CN107026064B - 一种发射电流可控的小型化非放射性电子源 - Google Patents

一种发射电流可控的小型化非放射性电子源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及真空电子技术领域，一种发射电流可控的小型化非放射性电子源，主要包括加速电压源、电流表、抽取电压源、灯丝加热电流源、灯丝、抽取栅格、加速电极、氮化硅膜、真空腔，抽取栅格位于真空腔内的灯丝前面1毫米处，真空腔另一端为加速电极，氮化硅膜贴附于真空腔外的加速电极的中心开口处，加速电压源使得从灯丝发射出的电子加速并获得动能，调节抽取电压源能够控制真空腔内部电子束的聚焦或散焦，抽取栅格至加速电极之间为加速区域且长度5毫米，灯丝工作时电流0至300mA，在灯丝和抽取栅格之间的电子抽取电场独立于加速电场，使得可以调节灯丝的电流和抽取电场来控制电子发射，氮化硅膜为1×1平方毫米且厚度250纳米。

Description

一种发射电流可控的小型化非放射性电子源
技术领域
本发明涉及真空电子技术领域，尤其是一种设计简单工作有效的一种发射电流可控的小型化非放射性电子源。
背景技术
现有常用的放射性的β衰变电子源的缺点是：不能改变离子化参数，比如离子化时间、电子动能、电子电流、密度等，而且在许多应用中，放射性源的使用是不被允许的，特别是在电子聚焦方面，现有的非放射性电子源的缺点是：结构复杂，电子聚焦系统体积过大，包括一个静电透镜系统和一个磁性电子束引导装置，且两者都需要相当大的真空腔，另外，静电透镜系统工作在高电势下，需要复杂的电子设备。另外，现有的一些非放射性电子源不能达到与放射性电子源相同性能，特别是发射出的电子的动能较小。所述一种发射电流可控的小型化非放射性电子源能解决这一问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明使用在真空环境中热电子发射的方法来产生自由电子，即一个热电子发射器加热后产生受激电子，然后施加一个外电场为电子提供额外的能量使得电子最终克服功函数，电子离开固体表面发射出来；在真空下通过对钨灯丝通可控的电流来使其发热并产生自由电子，电子经过加速后穿过氮化硅膜从真空环境进入大气环境；发射的电子电流和电子的平均动能都是可控的。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种发射电流可控的小型化非放射性电子源包括加速电压源、电子发射电流、电流表、抽取电压源、灯丝加热电流源、抽取栅格电流、灯丝、抽取栅格、加速电极、氮化硅膜、大气环境中的电子电流、真空腔，电子源在脉冲模式下工作，所述灯丝位于真空腔内一端，真空腔另一端为所述加速电极，所述加速电极中心部分有开口，所述氮化硅膜覆盖并紧密贴合于真空腔外的所述加速电极的中心开口处，空气不会通过所述氮化硅膜，不会影响所述真空腔内真空环境，所述加速电压源使得所述灯丝和所述加速电极之间产生电势差，使得从所述灯丝发射出的电子加速并获得一定的动能，所述抽取电压源使得所述灯丝和所述抽取栅格之间产生电势差，通过调节所述抽取电压源的输出电压可以控制真空腔内部的电子束的聚焦或散焦，抽取栅格电流由电子碰撞所述抽取栅格而产生，大气环境中的电子电流取决于所述电子发射电流穿过所述氮化硅膜的比例，所述抽取栅格位于真空腔内的所述灯丝前面1毫米处，所述抽取栅格至所述加速电极之间为加速区域、且加速区域长度为5毫米，所述灯丝是浮地的，工作时电流0至300mA，在所述灯丝和所述抽取栅格之间的电子抽取电场独立于加速电场，使得可以通过调节所述灯丝的电流和抽取电场来控制电子发射，所述氮化硅膜为1×1平方毫米、且厚度250纳米，只有动能大于7keV的电子可以穿过所述氮化硅膜。
控制电子源发射出的电子电流即外部电流的原理和方法：所述的电子源可以提供可控电子能量和电子电流的电子发射，钨材料的灯丝位于真空腔内，通电加热后产生发射电子。
通过给抽取栅格加不同的电压，产生的作用：一是通过改变灯丝表面的场强来控制由灯丝发射出的电子的数量；二是通过改变电子源内部的电场形状来控制电子源内部的电子束流方向，使一部分或全部的电子最终被所述加速电极阻挡而不会通过所述氮化硅膜进入大气环境。
本发明的有益效果是：
本发明的非放射性电子源发射到大气环境中的电子与放射性电子源产生的电子有同样的电子动能，而有一些非放射性电子源达不到同样的电子动能，本发明的电子源未使用复杂的电子聚焦系统，而是简单的设计，抽取栅格使得电子源可以在脉冲模式下工作，由于抽取栅格的存在，在灯丝和抽取栅格之间的电子抽取电场是独立于加速电场的，这样就可以通过调节灯丝电流和抽取电场来控制电子发射。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图。
图中，1.加速电压源，2.电子发射电流，3.电流表，4.抽取电压源，5.灯丝加热电流源，6.抽取栅格电流，7.灯丝，8.抽取栅格，9.加速电极，10.氮化硅膜，11.大气环境中的电子电流，12.真空腔。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，包括加速电压源1、电子发射电流2、电流表3、抽取电压源4、灯丝加热电流源5、抽取栅格电流6、灯丝7、抽取栅格8、加速电极9、氮化硅膜10、大气环境中的电子电流11、真空腔12，电子源在脉冲模式下工作，所述灯丝7位于真空腔12内一端，真空腔12另一端为所述加速电极9，所述加速电极9中心部分有开口，所述氮化硅膜10覆盖并紧密贴合于真空腔12外的所述加速电极9的中心开口处，空气不会通过所述氮化硅膜10，不会影响所述真空腔12内真空环境，所述加速电压源1使得所述灯丝7和所述加速电极9之间产生电势差，使得从所述灯丝7发射出的电子加速并获得一定的动能，所述抽取电压源4使得所述灯丝7和所述抽取栅格8之间产生电势差，通过调节所述抽取电压源4的输出电压可以控制真空腔12内部的电子束的聚焦或散焦，抽取栅格电流6由电子碰撞所述抽取栅格8而产生，大气环境中的电子电流11取决于所述电子发射电流2穿过所述氮化硅膜10的比例，所述抽取栅格8位于真空腔12内的所述灯丝7前面1毫米处，所述抽取栅格8至所述加速电极9之间为加速区域、且加速区域长度为5毫米，所述灯丝7是浮地的，工作时电流0至300mA，在所述灯丝7和所述抽取栅格8之间的电子抽取电场独立于加速电场，使得可以通过调节所述灯丝7的电流和抽取电场来控制电子发射，所述氮化硅膜10为1×1平方毫米、且厚度250纳米，只有动能大于7keV的电子可以穿过所述氮化硅膜10。
如果热电子发射过程处于饱和状态，即所有的热发射的电子被当前的电场抽取，即通过改变灯丝表面的场强来控制由灯丝发射出的电子的数量达到最大值，内部发射电流会保持恒定而不依赖于加在控制抽取栅格上的电压，只有外部发射电流会随着加在控制抽取栅格上的电压而聚焦或散焦。
由于电子源内部电子束流聚焦的程度可以调节，电子束较发散时，只有一小部分可以穿过氮化硅膜，这样，电子源内部发散电流即从灯丝发射出来的电子电流，比电子源外部电流即穿过氮化硅膜到大气中的电子电流大很多，而一般应用只需要很小的电子源外部电流。因此，就能够通过控制大得多的内部发射电流来控制外部发射电流，从而提供的优点如：通过控制内部发射电流，通常为几纳安，显然比直接控制几皮安量级的外部发射电流更容易，另外，改进了电流测量的信噪比。

Claims (1)

1.一种发射电流可控的小型化非放射性电子源，包括加速电压源(1)、电子发射电流(2)、电流表(3)、抽取电压源(4)、灯丝加热电流源(5)、抽取栅格电流(6)、灯丝(7)、抽取栅格(8)、加速电极(9)、氮化硅膜(10)、大气环境中的电子电流(11)、真空腔(12)，电子源在脉冲模式下工作，所述灯丝(7)位于真空腔(12)内一端，真空腔(12)另一端为所述加速电极(9)，所述加速电极(9)中心部分有开口，所述氮化硅膜(10)覆盖并紧密贴合于真空腔(12)外的所述加速电极(9)的中心开口处，空气不会通过所述氮化硅膜(10)，不会影响所述真空腔(12)内真空环境，所述加速电压源(1)使得所述灯丝(7)和所述加速电极(9)之间产生电势差，使得从所述灯丝(7)发射出的电子加速并获得一定的动能，所述抽取电压源(4)使得所述灯丝(7)和所述抽取栅格(8)之间产生电势差，通过调节所述抽取电压源(4)的输出电压可以控制真空腔(12)内部的电子束的聚焦或散焦，抽取栅格电流(6)由电子碰撞所述抽取栅格(8)而产生，大气环境中的电子电流(11)取决于所述电子发射电流(2)穿过所述氮化硅膜(10)的比例，其特征是：所述抽取栅格(8)位于真空腔(12)内的所述灯丝(7)前面1毫米处，所述抽取栅格(8)至所述加速电极(9)之间为加速区域、且加速区域长度为5毫米，所述灯丝(7)是浮地的，工作时电流0至300mA，在所述灯丝(7)和所述抽取栅格(8)之间的电子抽取电场独立于加速电场，使得可以通过调节所述灯丝(7)的电流和抽取电场来控制电子发射，所述氮化硅膜(10)为1×1平方毫米、且厚度250纳米，只有动能大于7keV的电子可以穿过所述氮化硅膜(10)。
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