一种真空系统内电极间距可调的场致发射测试装置及方法与流程

本发明涉及真空测量技术领域，具体涉及一种真空系统内电极间距连续可调的场致发射测试装置及方法。

背景技术：

电子从阴极逸出进入真空的过程称为电子发射。电子发射根据电子获得能量或消除束缚的方式大体分为四种基本形式：热电子发射、光电子发射、二次电子发射以及场致电子发射。场致电子发射与其他三种电子发射方式的原理完全不同，其他三种方式都需要外部对固体内部的电子提供能量，使电子可以吸收足够的能量以逸出固体表面。而场致电子发射则不同，这种方式需要在固体表面施加一个足够强的电场，使固体表面的势垒被削弱，势垒高度变低，宽度变窄。如果势垒宽度窄到足以和电子波长比拟，那么电子将穿透势垒脱离固体表面。这种电子发射方式就称为场致电子发射。场致发射属于冷阴极发射的一种，场致电子发射是获得电子发射的非常有效的一种方式，具有电流密度大、单色性好、稳定性好、功耗小、反应速度快等优点，而且没有发射时间上的迟滞。场致发射是冷阴极电子发射的一种，是电子源、离子源技术的重要分支，亦是真空测量科学快速发展的一项前沿课题。

自场致电子发射现象发现以来，其理论和发射材料的研究得到了人们极大的关注，当前场致发射的研究主要集中于对其发射体材料的研究。从实验上了解场致电子发射的性质，目前最普遍以及最简易的手段就是通过变换电极间电压测量阴极总的发射电流，从而得到电流—电压(i—v)关系曲线。

目前，普遍的做法是在阳极和阴极之间放置厚度一定的绝缘材料(陶瓷等)作为垫片，由于加工精度和成本所限，一般选取几个代表性的厚度，其厚度一般为50μm、100μm、200μm等，由于垫片厚度非连续变化，因此每次测试仅能选取一种固定间距，只能得到部分离散数据点，且如果需要变换电极间距，则必须关闭真空系统，暴露大气，将测试装置取出更换其他厚度垫片后再次进行测试实验，实验过程繁琐，这无疑破坏了测试的原始状态，不仅真空环境参数(真空度、各类气体成分以及水气含量等)无法与之前测试状态完全一致，测试样品也可能由于重新暴露大气而受到不同程度的污染，同时带来不必要的人力物力的重复工作；

其他测试装置还有将场致发射体材料用银胶粘在不锈钢底座上，阳极和不锈钢底做之间放置绝缘垫片。然而银胶极易渗入缝隙，测试中有可能受热膨胀，银胶在真空测试环境下容易析出气体，造成局部真空度的改变，同时放出的气体影响碳纳米管污染，甚至在高压下击穿，导致测试失败。每次实验中电极间距也是固定的、不可调节的，一次真空测试只能获得一种电极间距的数据，极大地影响了测试效率。

当前，凡是开展场致发射研究就不可避免的要进行其性能实验，因此有必要提出一种新型场致发射测试装置，克服传统实验过程中真空测试环境下电极间距无法精确连续调节的缺点。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种真空系统内电极间距连续可调的场致发射测试装置及方法，能够实现真空测试环境下电极间距精确连续调节。

本发明中测试装置的技术方案为：一种真空系统内电极间距可调的场致发射测试装置，包括真空系统、电流表和放置在真空系统内的场致发射材料固定座、螺旋测微器、螺旋测微器支撑座、套筒、方键传动轴、步进电机和底座；

所述场致发射材料固定座、螺旋测微器支撑座和步进电机固定在所述底座上；

场致发射材料固定在所述场致发射材料固定座；

所述螺旋测微器固定在所述螺旋测微器支撑座上，所述螺旋测微器支撑座上设置通孔，所述螺旋测微器穿过该通孔，使其测杆端朝向所述场致发射材料，其旋转端与所述方键传动轴的一端通过所述套筒固定连接；所述螺旋测微器上电连接引出线a，所述引出线a引出真空系统后接设定电压；

所述方键传动轴的另一端与所述步进电机的转轴连接；

所述步进电机的控制线引出到真空系统之外；

所述场致发射材料固定座为导体；所述场致发射材料固定座上电连接引出线b的一端，所述引出线b的另一端引出真空系统后串接电流表再接大地，所述电流表用于测量场致发射电流。

作为本发明中测试装置的一种优选方式，还包括压片，所述压片压住所述场致发射材料后通过螺钉将所述场致发射材料固定在所述场致发射材料固定座上。

作为本发明中测试装置的一种优选方式，所述设定电压为0-5000v。

作为本发明中测试装置的一种优选方式，所述底座采用陶瓷材料，用于使所述底座与真空系统绝缘。

本发明中测试方法的技术方案为：它使用上文所述测试装置，包括以下步骤：

第一步、未将场致发射材料固定在场致发射材料固定座上时，将螺旋测微器的测杆端和场致发射材料固定座接触，记下螺旋测微器的初始刻度；

第二步、通过控制线控制步进电机转动，带动方键传动轴运动，进而控制所述螺旋测微器的测杆端后退设定距离；

第三步、在所述场致发射材料固定座上固定设定厚度的场致发射材料，使场致发射材料朝向所述螺旋测微器的测杆端；

第三步、将引出线b与电流表相连后接地，所述场致发射材料作为阴极；将引出线a与设定电压相连，所述螺旋测微器作为阳极；通过调节控制线调节所述步进电机转动，进而带动所述方键传动轴运动，所述方键传动轴运动使所述螺旋测微器转动设定刻度，每个转动刻度对应一个场致发射的电极间距，所述电流表记录不同电极间距时的场致发射电流。

作为本发明中测试方法的一种优选方式，所述设定电压为0-5000v。

有益效果：

(1)相比较固定间距的场致发射测试装置，本发明实现了真空系统内场致发射的电极间距的连续调节，对于需要测试不同间距情况下的发射性能时，无需反复开启真空系统，利用该装置能够在一次测试过程中完成不同间距调节的试验，提高了测试效率，节省大量的人力、物力以及测试时间，极大的提高了试验的经济性；同时，本发明涉及的场致发射测试装置，结构简单，便于加工制造，利用该装置测量获得的发射电流曲线与多次改变间距多次暴露大气相比，一致性更好；本发明的螺旋测微器支撑座上设置通孔，可以有效地将螺旋测微器进行定位；本装置可拓展至真空系统内需要微小间距调节的类似实验装置。

(2)本发明的测试方法操作简单，可以有效实现不同电极间距的连续可调时测试场致发射的电流，根据测得电流曲线可以获得场致发射性能；本发明的测试方法可拓展至真空系统内需要微小间距调节的类似实验。

附图说明

图1为本发明中一种真空系统内电极间距可调的场致发射测试装置的结构示意图。

其中，1-场致发射材料固定座，2-压片，3-场致发射材料，4-螺旋测微器，5-螺旋测微器支撑座，6-套筒，7-方键传动轴，8-步进电机，9-控制线，10-底座，11-引出线a，12-引出线b

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种真空系统内电极间距可调的场致发射测试装置，能够实现真空测试环境下电极间距精确连续调节。

如图1所示，该场致发射测试装置包括：真空系统和设置在真空系统中的场致发射材料固定座1、螺旋测微器4、螺旋测微器支撑座5、套筒6、方键传动轴7、步进电机8和底座10；场致发射材料固定座1、螺旋测微器支撑座5和步进电机8固定在底座10上；场致发射材料3两端用压片2压住后用螺钉固定在场致发射材料固定座1，使其朝向螺旋测微器支撑座5；螺旋测微器4穿过螺旋测微器支撑座5上的通孔固定在其中，使其测杆端朝向场致发射材料3，其旋转端与方键传动轴7的一端通过套筒6固定连接；方键传动轴7的另一端与步进电机8的转轴连接；步进电机8的控制线9引出真空系统进行实时控制。螺旋测微器4上电连接引出线a，该引出线a引出真空系统后与设定电压相连，作为场致发射的阳极；场致发射材料固定座1上设置引出线b，该引出线b引出真空系统后与电流表串接，电流表电连接大地，场致发射材料3作为场致发射的阴极，电流表用于测量场致发射的电流，通过测得的电流曲线可以分析场致发射的性能。

具体地：螺旋测微器4为导体，其伸缩范围0cm～15cm，直径6.32mm。步进电机8的步进角为1°，间距控制精度为1.388μm微米。场致发射材料固定座1为导体。压片2和底座10均为陶瓷材料(95瓷)，用于放入真空系统内控制测试装置与真空系统绝缘以及压片2与场致发射材料3之间的绝缘。

初始时未放场致发射材料3，将场致发射材料固定座1、螺旋测微器4、螺旋测微器支撑座5、套筒6、方键传动轴7和步进电机8按照上述方法固定在底座10上，调节螺旋测微器4初始刻度，将螺旋测微器4测杆端和场致发射材料固定座1接触，记下该初始刻度。然后通过控制线9控制步进电机8转动，带动方键传动轴7运动，进而控制螺旋测微器4测杆端后退设定距离，放入已测量厚度的场致发射材料3。在场致发射材料固定座1上设置引出线b12，在螺旋测微器4设置引出线a11；所述引出线b12与电流表连接，电流表电连接大地，此时，所述场致发射材料3作为阴极，所述螺旋测微器4上的引出线a11与设定电压相连作为阳极。通过控制线9控制步进电机8转动，步进电机8转动带动其转轴转动，进而带动方键传动轴7运动，方键传动轴7运动使螺旋测微器4转动一定刻度，根据螺旋测微器4转动的刻度即可精确获知螺旋测微器4测杆端与场致发射材料3之间的距离。因为该测试装置可以通过控制线9调控步进电机8转动，即不需要将该测试装置及场致发射材料3拿出真空，可以测得间距的连续调节的场致发射的电流曲线，通过电流曲线即可获得场致发射性能。

选用不同类型的螺旋测微器4、不同驱动方式的步进电机8等可以用于不同精度的间距连续可调的场致发射的测试。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。