CN111443225A - 一种铁电阴极测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁电阴极测试系统及方法，涉及铁电阴极，其中的一种铁电阴极测试系统，包括高压脉冲电源、真空室、发射电流测试电路、样品电压测试电路；所述高压脉冲电源分别连接真空室的一端和样品电压测试电路；所述发射电流测试电路连接真空室的另一端；所述样品电压测试电路连接示波器。本发明通过共点接地、屏蔽、双端匹配、线路连接以及设备布置等方式，妥善地解决了铁电阴极测试系统的电磁干扰问题。

Description

一种铁电阴极测试系统及方法

技术领域

本发明涉及铁电阴极，具体涉及一种铁电阴极测试系统及方法。

背景技术

目前，铁电阴极是一种在外界激励（快速升温，机械压力，激光脉冲和高电压脉冲等）下从铁电材料表面获得脉冲电子束的新型电子发射阴极。与传统阴极技术相比，铁电阴极具有发射电流密度高、电子束优良、常温发射、不怕中毒等优点。上述诸多优点使得铁电阴极在强流电子束阴极技术中具有潜在的应用价值。

对于强电流铁电阴极材料，电子发射电流和发射电流密度是研究铁电阴极材料电子发射性能的关键指标。激励电压和发射电流波形对研究电子发射机制具有重要参考价值。然而由于受地电流藕合以及其他电磁干扰对测试信号的影响，往往不易测得真实发射电流信号。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种铁电阴极测试系统及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种铁电阴极测试系统，包括高压脉冲电源、真空室、发射电流测试电路、样品电压测试电路；

所述高压脉冲电源分别连接真空室的一端和样品电压测试电路；

所述发射电流测试电路连接真空室的另一端；

所述样品电压测试电路连接示波器。

进一步地，所述样品电压测试电路包括电阻R0、R01、R1、R2、R3、R4、双屏蔽通轴电缆Z、衰减器；

所述电阻R0、R01串联后电阻R0一端连接高压脉冲电源，电阻R01一端连接地；

所述电阻R1、R2串联后电阻R1一端连接高压脉冲电源，电阻R2一端连接地；

所述电阻R3一端连接于电阻R1、R2之间，另一端连接双屏蔽通轴电缆Z的一端；

所述衰减器一端分别连接双屏蔽通轴电缆Z的另一端，衰减器另一端连接示波器；

所述电阻R4跨接于衰减器的一端和地之间，双屏蔽通轴电缆Z、衰减器与样品电压测试电路共地连接。

更进一步地，所述发射电流测试电路包括直流电源、隔直电容C1、罗氏线圈K、电阻R5、R6；

所述直流电源分别连接石墨收集极FC和电阻R5；

所述电阻R5一端连接直流电源，另一端分别连接石墨收集极FC；

所述罗氏线圈K一端连接电阻R5，另一端连接电容C1；

所述电阻R6一端连接电容C1，另一端连接地。

根据本发明的又一个方面，提供了一种铁电阴极测试方法，包括以下步骤：

S1，真空室为测试提供真空环境，真空室中的电磁屏蔽室抑制内部高频电磁辐射对外部设备的干扰，屏蔽外部电磁辐射对内部电路的干扰，建立栅极与大地的低电阻通路，防止高压放电危及人身安全；

S2，测试中选用油扩散泵作为主泵来获得高真空，真空环境的获得是通过前级泵和主泵的协同工作来实现的；

S3，测量设备的连接与布置方法；

S4，抗干扰方法。

进一步地，所述步骤S3包括：

分压器与测试品的位置：分压器以高压引线直接连到试品的高压端，而不应连到冲击电压发生器输出端或直接接在发生器与试品间的连接线上，以免在测量中包括这段连接线上的电感压降；

测试设备的接地：示波器到分压器之间用宽2cm、厚1.5mm的紫铜编制带互相连结，使电缆外皮中的暂态电流减弱，以降低电磁干扰；冲击电压发生器接地端通过电流较大，为了降低此接地的阻抗，直接连接到紫铜编制带上；

紧靠分压器附近有集中的接地极，分压器与试品接地端采用2cm，厚0.2mm铜箔宽带与此接地极相连；分压器与试品的接地端直接连接共地，自成回路；并尽量减小此接地回路的阻抗，以降低回路阻抗压降造成的测量误差；

测量电缆的端部匹配：测量电缆两端与分压器及测量仪器连接处应采取匹配措施，以防止波在电缆中多次反射引起波形振荡；测试中采用两端匹配的匹配方式；

示波器外接衰减器：在测量电缆终端使用衰减器，选用20dB，带宽为3GHz的衰减器；

真空室引线：真空室的设计采用同轴结构，上下两端由铜棒引出，上端为高压极，下端为收集极；采用PVC套管和0.2mm厚的铜皮制作了双层屏蔽罩；高压引线由BNC接头从屏蔽套内层的铜棒引出，屏蔽罩外皮接地；采用同样的方法，用双层屏蔽罩将收集极屏蔽，发射电流信号线由BNC接头从内层与石墨相连铜棒引出；同时收集极直流偏压引线由BNC接头串联一个5MΩ的电阻引出。

更进一步地，所述步骤S3包括：

S31，减小测量电缆外皮中的暂态电流；

S32，示波器的屏蔽；

S33，供电电源的隔离。

更进一步地，所述步骤S31包括：

分压器置于紧靠集中接地极的地点，并以最短的连线相接，此接地连线采用较宽的铜带或铝带；

由分压器到示波器敷设宽度较大的金属板或金属带作为接地连线，测量电缆应沿此接地连线紧靠地面敷设，使电缆外皮与接地连线构成的回路面积尽量减小；

测量电缆长度应尽可能短；

测量电缆采取两端匹配的接线方式；

提高同轴电缆中传递的被测电压信号，使共模干扰所占比重减小，即提高电缆传递环节的信噪比，以降低干扰对测量的影响；示波器通过外接20dB衰减器与测量电缆连接，使测量电缆中传输的被测电压信号取较高的电平，以提高信噪比，减小干扰的影响。

本发明的优点：

本发明通过共点接地、屏蔽、双端匹配、线路连接以及设备布置等方式，妥善地解决了铁电阴极测试系统的电磁干扰问题。

本发明的真空室腔体结构具有良好的抗电磁干扰性能；采用机械泵和扩散泵获取低真空度；脉冲源输出电压幅值为大，脉冲上沿时间快；设计电磁兼容型电阻分压器和20dB衰减器相结合组成电压测试电路；电流测试部分采用罗氏线圈和耦合电容，屏蔽电磁干扰能力强，测试灵敏度高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的铁电阴极测试系统原理图；

图2是本发明实施例的样品电压测试电路原理图；

图3是本发明实施例的真空腔剖面图；

图4是本发明实施例的改进后分压器结构示意图；

图5是本发明实施例的改进后分压器电路原理图；

图6是本发明实施例的改进后分压器电路测得的脉冲电压波形图；

图7是本发明实施例的发射电流测试电路原理图。

附图标记：

1 为不锈钢真空室、 2 为聚四氟乙烯、 3为托盘、 4 为支架、 5 为高纯石墨、6为铜电极、7为弹簧、8为陶瓷样品、9为屏蔽丝网；

51为匹配电阻 52为高压臂电阻 53为低压臂电阻、54为铜箔圆筒、55为BNC接头、56为不锈钢屏蔽盒、57为真空腔。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明的一个方面，提供了一种铁电阴极测试系统。

参考图1，如图1所示，一种铁电阴极测试系统，包括高压脉冲电源、真空室、发射电流测试电路、样品电压测试电路；

所述高压脉冲电源分别连接真空室的一端和样品电压测试电路；

所述发射电流测试电路连接真空室的另一端；

所述样品电压测试电路连接示波器。

本发明通过共点接地、屏蔽、双端匹配、线路连接以及设备布置等方式，妥善地解决了铁电阴极测试系统的电磁干扰问题。

本发明的真空室腔体结构具有良好的抗电磁干扰性能；采用机械泵和扩散泵获取低真空度；脉冲源输出电压幅值为大，脉冲上沿时间快；设计电磁兼容型电阻分压器和20dB衰减器相结合组成电压测试电路；电流测试部分采用罗氏线圈和耦合电容，屏蔽电磁干扰能力强，测试灵敏度高。

参考图2，如图2所示，所述样品电压测试电路包括电阻R0、R01、R1、R2、R3、R4、双屏蔽通轴电缆Z、衰减器；

所述电阻R0、R01串联后电阻R0一端连接高压脉冲电源，电阻R01一端连接地；

所述电阻R1、R2串联后电阻R1一端连接高压脉冲电源，电阻R2一端连接地；

所述电阻R3一端连接于电阻R1、R2之间，另一端连接双屏蔽通轴电缆Z的一端；

所述衰减器一端分别连接双屏蔽通轴电缆Z的另一端，衰减器另一端连接示波器；

所述电阻R4跨接于衰减器的一端和地之间，双屏蔽通轴电缆Z、衰减器与样品电压测试电路共地连接。

R0＝47.8Ω R01＝6.9Ω R1＝792.4Ω R2＝48.7Ω R3=0.2Ω R4=50Ω Z=48.9Ω。

参考图7，如图7所示，所述发射电流测试电路包括直流电源（0-5kV）、隔直电容C1、罗氏线圈K、电阻R5、R6；

所述直流电源分别连接石墨收集极FC和电阻R5；

所述电阻R5一端连接直流电源，另一端分别连接石墨收集极FC；

所述罗氏线圈K一端连接电阻R5，另一端连接电容C1；

所述电阻R6一端连接电容C1，另一端连接地。

真空室的外径和真空室壁的厚度

根据电磁场辐射原理可知：感应电磁场与距离的平方成反比，辐射电磁场与距离成反比。所以可以认为，屏蔽间距愈大，电磁场强度衰减幅度愈大。换言之，屏蔽效果将愈提高；屏蔽间距设计原则上，以大为佳。在条件允许情况下，水平屏蔽间距可选用20cm~30cm；垂直屏蔽间距可选用50cm~60cm。一般情况下，在保证屏蔽体有良好的高频电气接触性能与良好的射频接地时，屏蔽间距可以缩小到10cm~20cm。对于铁电阴极发射实验，间距的加大有利于提高屏蔽效果，也有利于实验操作（经常需要取换铁电样品）。但是，间距过大不利于抽真空，同时也增加了栅极的接地电阻。因此，基于实验实际情况，综合考虑选择屏蔽室的直径应≥15cm（外径）。这里将真空腔体的尺寸设计为Φ200mm×200mm。

对于真空室壁厚度的考虑，由于实验中所辐射的高频电磁波对不锈钢的穿透深度很小，只有百分之几个毫米，因此真空室厚度的设计，在满足实验中所需真空度下的耐压强度的前提下，加厚一些可以降低栅极的接地电阻。

真空室腔体结构及材料选择：

腔体结构设计为上入下出的圆筒形同轴结构，即激励脉冲源从腔体顶端引入，电子发射信号从底部引出(如图3所示)，这样做的目的主要是为了降低电磁干扰。由于腔体顶端接地，所以腔体中心轴和腔壁形成回路，有相反方向的电流从中心轴和腔壁流过，从而在一定程度上减弱了空间磁场。

在腔体材料的选择方面，考虑到实验中需要栅极接地以及整个实验平台的电磁兼容性等问题，选用金属作为真空室制作材料。金属机械强度高，不易破坏，饱和蒸气压较低，因此在金属之间选择真空室的材料主要应该考虑的问题是其气密性及放气速率。常用来制造真空容器的金属材料有碳钢、不锈钢、合金钢，不锈复合钢板、铜、铝及金等。根据实际加工的需要，主要考虑在铜和不锈钢之间选择。

表1 不锈钢和铜的常温出气速率

参照上面的表格，室温下不锈钢表面放气速率小，气体对不锈钢的渗透速率比较小，其真空性能优于铜。不锈钢化学稳定性好，耐腐蚀，温度稳定性高，机械强度好，是真空系统的较好材料。铜的导热和导电性很好，也具有较好好的真空性能，在低温时亦能保持较高的塑性和冲击韧性，易加工。但是铜长期暴露在空气中容易生锈，真空性能和机械强度不及不锈钢，价格高于不锈钢。从材料的真空性能、机械性能、耐腐蚀和价格比等方面考虑，选择不锈钢要优于铜。所以腔体材料定为不锈钢，化学式为1Cr18Ni9Ti。不锈钢材料一方面具有较好的导电性能，同时机械强度较高，易于加工成各种形状。此外，腔体设计上一律采用聚四氟乙烯作为绝缘材料，这也是基于绝缘性能和机械强度两方面的考虑。

（4）真空腔绝缘内衬的选择

根据本实验的实际需要，真空腔绝缘内衬的选择主要考虑到：绝缘性能好，真空性能好，耐腐蚀、温度稳定性好等方面。应用于真空系统的塑料主要是聚四氟乙烯、聚乙烯和聚氯乙烯。与聚四氟乙烯相比，聚乙烯和聚氯乙烯温度使用范围较窄一般为-40~60℃，当高于60℃时，机械性能极差，这里采用聚四氟乙烯。聚四氟乙烯（PTFE）具有以下优点：① 组织至密，透气率很低，在真空中，如果温度不高，放气量很小，当温度升至200℃~300℃时，放气率急剧增加，在400℃时开始发生分解而放出有毒的气态氟；② 电绝缘性能优异，电阻率高达1×1017Ω·cm，并且不受工作环境、温度和频率的影响，具有良好的耐电弧性；③ 介电性能好，介电强度为60kV/mm，介电损耗角正切角小，在1MHz下，

≤2.5×10-4；④ 耐低温性能较好，可在-250~260℃温度内长期使用；⑤ 具有非常好的化学稳定性，耐腐蚀；⑥ 聚四氟乙烯不溶于任何一种有机溶剂，不吸水也不被浸润。

（5）铁电阴极样品支撑结构

样品的支撑结构包括样品托盘和支架。考虑到实验中要更换不同大小、不同厚度、不同形状以及不同电极构造(栅电极接地)的样品，腔体内放置样品的托盘采用可拆卸结构。制作多套样品托盘，发射孔径分别为

等，对于不同尺寸特征的样品，只需更换对应的托盘即可。

为降低栅极接地电阻，样品托盘位置尽量低，考虑到收集极高度的调节，这里托盘高度设计为30mm。支架焊接在真空室腔壁上，托盘和支架之间由三个螺钉紧密搭接，保持样品托盘和支撑架之间的接触面干净。连接部分要保持一定的接触压力，螺钉紧固，螺钉紧固间距要足够小；接触面加工成有规律的粗糙面，这种处置比光加工好。

（6）电极连接

基于导电性能方面的考虑，实验中选用铜连接杆作为激励脉冲源和样品背电极的连接通路。为了保证该连接杆和背电极之间良好和可靠的电接触，起初采用螺纹结构。然而，如果样品比较薄，在紧固螺纹的过程中，样品容易碎裂。为了在良好电接触的同时又能保证连接杆与试样背电极之间的软连接，改进后的连接杆中内置了一个弹性系数较小的软弹簧。为了减小感性干扰，结构上选用了较粗的连接杆。

（7）收集极

电子收集极设计方面，选择石墨作为收集极材料。之所以选用石墨而不选用一般金属材料(如铜)作为收集电子的阳极材料，是由于石墨常温下的化学性质是惰性的，具有良好耐热性不易产生氧化，在高温时不会像金属那样在表面形成固态化合物，而是生成CO、CO2并挥发掉，并且石墨具有不亚于金属的导热性和较好的导电性。另外，金属质地较石墨为硬，电子自发射极飞逸后，碰到铜金属表面，大部分被铜吸收，而又有部分电子发生二次折射，如同弹性球一样，从铜收集极弹出。石墨收集极质地软而疏松，导电性好，因此更适合收集电子。

设计的石墨为D=45mm的平面圆台型石墨，为了降低石墨的电阻，石墨高度要薄一些，选择15mm。通过螺纹把石墨电极与腔体底端的铜棒相连，将发射信号导至腔体外。通过旋转螺纹可以改变石墨的高度，进而改变阳极－阴极距离。

图4给出了电子发射系统的真空腔剖面图。其中，侧面的抽气孔采用了Ф100mm的较大尺寸，目的是为了提高抽气速度。

本套电子发射系统真空的获得是通过前级泵(机械泵)和主泵(扩散泵)的协同工作来实现的。

本套系统采用TK-150扩散泵，加热功率为1.2KW。扩散泵由泵壳、泵芯、蒸发锅、加热器、冷却水管(套)等组成。该泵将泵壳在一级喷嘴与二级喷嘴之间作成凸腔型，便于增加抽气速率。泵壳主要供装置泵芯、隔绝大气及冷凝油蒸汽用，其内表面经抛光处理。泵芯由数级喷嘴及数个蒸汽管组成，采用中心拉杆将其固定在泵壳内。

高压脉冲电源的选取：

实验中使用的脉冲源是上海三基电子工业有限公司生产的ENS-24XA型高频噪声模拟器。ENS-24XA能提供最大输出幅值为2.2kV，脉宽为50ns~1μs的矩形脉冲，矩形脉冲的上升时间为

，脉冲极性可正可负。

电压测试：

涂有电极的陶瓷在电路中可看作一个电容。实验中需要测量的陶瓷两侧的电压，由于激励电压较高，需采用电阻式分压器测量。分压器类型选择电阻式分压器，图2为测试电路图。

图2中，R0和 R01是匹配虚拟电阻，用于减小电阻之间、电阻与地之间的杂散电容，R1 是高压臂电阻，R2是低压臂电阻，示波器记录的是低压臂两侧的电压。同轴电缆及衰减器是数字示波器探头附带的。

分压比的设计与确定

任何电阻都具有一定的杂散电感，电阻之间、电阻与地之间都有一定的杂散电容，分压器和测量回路中不可避免的还有引线。这样，设计纳秒级响应时间的电阻分压器就必须考虑分布参数对电阻分压器响应时间的影响。

考虑了分布杂散参数的电阻分压器输出波形的10%~90%上升时间为:

（1）

其中R为分压器的总电阻，C为分压器总对地电容。即电阻分压器的上升时间正比于总电阻与总对地电容之积。因此要减小分压器的上升时间，应尽可能减小分压器对地电容和总电阻值。要求电阻的杂散电感很小，减小测量波形的振荡，同时必须满足

，对于低压臂电阻，其对地的杂散电感也要求很小，也必须满足

。无感电阻，其电感也接近0.1μH~0.1mH的量级。整个分压器对地电容一般为1~几百PF量级，同轴电缆的对地电容一般为100PF/m。因此对于一级电阻分压器，要求低压臂电阻不能太小，分压比不能太大。

根据上述分析，基于本实验的特点对电阻分压器高压臂、低压臂电阻以及匹配电阻进行设计，如图2所示。下面计算分压器理论分压比

（2）

对分压比的修正，按每100m电缆将使冲击电压峰值衰减2%估算，分压比

可修正为

（3）

其中，

为测量电缆长度，单位m。

（4）

将设计好的分压器放入图2所示的电路中，脉冲源输出不同电压，示波器记录低压臂两侧的电压，输出终端通过20dB衰减器接入示波器。对电路的实际分压比进行测量，测量值略低于理论值，表2给出了实验结果。后面的实验中所使用的分压比均采用表2测量得的分压比。

表2分压器分压比测量（终端接20dB衰减器）

提出了电磁兼容性分压器结构。该分压器的高、低压臂和匹配电阻均采用相同材质和工艺制做的陶瓷无感电阻,且低压臂和匹配电阻均采用同轴结构配置，BNC接头的芯线与圆筒电阻的轴心重合，使得轴心电流方向和电阻体电流方向相反。并将其放入由0.2mm厚铜箔做成的金属圆筒中，中间绝缘。圆筒的顶端与屏蔽盒连接共地，以减小电感效应。整个分压器放入不锈钢做的屏蔽盒中。图5为改进后分压器示意图，图6为用该分压器测得的脉冲电压波形。从图中可以看出，改进后的分压器测得的脉冲电压波形得到了大大改善。

无感电阻网络同轴分流器的结构特点为:

a) 电阻排列及接口设计均用同轴结构, 对称性好, 外部采用金属圆桶, 能减少分布参数影响, 屏蔽杂散磁场。信号经同轴电缆接入示波器, 保真性好；

b) 电阻之间连接部件由黄铜制成, 表面镀银, 导电性好，电阻和导线之间连接用焊锡焊接；高压输入端采用BNC接头与脉冲源输出电缆端接，低压臂输出端采用BNC接头与双屏蔽同轴电缆端接。

c) 分压器放入不锈钢做的屏蔽盒中，以免冲击电压等产生的电磁辐射对外部测量仪器及信号线的干扰。

罗斯(Rogowski)线圈被广泛应用于瞬态高频信号的测量。罗斯线圈法又称空心线圈法，该方法具有测量范围宽，响应频率宽，与被测回路无电的联系，体积小以及安装方便等优点。

如图7所示，电流测试电路有直流电源（0-5kV）、隔直电容、罗氏线圈和电阻组成。整个测试电路放在铝制屏蔽盒中。在实验条件下，栅极的电位为零，收集极的电位在电子到达前也为零，因此，发射的电子在收集极和栅极间有一个分配。而且，自发射电子的初速毕竟是有限的，并且满足一个分布，为引出更多的电子，须加一个抽取电场。在石墨收集极FC上加一个直流高压，以实现给发射电子加一个抽取电场，改善极间电流分配的目的。

石墨收集极FC用来收集电子，通过螺纹把石墨电极与腔体底端的铜棒相连，将发射信号导至腔体外。

图3中，5MΩ的电阻对发射电流而言是相当大的，近似开路，它把发射电流与直流高压源隔开。电容的选取必须满足：

（1）不能使发射电流信号失真，即信号因为

而损失的部分一定要小到可以忽略；罗氏线圈的输出阻抗为50Ω，是通过电磁感应的方法测量发射电流的；耦合电容用于滤波，消除干扰信号，要求容抗很小；满足公式：

（2）C太大容易形成震荡，也会使信号失真。因此C不宜太大。应该满足：

L为罗氏线圈电感，C _等效为与示波器并联的等效电容，BW为与示波器带宽。

当震荡频率大于示波器的带宽时，在示波器上就显示不出震荡来。本实验中的耦合电容采用100nF聚丙烯无感电容。

测量设备的选择

（1）示波器

Tektronix公司生产的TDS724C型双通道数字存储示波器。带宽为500M，最高采样率为1G/s。对于TDS724C，上升时间和带宽的关系满足：

，

。

（2）罗氏线圈

实验中使用的罗斯线圈是Pearson公司生产的6585型罗斯线圈PEARSON CURRENTMONITOR MODEL 6585。作为测量电子发射电流信号的手段。该线圈具有如下诸多优点：

（a）具有非常强的屏蔽电磁干扰能力；

（b）通用性强，采用标准BNC接头，且输出阻抗为50Ω；

（c）带宽范围大，400Hz~250MHz，能够探测所有不快于1.5ns的上升沿；

（d）能够探测峰值不超过500A、均方根不超过10A的电流信号；

（e）线圈的测试灵敏度为1V/A

1%。

（3）测量电缆

为了保证较好的波形传输性能和抗干扰性能，测量电缆选用双屏蔽高频同轴电缆。测量电线的长度应尽可能短，以减小被测波形在测量电缆中的衰减变形，以及降低测量电缆中形成的电磁干扰。实验中所用测量电缆的长度为1m。同轴电缆的内径a=1.38mm，外径b=4.62mm，绝缘介质聚四氟乙烯

，由此计算电缆阻抗。

（5）

（4） 高压引线

高压引线应采用低电感、低电阻、截面积较大、多个均匀分裂导线相并联的导线。减小单个导线周围的电场，以避免电晕影响测量系统的性能，而且高压引线尽量短。这里选用长12cm、宽2cm、厚1.5mm的紫铜编制带作为高压引线。

根据本发明的又一个方面，提供了一种铁电阴极测试方法，包括以下步骤：

S1，真空室为测试提供真空环境，真空室中的电磁屏蔽室抑制内部高频电磁辐射对外部设备的干扰，屏蔽外部电磁辐射对内部电路的干扰，建立栅极与大地的低电阻通路，防止高压放电危及人身安全；

S2，测试中选用油扩散泵作为主泵来获得高真空，真空环境的获得是通过前级泵(机械泵)和主泵(扩散泵)的协同工作来实现的；

S3，测量设备的连接与布置方法；

S4，抗干扰方法。

所述步骤S3包括：

分压器与试品的位置：分压器以高压引线直接连到试品的高压端，而不应连到冲击电压发生器输出端或直接接在发生器与试品间的连接线上，以免在测量中包括这段连接线上的电感压降。

测试设备的接地：示波器到分压器之间用宽2cm、厚1.5mm的紫铜编制带互相连结，使电缆外皮中的暂态电流减弱，以降低电磁干扰。冲击电压发生器接地端通过电流较大，为了降低此接地的阻抗，直接连接到紫铜编制带上。

紧靠分压器附近有集中的接地极，分压器与试品接地端采用2cm，厚0.2mm铜箔宽带与此接地极相连。分压器与试品的接地端直接连接（共地），自成回路。并尽量减小此接地回路的阻抗，以降低回路阻抗压降造成的测量误差。

测量电缆的端部匹配：测量电缆两端与分压器及测量仪器连接处应采取匹配措施，以防止波在电缆中多次反射引起波形振荡。实验中采用两端匹配的匹配方式。

示波器外接衰减器：为使测量电缆中传输的被测电压信号取较高的电平，以提高信噪比，减小干扰的影响，在测量电缆终端使用衰减器。使用分压器另一方面可以提高分压器比，示波器通过外接衰减器与测量电缆连接。实验中选用20dB，带宽为3GHz的衰减器。

真空室引线：真空室的设计采用同轴结构。上下两端由铜棒引出，上端为高压极，下端为收集极。为了屏蔽高压极的电磁辐射，采用PVC套管和0.2mm厚的铜皮制作了双层屏蔽罩。高压引线由BNC接头从屏蔽套内层的铜棒引出，屏蔽罩外皮接地。采用同样的方法，用双层屏蔽罩将收集极屏蔽，发射电流信号线由BNC接头从内层与石墨相连铜棒引出。同时收集极直流偏压引线由BNC接头串联一个5MΩ的电阻引出。

电磁干扰主要有三方面来源：测量电缆及触发信号电缆外皮中流过的暂态电流；间隙放电时产生的空间电磁波辐射；示波器电源线引入的干扰和电位。对于这三方面干扰来源均需采取相应的抗干扰措施。

所述步骤S3包括：

S31，减小测量电缆外皮中的暂态电流；

S32，示波器的屏蔽；

S33，供电电源的隔离。

所述步骤S31包括：

测量电缆外皮中暂态电流引起的电磁干扰通常称作共模干扰。在实际测量中，与其它来源造成的干扰相比，这种干扰往往最为严重，必须予以充分重视。为降低共模干扰水平，采取如下措施。

分压器置于紧靠集中接地极的地点，并以最短的连线相接，此接地连线采用较宽的铜带或铝带；

由分压器到示波器敷设宽度较大的金属板或金属带作为接地连线，测量电缆应沿此接地连线紧靠地面敷设，使电缆外皮与接地连线构成的回路面积尽量减小；

测量电缆长度应尽可能短；

测量电缆采取两端匹配的接线方式；

提高同轴电缆中传递的被测电压信号，使共模干扰所占比重减小，即提高电缆传递环节的信噪比，以降低干扰对测量的影响；示波器通过外接20dB衰减器与测量电缆连接，使测量电缆中传输的被测电压信号取较高的电平，以提高信噪比，减小干扰的影响。

本发明着针对铁电阴极的发射中可能遇到的电磁干扰问题，提出相应的解决方法。在此基础上，综合各种主要电磁干扰控制手段，通过结构设计、接地、屏蔽、阻抗匹配、线路连接以及设备布置等方式，对所建立的测试系统进行反复调试与改进，妥善地解决了这些电磁干扰问题，获得了比较满意的测试结果，本发明提出了一套可靠的铁电阴极电子发射测试系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种铁电阴极测试系统，其特征在于，包括高压脉冲电源、真空室、发射电流测试电路、样品电压测试电路；

所述高压脉冲电源分别连接真空室的一端和样品电压测试电路；

所述发射电流测试电路连接真空室的另一端；

所述样品电压测试电路连接示波器。

2.根据权利要求1所述的铁电阴极测试系统，其特征在于，所述样品电压测试电路包括电阻R0、R01、R1、R2、R3、R4、双屏蔽通轴电缆Z、衰减器；

所述电阻R0、R01串联后电阻R0一端连接高压脉冲电源，电阻R01一端连接地；

所述电阻R1、R2串联后电阻R1一端连接高压脉冲电源，电阻R2一端连接地；

所述电阻R3一端连接于电阻R1、R2之间，另一端连接双屏蔽通轴电缆Z的一端；

所述衰减器一端分别连接双屏蔽通轴电缆Z的另一端，衰减器另一端连接示波器；

所述电阻R4跨接于衰减器的一端和地之间，双屏蔽通轴电缆Z、衰减器与样品电压测试电路共地连接。

3.根据权利要求1所述的铁电阴极测试系统，其特征在于，所述发射电流测试电路包括直流电源、隔直电容C1、罗氏线圈K、电阻R5、R6；

所述直流电源分别连接石墨收集极FC和电阻R5；

所述电阻R5一端连接直流电源，另一端分别连接石墨收集极FC；

所述罗氏线圈K一端连接电阻R5，另一端连接电容C1；

所述电阻R6一端连接电容C1，另一端连接地。

4.一种铁电阴极测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，真空室为测试提供真空环境，真空室中的电磁屏蔽室抑制内部高频电磁辐射对外部设备的干扰，屏蔽外部电磁辐射对内部电路的干扰，建立栅极与大地的低电阻通路，防止高压放电危及人身安全；

S2，测试中选用油扩散泵作为主泵来获得高真空，真空环境的获得是通过前级泵和主泵的协同工作来实现的；

S3，测量设备的连接与布置方法；

S4，抗干扰方法。

5.根据权利要求4所述的铁电阴极测试方法，其特征在于，所述步骤

S3包括：

分压器与测试品的位置：分压器以高压引线直接连到试品的高压端，而不应连到冲击电压发生器输出端或直接接在发生器与试品间的连接线上，以免在测量中包括这段连接线上的电感压降；

测试设备的接地：示波器到分压器之间用宽2cm、厚1.5mm的紫铜编制带互相连结，使电缆外皮中的暂态电流减弱，以降低电磁干扰；冲击电压发生器接地端通过电流较大，为了降低此接地的阻抗，直接连接到紫铜编制带上；

紧靠分压器附近有集中的接地极，分压器与试品接地端采用2cm，厚0.2mm铜箔宽带与此接地极相连；分压器与试品的接地端直接连接共地，自成回路；并尽量减小此接地回路的阻抗，以降低回路阻抗压降造成的测量误差；

测量电缆的端部匹配：测量电缆两端与分压器及测量仪器连接处应采取匹配措施，以防止波在电缆中多次反射引起波形振荡；测试中采用两端匹配的匹配方式；

示波器外接衰减器：在测量电缆终端使用衰减器，选用20dB，带宽为3GHz的衰减器；

真空室引线：真空室的设计采用同轴结构，上下两端由铜棒引出，上端为高压极，下端为收集极；采用PVC套管和0.2mm厚的铜皮制作了双层屏蔽罩；高压引线由BNC接头从屏蔽套内层的铜棒引出，屏蔽罩外皮接地；采用同样的方法，用双层屏蔽罩将收集极屏蔽，发射电流信号线由BNC接头从内层与石墨相连铜棒引出；同时收集极直流偏压引线由BNC接头串联一个5MΩ的电阻引出。

6.根据权利要求4所述的铁电阴极测试方法，其特征在于，所述步骤

S3包括：

S31，减小测量电缆外皮中的暂态电流；

S32，示波器的屏蔽；

S33，供电电源的隔离。

7.根据权利要求6所述的铁电阴极测试方法，其特征在于，所述步骤

S31包括：

分压器置于紧靠集中接地极的地点，并以最短的连线相接，此接地连线采用较宽的铜带或铝带；

由分压器到示波器敷设宽度较大的金属板或金属带作为接地连线，测量电缆应沿此接地连线紧靠地面敷设，使电缆外皮与接地连线构成的回路面积尽量减小；

测量电缆长度应尽可能短；

测量电缆采取两端匹配的接线方式；

提高同轴电缆中传递的被测电压信号，使共模干扰所占比重减小，即提高电缆传递环节的信噪比，以降低干扰对测量的影响；示波器通过外接20dB衰减器与测量电缆连接，使测量电缆中传输的被测电压信号取较高的电平，以提高信噪比，减小干扰的影响。

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