缝，狭缝尺寸稍大于热阴极灯丝7的尺寸，可以允许热阴极灯丝刚好通过并使其置于金属球壳内部中央位置。
本实施例中，热阴极灯丝7置于电子收集极4内部，通过直流加热可以使热阴极灯丝7发射热电子并形成虚拟阴极；电子收集极4包围整个热阴极灯丝7，用于收集热电子，获得准确的电子电流信号。
热阴极灯丝7固定在绝缘支架2上，绝缘支架2为单孔或双孔毛细玻璃管或陶瓷管等材料；灯丝导线1穿过绝缘支架2连接热阴极灯丝7的两端，用于给热阴极灯丝7施加加热电流以及扫描偏压。
本实施例中，热阴极灯丝7为钨丝、钼丝或钽丝等纯金属热阴极电子发射材料，也可以是在钨丝等难熔金属丝上涂抹六硼化镧粉末或电子粉浆等常见的热阴极电子发射材料。
电子收集极4的金属球壳连接电子收集极导线6，用于给金属球壳施加偏置电压以及采集金属球壳收集的电子电流信号；电子收集极4外面包围绝缘层5，材质为常见的氧化物、氮化物或高分子聚合物(塑料)等绝缘材料，其产生方式可以采用镀膜或喷涂等方式，绝缘层5的作用是屏蔽金属球壳外部的电子，确保金属球壳上的电流信号全部来自于热阴极灯丝7发射的热电子。
金属球壳、绝缘层5和绝缘支架2通过绝缘连接固件3固定连接在一起，绝缘连接固件3为聚乙烯等热塑性塑料管，通过加热冷却或者粘接等方式使绝缘连接固件3连接并固定金属球壳和绝缘支架2。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种真空虚拟阴极自动测量装置，参照图2，包括：主控制器、数据采集装置、实施例一中所述的热阴极组件11、灯丝加热电路13、灯丝扫描偏压电路15以及电子收集极扫描偏压电路16；
主控制器与数据采集装置连接，数据采集装置与灯丝加热电路13、灯丝扫描偏压电路15以及电子收集极扫描偏压电路16分别连接；
热阴极组件11设置在真空腔10内；灯丝加热电路13和灯丝扫描偏压电路15分别与灯丝导线1连接，电子收集极扫描偏压电路16通过电子收集极导线6与电子收集极4连接。
具体地，主控制器为计算机25，数据采集装置为数据采集卡24；数据采集卡24有至少三个模拟输出通道和四个模拟输入通道，数据采集卡24的模拟输出通道分别连接灯丝加热电路13、灯丝扫描偏压电路15以及电子收集极扫描偏压电路16，同时控制各自的电路分别施加热阴极灯丝7的加热电流、热阴极灯丝7的扫描偏压以及电子收集极4的偏置电压；数据采集卡24的模拟输入通道分别采集热阴极灯丝7的加热电流信号、热阴极灯丝7的偏置电压信号、电子收集极4的偏置电压信号以及电子收集极4采集的电子电流信号。
数据采集装置与灯丝加热电路13的输入端和输出端之间分别连接隔离运算放大器14。隔离运算放大器14的作用是为了使灯丝加热电路13与灯丝扫描偏压电路15之间电磁隔离、互不干扰。
在利用该装置进行虚拟阴极测量时，首先需要将热阴极组件11置于真空腔10中，然后通过真空法兰8上的电极9连接电子收集极导线6和电子收集极扫描偏压电路16；同时通过另一个真空法兰上的电极连接灯丝导线1、灯丝加热电路13、以及灯丝扫描偏压电路15。
热阴极灯丝7的加热电流信号由数据采集卡24通过模拟输出通道a21控制灯丝加热电路13自动输出；热阴极灯丝7的扫描偏压信号由数据采集卡24通过模拟输出通道b22控制灯丝扫描偏压电路15自动施加在热阴极灯丝7和真空腔10接地电极12之间；而电子收集极4的偏置电压信号由数据采集卡24通过模拟输出通道c23控制电子收集极扫描偏压电路16自动施加在电子收集极4和真空腔10接地电极12之间。
数据采集卡24上模拟输出通道a、b、c的信号输出由计算机25上自动控制输出。另一方面，数据采集卡24通过模拟输入通道a17、模拟输入通道b18、模拟输入通道c19和模拟输入通道d20分别采集电子收集极4的电子电流信号、电子收集极4的偏置电压信号、热阴极灯丝7的扫描偏压信号以及热阴极灯丝7的加热电流信号。
计算机25自动分析处理数据采集卡24采集的电压电流信号，最终计算得到虚拟阴极的势阱深度以及空间尺寸。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种真空虚拟阴极自动测量方法，具体包括如下过程：
(1)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13、灯丝扫描偏压电路15以及电子收集极扫描偏压电路16的输出信号，从而自动为热阴极灯丝7施加设定的扫描偏压和加热电流，自动为电子收集极4施加设定的偏置电压；
(2)数据采集装置自动收集电子收集极4的电流信号和偏置电压信号，以及热阴极灯丝7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；
(3)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。
本实施例中，主控制器采用计算机25，自动的虚拟阴极测量装置软件部分可以通过LabVIEW、MATLAB等多种途径实现，软件运行的流程框图如图3所示。
在启动软件之后，首先要对初始的测量参数进行设置，主要包括设置灯丝扫描偏压的下限电压、上限电压以及调节步长(VfL，VfH，ΔVf),设置灯丝加热电流的下限电流、上限电流以及调节步长(IhtL，IhtH，ΔIht)。
在测量过程中，程序优先设置电子收集极4的偏置电压(Vs)等于灯丝扫描偏压的上限电压(VfH)，同时数据采集卡24通过模拟输出通道a21的数值来调节灯丝加热电流从电流下限(IhtL)到电流上限(IhtH)之间按照设定的步长(ΔIht)依次增加。
在每一个灯丝扫描偏压(Vf)和灯丝加热电流(Iht)下，数据采集卡24通过四个模拟输入通道分别采集灯丝的扫描偏压(Vf)、灯丝的加热电流(Iht)、电子收集极的电子电流(Is)以及偏置电压(Vs)。
当灯丝的扫描偏压(Vf)等于灯丝扫描偏压的下限电压(VfL)时，热阴极灯丝与电子收集极之间拥有最大的电势差，此时热阴极灯丝发射的热电子能够全部被电子收集极采集到，即程序自动将此时的Is输出为饱和的电子发射电流(Ie)；
当Vf不等于VfL时，电子收集极采集的电子电流为能够克服虚拟阴极的部分热电子，即程序自动将此时的Is输出为电子收集电流(Ic)，与此同时，程序将通过数据采集卡是模拟输出通道b按照设定的扫描偏压步长(ΔVf)自动将Vf步进至下一个偏置电压(Vf-ΔVf)，直至完成所有预设的灯丝偏置电压扫描。
其中，饱和的电子发射电流(Ie)和电子收集电流(Ic)都是电子收集极收集到灯丝发射的热电子所形成的电流信号，只是由于电子收集极的电势大小不同从而导致流经电子收集极的热电子电流信号大小不同，其中Ie是最大的电流信号，也就是饱和的电子发射电流。
在每一个饱和电子发射电流(Ie)下，程序能够通过预先设置的热阴极灯丝参数(灯丝面积S、灯丝的电子逸出功Φ以及灯丝材料的实际电子发射系数A)计算得到灯丝温度(Te)。结合Te、Ie以及Ic，程序将自动计算得到待测虚拟阴极的电势大小和空间尺寸(x)。
其中，灯丝温度Te由理查德森-杜师曼公式计算得到：
其中，k为玻尔兹曼常数。虚拟阴极的电势和空间尺寸x分别由以下两式计算得到：
其中，e为元电荷，ε0为真空介电常数，n0为一维的电子线密度，该参数可以由以下公式计算得到：
其中，je表示一维的电子电流线密度，me表示电子质量。
此外，本发明装置在使用过程中要保证热阴极组件运行在气压不超过40Pa的真空环境中，否则本发明中所采用的虚拟阴极理论模型将不再适用，且热阴极灯丝也容易损坏。利用自动的虚拟阴极测量装置获得的灯丝温度、虚拟阴极电势及空间尺寸测量结果分别如图4、图5和图6所示。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
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