CN106597520A - 一种纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置，包括：纳秒脉冲电源、放电腔、逃逸电子束流收集器和示波器，且依次连接。其中，所述逃逸电子束流收集器包括三个或多个相同的同轴收集器，每个同轴收集器分别设有信号输出端，并分别通过同轴电缆连接所述示波器，纳秒脉冲电源的输出端经分压器后也与示波器相连。本发明可以对不同区域的放电产生的逃逸电子进行测量，进而分析逃逸电子在空间中的时域分布和能谱分布。该发明可广泛应用于纳秒脉冲放电的理论分析和应用研究。

Description

一种纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置

技术领域

本发明涉及一种纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置。

背景技术

纳秒脉冲气体放电是脉冲功率技术中最受关注的研究领域，纳秒脉冲放电涵盖废固、废液、废气处理、辐射改性、纳米制造、中等平均功率激光、生物医学中消毒灭菌和疾病治疗等国民经济和国防科技领域。纳秒脉冲特有的超短上升沿能够有效地抑制火花通道的形成，有利于在大气压空气中产生比较均匀的放电，具有非常广阔的应用前景。同时纳秒脉冲放电中也有很多不同于常规放电的特性，如不能充分形成流注、击穿电压较高、放电出现多通道等。以上特点导致了窄脉冲条件下放电的物理过程十分复杂，纳秒脉冲气体放电过程与施加的电压脉冲参数(幅值、脉宽、上升沿和重复频率等)密切相关，放电机理尚未明了。传统理论如汤森雪崩理论和流注理论等均不能很好的解释快脉冲放电下的异常现象。今年来，关于纳秒脉冲放电的机理解释存在多种假说或理论，这些理论均认为放电发展过程中二次电子崩的产生不是单纯依赖空间光电离，而是基于主电子崩发展中产生的高能量电子引导产生的二次电子崩，然后进一步发展过程建立起来的。普遍认为高能电子和逃逸击穿产生的X射线是放电过程的共同主导，传统的对逃逸电子机理的认识尚未达成共识，因此，对纳秒脉冲气体放电产生的非平衡态等离子体中的高能电子形成的逃逸电子束流的测量研究是探索纳秒脉冲放电机理的重要内容。

为了产生能量更高、数目更多的逃逸电子，一般采用陡上升沿、窄脉宽和高幅值的纳秒脉冲电源。此外，由于逃逸电子束流的脉宽时间非常短，可达亚纳秒级别，为了准确测量，必须使用高带宽的示波器。对于逃逸电子束流的测量，传统方式是通过测量逃逸电子传播过程中产生的X射线来间接地反映逃逸电子束流的特性。近年来，由于脉冲功率技术的发展，制造更高性能的脉冲电源和更高采样率的示波器成为了可能，所以关于逃逸电子的研究也得以发展开来。关于逃逸电子的测量研究，主要关注的是逃逸电子束流和其电子能谱，束流主要测量束流脉冲的脉宽、幅值、上升沿和逃逸电子数目，能谱主要目的是测量电子的能量密度分布。其中脉宽时间和电流幅值是直接反映逃逸电子束流的两个物理量，测量波形与实际波形的差异直接反映出测量装置的设计好坏。而逃逸电子数目则是根据波形计算出的，可以反映测量装置的效率。现在直接收集高能逃逸电子束流，将之转化为电信号进行测量。

关于带电粒子束流的直接测量有多种方式：专利CN201010194033.6介绍了质谱仪中使用的一种离子检测装置，电磁屏蔽效果较好，可以检测微弱的离子束流；专利CN200580011820.X介绍了一种电子束记录装置，可以较为精确地测定电子束的射束位置及其变化；专利CN200410056333.2介绍了一种带电粒子束的曝光装置，将电子束流倍增后测定其电流，对希望的图形进行曝光；专利CN200520011269.6介绍了一种应用于半导体器件制造的测束法拉第装置，用来检测离子注入机中离子源束流的指标。目前关于带电粒子束的测量，大多只适用于某些特定场合下的特殊用途。对于本发明所述的纳秒脉冲气体放电环境，则需要专门的设计和测量方法，以适应其高能电子收集测量的要求。专利CN201410027333.3介绍了一种基础的纳秒脉冲气体放电下逃逸电子的束流测量装置，但其测量得到的逃逸电子束流波形效果和测量有效半径均需改进；还有，该方法只能测量放电中心处的逃逸电子束流，对不同区域的放电情况无法测量，也无法测量逃逸电子能谱，需要设计新的测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的纳秒脉冲气体放电下不同放电位置处高能逃逸电子的能谱测量装置，并对之前的装置进行改进，使其阻抗匹配更合适，同轴效果更好，转接口带宽更高，接收面积更小以获得更快的反应时间。本发明适用于不同气压和不同气氛种类下的纳秒脉冲气体放电实验，可以获得不同位置下高能逃逸电子的束流波形，并以此分析不同能量的逃逸电子的束流特性，获得逃逸电子的时空分布，并在不同阳极厚度下能测量分析逃逸电子的能谱分布，最终分析纳秒脉冲放电特性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置，包括：纳秒脉冲电源、放电腔、逃逸电子束流收集器和示波器；所述放电腔为同轴结构，且所述放电腔外部设有外延法兰接口，用于连接后端装置，所述放电腔内部设有高压电极，所述外延法兰接口的末端设有地电极，所述地电极接地；所述纳秒脉冲电源的输入端与市电连接，纳秒脉冲电源的输出端与所述放电腔内的高压电极连接，纳秒脉冲电源的机箱接地；逃逸电子束流收集器同轴布置在地电极远离放电腔的一侧；

所述逃逸电子束流收集器包括三个或多个相同的同轴收集器，每个同轴收集器分别设有信号输出端，并分别通过同轴电缆连接所述示波器，纳秒脉冲电源的输出端经分压器后也与示波器相连；

其中，所述每个同轴收集器外设有金属外壳，且所述金属外壳接地，所述金属外壳内设有一个电荷吸收体，所述电荷吸收体与所述金属外壳同轴布置，且二者之间设有绝缘套管，保证两者之间绝缘，所述金属螺杆穿过绝缘套管内部连接电荷吸收体和同轴电缆SMA转接口。

进一步的，外延法兰接口与金属外壳之间通过带准直孔的金属法兰盘连接，所述准直孔的数目和位置分别与电荷吸收体的数目和位置相对应，电荷吸收体与金属法兰盘之间无连接，且距离为5～7mm。

进一步的，外延法兰接口与金属法兰盘及金属外壳与金属法兰盘之间分别放置有密封圈。

进一步的，地电极夹在外延法兰接口与金属外壳之间。

进一步的，高压电极为管状或尖电极，其材料为不锈钢、铝、铜或钛；

地电极为金属箔，如不锈钢、铝、铜、钛，厚度小于100μm；

金属法兰盘的制作材料为不锈钢、铝、铜、钛；

所述电荷吸收体的材料为不锈钢、铝、铜、钛或石墨；

绝缘套管的材料为聚四氟乙烯、环氧或聚酰亚胺。

进一步的，同轴电缆SMA转接口与金属外壳之间通过螺丝固定连接；外延法兰接口与金属外壳之间通过螺栓连接。

进一步的，所述地电极为金属铝膜，且所述地电极的厚度可更换调节，其厚度分别为5、10、15、20、25、30、35、40、45、50um等。

进一步的，电荷吸收体与所述金属外壳之间无直接连接，两者之间的最小距离为3mm。

进一步的，所述逃逸电子束流收集器包括三个相同的同轴收集器，三个电荷吸收体分别布置在逃逸电子束流收集器的中轴线上、逃逸电子束流收集器的中轴线上方20mm和逃逸电子束流收集器的中轴线下方40mm处。

进一步的，保持电荷吸收体与金属外壳同轴的情况下，电荷吸收体与金属外壳的大小与形状均可调；电荷吸收体采用同轴圆柱形结构，且所述电荷吸收体的直径为8.7mm，此时金属外壳也为同轴圆柱形结构，与所述电荷吸收体同轴；电荷吸收体采用同轴锥形结构，此时金属外壳也为同轴锥形结构，与所述电荷吸收体同轴。

进一步的，所述多个同轴收集器距离逃逸电子束流收集器中轴线的放置位置可调，所述金属法兰盘的厚度可更换调节，通过更换不同厚度的法兰盘来实现，所述金属法兰盘厚度为0.1～10mm。

本发明所述纳秒脉冲气体放电下三通道逃逸电子能谱测量装置基于以下原理：纳秒脉冲激励下间隙击穿的过程中，会产生由高压电极向低压电极方向发展的逃逸电子束流。由于逃逸电子的能量很大，若低压电极是地电极且是较薄的铝箔或类似结构，则一部分逃逸电子可以穿过低压电极，到达放置在地电极后方不远处的逃逸电子束流收集器被接收测量。逃逸电子束流打到电荷吸收体上后，电子能量逐渐消耗在电荷吸收体中，形成电荷积累，并在电荷吸收体中产生感应电压，该感应电压信号的幅值与逃逸电子束流的强度成正比。将感应电压信号由同轴信号电缆送入示波器，达到测量纳秒脉冲逃逸电子束流信号的目的。

本发明的有益效果为：

本发明提供的纳秒脉冲气体放电下逃逸电子能谱测量装置，可以在实验室内开展纳秒脉冲气体放电的逃逸电子特性研究，直接获得不同位置处的三路逃逸电子束流时域波形。对不同区域的放电产生的逃逸电子进行测量，进而分析逃逸电子在空间中的分布。对不同阳极厚度下的逃逸电子束流测量，可进而分析逃逸电子在不同位置的能谱分布。该发明可广泛应用于纳秒脉冲放电的理论分析和应用研究。

现有技术中的纳秒脉冲放电下逃逸电子束流测量装置(如CN201410027333.3)，由于同轴的影响，只能接收测量中心区域的高能电子，而本发明可以同时测量三路同轴信号，相互独立不受干扰。且本发明中三路信号不是随意放置，也不是对称放置，分别放置于中轴线、距中心20mm处和距中心40mm处，不但能测量放电腔中心位置的放电情况，还能测量放电腔边缘位置及两者中间的放电情况，有利于研究放电在空间中的均匀性，以及对整个放电区域进行大致的放电特性的空间分析。

本发明在放电腔阳极即地电极和逃逸电子束流收集器之间新增加了一个带准直孔的法兰盘。该法兰盘用以支撑阳极，并能够通过调节准直孔的大小方便地限制进入收集器的逃逸电子面积。另外，本发明可更换不同厚度的法兰盘以阻挡杂散方向的高能电子，只通过特定方向飞行的逃逸电子。

本发明与现有技术中的收集器的电荷吸收体在形状和大小方面都不同。其形状变为圆柱状，直径从20mm减小至8.7mm，而直径的减小能有更快的时间分辨，能够测量到快到100ps甚至几十ps的逃逸电子束流上升沿。

本发明的同轴电缆转接口从原先的N型转接头换为SMA型转接头，最大带宽从10G提高到18G，允许测量几十ps的逃逸电子信号。

本发明可以测量高能逃逸电子的能谱分布，通过改变每个逃逸电子束流收集器前面的地电极的厚度，得到的一组不同地电极厚度下的逃逸电子束流结果，经分析计算能够得到逃逸电子在该位置的能谱分布。

附图说明

图1为本发明所述纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置结构示意图；

图2为本发明所述放电腔与逃逸电子束流收集器连接的局部结构示意图；

其中，1-纳秒脉冲电源，2-放电腔，3-逃逸电子束流收集器，4-示波器，5-外延法兰接口，6-高压电极，7-地电极，8-金属法兰盘，9-电荷吸收体，10-金属外壳，11-金属螺杆，12-绝缘套管，13-同轴电缆SMA转接口，14-螺丝，15-密封圈，16-螺栓。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置，如图1所示，包括：纳秒脉冲电源1、放电腔2、逃逸电子束流收集器3和示波器4。所述放电腔2为同轴结构，如图2所示，且所述放电腔2外部设有外延法兰接口5，所述放电腔2内部设有高压电极6，高压电极6为管状或尖电极，其材料可为不锈钢、铝、铜或钛。其中，图2中所示外延法兰接口5和高压电极6仅为局部。所述外延法兰接口5的末端设有地电极7，所述地电极7接地，本实施例中，地电极7为一层铝箔，厚度小于100μm。地电极既为放电电极之一，又可以吸收一部分逃逸电子的能量。所述纳秒脉冲电源1的输入端与市电连接，纳秒脉冲电源1的输出端与所述放电腔2内的高压电极6连接，纳秒脉冲电源1的机箱接地。逃逸电子束流收集器3同轴布置在地电极7远离放电腔2的一侧。

所述逃逸电子束流收集器3包括三个或多个相同的同轴收集器，每个同轴收集器分别设有信号输出端，并分别通过同轴电缆连接所述示波器4，纳秒脉冲电源1的输出端经分压器后也与示波器相连。

如图2所示，所述每个同轴收集器外设有金属外壳10，且所述金属外壳10接地，金属外壳10起到连接支撑、屏蔽干扰和接地的作用。所述金属外壳10内设有一个电荷吸收体9，所述电荷吸收体9的材料为不锈钢、铝、铜、钛或石墨。所述电荷吸收体9与所述金属外壳10同轴布置，且二者之间设有绝缘套管12，绝缘套管12的材料为聚四氟乙烯、环氧或聚酰亚胺。电荷吸收体9与所述金属外壳10之间无直接连接，两者之间的最小距离为3mm。所述金属螺杆11穿过绝缘套管12内部连接电荷吸收体9和同轴电缆SMA转接口13。同轴电缆SMA转接口13与金属外壳10的尾端通过螺丝14固定连接。电荷吸收体9与金属螺杆11的一端相连，金属螺杆11起到了信号引出线的作用，金属螺杆11另一端与同轴电缆SMA转接口13相连，同轴电缆SMA转接口13与外部测量时用的同轴电缆相连，图2中未画出。为了避免信号引出线与逃逸电子束流收集器的金属外壳10的内侧存在电气连接，信号引出线与逃逸电子束流收集器的外壳10之间无连接，信号引出线用绝缘套管12包裹，绝缘套管12与逃逸电子束流收集器的金属外壳10内侧相连，并将信号引出线固定在金属外壳内侧凹槽中，除了绝缘功能外还起到支撑电荷吸收体9 和信号引出线的作用。测量信号通过同轴电缆SMA转接口13引出，通过同轴电缆接入示波器4。

地电极7夹在外延法兰接口5与金属外壳10之间。

外延法兰接口5与金属外壳10之间通过带准直孔的金属法兰盘8连接，所述准直孔的数目和位置分别与电荷吸收体9的数目和位置相对应，电荷吸收体9与金属法兰盘8之间无连接，且距离为5～7mm。金属法兰盘8的制作材料可为不锈钢、铝、铜、钛。金属法兰盘8起到支撑作用，增加地电极7的强度，并且，上面的三个准直孔用来允许逃逸电子通过特定区域打到后面对应的三个逃逸电子的电荷吸收体上，同时可以屏蔽激波干扰。外延法兰接口5与金属外壳10之间通过螺栓16固定连接。

优选的，外延法兰接口5与金属法兰盘8及金属外壳10与金属法兰盘8之间分别放置有密封圈15。

保持电荷吸收体9与金属外壳10同轴的情况下，电荷吸收体9与金属外壳10的大小与形状均可调。本实施例中选用的电荷吸收体9为直径8.7mm的同轴圆柱形结构。电荷吸收体9采用同轴圆柱形结构，此时金属外壳10也为同轴圆柱形结构，与所述电荷吸收体9同轴；电荷吸收体9采用同轴锥形结构，此时金属外壳10也为同轴锥形结构，与所述电荷吸收体9同轴。

本实施例中，所述逃逸电子束流收集器3包括三个相同的同轴收集器，三个电荷吸收体9分别布置在逃逸电子束流收集器3的中轴线上、逃逸电子束流收集器3的中轴线上方20mm和逃逸电子束流收集器3的中轴线下方40mm处。逃逸电子束流收集器3的中轴线两边的两个吸收体并不对称摆放，是为了收集距中轴线不同远近区域的逃逸电子，可以表明放电在不同角度产生的逃逸电子情况，进而分析放电在不同角度的强弱及均匀性。而且距离中轴线的0、20、40mm三个距离呈等差分布，易于分析比较不同角度的关系，寻找放电的规律性。

所述金属法兰盘8厚度可以更换调整，从而可以测量不同厚度的准直孔对测量的影响，进而分析穿过准直孔的逃逸电子发展方向。

本发明三通道逃逸电子束流收集器可以任意改变三路同轴收集器的放置位置，也可以改为任意多通道逃逸电子束流收集器，只要面积大小足够，可以放置更多通道，以更详细的测量逃逸电子在空间中的概率密度分布。

本发明测量装置的工作过程如下：进行测量时，纳秒脉冲电源1输出高压脉冲信号至放电腔2的高压电极6，在高压电极6和地电极7之间的气隙中形成放电，并在高压电极6处产生逃逸电子，在电场作用下逃逸电子向地电极7运动。部分逃逸电子会穿透地电极7和金属法兰盘8中的三个准直孔，打到金属法兰盘8后方的三个电荷吸收体9上，电子能量逐渐消耗在电荷吸收体9中，并在电荷吸收体9中产生感应电压。该感应电压信号通过信号引出线11进入同轴电缆SMA转接口13，信号由同轴电缆SMA转接口13通过同轴射频信号电缆导入示波器4，并在示波器4上显示出测量的纳秒脉冲逃逸电子束流信号。

本发明中选用铝膜作为地电极，分别更换不同厚度的地电极铝膜，如5、10、15、20、25、30、35、40、45、50um等厚度的地电极铝膜，得到一组逃逸电子束流数据，可以通过计算得到不同能量的逃逸电子分布，即逃逸电子的能谱分布。

本发明提供的纳秒脉冲气体放电下逃逸电子能谱测量装置，可以在实验室内开展纳秒脉冲气体放电的逃逸电子特性研究，直接获得三路逃逸电子束流时域波形。对不同区域的放电产生的逃逸电子进行测量，进而分析逃逸电子在空间中的分布。对不同阳极厚度下的逃逸电子束流测量，可进而分析逃逸电子在不同位置的能谱分布。该发明可广泛应用于纳秒脉冲放电的理论分析和应用研究。

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 (10)

1.一种纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置，包括：纳秒脉冲电源(1)、放电腔(2)、逃逸电子束流收集器(3)和示波器(4)；所述放电腔(2)为同轴结构，且所述放电腔(2)外部设有外延法兰接口(5)，所述放电腔(2)内部设有高压电极(6)，所述外延法兰接口(5)的末端设有地电极(7)，所述地电极(7)接地；所述纳秒脉冲电源(1)的输入端与市电连接，纳秒脉冲电源(1)的输出端与所述放电腔(2)内的高压电极(6)连接，纳秒脉冲电源(1)的机箱接地；逃逸电子束流收集器(3)同轴布置在地电极(7)远离放电腔(2)的一侧；其特征在于：

所述逃逸电子束流收集器(3)包括三个或多个相同的同轴收集器，每个同轴收集器分别设有信号输出端，并分别通过同轴电缆连接所述示波器(4)，纳秒脉冲电源(1)的输出端经分压器后也与示波器相连；

其中，所述每个同轴收集器外设有金属外壳(10)，且所述金属外壳(10)接地，所述金属外壳(10)内设有一个电荷吸收体(9)，所述电荷吸收体(9)与所述金属外壳(10)同轴布置，且二者之间设有绝缘套管(12)，所述金属螺杆(11)穿过绝缘套管(12)内部连接电荷吸收体(9)和同轴电缆SMA转接口(13)。

2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置，其特征在于，外延法兰接口(5)与金属外壳(10)之间通过带准直孔的金属法兰盘(8)连接，所述准直孔的数目和位置分别与电荷吸收体(9)的数目和位置相对应，电荷吸收体(9)与金属法兰盘(8)之间无连接，且距离为5～7mm。

3.根据权利要求2所述的纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置，其特征在于，外延法兰接口(5)与金属法兰盘(8)及金属外壳(10)与金属法兰盘(8)之间分别放置有密封圈(15)。

4.根据权利要求1所述的纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置，其特征在于，地电极(7)夹在外延法兰接口(5)与金属外壳(10)之间。

5.根据权利要求1所述的纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置，其特征在于，

高压电极(6)为管状或尖电极，其材料为不锈钢、铝、铜或钛；

地电极(7)为金属箔，如不锈钢、铝、铜、钛，厚度小于100μm；

金属法兰盘(8)的制作材料为不锈钢、铝、铜、钛；

所述电荷吸收体(9)的材料为不锈钢、铝、铜、钛或石墨；

绝缘套管(12)的材料为聚四氟乙烯、环氧或聚酰亚胺。

6.根据权利要求1所述的纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置，其特征在于，所述地电极(7)为金属铝膜，且所述地电极(7)的厚度可更换调节，其厚度分别为5、10、15、20、25、30、35、40、45、50um。

7.根据权利要求1所述的纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置，其特征在于，电荷吸收体(9)与所述金属外壳(10)之间无直接连接，两者之间的最小距离为3mm。

8.根据权利要求1所述的纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置，其特征在于，保持电荷吸收体(9)与金属外壳(10)同轴的情况下，电荷吸收体(9)与金属外壳(10)的大小与形状均可调；电荷吸收体(9)采用同轴圆柱形结构，此时金属外壳(10)也为同轴圆柱形结构，与所述电荷吸收体(9)同轴；电荷吸收体(9)采用同轴锥形结构，此时金属外壳(10)也为同轴锥形结构，与所述电荷吸收体(9)同轴。

9.根据权利要求1所述的纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置，其特征在于，所述多个同轴收集器距离逃逸电子束流收集器(3)中轴线的放置位置可调，所述金属法兰盘(8)的厚度可更换调节，所述金属法兰盘(8)的厚度为0.1～10mm。

10.根据权利要求9所述的纳秒脉冲放电下三通道逃逸电子能谱测量装置，其特征在于，所述逃逸电子束流收集器(3)包括三个相同的同轴收集器，三个电荷吸收体(9)分别布置在逃逸电子束流收集器(3)的中轴线上、逃逸电子束流收集器(3)的中轴线上方20mm和逃逸电子束流收集器(3)的中轴线下方40mm处。