專利名稱：一種場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離測(cè)試領(lǐng)域，尤其涉及一種場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
場(chǎng)發(fā)射是一種冷電子發(fā)射，是指在物體表面施加強(qiáng)電場(chǎng)來(lái)抑制其表面勢(shì)壘，使物體內(nèi)的電子穿過(guò)表面勢(shì)壘并逸出的電子發(fā)射現(xiàn)象。場(chǎng)發(fā)射可應(yīng)用于平板顯示器、電子顯微鏡和真空微電子器件等。作為場(chǎng)發(fā)射器件核心部分的冷陰極材料，應(yīng)具有較小的逸出功和較大的場(chǎng)增強(qiáng)因子，同時(shí)能夠保證足夠大且較穩(wěn)定的發(fā)射電流密度。中國(guó)專利CN 2608984Y 公開(kāi)了一種能在更換樣品過(guò)程中不直接暴露于大氣環(huán)境、可以在較短時(shí)間內(nèi)獲得超高真空的納米炭材料場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試裝置，該測(cè)試裝置適用范圍廣，操作方便。但測(cè)量是采用手動(dòng)測(cè)量，不方便且誤差較大，測(cè)量結(jié)果精度不高。場(chǎng)電離是利用強(qiáng)大的電場(chǎng)使氣體原子或分子電離的現(xiàn)象。一般的場(chǎng)離子發(fā)射器， 均利用尖端發(fā)射體，加高壓以產(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng)，使附近的氣體原子產(chǎn)生電離。在目前的場(chǎng)發(fā)射及場(chǎng)電離測(cè)試領(lǐng)域，還沒(méi)有能在同一個(gè)真空腔內(nèi)進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離過(guò)程自動(dòng)化測(cè)試的設(shè)備。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實(shí)用新型提供了一種能在同一真空腔內(nèi)、自動(dòng)化測(cè)試場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離過(guò)程的場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離測(cè)量裝置。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離測(cè)量裝置，由真空腔(1)、電極部分O)、低壓電源(3)、高壓電源⑷、數(shù)字電流表(5、6)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(7,8)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9)構(gòu)成，電極部分(2)由順次垂直安裝在真空腔(1)中的發(fā)射極( )、柵極Ob)和收集極Oc)構(gòu)成，三者之間分別用絕緣材料隔開(kāi)；柵極(2b)、低壓電源(3)、數(shù)字電流表(5)、發(fā)射極Qa)依次相連，收集極 (2c)、高壓電源G)、數(shù)字電流表(6)、發(fā)射極Qa)依次相連，數(shù)字電流表(5)、數(shù)字電流表均與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9)相連，低壓電源(3)、高壓電源(4)分別通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(7)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(8)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9)相連。作為優(yōu)選1)絕緣材料為四聚氟乙烯；2)柵極由孔徑為1 2mm2的鉬網(wǎng)制成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1、本實(shí)用新型裝置可以在同一個(gè)真空腔內(nèi)進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離過(guò)程的測(cè)試；2、本實(shí)用新型裝置采用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離過(guò)程的自動(dòng)掃描測(cè)試，方便快捷，且提高了測(cè)試精度。
圖1為本實(shí)用新型場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為CNT場(chǎng)發(fā)射器的場(chǎng)發(fā)射過(guò)程的測(cè)試結(jié)果；圖3為CNT場(chǎng)發(fā)射器的場(chǎng)發(fā)射與場(chǎng)電離過(guò)程的測(cè)試結(jié)果比較；圖中，真空腔1、發(fā)射極2a、柵極2b、收集極2c、低壓電源3、高壓電源4、數(shù)字電流表5、數(shù)字電流表6、數(shù)模轉(zhuǎn)換器7、數(shù)模轉(zhuǎn)換器8、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)9。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型所提供的場(chǎng)發(fā)射/場(chǎng)電離測(cè)量裝置，由真空腔(1)、電極部分O)、低壓電源⑶、高壓電源⑷、數(shù)字電流表(5、6)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(7、8)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9)構(gòu)成，電極部分O)由順次垂直安裝在真空腔(1)中的發(fā)射極( )、柵極Ob)和收集極Oc)構(gòu)成， 三者之間分別用絕緣材料隔開(kāi)；柵極Ob)通過(guò)真空腔中導(dǎo)出的低壓電極與低壓電源(3)連接，低壓電源(3)、數(shù)字電流表(5)、發(fā)射極Qa)依次相連；收集極Oc)通過(guò)真空腔中導(dǎo)出的高壓電極與高壓電源(4)連接，高壓電源G)、數(shù)字電流表(5)、發(fā)射極Qa)依次相連；數(shù)字電流表(5)、數(shù)字電流表(6)均與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9)相連，低壓電源(3)、高壓電源(4)分別通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(7)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(8)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9)相連。在本實(shí)施例中，隔開(kāi)發(fā)射極、柵極和收集級(jí)的絕緣材料為四聚氟乙烯，且其上設(shè)置有一個(gè)小孔，小孔的面積根據(jù)場(chǎng)發(fā)射陰極的面積而定，能允許發(fā)射的電子通過(guò)；柵極由孔徑為1 2mm2的鉬網(wǎng)制成，柵極也可以采用鎢網(wǎng)；高壓電源可提供25kV或更高的電壓，低壓電源可提供4kV的低電壓，高壓電源和低壓電源均是懸空放置，并均通過(guò)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)來(lái)適當(dāng)選擇電壓正負(fù)極性，以減少電子噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)電流的精確測(cè)量；數(shù)字電流表(5)、數(shù)字電流表(6)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(7)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(8)均通過(guò)RS232通訊接口與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9) 連接；操作者可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9)預(yù)設(shè)電壓掃描范圍、步進(jìn)電壓、電流極限和等待時(shí)間等四項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9)可自動(dòng)測(cè)試場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離過(guò)程中的外加電壓和發(fā)射電流。下面將詳細(xì)描述本實(shí)用新型裝置的工作過(guò)程1、場(chǎng)發(fā)射測(cè)試如圖1所示，柵極(2b)、低壓電源(3)、數(shù)字電流表(5)、發(fā)射極Qa)依次相連形成的回路是用來(lái)測(cè)試場(chǎng)發(fā)射過(guò)程，發(fā)射極Oa)相對(duì)于柵極Qb)是負(fù)電壓，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9)預(yù)設(shè)參數(shù)控制電壓掃描范圍、步進(jìn)電壓、電流極限和等待時(shí)間，當(dāng)該回路中發(fā)射電流達(dá)到預(yù)設(shè)電流極限值時(shí)，本裝置立刻停止運(yùn)行，以避免測(cè)量過(guò)程中高電流沖擊引起短路。測(cè)量時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9)根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)、通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制低壓電源的電壓由O 增加到電壓掃描范圍的上限電壓值，然后從該電壓值又降到0，在上述電壓變化過(guò)程中，數(shù)字電流表(7)將接收到的場(chǎng)發(fā)射電流信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)即可得到場(chǎng)發(fā)射過(guò)程中的I-V特性曲線。2、場(chǎng)電離測(cè)試如圖1所示，收集極Qc)、高壓電源(4)、數(shù)字電流表(6)、發(fā)射極Qa)依次相連形成的回路是用來(lái)測(cè)試場(chǎng)電離性能，在收集極測(cè)量提取到的電子或離子，收集極由高壓電源供電，可以根據(jù)粒子電荷極性而選擇適當(dāng)?shù)碾妷簶O性。測(cè)量過(guò)程與前面提到的場(chǎng)發(fā)射測(cè)試過(guò)程相同。[0025]在本底真空達(dá)到KT5Pa下，采用本實(shí)用新型裝置對(duì)用涂敷法制備的炭納米管 (CNT)場(chǎng)發(fā)射陰極分別進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離性能測(cè)試，發(fā)射極接4kV低壓電源，且相對(duì)于柵極是負(fù)電壓，通過(guò)設(shè)置計(jì)算機(jī)測(cè)試界面中的參數(shù)，包括電壓掃描范圍、步進(jìn)電壓、電流極限、等待時(shí)間。每次測(cè)量時(shí)，外加電壓由0增加到預(yù)設(shè)電壓掃描范圍的上限值，然后又從該電壓值降到0，在測(cè)試界面即可以看到完整的I-V特性曲線。如圖2所示為上述CNT場(chǎng)發(fā)射陰極的場(chǎng)發(fā)射過(guò)程的I-V特征曲線，從圖中可以看出，其開(kāi)啟場(chǎng)強(qiáng)，即電流密度為1 μ A/cm2時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，為1. 24V/ μ m ；閾值場(chǎng)強(qiáng)，即電流密度為ImA/cm2時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)，是1. 85V/微米；從內(nèi)插圖所示的福勒-諾德罕姆曲線可以觀察到ln(I/V2)與1/V之間是直線關(guān)系，表明場(chǎng)發(fā)射是由電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，并且可算得場(chǎng)增強(qiáng)因子為 4. 3xl03。隨著場(chǎng)發(fā)射從高壓到低壓或者重復(fù)測(cè)試的進(jìn)行，電流沒(méi)有衰減，而且開(kāi)啟電場(chǎng)沒(méi)有變化。在Ar氣壓為1. BxlO-3Pa的真空中測(cè)試了 CNT場(chǎng)發(fā)射陰極的場(chǎng)電離過(guò)程，如圖3所示，由于場(chǎng)電離產(chǎn)生的離子電流僅有幾十微安，比場(chǎng)發(fā)射電流小很多，為了方便與場(chǎng)發(fā)射過(guò)程比較，所以將場(chǎng)電離的I-V特征曲線中的離子電流放大20倍，如圖3所示，從圖中可以看出，場(chǎng)電離的開(kāi)啟電壓為3. 5kV，高于場(chǎng)發(fā)射的開(kāi)啟電壓。
權(quán)利要求1.一種場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離測(cè)量裝置，其特征在于由真空腔(1)、電極部分(2)、低壓電源(3)、高壓電源(4)、數(shù)字電流表(5、6)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(7、8)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9)構(gòu)成，電極部分(2)由順次垂直安裝在真空腔(1)中的發(fā)射極 (2a)、柵極(2b)和收集極(2c)構(gòu)成，三者之間分別用絕緣材料隔開(kāi)；柵極(2b)、低壓電源(3)、數(shù)字電流表(5)、發(fā)射極(2a)依次相連，收集極(2c)、高壓電源(4)、數(shù)字電流表(6)、發(fā)射極(2a)依次相連，數(shù)字電流表(5)、數(shù)字電流表(6)均與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9)相連，低壓電源(3)、高壓電源(4)分別通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(7)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(8)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(9)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離測(cè)量裝置，其特征在于 所述絕緣材料為四聚氟乙烯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離測(cè)量裝置，其特征在于 所述柵極由孔徑為廣2mm2的鉬網(wǎng)制成。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離測(cè)量裝置，由真空腔、電極部分、低壓電源、高壓電源、數(shù)字電流表、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，電極部分由順次垂直安裝在真空腔中的發(fā)射極、柵極和收集極構(gòu)成，三者之間分別用絕緣材料隔開(kāi)；柵極、低壓電源、數(shù)字電流表、發(fā)射極依次相連，收集極、高壓電源、數(shù)字電流表、發(fā)射極依次相連，數(shù)字電流表與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，低壓電源、高壓電源分別通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。本實(shí)用新型裝置采用計(jì)算機(jī)控制、在同一真空腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離過(guò)程的自動(dòng)掃描測(cè)試，方便快捷，且提高了測(cè)試精度。
文檔編號(hào)G01R19/25GK202119827SQ201120162029
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者付德君, 張?jiān)珂? 王澤松 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)