CN103852479A - 一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统 - Google Patents

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曹高龙
马超
田焕芳
张明
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Abstract

本发明提供了一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统，包括光发射电子枪、电子加速装置、高真空腔体、探测器、激光器和真空设备；所述光发射电子枪包含光发射阴极，用于被所述激光器产生的激光辐射后，所述光发射阴级被激发出光电子；所述电子加速装置用于对所述光电子进行加速；所述光发射电子枪和电子加速装置置于所述高真空腔体内；所述真空设备用于使所述高真空腔体保持高真空度；所述探测器用于接收并分析发射出的光电子的亮度、单色性、相干性等特性。本发明能细致地评估光发射阴极的性能参数，从而为提高阴极的光发射性能，改善光阴极的使用寿命，寻找性能优异的光发射材料提供依据。

Description

一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统
技术领域
本发明涉及时间分辨透射电子显微镜用的光发射阴极测试系统，更具体地，涉及一种用于探索高效率的光阴极材料的光发射阴极测试系统。
背景技术
时间分辨电子显微镜也称为四维电子显微镜或者动态电子显微镜，是近几年才提出来的一项新技术，可在很高的时间和空间分辨率下观察材料中复杂的瞬态动力学变化过程，是理解化学、生物、物理以及材料科学中许多基本行为的关键。时间分辨电子显微镜要获得瞬态变化细节，一种可行的方法是通过控制电子束对样品的照射时间来提高时间分辨率，因而可以利用超快激光控制电子的发射时间来研究瞬态过程。这就类似超快电子衍射和X射线衍射的泵浦-探测技术。时间分辨透射电子显微镜的关键技术是如何产生非连续发射的超短电子脉冲的电子源，探索具有高效率的光阴极材料以及对电子脉冲的控制。
探索具有高效率的光阴极材料，需要对现有光阴极材料进行挑选优化，关键是评估不同光阴极的光发射性能。为了满足电子衍射和成像要求，由光阴极材料产生的电子脉冲在单一脉冲内的电子数（大于106）、脉冲宽度（小于200fs）以及能量色散度(在加速电压200kV下小于1eV)必须达到一定要求。而目前广泛使用的钨、银或LaB6材料都很难同时满足这些条件，而且不仅在阴极材料的选择上，在最后的材料形状控制以及光发射的工作条件上都需要进行很大的改进。本发明涉及的光阴极测试系统，对不同的光阴极材料进行光发射性能评估测试，研究光阴极光发射性能与入射激光的频率、功率之间的关系，探索新型高效的光阴极材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种对不同的光阴极材料进行光发射性能评估测试，研究光阴极光发射性能与入射激光的频率、功率之间的关系，探索新型高效的光阴极材料的系统。
为了解决上述问题，本发明提供一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统，包括光发射电子枪、电子加速装置、高真空腔体、探测器、激光器和真空设备；所述光发射电子枪包含光发射阴极，用于被所述激光器产生的激光辐射后，所述光发射阴级被激发出光电子；所述电子加速装置用于对所述光电子进行加速；所述光发射电子枪和电子加速装置置于所述高真空腔体内；所述真空设备用于使所述高真空腔体保持高真空度；所述探测器用于接收并分析发射出的光电子的亮度、单色性、相干性等特性。
进一步，所述光发射电子枪具有阴极加热功能，输入电压0-12V，输入电流0-3A，灯丝温度的典型调节范围可从300K-3000K，能够模拟时间分辨电子显微镜的真实工作状态。
进一步，所述光发射电子枪能够适用于不同电镜厂商生产的不同类型的灯丝座，同时自制光发射阴极也可以方便的安装在灯丝座上。
进一步，所述探测器为法拉第筒、能量分析器、荧光CCD等。
进一步，所述激光的入射方式为从正面激光窗口入射或者从侧面激光窗口入射。
进一步，所述激光器波长和功率可调。
进一步，所述电子加速装置为高压加速管。
进一步，所述高压加速管由所述发射阴极和阳极板组成，连接有直流高压源。
进一步，所述光发射阴极为圆锥形，所述阳极板为球面，所述圆锥的尖端位于所述球面的球心。
本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著优点：
测试系统能细致地评估光发射阴极的性能参数，包括不同激发波长下的不同光发射阴极材料的量子效率、光发射电子的单色性和相干性、光发射阴极材料的激发和损伤阈值、不同工作环境下光发射阴极的使用寿命等等，从而为提高阴极的光发射性能，改善光阴极的使用寿命，寻找性能优异的光发射材料提供依据。
附图说明
图1为阴极测试系统组成示意图
图2为阴极测试系统构造图
图3为测试电路原理图
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例一
图1为本发明的一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统组成示意图。包括光发射电子枪1、电子加速装置2、高真空腔体3、探测器4、激光器5和真空设备6；光发射电子枪1包含光发射阴极，用于被激光器产生的激光辐射后，光发射阴级被激发出光电子；电子加速装置2用于对光电子进行加速；光发射电子枪1和电子加速装置2置于高真空腔体3内；真空设备6用于使高真空腔体3保持高真空度；探测器4用于接收并分析发射出的光电子的亮度、单色性、相干性等特性。光发射电子枪1具有阴极加热功能，输入电压0-12V，输入电流0-3A，灯丝温度的典型调节范围可从300K-3000K，能够模拟时间分辨电子显微镜的真实工作状态。光发射电子枪能够适用于不同电镜厂商生产的不同类型的灯丝座，同时自制光发射阴极也可以方便的安装在灯丝座上。探测器为法拉第筒、能量分析器、荧光CCD等。激光的入射方式为从正面激光窗口入射或者从侧面激光窗口入射。激光器波长和功率可调。电子加速装置为高压加速管。高压加速管由发射阴极和阳极板组成，连接有直流高压源。光发射阴极为圆锥形，阳极板为球面，圆锥的尖端位于球面的球心。
图2为阴极测试系统构造图。如图2所示，阴极测试系统包括光发射电子枪1；光电阴极2；分子泵转接口3；激光窗口4；阳极板5；观察窗6。评估光电子的性能参数需要保持较高的真空度，因此整个系统使用高真空腔体，通过分子泵转接口可以连接上抽真空的装置对阴极测试系统的腔内进行抽真空。使用的是机械泵加分子泵的组合，对阴极测试系统进行抽真空，机械泵作为前级泵对整个系统进行预抽，当真空度达到以下时再打开分子泵，真空度能达到4.0×10-5Pa。在观察窗和激光窗口的位置分别安装了两种不同的玻璃材料：考虑到实验过程中会产生电子辐射，因此在观察窗上安装了铅玻璃；但铅玻璃对激光有较强的吸收，因此在激光窗口处安装了加厚的密封玻璃。
在测试材料的光发射性能时，将激光从激光窗口入射，打在阴极材料上激发出光电子，光电子被加上高压的阳极板所吸收形成光电流。通过观察窗，可以观测在实验过程中激光是否准确地打到光电阴极，以及在光发射过程中阴极的一些变化情况。
为了测量实验中所产生的光电流的大小，需要在阴极测试系统外再搭建一个收集电路，其电路原理图如图3.所示。实验中可以通过电压源或者电流源1对阴极2进行加热，在所加电流不太大（小于阴极热发射的电流）的情况下，阴极并未产生热发射，这个小电流只会起到给阴极加热的作用，可以用来探究阴极温度对阴极光发射的影响。加在阳极板6处用于收集光发射电子的直流高压源5要求输出范围能达到1-10KV，输出稳定，暗电流小。
考虑到热发射电流以及光电流可能很微弱，因此电路中所用到的用于测试光电流的仪器是Keithley2400型数字源表4，该表测量电流的动态范围可达10pA-10A。另外，由于收集电流信号比较微弱，电路本身的噪声影响也不能忽略，因此在实验过程中，逐步将电路中所用到的导线都换成了屏蔽线，用于连接导线的接头也逐一更换，把电路本身对热发射电流以及光电流收集的影响降到了最小。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (9)

1.一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统，其特征在于，包括光发射电子枪、电子加速装置、高真空腔体、探测器、激光器和真空设备；所述光发射电子枪包含光发射阴极，用于被所述激光器产生的激光辐射后，所述光发射阴级被激发出光电子；所述电子加速装置用于对所述光电子进行加速；所述光发射电子枪和电子加速装置置于所述高真空腔体内；所述真空设备用于使所述高真空腔体保持高真空度；所述探测器用于接收并分析发射出的光电子的亮度、单色性、相干性等特性。
2.如权利要求1所述的一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统，其特征在于：所述光发射电子枪具有阴极加热功能，输入电压0-12V，输入电流0-3A，灯丝温度的典型调节范围可从300K-3000K，能够模拟时间分辨电子显微镜的真实工作状态。
3.如权利要求2所述的一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统，其特征在于：所述光发射电子枪能够适用于不同电镜厂商生产的不同类型的灯丝座，同时自制光发射阴极也可以方便的安装在灯丝座上。
4.如权利要求3所述的一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统，其特征在于：所述探测器为法拉第筒、能量分析器、荧光CCD等。
5.如权利要求4所述的一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统，其特征在于：所述激光的入射方式为从正面激光窗口入射或者从侧面激光窗口入射。
6.如权利要求5所述的一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统，其特征在于：所述激光器波长和功率可调。
7.如权利要求6所述的一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统，其特征在于：所述电子加速装置为高压加速管。
8.如权利要求7所述的一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统，其特征在于：所述高压加速管由所述光发射阴极和阳极板组成，连接有直流高压源。
9.如权利要求8所述的一种用于探索高效率光阴极材料的光发射阴极测试系统，其特征在于：所述光发射阴极为圆锥形，所述阳极板为球面，所述圆锥的尖端位于所述球面的球心。
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