CN110014386B - 一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具，包括底座、架设在底座一侧的位移装置、架设在位移装置上的铠装套管、固连在铠装套管一端的阳极、架设在铠装套管正下方的线缆和固连在线缆一端的阴极，阴极位于阳极下方，其中，铠装套管另一端固连有水冷接头，阴极一侧固连有铠装水冷管，铠装水冷管一端也设有接头，水冷接头与铠装水冷管上的接头均连接在冷却水管上，以使铠装套管与铠装水冷管内通有循环的冷却水，本发明具有高温夹持、优良导电性、化学性能稳定、多维可调的优点。

Description

一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具

技术领域

本发明涉及夹持装置领域，尤其涉及一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具。

背景技术

热离子能量转换是一种非常有效的直接能量转换方法，热离子能量转换可与发电机组结合用于热离子循环发电，特别是以宇航应用为目。热离子能量转换发电的研究主要分为热离子转换发电和热电子转换发电两类，其中热电子转换的原理涉及发射极受热发射热电子发射与电子收集过程，将热能转换为电能。要实现高效的热电子能量转换除了材料的功函数不宜过高外，温度是必不可少的，高温保证材料可以提供足量的电子用于循环发电，因此进行热电子发射材料的高温热电子发射性能研究具有重要意义。

材料高温热电子发射实验温度最高将超过2200℃，由于测试样品具有极高的温度，与高温样品接触的导电部件会受到严重的热传导和辐射加热作用，常规的高导电性金属材料难以承受这样的高温环境，而且材料的电阻率在高温下会显著升高，会对电流信号的测试产生不利影响。特别是当涉及有氧环境下测试材料的热电子发射性能，传统的夹持装置难以满足上述苛刻的需求。更重要的是传统夹具多为单向调节，不能根据不同实验目的灵活调节试样的相对位置，降低了实验的丰富度。因此，急需开发一种综合高温夹持、优良导电性、化学性能稳定、多维可调的夹持装置，用于超高温环境下材料热电子发射性能测试。

因此，针对以上不足，需要提供一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供了一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具，包括底座、架设在底座一侧的位移装置、架设在位移装置上的铠装套管、固连在铠装套管一端的阳极、架设在铠装套管正下方的线缆和固连在线缆一端的阴极，阴极位于阳极下方，其中，铠装套管另一端固连有水冷接头，阴极一侧固连有铠装水冷管，铠装水冷管一端也设有接头，水冷接头与铠装水冷管上的接头均连接在冷却水管上，以使铠装套管与铠装水冷管内通有循环的冷却水。

通过采用上述技术方案，在实验前，将冷却水管外接在水冷接头和铠装水冷管上的接头，之后将样品放置在阴极上；实验时，对样品进行加热，同时冷却水管向铠装套管和铠装水冷管内通入冷却水，冷却水流入中空的阳极和阴极中对阳极和阴极进行降温，避免阳极和阴极在高温环境下出现电阻率升高的问题，使阳极和阴极保持较高的导电性能，保证试样受热产生的电流尽可能不受损失的通过阳极和阴极流到检测仪器处，提高实验的检测准确率。

作为对本发明的进一步说明，优选地，铠装套管与铠装水冷管均采用氧化锆陶瓷制备。

通过采用上述技术方案，使铠装套管和铠装水冷管能承载2200℃的高温，同时氧化锆陶瓷具有低热导率，避免高温传递到装置的其他零件上。

作为对本发明的进一步说明，优选地，位移装置包括Z向移动台、X向移动台和Y向移动台，Z向移动台滑动连接在底座上，Z向移动台移动方向与铠装套管轴线方向相同；X向移动台滑动连接在Z向移动台上，X向移动台移动方向与Z向移动台移动方向垂直；Y向移动台滑动连接在X向移动台内，Y向移动台移动方向分别与X向移动台和Z向移动台垂直。

通过采用上述技术方案，使铠装套管和阳极的位置可调节，进而使卡具能根据不同实验目的灵活调节阳极对试样的相对位置，提高实验的丰富度。

作为对本发明的进一步说明，优选地，底座上转动连接有Z向控制手柄，Z向控制手柄与Z向移动台螺纹连接；Z向移动台一侧螺纹连接有X向控制手柄，X向控制手柄与X向移动台转动连接；Y向控制手柄转动连接在X向移动台顶部，Y向控制手柄与Y向移动台转动连接。

通过采用上述技术方案，需要调节阳极位置时，只需分别旋动X向控制手柄、Y向控制手柄和Z向控制手柄即可，并且通过螺纹连接，可根据螺牙间距实现微调距离的作用，保证阳极位置数据能够更为精准。

作为对本发明的进一步说明，优选地，水冷接头固连在Z向移动台一侧，铠装套管一端伸入Z向移动台与Y向移动台相连。

通过采用上述技术方案，使铠装套管可随Y向移动台的移动而移动，并实现铠装套管与阳极悬置在卡具上。

作为对本发明的进一步说明，优选地，Z向移动台一侧上部固连有阳极电极，Z向移动台同侧底部固连有阴极电极，阳极电极与阴极电极上连接有缆线，缆线包括阳极线和阴极线，阳极线一端与阳极电极相连，阳极线另一端与阳极相连；阴极线一端与阴极电极相连，阴极线另一端与线缆相连。

通过采用上述技术方案，设置阳极线和阴极线可将试样产生的电流导入到阳极电极或阴极电极处，再由阳极电极和阴极电极将电流导入到检测仪器中，实现对试样热电子的捕捉。

作为对本发明的进一步说明，优选地，阳极电极与阴极电极均为标准螺纹电极，采用金属铜制备。

通过采用上述技术方案，便于将检测设备连接到阳极电极和阴极电极上，简化组装过程，同时方便拆卸更换。

作为对本发明的进一步说明，优选地，阳极线和阴极线采用高电导率屏蔽导线制作，阳极线和阴极线外套接有耐高温氧化物陶瓷管。

通过采用上述技术方案，可使阳极线和阴极线具有较高的耐高温性，避免在实验过程中阳极线或阴极线被高温烧断。

作为对本发明的进一步说明，优选地，Y向移动台一端固连有波纹管，波纹管一端固连有套筒，套筒一端固连有方形的法兰，所述法兰上固连有真空箱，阳极和阴极插入真空箱内，阴极正下方的真空箱底部固连有石英玻璃窗口，所述石英玻璃窗口底部设有激光发射器。

通过采用上述技术方案，采用激光发射器对试样进行加热，可使试样温度能够达到1000℃～3000℃，且加热速度快。

作为对本发明的进一步说明，优选地，阴极中部开设有柱状的加热窗口，加热窗口贯穿阴极。

通过采用上述技术方案，可使激光直接与试样接触加热，避免激光通过阴极传热到试样上而出现热量损失的问题，进而保证试样表面温度即为激光发射器的温度。

实施本发明的，具有以下有益效果：

1、本发明能够用于真空、有氧、高温实验环境，并能在高温下承载样品，可重复使用，能够适用于辐射加热、激光加热等加热方式；

2、阴极和阳极能够用于热电子发射性能测试，并且阴、阳极具有中空水冷结构，适用于2200℃高温应用，保证在高温环境下能保持良好的化学稳定性，不产生污染环境的挥发物；

3、本发明整体采用组合式结构，便于破坏分体的单独更换，降低了维护成本；能够进行阴、阳极之间的XYZ三向位置的精确调节。

附图说明

图1为本发明的总装效果图；

图2是本发明的前侧视图；

图3是本发明的后侧视图；

图4是本发明的右侧视图；

图5是本发明的剖面图；

图6是图5中A的放大图；

图7为本发明的实验1的热电子发射时间-温度/电流密度曲线图；

图8为本发明的实验2的热电子发射时间-温度/电流密度曲线图。

附图标记说明：

1、底座；11、支撑环；12、波纹管；13、套筒；14、真空箱；15、激光发射器；2、位移装置；21、Z向移动台；22、X向移动台；23、Y向移动台；24、Z向控制手柄；25、X向控制手柄；26、Y向控制手柄；3、铠装套管；4、阳极；41、阳极电极；5、线缆；51、固定片；6、阴极；61、阴极电极；62、加热窗口；7、水冷接头；8、铠装水冷管；9、缆线；91、阳极线；92、阴极线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具，结合图1、图2，包括底座1、架设在底座1后侧的位移装置2、架设在位移装置2上的铠装套管3、固连在铠装套管3前端的阳极4、架设在铠装套管3正下方的线缆5和固连在线缆5前端的阴极6，阴极6位于阳极4下方。

结合图1、图2，位移装置2包括Z向移动台21、X向移动台22和Y向移动台23，Z向移动台21滑动连接在底座1上，Z向移动台21移动方向与铠装套管3轴线方向相同，其中铠装套管3轴线方向水平；X向移动台22滑动连接在Z向移动台21前端面上，X向移动台22移动方向与Z向移动台21移动方向垂直；Y向移动台23滑动连接在X向移动台22内，Y向移动台23为圆柱状，铠装套管3一端伸入Z向移动台21与Y向移动台23相连，使铠装套管3可随Y向移动台的移动而移动，并实现铠装套管3与阳极4悬置在卡具上；Y向移动台23移动方向分别与X向移动台22和Z向移动台21垂直，设置位移装置2使铠装套管3和阳极4的位置可调节，进而使卡具能根据不同实验目的灵活调节阳极4对试样的相对位置，提高实验的丰富度。

结合图1、图2，Y向移动台23前端通过螺纹固连有波纹管12，波纹管12前端通过螺纹固连有套筒13，波纹管12与套筒13均采用高强度合金钢制成，底座1前端固连有支撑环11，套筒13插接在支撑环11内，配合Z向移动台21起到支撑波纹管12的作用；套筒13一端固连有方形的法兰，线缆5通过固定片51固连在所述法兰上，起到支撑阴极6的作用，所述法兰上固连有方形的真空箱14，阳极4和阴极6插入真空箱14内，阴极6正下方的真空箱14底部固连有石英玻璃窗口，所述石英玻璃窗口底部设有激光发射器15，激光发射器15为半导体激光器，采用激光发射器15对试样进行加热，可使试样温度能够达到1000℃～2200℃，且加热速度快。

结合图5、图6，阴极6顶端中部开设有圆形的样品槽，所述样品槽内可放置试样，样品槽一侧的阴极6上设有弹性固定件(图中未示出)，采用内封闭弹性结构，固定在所述样品槽侧壁上，用于弹性夹持测试样品；阴极6位于样品槽底部开设有柱状的加热窗口62，加热窗口62贯穿阴极6，设置加热窗口62可使激光直接与试样接触加热，避免激光通过阴极6传热到试样上而出现热量损失的问题，进而保证试样表面温度即为激光发射器15的温度，便于监控测算。

结合图2、图3，铠装套管3后端固连有水冷接头7，水冷接头7固连在Z向移动台21后侧；阴极6一侧固连有铠装水冷管8，铠装水冷管8一端也设有接头，水冷接头7与铠装水冷管8上的接头均连接在冷却水管上，在实验前，将冷却水管外接在水冷接头7和铠装水冷管8上的接头，之后将样品放置在阴极6上；实验时，对样品进行加热，同时冷却水管向铠装套管3和铠装水冷管8内通入冷却水，冷却水流入中空的阳极4和阴极6中对阳极4和阴极6进行降温，避免阳极4和阴极6在高温环境下出现电阻率升高的问题，使阳极4和阴极6保持较高的导电性能，保证试样受热产生的电流尽可能不受损失的通过阳极4和阴极6流到检测仪器处，提高实验的检测准确率。

结合图2、图3，铠装套管3与铠装水冷管8均采用氧化锆陶瓷制备，使铠装套管3和铠装水冷管能承载2200℃的高温，同时氧化锆陶瓷具有低热导率，避免高温传递到装置的其他零件上。

结合图5、图6，Z向移动台21后侧上部固连有阳极电极41，Z向移动台21同侧底部固连有阴极电极61，阳极电极41与阴极电极61上连接有缆线9，缆线9包括阳极线91和阴极线92，阳极线91一端与阳极电极41相连，阳极线91另一端与阳极4相连；阴极线92一端与阴极电极61相连，阴极线92另一端与线缆5相连，设置阳极线91和阴极线92可将试样产生的电流导入到阳极电极41或阴极电极61处，再由阳极电极41和阴极电极61将电流导入到检测仪器中，实现对试样热电子的捕捉。

结合图5、图6，阳极电极41与阴极电极61均为标准螺纹电极，采用金属铜制备，便于将检测设备连接到阳极电极41和阴极电极61上，简化组装过程，同时方便拆卸更换；阳极线91和阴极线92采用高电导率屏蔽导线制作，阳极线91和阴极线92外套接有耐高温氧化物陶瓷管，可使阳极线91和阴极线92具有较高的耐高温性，避免在实验过程中阳极线91或阴极线92被高温烧断。

结合图3、图4，底座1上转动连接有Z向控制手柄24，Z向控制手柄24与Z向移动台21螺纹连接，Z向控制手柄24长度方向与铠装套管3长度方向相同；Z向移动台21右侧螺纹连接有X向控制手柄25，X向控制手柄25与X向移动台22转动连接，X向控制手柄25长度方向为水平方向且与Z向控制手柄24长度方向垂直；X向移动台22顶部转动连接有Y向控制手柄26，Y向控制手柄26与Y向移动台23转动连接，Y向控制手柄26长度方向竖直；在需要调节阳极4位置时，只需分别旋动X向控制手柄25、Y向控制手柄26和Z向控制手柄24即可，并且通过螺纹连接，可根据螺牙间距实现微调距离的作用，保证阳极4位置数据能够更为精准，其移动方向精度可达到0.02mm。

根据本发明的另一方面，提供一种适用热电子发射测试的超高温三维可调节夹具的使用方法，包括如下步骤：

步骤一，将测试装置连接到电极处，并调试测试电路，确保无短路、断路故障存在，并开启循环冷却；

步骤二，将测试样放置于阴极样品槽上，调整阳极与测试样品表面处于实验要求位置，按照实验要求抽真空至真空压力10^-5至10⁵Pa；

步骤三，通过加热窗口用半导体激光器对测试样品进行加热，将样品加热至1000至2200℃，测试材料热电子发射性。

实验1：

激光发射器15加载功率1000W，测试样品为石墨材料，尺寸φ14mm×2mm，单次加热时间300s，加热环境为10^-5Pa真空环境,样品表面与阳极下表面间距为1mm。

本实例中利用激光发射器15对φ14mm×2mm的石墨圆片进行加热，当激光加热功率升高至1000W时，双比色高温计测得样品上表面温度约为1900℃，维持激光输出功率300s，同时测试热电子发射电流密度。石墨材料热电子发射测试时间-温度/电流密度曲线见图7，温度随着时间略微升高，热电子发射电流密度稳定维持在10^-2A/m²数量级。

经过本次高温热电子发射性能测试实验后，样品卡具结构都保持完好。该具体实施例表明本发明的高温样品卡具可满足高真空，1900℃温度范围高温材料的热电发射性能测试要求。

实验2：

激光发射器15加载功率1100W，测试样品为石墨材料，尺寸φ14mm×2mm，单次加热时间360s，加热环境为大气环境，样品表面与阳极下表面间距为1.5mm。

本实例中利用激光发射器15对φ14mm×2mm的石墨圆片进行加热，当激光加热功率升高至1100W时，双比色高温计测得样品上表面温度约为2150℃，维持激光输出功率360s，同时测试热电子发射电流密度。石墨材料热电子发射测试时间-温度/电流密度曲线见图8，温度随着时间增加逐渐升高至2200℃以上，热电子发射电流密度随着温度增加而逐渐增大，整体维持在10^-2A/m²数量级。

经过本次高温热电子发射性能测试实验后，样品卡具结构都保持完好。该具体实施例表明本发明的高温样品卡具可满足大气、2200℃温度范围高温材料的热电发射性能测试要求。

综上所述，与现有技术相比，本发明阴极6样品槽与样品直接接触，阳极4下表面受到高温样品辐射加热，阳极4和阴极6内部通有循环冷却水，温度稳定维持在低温状态。低温状态下整个阴、阳极材料电导率不会因为温度升高而大幅度下降，并且不会与环境反应产生挥发物干扰，而激光加热不会对热电子发射测试产生电磁干扰，从而解决高温、导电和挥发物的相互干涉问题。另外，可实现阳极4与阴极6样品槽所夹持测试样品三维独立精确调节，增加冷实验的灵活性和多样性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具，其特征在于，包括底座(1)、架设在底座(1)一侧的位移装置(2)、架设在位移装置(2)上的铠装套管(3)、固连在铠装套管(3)一端的阳极(4)、架设在铠装套管(3)正下方的线缆(5)和固连在线缆(5)一端的阴极(6)，阴极(6)位于阳极(4)下方，阴极(6)顶端中部开设有圆形的样品槽，所述样品槽内可放置试样，样品槽一侧的阴极(6)上设有弹性固定件，采用内封闭弹性结构，固定在所述样品槽侧壁上，用于弹性夹持测试样品；阴极(6)位于样品槽底部开设有柱状的加热窗口(62)，加热窗口(62)贯穿阴极(6)，其中，位移装置(2)包括Z向移动台(21)、X向移动台(22)和Y向移动台(23)，Z向移动台(21)滑动连接在底座(1)上，Z向移动台(21)移动方向与铠装套管(3)轴线方向相同；X向移动台(22)滑动连接在Z向移动台(21)上，X向移动台(22)移动方向与Z向移动台(21)移动方向垂直；Y向移动台(23)滑动连接在X向移动台(22)内，Y向移动台(23)移动方向分别与X向移动台(22)和Z向移动台(21)垂直；Y向移动台(23)一端固连有波纹管(12)，波纹管(12)另一端固连有套筒(13)，套筒(13)另一端固连有方形的法兰，所述法兰上固连有真空箱(14)，阳极(4)和阴极(6)插入真空箱(14)内，阴极(6)正下方的真空箱(14)底部固连有石英玻璃窗口，所述石英玻璃窗口底部设有激光发射器(15)；

铠装套管(3)另一端固连有水冷接头(7)，阴极(6)一侧固连有铠装水冷管(8)，铠装水冷管(8)另一端也设有接头，水冷接头(7)与铠装水冷管(8)上的接头均连接在冷却水管上，以使铠装套管(3)与铠装水冷管(8)内通有循环的冷却水。

2.根据权利要求1所述的一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具，其特征在于，铠装套管(3)与铠装水冷管(8)均采用氧化锆陶瓷制备。

3.根据权利要求1所述的一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具，其特征在于，底座(1)上转动连接有Z向控制手柄(24)，Z向控制手柄(24)与Z向移动台(21)螺纹连接；Z向移动台(21)一侧螺纹连接有X向控制手柄(25)，X向控制手柄(25)与X向移动台(22)转动连接；Y向控制手柄(26)转动连接在X向移动台(22)顶部，Y向控制手柄(26)与Y向移动台(23)转动连接。

4.根据权利要求3所述的一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具，其特征在于，水冷接头(7)固连在Z向移动台(21)一侧，铠装套管(3)另一端伸入Z向移动台(21)与Y向移动台(23)相连。

5.根据权利要求3所述的一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具，其特征在于，Z向移动台(21)一侧上部固连有阳极电极(41)，Z向移动台(21)同侧底部固连有阴极电极(61)，阳极电极(41)与阴极电极(61)上连接有缆线(9)，缆线(9)包括阳极线(91)和阴极线(92)，阳极线(91)一端与阳极电极(41)相连，阳极线(91)另一端与阳极(4)相连；阴极线(92)一端与阴极电极(61)相连，阴极线(92)另一端与线缆(5)相连。

6.根据权利要求5所述的一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具，其特征在于，阳极电极(41)与阴极电极(61)均为标准螺纹电极，采用金属铜制备。

7.根据权利要求5所述的一种适用于热电子发射性能测试的超高温样品卡具，其特征在于，阳极线(91)和阴极线(92)采用高电导率屏蔽导线制作，阳极线(91)和阴极线(92)外套接有耐高温氧化物陶瓷管。

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