CN113205985A - 一种基于光电子发射引出量子电流的方法及系统 - Google Patents

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    • H01J3/02—Electron guns
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Abstract

本发明公开了一种基于光电子发射引出量子电流的方法及系统，属于电学计量量子化技术领域。本发明方法，包括：调节激光器的功率及发出的激光频率；控制激光器发出激光，并以预设角度射入光阴极电子枪光阴极的材料表面；当光阴极的材料表面内的电子与激光光子发生交互作用，且由穿隧效应引起电子迁移至金属表面并发射形成光电子后，在光阴极电子枪外阳极处施加强电场，将光电子引出，生成量子电流。本发明突破了传统的基于单电子隧道效应的电流量子化方式的限制，使得电流的流强有极大提高，同时也改进了电子源输出电子束流的稳定性。

Description

一种基于光电子发射引出量子电流的方法及系统
技术领域
本发明涉及电学计量量子化技术领域，并且更具体地，涉及一种基于光电子发射引出量子电流的方法及系统。
背景技术
计量基准作为国家计量体系量值的源头，是国家重要的战略资源，其能力提升将直接带动国家计量体系服务能力的提高，为各行各业提供更精准的测量技术，从而促进产业的升级和高质量发展，推动产品质量的提升。电力物联网中信息感知依赖智能传感器，其量值准确可靠是信息应用的基础。
而传统的实物、逐级、长链条的量值溯源方式已经不能满足这种大规模的泛在需求，随处可复现的量子溯源技术、网络化在线溯源系统便成为了必然要求，由于近代物理学的飞速发展，使得电学计量基标准取得了重大突破，尤其是电压和电阻基准，都实现了由实物基准向量子基准的转变，如何建立电流量子基准成为当前电学计量发展的热点。
发明内容
本发明为了克服目前单电子隧道效应数单个电子导致的量程极低的困难，且提高输出量子电流的流强和稳定度，实现电流量子化的需求，提出了一种基于光电子发射引出量子电流的方法，包括：
调节激光器的功率及发出的激光频率；
控制激光器发出激光，并以预设角度射入光阴极电子枪光阴极的材料表面；
当光阴极的材料表面内的电子与激光光子发生交互作用，且由穿隧效应引起电子迁移至金属表面并发射形成光电子后，在光阴极电子枪外阳极处施加强电场，将光电子引出，生成量子电流。
可选的，激光器的功率根据光阴极的表面材料进行调节。
可选的，激光频率根据所需生成量子电流的束团的量进行调节。
可选的，强电场通过引出电极施加，所述引出电极为2个电极或3个电极组合的结构，结构根据光阴极电子枪及激光器发出的激光进行调节。
可选的，方法还包括，在光阴极的表面镀膜，制造表面微结构。
本发明还提出了一种基于光电子发射引出量子电流的系统，包括：
初始模块，调节激光器的功率及发出的激光频率；
激光发射模块，控制激光器发出激光，并以预设角度射入光阴极电子枪光阴极的材料表面；
输出模块，当光阴极的材料表面内的电子与激光光子发生交互作用，且由穿隧效应引起电子迁移至金属表面并发射形成光电子后，在光阴极电子枪外阳极处施加强电场，将光电子引出，生成量子电流。
可选的，激光器的功率根据光阴极的表面材料进行调节。
可选的，激光频率根据所需生成量子电流的束团的量进行调节。
可选的，强电场通过引出电极施加，所述引出电极为2个电极或3个电极组合的结构，结构根据光阴极电子枪及激光器发出的激光进行调节。
本发明突破了传统的基于单电子隧道效应的电流量子化方式的限制，使得电流的流强有极大提高，同时也改进了电子源输出电子束流的稳定性。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明方法实施例的基于光阴极电子枪量子电流总体结构示意图
图3为本发明方法实施例的光电子发射引出示意图；
图4为本发明方法实施例的光阴极发射电子原理图；
图5为本发明方法实施例的光电子束流引出模拟图；
图6为本发明系统的结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
本发明为了克服目前单电子隧道效应数单个电子导致的量程极低的困难，且提高输出量子电流的流强和稳定度，实现电流量子化的需求，提出了一种基于光电子发射引出量子电流的方法，如图1所示，包括：
调节激光器的功率及发出的激光频率；
控制激光器发出激光，并以预设角度射入光阴极电子枪光阴极的材料表面；
当光阴极的材料表面内的电子与激光光子发生交互作用，且由穿隧效应引起电子迁移至金属表面并发射形成光电子后，在光阴极电子枪外阳极处施加强电场，将光电子引出，生成量子电流。
其中，激光器的功率根据光阴极的表面材料进行调节。
其中，激光频率根据所需生成量子电流的束团的量进行调节。
其中，强电场通过引出电极施加，所述引出电极为2个电极或3个电极组合的结构，结构根据光阴极电子枪及激光器发出的激光进行调节。
其中，在光阴极的表面镀膜，制造表面微结构。
下面结合实施例对本发明进行进一步的说明：
本发明主要流程实现过程包括：激光发射-光阴极光电子产生-直流场引出形成稳定量子电流，具体如下：
激光调控：通过对激光的调控，可以改变照射到光阴极材料表面的激光的强度和频率，进而改变发射的光电子的数量而形成不同强度的束流，激光器频率的选择取决于选择的光阴极的材料，从紫外覆盖到红外波段。
激光的调控分为：
a.功率的调控，通过改变激光器输出的功率，改变单位时间照射到光阴极表面光子的数目；
b.脉冲频率调控，在激光输出不变的情况下，通过铌酸锂调制器改变光路中激光微脉冲数目，从而改变光电子发射微束团的个数。
通过功率和脉冲频率的调控，可精准的控制入射到光阴极材料表面的光子的数目。
光电子量子发射：高稳定度激光照射光阴极材料表面，材料内电子与入射光子的交互作用，穿隧效应引起电子迁移至金属表面并发射形成光电子。
入射的光子与光阴极材料的作用分为三个步骤：
1)材料内电子与入射光子的交互作用，涉及吸收与反射；
2)材料内电子迁移至材料表面的过程，涉及电子间散射；
3)外场造成的Schottky效应、镜像电荷势与电子自材料表面内侧到真空侧的过程。通过激光的调控，可改变参与者以过程的电子数量，从而改变发射的光电子数目。
电场引出：光阴极材料表面发射的光电子初始能量低发射度较大，受到阴极材料、温度以及外加电势等影响，同时空间电荷效应也对热电子发射有限制作用，因此必须引出较强外电场对发射的初始光电子进行加速和引出，尽量减少光电子的损失，从而形成稳定的光电子束流，便于后端设备的传输和电流的探测，引出电极的结构需与结合光电子的发射过程，光阴极结构等因素进行设计，一般采用2电极或者3电极结构，微波引出电场也是一种较好的选择。
本发明突破传统基于单电子隧道效应的电流量子化方式的限制，使得电流的流强有极大提高，同时也改进了电子源输出电子束流的稳定性，新型量子电流装置的高性能，将提升电能计量与传感的准确性，减少测量误差造成的直接经济损失，更高的稳定性将减少各类传感器以及电流互感器的运维成本，避免因电力互感器故障造成的停电事故，减少经济损失，此外本发明还可以用于研制高精度仪器仪表、设备状态检测装置、单电子探测等，具有巨大的市场价值。
下面对本发明各个部分具体内容做详细介绍：
1、激光调控
高稳定度激光照射特殊材料表面，如图2和图3所示，材料内电子与入射光子的交互作用，穿隧效应引起电子迁移至金属表面并发射形成光电子，发射的光电子强度与入射激光的频率，强度和功率密度等密切相关，因此通过调控激光的照射频率和功率，可以对光阴极表面发射的光电子强度进行精准控制。
在激光功率选择方面，以1％的量子效率为例(产生电子束/光子数)，以每脉冲1nC电荷量(10ps束流长度)，1kHz重复频率为例(1uA平均电流)，1nC＝6.25*109个电子，对应6.25*1011个266nm光子，则所需要激光的脉冲能量为：
Figure BDA0002992387200000051
考虑激光转化效率一般为5％，则激光脉冲能量需大于9.3411uJ。
若以1mA平均电流为目标，对应每秒平均产生1mC电子(6.25*1015个电子)，对应光子数为1017个，对应每秒激光脉冲总能量约为0.074J，即激光器输出功率要求为74mW，考虑激光倍频转换效率，则需要的功率为W量级，在需要调控输出量子电流情况下，可以通过改变激光功率来实现，以上述计算为例，当需要1mA时，激光输出功率为W级，当需要10uA时，相应的减小激光输出功率为10mW。
在激光脉冲频率调控方面，不论是连续激光器还是脉冲激光器，均可通过在光路上增加调制器改变照射到光阴极材料上的激光有效时间，有效功率P与输出功率P0之间的关系为：
I＝I0*η
2、光电子量子发射，原理如图4所示：
常见光阴极材料有金属或半导体发光材料，金属光阴极在较高加速场梯度下，通过Schottky效应，能提高量子效率，并且缓和电子间库伦斥力效应，另外，相对于半导体发光材料，金属光阴极对真空的要求也相对较低(约10-9 torr)，光阴极材料的工作系数(duty factor)与量子效率有关，连同其稳定性，皆取决于激光的平均功率与稳定性，光阴极材料的量子效率与激光的平均功率、波长，与能汲取的平均电流之间有以下估计：
Figure BDA0002992387200000061
一般金属光阴极的量子效率大约在10-5至10-4数量级，半导体发光材料则在10-3至10-1之间，复合材料有些可以达到1左右。一般应用于高亮度光阴极电子发射的激光系统平均功率控制在100 W以下，可以看到，寻常的金属光阴极材料大概可以提取的平均电流约在mA量级，若要提高金属光阴极的量子效率，研究高量子效率的光电子发射机制，可以考虑在阴极表面镀膜，制造表面微结构，激发表面等离激元，从而提取更高的平均电流。
光阴极发射过程拆解为三个过程：
材料内电子与入射光子的交互作用，涉及光子吸收与反射过程，发生交互作用的光子数目与入射到阴极材料表面的激光的功率直接相关；
材料内电子迁移至表面的过程，涉及电子间散射，低能级的电子接收到光子的能量后发生跃迁，遂穿至材料表面，完成量子发射过程，由于光子的是一份份的，且能量一致，因此电子发射的过程也是量子化的；
外场造成的Schottky效应、镜像电荷势与电子自金属表面内侧到真空侧的过程，遂穿至表面的电子起始位置、能量和速度等均受到多物理场的影响。
3、高稳定度电场引出，模拟图如图5所示：
阴极发射的电流密度会受到阴极材料、温度以及外加电势等影响，同时空间电荷效应也对热电子发射有限制作用。阴阳极之间会出现空间电荷ρ分布、速度v的分布，它们与电势和电场共同满足：位场的泊松方程、电子运动方程和电荷连续性方程。在一定条件下此电子流会形成动态平衡。
当束流处于动态平衡稳流时，大量积累的空间电荷造成阴极表面的电位V的急剧下降，在阴极表面处V′＞0时，电子会连续地从阴极被拉出来，使得电荷密度ρ继续增大。当V′＜0，电子又会被推回阴极，当ΔV＝V′＝0时，极间电荷达到动态平衡，此时，阳极运动的电子将由阴极的电子来补充以维持平衡。此种限制是理论上能达到的最高流强，此现象称为空间电荷限流。
令阳极电压为U0，阴极电势为0，两个电极间距离为d，阴极产生的电子在将电场E的作用下从阴极向阳极运动，假设间隙的横向尺寸远大于纵向尺寸d，因此可以只考虑z方向的速度分量和电场分量，粒子的轨迹在极间近似为直线。
两极板间的电位分布满足泊松方程，形式如下：
Figure BDA0002992387200000071
将式(4)中的体电荷密度ρ变换可得：
Figure BDA0002992387200000072
已知边界条件为U|z＝0＝0，U|z＝d＝Ua可得：
Figure BDA0002992387200000073
最后可得电流密度：
Figure BDA0002992387200000074
光电子束流的流强越大，在阴极材料性质相同的条件下，阴极的横截面越大，发射出的电流密度越高，但是阴极发射出来的电子，不仅初速度不为零，而且方向也不是绝对垂直于发射面的，大小和方向都服从一定的分布规律，因此阴极面越大，形成高品质的聚焦束流也就越困难，因此设计引出电极时要合理选择阴极发射面的大小。
本发明还提出了一种基于光电子发射引出量子电流的系统200，如图6所示，包括：
初始模块201，调节激光器的功率及发出的激光频率；
激光发射模块202，控制激光器发出激光，并以预设角度射入光阴极电子枪光阴极的材料表面；
输出模块203，当光阴极的材料表面内的电子与激光光子发生交互作用，且由穿隧效应引起电子迁移至金属表面并发射形成光电子后，在光阴极电子枪外阳极处施加强电场，将光电子引出，生成量子电流。
其中，激光器的功率根据光阴极的表面材料进行调节。
其中，激光频率根据所需生成量子电流的束团的量进行调节。
其中，强电场通过引出电极施加，所述引出电极为2个电极或3个电极组合的结构，结构根据光阴极电子枪及激光器发出的激光进行调节。
本发明突破了传统的基于单电子隧道效应的电流量子化方式的限制，使得电流的流强有极大提高，同时也改进了电子源输出电子束流的稳定性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于光电子发射引出量子电流的方法，所述方法包括：
调节激光器的功率及发出的激光频率；
控制激光器发出激光，并以预设角度射入光阴极电子枪光阴极的材料表面；
当光阴极的材料表面内的电子与激光光子发生交互作用，且由穿隧效应引起电子迁移至金属表面并发射形成光电子后，在光阴极电子枪外阳极处施加强电场，将光电子引出，生成量子电流。
2.根据权利要求1所述的方法，所述激光器的功率根据光阴极的表面材料进行调节。
3.根据权利要求1所述的方法，所述激光频率根据所需生成量子电流的束团的量进行调节。
4.根据权利要求1所述的方法，所述强电场通过引出电极施加，所述引出电极为2个电极或3个电极组合的结构，结构根据光阴极电子枪及激光器发出的激光进行调节。
5.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括，在光阴极的表面镀膜，制造表面微结构。
6.一种基于光电子发射引出量子电流的系统，所述系统包括：
初始模块，调节激光器的功率及发出的激光频率；
激光发射模块，控制激光器发出激光，并以预设角度射入光阴极电子枪光阴极的材料表面；
输出模块，当光阴极的材料表面内的电子与激光光子发生交互作用，且由穿隧效应引起电子迁移至金属表面并发射形成光电子后，在光阴极电子枪外阳极处施加强电场，将光电子引出，生成量子电流。
7.根据权利要求6所述的系统，所述激光器的功率根据光阴极的表面材料进行调节。
8.根据权利要求6所述的系统，所述激光频率根据所需生成量子电流的束团的量进行调节。
9.根据权利要求6所述的系统，所述强电场通过引出电极施加，所述引出电极为2个电极或3个电极组合的结构，结构根据光阴极电子枪及激光器发出的激光进行调节。
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