CN111696847A - 适用于星载大气原位探测的电子源 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种适用于星载大气原位探测的电子源，包括沿电子束流入射方向依次设置的场发射阴极和静电透镜组，场发射阴极包括阴极发射单元和栅极，静电透镜组包括间隔设置的多片静电透镜，其中一片静电透镜相邻栅极设置，相邻栅极设置的静电透镜的设置电压大于开启电压，其余静电透镜的设置电压相对相邻栅极设置的静电透镜的设置电压在‑100V～0V之间调节。电子源使用场发射阴极，能够降低电子源功耗及实现微小型化，在场发射阴极至电子源出口之间设置静电透镜组可以实现电子束流通路的电场屏蔽，通过静电透镜的电压分布调整电子束流聚焦和出射能量，通过略微增大相邻所述栅极设置的静电透镜的设置电压提高电子束流密度。

Description

适用于星载大气原位探测的电子源
技术领域
本发明一般涉及空间环境探测技术领域，尤其涉及一种适用于星载大气原位探测的电子源。
背景技术
为完成大气密度、风场、成分等探测任务，通常需要利用一定能量及通量密度的电子束将中性大气分子电离，再对形成的离子进行分析，反演出所需的大气信息。目前在大气探测中常用电子源通常为热阴极形式，通过加热热阴极材料获得热电子，之后利用栅极等形成电场将热电子加速并形成一定能量的电子束流射出。这种电子源对空间大气探测的应用存在一系列缺点：首先是电子源功耗大，因为热阴极发射电子的前提是阴极被加热形成逸出电子，因此加热将消耗很大一部分功率，而这部分功率往往占到了探测器整机功率的一大部分；其次是热阴极电子源的体积往往较大，不易实现集成化。
场发射阴极是一种不用外加能量而实现电子发射的阴极，其在低功耗，无发射迟滞，高电流密度的应用场合具有广泛应用，比如微波真空功率器件，显示器件，场发射X射线管，真空纳米三极管等领域。目前已经有人将场发射阴极应用在气体探测设备上，虽然解决了传统热阴极电子源带来的上述问题，但仍然存在一些的问题，主要表现在：电子束能量不便调节，场发射电子的最低能量由场发射阴极自身的开启电压决定，导致发射电子能量不一定适合于气体分子的电离，可能造成气体分子电离率偏低及电离成分复杂的问题；另外，电子束方向不够集中，往往造成发射电子较大的损耗，使入射电离室的电子束流密度偏低。
除此以外，目前应用的各类电子源还普遍存在一个问题就是电子束在传输路径上无屏蔽，易受其他电场干扰的问题，由于电子质量小，极易受到电场干扰，造成束流方向的改变及损耗。
由于应用环境要求及安装、供电条件限制，星载大气原位探测任务需要一种功耗低、体积小、电子通路屏蔽效果好，能量调节方便的电子源。目前的电子源不能很好地满足上述要求。为解决这一问题，有必要设计一种新型的电子源。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种功耗低、体积小、电子通路屏蔽效果好，能量调节方便的电子源，从而降低探测器设计难度和工作量，容易实现最优电离效果，更好满足大气电离需求。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种适用于星载大气原位探测的电子源，其特殊之处在于，包括沿电子束流入射方向依次设置的场发射阴极和静电透镜组；
所述场发射阴极包括阴极发射单元和栅极，所述场发射阴极与所述栅极彼此绝缘固连；所述静电透镜组包括间隔设置的多片静电透镜，其中一片所述静电透镜相邻所述栅极设置；
相邻所述栅极设置的所述静电透镜的设置电压大于开启电压，其余所述静电透镜的设置电压相对相邻所述栅极设置的所述静电透镜的设置电压在-100V～0V之间调节。
在一个实施例中，设于各所述静电透镜中间的孔与所述场发射阴极发射面的形状尺寸相同。
在一个实施例中，相邻所述栅极设置的所述静电透镜与所述栅极之间的距离为0。
在一个实施例中，相邻两片所述静电透镜的间距在0～1.0mm之间。优选的，相邻两片所述静电透镜的间距为0.2mm。
在一个实施例中，所述静电透镜的厚度设定为0.1mm～1.0mm。优选的，所述静电透镜的厚度设定为0.2mm。
在一个实施例中，所述静电透镜组所包括的所述静电透镜的数量大于4。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
根据本申请实施例提供的技术方案，适用于星载大气原位探测的电子源，包括沿电子束流入射方向依次设置的场发射阴极和静电透镜组。所述场发射阴极包括阴极发射单元和栅极，所述静电透镜组包括间隔设置的多片静电透镜，其中一片所述静电透镜相邻所述栅极设置，相邻所述栅极设置的所述静电透镜的设置电压大于开启电压，其余所述静电透镜的设置电压相对相邻所述栅极设置的所述静电透镜的设置电压在-100V～0V之间调节。电子源使用场发射阴极，能够降低电子源功耗及实现微小型化，在场发射阴极至电子源出口之间设置静电透镜组可以实现电子束流通路的电场屏蔽，通过静电透镜的电压分布调整电子束流聚焦和出射能量，通过略微增大相邻所述栅极设置的静电透镜的设置电压提高电子束流密度。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例中适用于星载大气原位探测的电子源的结构示意图。
图中：1-场发射阴极，11-阴极发射单元，12-栅极，2-静电透镜组，21-静电透镜，3-电子束流。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如背景技术中提到的，场发射阴极应用在气体探测设备上，存在一些的问题，主要表现在：电子束能量不便调节，场发射电子的最低能量由场发射阴极自身的开启电压决定，导致发射电子能量不一定适合于气体分子的电离，可能造成气体分子电离率偏低及电离成分复杂的问题；另外，电子束方向不够集中，往往造成发射电子较大的损耗，使入射电离室的电子束流密度偏低。除此以外，目前应用的各类电子源还普遍存在一个问题就是电子束在传输路径上无屏蔽，易受其他电场干扰的问题，由于电子质量小，极易受到电场干扰，造成束流方向的改变及损耗。
由于应用环境要求及安装、供电条件限制，因此，如何提供一种功耗低、体积小、电子通路屏蔽效果好，能量调节方便的电子源，以满足星载大气原位探测任务的需要，将成为本申请的改进方向。
本发明的基本构思是采用场发射阴极，在电子束流入射方向设置静电透镜组，静电透镜组其中一片所述静电透镜相邻所述栅极设置，通过静电透镜的电压分布调整电子束流聚焦和出射能量，略微增大相邻所述栅极设置的静电透镜的设置电压提高电子束流密度。基于上述构思，本发明提供了一种适用于星载大气原位探测的电子源。
如图1所示，其示出了本发明适用于星载大气原位探测的电子源。
适用于星载大气原位探测的电子源包括沿电子束流3入射方向依次设置的场发射阴极1和静电透镜组2。所述场发射阴极1包括阴极发射单元11和栅极12，所述场发射阴极1与所述栅极12彼此绝缘固连；所述静电透镜组2包括间隔设置的多片静电透镜21，其中一片所述静电透镜21相邻所述栅极12设置。相邻所述栅极12设置的所述静电透镜21的设置电压大于开启电压，其余所述静电透镜21的设置电压相对相邻所述栅极12设置的所述静电透镜21的设置电压在-100V～0V之间调节。
电子源使用场发射阴极1，能够降低电子源功耗及实现微小型化，在场发射阴极1至电子源出口之间设置静电透镜组2可以实现电子束流3通路的电场屏蔽，通过静电透镜21的电压分布调整电子束流3聚焦和出射能量，通过略微增大相邻所述栅极12设置的静电透镜21的设置电压提高电子束流3密度。
场发射阴极1是具有一定发射面积的面发射电子源，场发射阴极1电子发射面特征尺寸包括发射面的直径d2或者外形包络尺寸。静电透镜21是中间带有一定形状及尺寸孔的金属薄片构成的电子和离子光学器件，静电透镜组2是由多片同类金属薄片组成，静电透镜组2特征尺寸包括单片静电透镜21孔的直径d1或孔的外形包络尺寸。
调整场发射阴极1电子发射面特征尺寸与静电透镜21孔特征尺寸的比值影响电子源出口电子束流3的密度大小。随着该比值从0到1变化，电子的通过率会先减小后增加，但较小的场发射阴极1电子发射面特征尺寸会使得电子发射总数过小，从而导致电子束流3的密度过小，因此为获得较大的电子束流3密度，应增加电子发射面特征尺寸，一般当选择设于各所述静电透镜21中间的孔与所述场发射阴极1发射面的形状尺寸相同，也就是静电透镜21孔的直径d1与发射面的直径d2相等，以获得最优的电子束流3密度。
静电透镜21的数量一般以满足电子通路电场调节需求为准，数量越大越有利于精确调整。优选的是，所述静电透镜组2所包括的所述静电透镜21的数量大于4。需要强调的是，所有静电透镜21中间的孔对齐，各静电透镜21中间的孔特征尺寸和形状相同或存在一定差别。
相邻所述栅极12设置的所述静电透镜21固定在栅极12外部，与栅极12绝缘并保持一定距离l1。相邻所述栅极12设置的所述静电透镜21与栅极12间的距离l1影响电子束流3的通过率，减小间距获得更高的电子束流3通过率，当相邻所述栅极12设置的所述静电透镜21与所述栅极12之间的距离l1为0时，获得最高的电子束流3通过率。
相邻所述栅极12设置的静电透镜21与其余静电透镜21组成一个完整的静电透镜组2，彼此绝缘并保持适当距离。静电透镜21之间的间距l2会对电子束流3通过率及电子能量产生影响。调整静电透镜21之间的间距l2，随着间距l2减小，电子束流3的通过率增大，同时导致电子能量会有微小变化，综合考虑选择较小的间距l2获得最优的通过率及合适的电子入射能量，一般相邻两片所述静电透镜21的间距l2在0～1.0mm之间。优选的，将相邻两片所述静电透镜21的间距l2设为0.2mm，以使得电子束流3通过率和电子能量达到最优。
另外，静电透镜21的厚度h也会对电子束流3通过率及电离室入射电子能量产生影响。调整静电透镜21的厚度h，随着静电透镜21的厚度h减小，电子束流3通过率增大，同时导致电子能量会有微小变化，综合考虑选择较小的透镜厚度获得最优的通过率及合适的电子入射能量，一般所述静电透镜21的厚度h设定为0.1mm～1.0mm。当所述静电透镜21的厚度h设定为0.2mm时，将使电子束流3通过率和电子能量达到最优。
静电透镜21的设置电压的不同分布对应着电子通路中的不同电场状态，因此可以对电子束流3产生不同的束聚焦或平行效果，导致不同的电子碰撞数量，由此最终影响到电子束流3的通过率，另外改变静电透镜21电压分布，使电子通路上的电位发生变化，从而影响电子束飞行过程中的能量，最终导致电子束流3的能量也发生变化。
为便于对本发明的理解，下面结合适用于星载大气原位探测的电子源的具体，对本发明适用于星载大气原位探测的电子源的结构进一步举例说明。
为便于对本发明的理解，下面结合实施例中电子束流的产生过程，对本发明提供的适用于星载大气原位探测的电子源的结构进一步举例说明。
结合本发明各个部件对适用于星载大气原位探测的电子源功耗、体积、电子通路屏蔽效果，能量调节的影响，提出电子源一个较优化的参数组合为：静电透镜21上的孔为圆形，静电透镜21上孔的直径与场发射阴极1发射面的直径比值为1，相邻所述栅极12设置的静电透镜21与栅极12的间距为0，各个静电透镜21的厚度选择0.2mm，相邻两个静电透镜21之间的间距为0.2mm。另外，静电透镜组2的电压同时影响电子束流3通过率和能量，需要根据实际选用的场发射阴极1及电离工况进行设计。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种适用于星载大气原位探测的电子源，其特征在于，包括沿电子束流入射方向依次设置的场发射阴极和静电透镜组；
所述场发射阴极包括阴极发射单元和栅极，所述场发射阴极与所述栅极彼此绝缘固连；所述静电透镜组包括间隔设置的多片静电透镜，其中一片所述静电透镜相邻所述栅极设置；
相邻所述栅极设置的所述静电透镜的设置电压大于开启电压，其余所述静电透镜的设置电压相对相邻所述栅极设置的所述静电透镜的设置电压在-100V～0V之间调节。
2.根据权利要求1所述的适用于星载大气原位探测的电子源，其特征在于，设于各所述静电透镜中间的孔与所述场发射阴极发射面的形状尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的适用于星载大气原位探测的电子源，其特征在于，相邻所述栅极设置的所述静电透镜与所述栅极之间的距离为0。
4.根据权利要求1所述的适用于星载大气原位探测的电子源，其特征在于，相邻两片所述静电透镜的间距在0～1.0mm之间。
5.根据权利要求4所述的适用于星载大气原位探测的电子源，其特征在于，相邻两片所述静电透镜的间距为0.2mm。
6.根据权利要求1所述的适用于星载大气原位探测的电子源，其特征在于，所述静电透镜的厚度设定为0.1mm～1.0mm。
7.根据权利要求6所述的适用于星载大气原位探测的电子源，其特征在于，所述静电透镜的厚度设定为0.2mm。
8.根据权利要求1所述的适用于星载大气原位探测的电子源，其特征在于，所述静电透镜组所包括的所述静电透镜的数量大于4。
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