CN110346393B

CN110346393B - 超常环境热电子发射多场原位装置及其在线测试方法

Info

Publication number: CN110346393B
Application number: CN201910321781.7A
Authority: CN
Inventors: 金华; 梁伟; 孟松鹤; 许承海; 易法军
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2021-10-29
Anticipated expiration: 2039-04-22
Also published as: CN110346393A

Abstract

本发明涉及超常环境热电子发射多场原位装置及其在线测试方法，包括电子收集装置、测试样品、样品台、测试光路及光谱仪、计算机、电流/电压测试装置、比色测温装置，电子收集装置位于测试样品正上方，测试样品置于样品台之上，比色测温装置用于实时监测测试样品表面温度，并将数据传递至计算机记录，电流电压测试装置一端通过导线与电子收集装置与测试样品连接，实时测试电流/电压，并通过导线将数据传递至计算机存储，材料表面临近区域光辐射经测试光路传入光谱仪，光谱仪输出端与CCD相机相连，并通过数据线和计算机相连进行数据的传输和控制，本发明具有操作便捷,适用于不同环境下，特别是超常环境下材料热电子发射的测试表征的优点。

Description

超常环境热电子发射多场原位装置及其在线测试方法

技术领域

本发明涉及材料测试技术领域，尤其涉及超常环境热电子发射多场原位装置及其在线测试方法。

背景技术

超常环境下材料表面热电子发射与传统的真空环境下热电子发射不同，材料表面会被加热到非常高的温度，特别是处于空气/等离子体环境中，表面热电子发射的物理过程复杂，会受到环境的多方面限制。在这种超常环境下，空气或等离子体环境会与高温材料表面存在复杂的相互作用，尤其是等离子体与表面作用形成等离子鞘层，在这些因素的影响下，不仅热电子发射过程会受到环境与表面作用的影响，而且发射电子的迁移过程也会受到环境电场及粒子碰撞的影响。目前关于超常环境下热电子发射的研究较少，缺乏针对性测试方法和实验研究，而理论分析方法和数值模拟研究中一些重要参数依赖于实际环境，导致单独依靠理论计算不能特别准确表征超常环境下材料的热电子发射。如何对高温材料热电子发射与环境之间相互作用机制进行充分认识，特别是对该过程材料表面热电子发射进行测试分析、理论建模，进而建立科学有效的材料表面热电子发射测试表征方法，是指导材料设计与研制的重要前提。

当前的测试方法主要是针对在真空、固定温度区间，通过测量材料热电子发射电流与电压来表征材料热电子发射，只考虑了电子发射的累计效应引起的测试电流与电压现象这一层面，仅仅能从实验上获得材料属性与热电子发射之间的数值对应关系，对于含气体、高温发射环境，特别是等离子体环境的情况下，目前测试方法理论模型中缺少对等离子环境对热电子发射影响的物理参量，比如等离子体与材料表面间会形成等离子鞘层，鞘层的存在会对热电子发射存在限制作用，单独依靠电流/电压这一层面测试方法要进行材料热电子发射表征难度较大。

因此，针对以上不足，需要提供超常环境热电子发射多场原位装置及其在线测试方法。

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，提供了超常环境热电子发射多场原位装置及其在线测试方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了超常环境热电子发射多场原位装置及其在线测试方法，包括电子收集装置、测试样品、样品台、测试光路及光谱仪、计算机、电流/电压测试装置和比色测温装置，

1)将测试样品放置于样品台之上，根据实验要求准备测试环境；

2)调节电子收集装置与测试样品表面位置达到实验预定位置；

3)通过高功率激光加热装置对测试样品进行加热；

4)利用双比色测温装置实时测试测试样品表面温度，并微调激光加热功率；

5)通过高精度万用表实时循环测量收集电子收集装置与发射表面间电流和电压；

6)通过测试光路及光谱仪和CCD相机配合测量等离子环境下发射表面邻近区域电子温度和电子数密度；

7)将检测数据代入公式计算获得材料表面热电子发射密度和材料等效功函数。

作为对本发明的进一步说明，优选地，所述测试环境包括真空环境、大气环境和等离子环境；其中，真空环境通过真空系统和压力检测装置实时控制环境真空度；大气环境则为常规环境；等离子环境通过控制放电气体流量和ICP放电功率控制放电强度。

作为对本发明的进一步说明，优选地，等离子体环境下，通过测试测试样品中心轴线上的光辐射强度，进而获得表面附近等离子体数密度和电子温度。

作为对本发明的进一步说明，优选地，装置的主要技术特征为：等离子放电功率0～3500W连续可调；环境压力10～1000Pa连续可调；放电气体进气量50ml/min连续可调；高功率半导体激光加热功率0～1500W连续可调；电流/电压测试分辨率100pA/100nV。

作为对本发明的进一步说明，优选地，所述公式包括

热电子发射电流密度的表达式：

其中，I_collect为持续收集电流强度，S_w为发射表面面积；

材料有效逸出功函数表达式：

其中，k为玻尔兹曼常数，T_w为材料表面温度响应，J为热电子发射电流密度，A＝1.2×10⁶A/m²。

作为对本发明的进一步说明，优选地，在真空环境下，持续收集电流强度的表达式为：

其中，e为元电荷数，n_e为电子数量，

为发射表面电势，

为负电层电势，

为发射电子的平均速率，m_e为电子质量,S_w为发射表面面积；

在大气环境下，持续收集电流强度的表达式为：

其中，e为元电荷数，n_e为电子数量，q_e为电子电荷量，

为电子的平均自由程，m_e为电子质量，

为发射表面电势，

为负电层电势，L为测试样品(2)表面与电子收集装置(1)之间的距离；

在等离子体环境下，持续收集电流强度的表达式为：

其中，e为元电荷数，n_net为通过负电层的净电子数密度，

为发射电子的平均速率,

为鞘层边界处的电子数密度,q_e为电子电荷量，

为电子的平均自由程，m_e为电子质量，

为发射表面电势，

为负电层电势，L为测试样品(2)表面与电子收集装置(1)之间的距离，l₁为负电层与材料表面之间距离。

作为对本发明的进一步说明，优选地，在真空环境下，热电子发射电流密度的表达式为：

在大气环境下，热电子发射电流密度的表达式为：

在等离子体环境下，热电子发射电流密度的表达式为：

则

在真空环境下，材料有效逸出功函数表达式为：

在大气环境下，材料有效逸出功函数表达式为：

在等离子体环境下，材料有效逸出功函数表达式为：

作为对本发明的进一步说明，优选地，气体放电、激光加热、冷却、真空、供气子系统采用计算机集中控制，温度、电信号及光谱信息数据由专用计算机控制及储存。

实施本发明的，具有以下有益效果：

本发明提供了超常环境热电子发射多场原位装置及其在线测试方法及测试装置，通过探测材料表面温度响应、发射电流及测试环境电子参量，获取材料表面轴线方向电子发射与迁移的时空变化规律，基于能量守恒方程与欧姆定律推算出材料表面热电子发射表征方法，进而降低单独依靠电流/电压这一层面的测试方法对材料热电子发射表征的难度，提高对高温材料热电子发射与环境之间相互作用机制的充分认识。

附图说明

图1为本发明的测试装置的结构示意图；

图2是本发明的热电子发射测试控制区域模型图；

图3是本发明的真空、1000W环境下石墨表面温度和发射电流密度时间曲线图；

图4是本发明的5Pa、800W环境下石墨表面温度和发射电流密度时间曲线图；

图5是本发明的大气、1000W环境下石墨表面温度和发射电流密度时间曲线图；

图6是本发明的大气、1000W环境下石墨表面温度和发射电流密度时间曲线图；

图7是本发明的氩等离子、600W环境下石墨表面温度和发射电流密度时间曲线图；

图8是本发明的氩等离子、1000W环境下石墨表面温度和发射电流密度时间曲线图。

附图标记说明：

1、电子收集装置；2、测试样品；3、样品台；4、测试光路及光谱仪；5、计算机；6、电流/电压测试装置；7、比色测温装置。

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。

超常环境热电子发射多场原位装置及其在线测试方法，结合图1、图2，如图1所示，包括电子收集装置1、测试样品2、样品台3、测试光路及光谱仪4、计算机5、电流/电压测试装置6、比色测温装置7，电子收集装置1位于测试样品2正上方，测试样品2置于样品台3之上，比色测温装置6用于实时监测测试样品2表面温度，并将数据传递至计算机5记录，电流电压测试装置6一端通过导线与电子收集装置与测试样品2连接，实时测试电流/电压，并通过导线将数据传递至计算机5存储，材料表面临近区域光辐射经测试光路传入光谱仪，光谱仪输出端与CCD相机相连，并通过数据线和计算机5相连进行数据的传输和控制。

具体测试方法如下：

1)将测试样品2放置于样品台3之上，根据实验要求准备测试环境，所述测试环境为三种环境，分别为真空环境、大气环境和等离子体环境；

2)调节电子收集装置1与测试样品2表面位置达到实验预定位置；

3)通过高功率激光加热装置对测试样品2进行加热；

4)利用双比色测温装置6实时测试测试样品2表面温度，并微调激光加热功率；

5)通过高精度万用表实时循环测量收集电子收集装置1与发射表面间电流和电压；

6)通过测试光路及光谱仪4和CCD相机配合测量等离子环境下发射表面邻近区域电子温度和电子数密度；

7)将检测数据代入公式计算获得材料表面热电子发射密度、材料等效功函数和负电层电势。

该方法需要在测试控制区无明显扰动、测试回路无短路漏电现象、只关注收集端电势大于等于发射表面电势的情况和被测材料表面组装性能均匀一致，具有相同热点自发射能力的环境下方可进行。

以下介绍在三种测试环境下推算材料表面热电子发射密度、材料等效功函数和负电层电势的计算方法。

一、在真空环境下：

结合图1、图2，考虑(x,y)平面测试控制区域，x＝0直线对应材料热电子发射表面，对于固定空间点(x,y)可利用欧姆定律描述电流密度数值：

J＝θJ_R-J_reflecion-J_collision-J_plasma (1)

其中J_R＝AT² exp(-W_f/T)为理查德森饱和发射电流密度，A＝1.2×10⁶A/m²，W_f为材料功函数；θ为修正因子与电子初始平动方向有关，J_collision为与环境气体碰撞引起的电流密度损耗，J_reflection为空间电荷反射电流密度，J_plasama为准中性等离子环境中的电子定向迁移电流密度，J的取值受到环境条件的影响，在真空环境下气体原子和分子数密度近似为零，方程(1)可以演化为：

J＝θJ_R-J_reflection (2)

忽略少部分与垂直水平发射表面y方向有较大偏移的发射电子，此时θ近似取1，认为表面发射电子移动方向与y偏移较小，此时式(2)可进一步简化为：

J＝J_R-J_reflection (3)

方程(3)含如下假设：

(1)假定收集端相对于材料发射表面足够大，可以最大限度收集发射电子，即在收集端表面y＝d处收集电子数量为：

n_collect(y＝L)＝n_e (4)

(2)发射表面与收集表面为无损导线连接，发射表面电势为

发射表面电势为

本具体实施方式主要涉及无外加电场情况，则发射表面与收集面电势为零，即

当高温材料表面发射热电子时，会在表面附近形成负电层，此处电势为

这里认为发射电子通过负电层能量变化关系：

其中

表示热电子通过负电层后剩余动能，

表示表面发射热电子的初始动能，

W_wall-nag表示克服负电层与表面之间场强所做的功表达式如下：

其中，e为元电荷数，

由(5)式可知只有当

时，即要达到临界阈值速率v_threshold时热电子才能穿过负电层被收集，根据统计规律，表面同一位点的电子速率服从速率分布F(v)，可得到未能穿过负电层的概率如下式：

其中为未达到速度临界阈值的发射电子的平均速率由以下表达式确定：

则克服负电层与发射表面间电场限制的电流密度为：

其中n_e＝J_R(1-p_reflection)S_w，S_w为发射表面面积；

负电层与材料表面之间距离为l₁，材料表面与收集端之间的距离L，穿过负电层后电子后会受到材料表面与收集端之间匀强电场加速作用

加速作用，此时区域l₁＜y＜L空间(x,y|y＞l₁)点处电流密度表达式演化为：

由式(11)循环收集电流强度为：

由上得到真空环境热电子发射电流密度的表达式为

由式(13)当材料确定后其功函数W_f近似不发生变化，材料的发射电流密度为表面温度的函数，可以通过实时监测材料表面温度响应与循环收集电流强度来表征材料的热电子发射性能；

由式(13)可以得到材料的有效逸出功函数为：

其中，k为玻尔兹曼常数。

二、在大气环境下：

在大气环境或低气压非电离气体环境下需要考虑由碰撞引起的电流密度损耗，即在方程(3)的基础上加入碰撞相方程如下：

J＝J_R-J_reflection-J_collision (15)

在方程(3)的基础上方程(15)含如下假设：

(1)假定电子与气体分子之间主要发生弹性碰撞，而电子质量远小于气体分子质量，因此由碰撞引起的能量损失很小，另外认为负电层与材料表面之间距离l₁远小于材料表面与收集端之间的距离L，即l₁<L，因此在y≤l₁区间内可以忽略由碰撞引起的电子动能损失，通过负电层的热电子的电流密度仍可用式(10)表示；

(2)对于负电层到收集端区域(l₁＜y＜L)，由于距离相对较长需要考虑碰撞引起电子的动能损失，当l₁＜y＜L区间电场近似为均匀电场时，此区域(x,y|y＞l₁)点处电流密度需要考虑电场对电子迁移的影响，根据欧姆定律可得到如下表达式：

其中q_e为电子电荷量，

μ_e为电子在气体中的迁移速率可通过带电粒子迁移理论获得：

其中

为电子的平均自由程，可由以下表达式确定：

由式(16)可以确定循环收集电流强度为：

I_collect＝J_|y＝LS_w (18)

由上得到大气环境有效热电子发射电流密度的表达式为：

大气环境下材料的有效逸出功函数为：

三、在等离子体环境下：

在等离子体环境下需要考虑由等离子体对热电子发射的影响，即在方程(15)的基础上考虑等离子鞘层限制，其方程如下：

J＝J_R-J_reflection-J_collision-J_plasma (21)

在方程(15)的基础上方程(21)含如下假设：

(1)由于电子质量远小于正离子，其迁移能力较强，因此等离子体会在材料表面处形成鞘层区域，材料表面到鞘层区域的距离为l₂，l₂略大于负电层与材料表面之间距离为l₁，这里近似认为鞘层边界与负电层位置重合，将多余的区域归入负电层与收集端之间的加速区距离为L-l₁，在平衡状态下鞘层边界处的净电流由三部分组成包括等离子体中的正电荷与电子向材料表面移动形成的电流和表面热电子发射向收集端迁移的电流，假设鞘层区域内不发生碰撞，则鞘层边界处的净电流密度的表达式如下：

其中

为鞘层边界附近的正离子数密度，鞘层边界出离子满足能量守恒和通量守恒关系式如下：

将v_i代入能量守恒方程可以得到如下关系式：

其中n₀为等离子体鞘层边界离子数密度，取y＝l₁可以得到鞘层边界出正离子数密度：

根据无碰撞鞘层玻姆判据，鞘层边界离子的速度至少要达到离子声速,因此v₀可由下式确定:

(2)鞘层的尺寸远小于电子的平均自有程，假设等离子鞘层边界处电子整体上向材料表面方向定向迁移，此时电子的迁移速率可通过下式得到：

鞘层边界处的电子数密度可以通过玻尔兹曼关系式得到：

其中

为等离子体鞘层边界电子数密度，取y＝l₁可以得到鞘层边界电子数密度：

(3)穿过区域后净电流进入电场加速区，此时加速区电场仍采用电中性空气环境下近似为匀强电场的假设，根据欧姆定律此时收集端循环收集电流强度为有如下表达式：

I_collect＝J_|y＝LS_w (30)

由上得到等离子体环境有效热电子发射电流密度的表达式为：

其中，n_net为通过负电层的净电子数密度；

等离子体环境下材料的有效逸出功函数为：

以上三种环境测试都涉及空间电荷限制问题，根据式(13)、(19)和(31)可以确定负电层电势

可以用如下表达式表示：

通过以上真空、大气及等离子体三种测试环境的数学模型得到的表达式可知，要表征材料在不同环境下热电子发射，要通过实验确定以下几个物理参数：

(1)持续收集电流强度I_collect；

(2)材料表面与收集装置间电位差U_c-w

(3)材料表面温度响应T_w；

(4)等离子体电子数密度

(5)等离子体中电子的温度T_e。

其中收集电流强度I_collect和电位差

通过数字万用表直接测量，本实施例中只涉及

情况；材料表面温度响应T_w通过双比色高温计直接测量；等离子体电子数密度

和电子的温度T_e则利用光谱仪进行测量获得。

本发明具体实施方式一中装置的主要技术特征为：

1、等离子放电功率0～3500W连续可调；

2、环境压力10～1000Pa连续可调；

3、放电气体进气量50ml/min连续可调；

4、高功率半导体激光加热功率0～1500W连续可调；

5、电流/电压测试分辨率100pA/100nV；

6、气体放电、激光加热、冷却、真空、供气子系统采用计算机集中控制，温度、电信号及光谱信息数据由专用计算机控制及储存。

实验测试表明，本发明能够获得1000～3000k范围内导电类材料在真空、大气及等离子环境下的材料表面温度、发射电流密度、电子参量及负电层电势，用以表征材料热电子发射。本发明可以有效的表征1600～2300k，不同气体环境下石墨材料热电子发射，具体实施例如下：

实施例1：

本实施例是在真空环境下对高温材料的热电子发射进行实验表征，真空度为10^- ⁶Pa，测试样品为石墨材料，功函数为5.0eV，电子收集装置表面与材料表面之间距离L＝2mm，激光加热功率为600W，测试时间1min，石墨测试样品表面温度和发射电流密度在线测试结果见图4。热电子发射会受到空间电荷的限制，根据所建立真空环境下热电子发射实验室表征方法，可以确定石墨材料在此测试条件下的有效功函数和负电层电势，材料的有效逸出功为5.0eV，负电层电势为0V。

实施例2：

本实施例是在5Pa气压空气环境下对高温材料的热电子发射进行实验表征，测试样品为石墨材料，功函数为5.0eV，电子收集装置表面与材料表面之间距离L＝2mm，激光加热功率为800W，测试时间1min，石墨测试样品表面温度和发射电流密度在线测试结果见图5。热电子发射会受到空间电荷的限制，并且在迁移过程中会与空气粒子碰撞，根据所建立大气环境下热电子发射实验室表征方法，可以确定石墨材料在此测试条件下的有效功函数和负电层电势，材料的有效逸出功为5.98eV，负电层电势为-0.178V。

实施例3：

本实施例是在大气环境下对高温材料的热电子发射进行实验表征，测试样品为石墨材料，功函数为5.0eV，电子收集装置表面与材料表面之间距离L＝2mm，激光加热功率为1000W，测试时间1min，石墨测试样品表面温度和发射电流密度在线测试结果见图6。热电子发射会受到空间电荷的限制，并且在迁移过程中会与大气粒子碰撞，根据所建立大气环境下热电子发射实验室表征方法，可以确定石墨材料在此测试条件下的有效功函数和负电层电势，材料的有效逸出功为6.3eV，负电层电势为-0.188V。

实施例4：

本实施例是在氩等离子体环境下对高温材料的热电子发射进行实验表征，气压为10Pa，放电功率1000W，测试样品为石墨材料，功函数为5.0eV，电子收集装置表面与材料表面之间距离L＝2mm，激光加热功率为600W，测试时间1min，石墨测试样品表面中轴线上的电子温度1.2eV和电子数密度1×10¹⁴/m³，石墨测试样品表面温度和发射电流密度在线测试结果见图7。热电子发射会受到空间电荷和等离子鞘层的限制，并且在迁移过程中会与放电气体粒子碰撞，根据所建立的等离子体环境下热电子发射实验室表征方法，可以确定石墨材料在此测试条件下的有效功函数和负电层电势，材料的有效逸出功为5.05eV，负电层电势为-1.217V。

实施例5：

本实施例是在氩等离子体环境下对高温材料的热电子发射进行实验表征，气压为10Pa，放电功率1000W，测试样品为石墨材料，功函数为5.0eV，电子收集装置表面与材料表面之间距离L＝2mm，激光加热功率为1000W，测试时间1min，石墨测试样品表面中轴线上的电子温度1.2eV和电子数密度1×10¹⁴/m³，石墨测试样品表面温度和发射电流密度在线测试结果见图7。热电子发射会受到空间电荷和等离子鞘层的限制，并且在迁移过程中会与放电气体粒子碰撞，根据所建立的等离子体环境下热电子发射实验室表征方法，可以确定石墨材料在此测试条件下的有效功函数和负电层电势，材料的有效逸出功为6.2eV，负电层电势为-0.917V。

综上所述，本发明提供的超常环境下热电子发射实验室表征方法，是通过测试高温材料表面温度响应、发射电流强度及等离子环境表面附近区域电子参量，依照热电子发射理论、等离子体物理及带电粒子迁移理论，计算材料表面发射电流密度、确定负电层电势，该方法适用于大气、真空及低压等离子环境和收集端电势大于等于发射表面电势的约束条件下材料热电子发射实验室表征。

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。