专利名称：具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体材料次级电子发射特性测试技术领域，特别涉及具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置。
背景技术：
所谓二次电子发射(Secondary Electron Emission)，就是指具有一定能量或速度的电子(或离子)轰击物体表面时，会引起电子从该物体表面发射出来的现象。从样品表面发射的二次电子在数量上可多于或少于一次电子，在能量上也呈现一定分布，其中包括一次电子的弹性散射电子、非弹性散射电子、真二次电子、俄歇电子等，有时还有其它复杂现象伴随二次电子发射过程，如辐射X射线，产生荧光等。固体材料二次电子发射的能力，通常用二次电子发射系数 J来表征。简单地说，二次电子发射系数可定义为二次发射电子流Zi与一次电子流冬之比。1899年Compbell首先发现了二次电子发射现象，二次电子发射的物理过程很复杂，在二十世纪初的科技条件下实用性不强，开始阶段的研究工作进展缓慢。二十世纪三十年代后，由于电真空器件的发展，二次电子发射问题才逐渐引起了研究人员的注意，这是因为二次电子发射有正反两方面的影响。积极方面是其具有优良的电子倍增作用，可以在光电倍增管等电子器件中得到广泛应用。另一方面，在某些器件中，由于二次电子发射，导致器件工作不稳定，这些都需要对二次电子发射机理与发射材料自身特性做一个系统的研究。在过去的近一个世纪中，研究人员对大量材料的二次电子发射现象进行了深入研究，包括其发射机理、测试方法以及器件应用。在二次电子发射的理论及测试技术方面，国外许多实验室都进行了专门研究，如美国的ORNL、SLAC、BNL,日本的KEK、欧洲的CERN等在这方面都做了很多工作，并设计制造了功能齐全、测量精确的实验设备。我国相关学者在该研究领域也获得了许多研究成果， 如中国科学技术大学的谢爱根教授首次提出了“有效真二次电子发射系数”的概念(发表于《强激光与粒子束》，2005)，并分别推导出高能原电子能量与金属的有效真二次电子发射系数的关系式和金属的有效真二次电子发射系数与高能原电子入射角的关系式，并进行了验证。另外，分别设计了测量金属材料和绝缘体材料的二次电子发射系数的测量方法和简易测量装置，并测量了几种金属材料和绝缘体材料的二次电子发射系数。中山大学的谭化兵建立了基于扫描电子显微镜系统的二次电子发射测试系统；利用该测试系统对多种形貌的氧化镁纳米棒薄膜进行了二次电子发射特性测试(谭化兵.氧化镁纳米棒薄膜二次电子发射特性研究[D].广州中山大学，2009)。固体材料二次电子发射系数测试装置是获得二次电子发射系数的有利工具。随着科技的发展，对测试装置的可靠性、操作智能化提出了更高的要求，为满足这些需求，微型计算机被应用于测试设备的控制系统中。然而早期的微机只是单纯作为一个显示设备，它实现了一定程度的图形化，但只是用于测试结果的存储与处理，没有真正意义上的人机对话，即不能通过鼠标或触摸屏点击来控制显示测试设备的运行状态，并且也存在许多不足 显示界面符号化，不直观；相关配套软件功能简单，没有故障报警，出现问题的部分不能直观地在微机上显示；没有完整、直观的界面，进程显示不明显、参数显示不集中。
发明内容
鉴于目前固体材料二次电子发射系数测试的技术瓶颈，本发明提供一种具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置，由机械系统、电气控制系统和分析检测系统构成。本发明装置操作简便，数据采集与处理准确快速，实现了测试过程的智能化，可以较好地满足工业防静电设计、工程选材及静电预测对二次电子发射系数测量的需要。本发明的具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置，包括机械系统、电气控制系统和分析检测系统；所述机械系统包括真空室、真空泵、电子枪、加热装置； 所述电子枪包括依次连接的热阴极、调制极和加速极；所述电气控制系统包括电源、可编程控制器(以下简称PLC)和温控电路；所述电源包括灯丝电源、调制电源、加速电源；所述分析检测系统包括工控机、数字量模拟量模块(以下简称D/A模块)、二路示波卡和触摸控制屏；PLC与真空泵连接，用于控制真空室的真空度；所述机械系统还包括电子收集装置， 所述电子收集装置包括一次电子收集器、二次电子收集器、一次前置放大器、二次前置放大器、靶台及绝缘转轴；所述加热装置位于一次电子收集器下方，包括加热丝和热电偶，均通过温控电路与PLC相连，用于对一次电子收集器进行加热；所述靶台上表面安装有不锈钢夹具，下表面与绝缘转轴固定连接；绝缘转轴置于一次电子收集器上方，并垂直于一次电子收集器轴线；二次电子收集器为开有小孔的半球状金属壳体，小孔轴线与一次电子收集器轴线重合，所述半球状金属壳体置于绝缘转轴上方；所述一次前置放大器和二次前置放大器分别与一次电子收集器和二次电子收集器连接后，再与二路示波卡、D/A模块、工控机、 触摸控制屏依次连接；所述电子枪还包括与加速极依次连接的一次聚焦腔和二次聚焦腔； 电子枪与电子收集装置通过绝缘块固定连接；所述电源还包括一次聚焦电源和二次聚焦电源；所述电气控制系统还包括数字量模拟量转换模块(以下简称D/A转换模块)，PLC与工控机相连接，并且还通过D/A转换模块连接灯丝电源、调制电源、加速电源、一次聚焦电源和二次聚焦电源，用于控制灯丝电源、调制电源、加速电源、一次聚焦电源和二次聚焦电源分别对电子枪的热阴极、调制极、加速极、一次聚焦腔及二次聚焦腔提供电压及电压大小；所述工控机通过组态王与PLC进行人机交互操作。所述二次电子收集器为以铜作为内壁材料，铜表面镀有一层金膜，所述金膜上镀
有一层碳。所述半球状金属壳体的小孔孔径为1. 5mm 2. 5 mm。所述一次电子收集器为法拉第筒，由外筒、内筒以及置于外筒和内筒之间的绝缘板构成。所述绝缘转轴与法拉第筒轴线的偏距为Icm 2 cm,该偏距可以保证在转动绝缘转轴时，能使电子枪发射的电子束直接打到法拉第筒内，完成一次电子的收集；同时再次转动绝缘转轴时，使靶台中心正对入射电子束，从而保证二次电子的收集。所述一次聚焦腔包括依次连接的一次前聚焦极和一次后聚焦极；一次前聚焦极和一次后聚集极均开有小孔，小孔轴线与电子枪电子入射方向重合；一次前聚焦小孔孔径为4cm 5 cm, 一次后聚焦极小孔孔径为2 cm 3 cm。所述二次聚焦腔包括依次连接的二次前聚焦极、二次中聚焦极和二次后聚焦极； 二次前聚焦极、二次中聚焦极、二次后聚焦极均开有小孔，并且小孔轴线与电子枪电子入射方向重合；二次前聚焦极小孔孔径为2. 5 cm 3. 5 cm，二次中聚焦极小孔孔径为2 cm 3 cm，二次后聚焦极小孔孔径为1. 5 cm 2. 5 cm。所述热阴极包括灯丝及罩在灯丝外面的小金属圆筒，所述小金属圆筒外表面涂覆有一层六硼化镧(LaB6)，以使阴极有较强的抗毒性，能够多次使用，逸出功较小。所述调制极为前端开有小孔的金属圆筒，调制极套装在热阴极外侧，略大于二次电子收集器的孔径；加速极为开有小孔的圆筒，用于对电子流加速。由组态王开发的具有人机交互功能的虚拟界面，操作者可以通过界面上的按键来控制整个测试装置的运行和参数设置，其中包括真空泵的开启和关闭，调节灯丝电源、调制电源、加速电源和一次聚焦电源及二次聚焦电源，控制温控电路、调节温度大小。除此之外， 还具有实时波形显示功能，非常直观，有助于我们根据需要随时调整参数。本发明的具体工作原理是在加速电压下，经电子枪发射并直接打到法拉第筒上的电子束会形成一次电子电流Ip ；而在相同加速电压下，经电子枪发射后轰击测试材料样品所激发的电子束会形成二次电子电流Is ；分别测出、和、，根据公式8= Is / Ip，就可以计算出该测试材料样品的二次电子发射系数，再进行相应的关系运算及结果显示。与现有技术相比，本发明具有以下优点
(1)机械结构更完善本发明对机械系统中的电子枪和电子收集装置使得测试过程中电子的发射和收集更方便准确。与传统的电子枪相比，本发明所使用的电子枪增加了一次聚焦腔和二次聚焦腔，使得经加速后的电子流能聚焦成极小的电子束径，有利于一次电子的收集和减少一次电子发射能量的损失。本发明所使用的二次电子收集器比过去的电子收集器做了一些结构上的优化，以铜作为收集器内壁材料，然后在内壁覆盖一层金膜，在金膜上附有一层碳，这样的结构更有利于防止从试样材料表面激发出来的二次电子因为能量太大而在内壁轰击出三次电子，从而影响到测量的精度；
⑵测试过程更易于控制本发明中PLC为电气控制系统核心部件，通过D/A转换模块连接电源，实现发射电子的通断控制，对从热阴极发射出来的电子束加速，及对加速后的电子束进行一次聚焦和二次聚焦，使得电子束通过整个电子枪后仍可保持极小的束径，保证了电子收集的充分；PLC还直接控制机械系统中的真空泵，保证真空室内的真空环境；除此之外，PLC还控制加热装置，使得在测量前，一次收集器内的残留静电能彻底消散，从而保证了整个测量精度。整个测试过程控制一体化，方便快捷；
⑶测试过程更加智能化，测试结果更直观本发明测试装置中的分析检测系统采用成熟的计算机测控技术进行各种硬件和软件模块组态，及时掌握设备的运行参数及测试过程的实时状态，从而实现监测、管理智能化，提高了测试质量与实验安全系数；工控机运用组态王与PLC进行通讯，系统人机界面清晰、美观，测试结果以图线显示，更直观。
图1是本发明具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置的总体结构示意图2是图1中所示电子枪的结构示意图；图3是本发明的具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置所测的聚酰亚胺薄膜实际二次电子发射系数与一次电子入射能量之间的关系曲线与理论曲线图4是传统的二次电子发射系数测试装置所测的聚酰亚胺薄膜实际二次电子发射系数与一次电子入射能量之间的关系曲线与理论曲线图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例如图1所示，具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置，包括机械系统、电气控制系统和分析检测系统。机械系统在电气控制系统控制下为测试过程提供真空环境，并产生和收集一次电子电流与二次电子电流，电流信号经放大传输至分析检测系统，经分析处理后在分析检测系统中显示出所求二次电子发射系数与电子枪出射电子能量之间的关系曲线。机械系统由真空室、真空泵、电子枪1、电子收集装置和加热装置构成；真空室是一个密封金属箱体，为机械系统中其他部件提供良好的真空环境；空泵为立式无油真空机组，位于真空室外，用于调节真空室的真空环境。所述分析检测系统包括工控机、D/A模块、二路示波卡和触摸控制屏。所述电气控制系统包括可编程控制器(PLC)及其外扩的D/A转换模块 (FX2N-4DA)、灯丝电源、调制电源、加速电源、一次聚焦电源、二次聚焦电源及温控电路。如图2所示，电子枪由绝缘筒12、热阴极11、调制极13、加速极14、一次聚焦腔15 和二次聚焦腔16固定连接构成；一次聚焦腔6包括均开有小孔的一次前聚焦极4和一次后聚焦极5，对通过了加速极的电子束进行初级聚焦，使绝大部分电子流可以从一次聚焦腔通过，一次前聚焦极和一次后聚焦极的小孔孔径分别为4cm和3cm。二次聚焦腔11包括均开有小孔的二次前聚焦极7、二次中聚焦极8和二次后聚焦极9，对通过加速极的电子束进行第二次聚焦，使通过一次聚焦腔的电子束再次缩径，达到所需求的束径值并沿电子枪轴线射出。二次前聚焦极7、二次中聚焦极8和二次后聚焦极9的小孔孔径分别为3 cm,2. 5cm, 1. 5 cm0电子收集装置包括一次电子收集器、二次电子收集器、一次前置放大器、二次前置放大器、靶台4及与其固定连接的绝缘转轴5，用于收集一次电子和二次电子并进行信号放大。电子枪和电子收集装置通过绝缘块2固定连接，绝缘块2采用聚四氟乙烯。所述一次电子收集器为法拉第筒，法拉第筒由外筒6和内筒9以及置于两筒之间的绝缘板10构成；所述二次电子收集器为半球状金属壳体3，壳体中心开有孔径为2mm的小孔，小孔轴线与法拉第筒轴线重合；半球状金属壳体以铜作为内壁的材料，令收集器能够充分收集二次电子，铜表面镀有一层金膜，金膜上还镀有一层碳，以防止从测试材料样品表面激发出来的二次电子因为能量太大而在二次电子收集器内壁轰击出三次电子；二次电子收集器与电子枪之间设有以聚四氟乙烯为材料制成的缘块2。靶台4上表面安装有不锈钢夹具，用于固定测试材料样品，下表面与绝缘转轴5固定连接。绝缘转轴5置于法拉第筒上方，垂直于法拉第筒轴线并与所述轴线的偏距为1cm。加热装置位于法拉第筒的下方，包括加热丝8和热电偶7，均与电气控制系统中的温控电路相连，用于测试之前对法拉第筒进行加热，以去除残余静电。所述灯丝电源用于加热电子枪热阴极，使其发射电子；所述调制电源用于调节调制极的电位，以实现发射电子的通断控制；所述加速电源用于加速从阴极发射出来的电子束；一次聚焦电源及二次聚焦电源分别对加速后的电子束进行一次聚焦和二次聚焦，使得电子束通过整个电子枪后仍可保持极小的束径。所述工控机通过其RS-232串口与PLC连接，进行指令传输；通过D/A模块接收来自二路示波卡的电子信号并进行分析处理；触摸控制屏与安装有组态王的工控机相连，用于显示组态王控制界面，所述控制界面包括结果显示窗口和相应的控制按钮。通过控制按钮可智能化控制电源的启闭及调制电源和加速电源的参数设定；结果显示窗口显示所测得的固体材料二次电子发射系数与电子枪出射电子能量之间的关系曲线。PLC为电气控制系统核心部件，通过FX2N-4DA连接灯丝电源、调制电源、加速电源、一次聚焦电源及二次聚焦电源，实现对机械系统中电子枪的控制。所述PLC还直接控制机械系统中的真空泵，保证真空室内的真空度。所述PLC与温控电路直接相连，控制加热装置；PLC与分析检测系统的工控机相连，传输分析检测系统的指令。本发明的具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置的具体操作步骤如下
步骤一将测试材料样品聚铣亚铵薄膜放入丙酮溶液中，用超声波清洗十分钟，晾干。 确认装置中各系统正确连接，开启工控机和触摸控制屏电源，进入软件操作界面。打开真空室箱体，将测试材料样品安装在靶台的夹具上，关闭真空箱体。通过触摸屏启动真空泵，将机械系统抽真空，直到真空度优于5 X 10_4 Pa，停止真空泵。通过触摸控制屏启动温控电路， 使加热丝加热法拉第筒，直到完全去除法拉第筒上的残余静电，关闭温控电路。步骤二 通过触摸控制屏设置灯丝电源电压为6. 3V并启动，使电子枪热阴极通电加热后发射电子；设定调制电源电压为40V，设定加速电源电压为0，再分别设定一次聚焦电源电压和二次聚焦电源电压，使从热阴极发射出来的电子处于正常发射状态。通过转动绝缘转轴，使靶台避开从电子枪发射出来的电子束，以令电子束能直接打到法拉第筒的内筒中，收集到一次电子电流。以步长IOV调节加速电压从0逐渐增加到2kV，一次电子电流经一次前置放大器放大后进入二路示波卡，在触摸控制屏上结果显示窗口生成一次电子电流与加速电源电压之间的关系曲线。收集完全后，将调制电源电压和加速电源电压置为0V， 这时热阴极电位高于调制极，使从热阴极发射出来的电子回推，从而无法到达法拉第筒，至此完成一次电子电流的收集。步骤三转动绝缘转轴，使靶台上的测试材料样品对准电子枪出射方向，调整调制电源电压为40V，使从热阴极发射出来的电子再次处于正常发射状态，以令电子束直接轰击靶台上的测试材料样品，此时二次电子收集器便收集到从测试材料样品激发出来的二次电子电流。由于打到测试样品的一次电流在靶台上流走并逐渐消散，所以不会影响到二次电子的收集。以步长IOV调节加速电压从0逐渐增加到2kV，二次电子电流经二次前置放大器放大后进入二路示波卡，在触摸控制屏上结果显示窗口生成二次电子电流与加速电源电压之间的关系曲线。收集完全后，将调制电源电压和加速电源电压置为0V，这时热阴极电位高于调制极，使从热阴极发射出来的电子回推，从而无法到达法拉第筒，至此完成二次电子电流的收集。步骤四不同的加速电压决定了从电子枪出射的电子能量，且存在相应规律，经软件进行分析处理后，通过触摸控制屏操作进行相应数据运算，在结果显示介面显示出二次电子发射系数与电子枪出射电子能量之间的关系曲线，并与理论曲线进行比较。步骤五通过触摸控制屏操作保存实验数据图线，关闭各系统中所有受控电源； 退出软件操作界面，关闭工控机和触摸屏，结束实验。通过图3和图4可以看出图3中的测量值和理论值相当吻合，尤其体现在入射电子的低能区和高能区，几乎与理论曲线重合，这表明了该测试装置能较精确地反映固体材料二次电子发射系数和入射电子能量的关系。而对于图4，传统的测试装置在入射能量增大时，反而与理论值偏离越大，证明了传统测试装置在电子入射能量较大时，发射过程中的一次电子耗损相当严重，所以传统的测量装置只能适合于低能区的测试。最后需要说明的是以上实施方式仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改及局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
权利要求
1.具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置，包括机械系统、电气控制系统和分析检测系统；所述机械系统包括真空室、真空泵、电子枪、加热装置；所述电子枪包括依次连接的热阴极、调制极和加速极；所述加热装置包括加热丝和热电偶；所述电气控制系统包括电源、可编程控制器和温控电路；所述电源包括灯丝电源、调制电源、加速电源；所述分析检测系统包括工控机、数字量模拟量模块、二路示波卡和触摸控制屏；可编程控制器与真空泵连接，用于控制真空室的真空度；其特征在于所述机械系统还包括电子收集装置，电子收集装置与电子枪通过绝缘块连接；所述电子收集装置包括一次电子收集器、二次电子收集器、一次前置放大器、二次前置放大器、靶台及绝缘转轴；所述靶台上表面安装有不锈钢夹具，下表面与绝缘转轴固定连接；绝缘转轴置于一次电子收集器上方，并垂直于一次电子收集器轴线；二次电子收集器为开有小孔的半球状金属壳体，小孔轴线与一次电子收集器轴线重合，所述半球状金属壳体置于绝缘转轴上方；所述一次前置放大器和二次前置放大器分别与一次电子收集器和二次电子收集器连接后，再与二路示波卡、数字量模拟量模块、工控机、触摸控制屏依次连接；所述电子枪还包括与加速极依次连接的一次聚焦腔和二次聚焦腔；所述电源还包括一次聚焦电源和二次聚焦电源；所述电气控制系统还包括数字量模拟量转换模块，可编程控制器与工控机相连接，并且还通过数字量模拟量转换模块连接灯丝电源、调制电源、加速电源、一次聚焦电源和二次聚焦电源，用于控制灯丝电源、调制电源、加速电源、一次聚焦电源和二次聚焦电源分别对电子枪的热阴极、调制极、加速极、一次聚焦腔及二次聚焦腔提供电压及电压大小；所述工控机通过组态王与可编程控制器进行人机交互操作；所述加热装置位于一次电子收集器下方，通过温控电路与可编程控制器相连，用于对一次电子收集器进行加热。
2.根据权利要求1所述的具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置， 其特征在于所述半球状金属壳体以铜作为内壁材料，铜表面镀有一层金膜，所述金膜上镀有一层碳。
3.根据权利要求2所述的具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置， 其特征在于所述半球状金属壳体小孔孔径为1. 5mm 2. 5 mm。
4.根据权利要求3所述的具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置， 其特征在于所述绝缘转轴与一次电子收集器轴线的偏距为Icm 2 cm。
5.根据权利要求4所述的具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置， 其特征在于所述一次聚焦腔包括依次连接的一次前聚焦极和一次后聚焦极；一次前聚焦极和一次后聚集极均开有小孔，小孔轴线与电子枪电子入射方向重合。
6.根据权利要求5所述的具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置， 其特征在于所述一次前聚焦极小孔孔径为4 cm 5 cm，一次后聚焦极小孔孔径为2 cm 3 cm0
7.根据权利要求6所述的具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置， 其特征在于所述二次聚焦腔包括依次连接的二次前聚焦极、二次中聚焦极和二次后聚焦极；二次前聚焦极、二次中聚焦极、二次后聚焦极均开有小孔，并且小孔轴线与电子枪电子入射方向重合。
8.根据权利要求7所述的具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置， 其特征在于所述二次前聚焦极小孔孔径为2. 5 cm 3. 5 cm，二次中聚焦极小孔孔径为2cm 3 cm, 二次后聚焦极小孔孔径为1.5 cm 2. 5 cm。
9.根据权利要求8所述的具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置， 其特征在于所述热阴极包括灯丝及罩在灯丝外面的小金属圆筒，所述小金属圆筒外表面涂覆有一层六硼化镧。
10.根据权利要求9所述的具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置，其特征在于所述一次电子收集器为法拉第筒，由外筒、内筒以及置于外筒和内筒之间的绝缘板构成。
全文摘要
本发明的具有智能测控技术的固体材料二次电子发射系数测试装置，包括机械系统、电气控制系统和分析检测系统；所述机械系统包括真空室、真空泵、电子枪、电子收集装置和加热装置，以提供真空环境、产生并收集二次电子；所述电气控制系统包括电源、可编程控制器和温控电路，可编程控制器通过数字量模拟量转换模块控制电源电压大小；分析检测系统包括工控机、数字量模拟量转换模块、二路示波卡和触摸控制屏，工控机上安装有组态王，用于存储和分析处理探测到的电子信号，并显示所测固体材料的二次电子发射系数与电子枪出射电子能量之间的关系曲线。本发明可以较好地满足工业防静电设计、工程选材及静电预测对固体材料二次电子发射系数测量的需要。
文档编号G01N23/22GK102288628SQ20111012821
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者吴金成, 常天海, 常建, 梁添, 马威 申请人:华南理工大学