【技术领域】
[0001] 本
发明一种用于测试和标定场发射电子源阵列的场发射显微镜系统，应用于
真空电子设备、
X射线、电子枪、计算机
断层扫描及
无损检测等技术领域。本系统可用于场发射电子源的测试和标定。【背景技术】
[0002] 场致电子发射(场发射)作为一种纯量子现象已经进行了长年的理论研究。很多种场发射电子源被开发出来，最具代表性的是金属尖锥
阴极和
碳纳米管阴极。基于场发射技术的X射线源具有
工作温度低，没有热
辐射的优点，因此，可以用于开发高
密度的X射线阵列。这是采用传统钨丝热阴极所无法实现的。随着场发射技术的发展，大量新型医疗和工业用X射线影像技术被提出，例如，基于高密度阵列的通量场调制技术和基于多光束的逆几何
计算机断层扫描技术。但是由于缺乏对场发射机理的深入了解，场发射电子源的性能一直不能满足市场化和产业化的需要。为了提高场发射电子源的可靠性和使用寿命，需要一种简便的方法量化地描述和评估场发射电子源的性能。为此我们研制了一种新颖的场发射显微镜系统作为场发射电子源开发的主要检测设备。
[0003] 场发射显微镜最早由埃尔温穆勒于1936年提出，用于研究分子表面结构和电子分布。该方法的结构图示于图1A中，其基本结构是在球形玻璃真空腔101内壁涂敷一层
荧光材料102，作为被研究物体的场发射阴极103被做成尖锥状置于球形玻璃真空腔101的中心，当场发射阴极103连接到高压电源的负极，就会在荧光材料102上显示出电子发射的图案。该技术可以达到0.3纳米的图像
分辨率。然而由于几何结构的限制，现有的场发射显微镜仅能对单个场发射电子源进行观察，无法实现对场发射电子源阵列的研究。此外，该设计采用的荧光材料102有明显的延迟和光晕，使得图像的时间和空间分辨率不能满足对基于
碳纳米管阴极阵列的场发射电子源的观察需求。
[0004] 在我们的早期研究过程中，我们发现聚甲基
丙烯酸甲酯材料具有记录电子分布的能
力，同时该材料所记录的电子束分布可以达到
纳米级的图像分辨率。此外，由于聚甲基丙烯酸甲酯对于
动能较低的电子束的灵敏度比荧光材料高，而且所记录的图像不会消失，采用聚甲基丙烯酸甲酯作为记录材料的场发射显微镜可以用于量化地测量从场发射电子源发射的电子束中电子的累积和分布。该设计的剖面图示于图1B，其基本结构是相互平行的玻璃观察窗111和导电基底115。在玻璃观察窗111上涂敷一层透明导电层112和聚甲基丙烯酸甲酯114。场发射电子源113制作在导电基底115上靠近玻璃观察窗111的一侧。玻璃观察窗111和导电基底115之间用绝缘层116隔开。其中透明导电层112和聚甲基丙烯酸甲酯114的厚度小于100纳米。场发射电子源113的高度范围在几微米至几百微米之间。绝缘层116的厚度从100微米至几百微米。该设计可参阅文献Y.Sun,D.A.Jaffray,L.-Y.Chen,and J.T.W.Yeow,“PolyMethyl Methacrylate Thin-Film-Based Field Emission Microscope,”IEEE Trans.Nanotechnol.,vol.11,no.3,pp.441–443,May 2012。该方法虽然提出了图像记录部件的设计，但没有提供同步地记录图像和数据的方法。
[0005] 鉴于
现有技术不具备实时检测和记录场发射电子源电子分布均匀性的能力，场发射系统的检测设备市场在国内外都是空白。【发明内容】
[0006] 本发明主要针对目前场发射阴极检测在市场和技术方面的空白，提供一种用于大面积场发射电子源记录电子分布强度和均匀性的场发射显微镜系统。该系统是以上述图1B所示图像记录部件为
基础的场发射显微镜系统。该系统具备实时地同步记录场发射电子分布图像和场发射
电流密度数据的功能。
[0007] 本系统的部件及连接关系示于图2。系统包括图像记录部件201，光路子系统202，高速摄像机203，脉冲高压电源204，高速电流采集205，高速网络206，同步
控制器207，
图像处理软件208和数据
存储器209。光路子系统的部件和连接关系示于图3。光路子系统包括主
光源301，副光源302，玻璃真空腔壁303，
电机驱动镜头304，及半反射镜片305。
[0008] 各主要部件的连接关系是：主光源301通过半反射镜片305和电机驱动镜头304与副光源302共同产生光源照明211，为图像提供足够的照度。光源照明211透过玻璃真空腔壁303照亮图像记录部件201。在图像记录部件201上产生的场发射图像212通过光路子系统
202进入高速摄像机203。在光路子系统202中，图像依次经过玻璃真空腔壁303，电机驱动镜头304和半反射镜片305产生目镜图像213。高速摄像机203生成高
帧率图像242和低帧率图像243。低帧率图像243通过图像处理软件208生成对焦控制
信号222用于控制电机驱动镜头
304以提高图像的清晰度。同步控制器207产生摄像机
控制信号221，电流采集控制信号224和电源控制信号223，用以控制高速摄像机203，脉冲高压电源204和高速电流采集205。脉冲高压电源204在图像记录部件201中的场发射电子源113和透明导电层112之间施加高压脉冲231，并产生场发射电流232。高速电流采集205将场发射电流232数字化产生电流数据
241。高速摄像机203生成的高帧率图像242通过高速网络206与高速电流采集205捕获的电流数据241产生混合数据244输送到数据存储器209进行存储，所储存的混合数据244将用于存档和后期分析研究。
[0009] 由于高速摄像机203每秒会产生数G字节的图像数据，普通的网络和
硬盘无法实现数据的实时存储，而使用高速存储器将大大提高系统的造价，因此本系统通过复杂时序控制实现大量数据的低俗存储，从而大大提高了图像和
数据采集的总时间，并显著降低了系统造价。系统的同步控制信号的控制时序示于图4中。由于场发射电子源113需要工作在脉冲工作方式，占空比不能很高，否则将会导致场发射电子源113
过热烧毁。因此，本系统在脉冲高压电源204开通的时间采集图像和电流数据，然后利用脉冲高压电源204关闭的时间进行数据和图像的传输。为保持数据的完整性，同步控制器207首先发出电流采集开始421信号，待电流采集输出稳定后产生高速摄像机开启411信号，随后产生高压电源开启401信号，此时电流和图像被记录在高速摄像机203和高速电流采集205中。根据系统应用的不同，电源控制信号223将开启一段时间，范围从几微秒到几毫秒。随后高压电源关闭402信号关闭高压脉冲231。之后依次发出高速摄像机关闭412信号和电流采集结束422信号，以停止高速摄像机203和高速电流采集205。之后，同步控制器207发出高帧率图像传输开始413信号，高速摄像机203通过高速网络206将高帧率图像242存储到数据存储器209，高帧率图像242传输完毕之后，同步控制器207发出高帧率图像传输结束414信号和电流数据传输开始423信号，待电流数据241传输完毕，同步控制器207发出电流数据传输结束424信号。至此一个完整数据采集周期结束，下一个脉冲周期就绪。
[0010] 本系统采用图像处理软件208以提高图像清晰度并减少
数据处理时间。图像处理软件的主要功能有图像数据筛选和自动对焦。低帧率图像243通过
图像识别软件502进入发光点
定位和时间戳软件504产生发光点定位和时间戳数据以便后期数据分析时直接定位到对应图像帧和电流数据。此外，图像识别软件502和图像清晰度分析软件503将根据图像的锐度产生对应的对焦控制信号222以控制电机驱动镜头304，提高图像清晰度。
[0011] 本发明的优点及有益效果在于：本发明是一种用于场发射电子源测试和研究的场发射显微镜系统。目前国内外尚未出现类似的系统。随着场发射电子源技术的发展和市场化的推进，一种高效方便的测试方法和测试设备对于场发射电子源的研发和生产都是至关重要的。本发明的目的在于填补目前技术上和市场上的空白。在场发射电子源的生产过程中，本系统可以成为一个检测设备用于测设场发射电子源的电子束分布的均匀性。【
附图说明】
[0012] 图1A是传统场发射显微镜的设备剖面图。
[0013] 图1B是用于场发射阴极阵列的场发射显微镜的图像记录部件的剖面图。
[0014] 图2是场发射显微镜的系统部件及连接关系。
[0015] 图3是光路子系统部件及连接关系。
[0016] 图4是同步控制信号的控制时序。
[0017] 图5是图像识别软件和自动对焦子系统的连接关系。
[0018] 图6是
实施例二的系统部件及连接关系。
[0019] 图中标号说明如下:
[0020] 101：球形玻璃真空腔 102：荧光材料 103：场发射阴极[0021] 111：玻璃观察窗 112：透明导电层 113：场发射电子源[0022] 114：聚甲基丙烯酸甲酯 115：导电基底 116：绝缘层[0023] 201：图像记录部件 202：光路子系统 203：高速摄像机[0024] 204：脉冲高压电源 205：高速电流采集 206：高速网络[0025] 207：同步控制器 208：图像处理软件 209：数据存储器[0026] 211：光源照明 212：场发射图像 213：目镜图像[0027] 221：摄像机控制信号 222：对焦控制信号 223：电源控制信号[0028] 224：电流采集控制信号 231：高压脉冲 232：场发射电流[0029] 241：电流数据 242：高帧率图像 243：低帧率图像[0030] 244：混合数据
[0031] 301：主光源 302：副光源 303：玻璃真空腔壁[0032] 304：电机驱动镜头 305：半反射镜片
[0033] 401：高压电源开启 402：高压电源关闭 411：高速摄像机开启[0034] 412：高速摄像机关闭 413：高帧率图像传输开始
[0035] 414：高帧率图像传输结束 421：电流采集开始 422：电流采集结束[0036] 423：电流数据传输开始 424：电流数据传输结束
[0037] 502：图像识别软件 503：图像清晰度分析软件
[0038] 504：发光点定位和时间戳软件
[0039] 651：图像反馈控制信号【具体实施方式】
[0040] 实施例一的系统结构和光路结构示于图2和图3。图3所示的光路子系统中的主光源301，副光源302，电机驱动镜头304，半反射镜片305，以及高速摄像机203置于玻璃真空腔壁303的空气一侧，而图像记录部件201则置于玻璃真空腔壁303的真空一侧。光源照明211透过玻璃真空腔壁303照亮图像记录部件201。在图像记录部件201上产生的场发射图像212通过光路子系统202进入高速摄像机203。脉冲高压电源204产生的高压脉冲231进入图像记录部件201。图像记录部件201产生场发射电流232并生成场发射图像212。
[0041] 本实施例中的高速摄像机203采用每秒13600帧的高速摄像机。图像分辨率为512x512
像素。电流采集速度为每秒300000次
采样，分辨率14位。高速网络206采用千兆以太网交换机和六类网线。电机驱动镜头304采用100倍放大的显微镜头配50％的半反射镜片
305。脉冲高压电源204具有正负5000伏
电压，80毫安电流，50千赫兹带宽。图像处理软件使用OpenCV
计算机视觉库在
高性能计算机上开发。
[0042] 同步控制器207产生的摄像机控制信号221，电源控制信号223，和电流采集控制信号224采用标准的TTL电平信号。图像处理软件208产生的对焦控制信号222采用脉冲宽度调制PWM信号用以控制光路子系统202中的电机驱动镜头304。图像识别软件502，图像清晰度分析软件503，以及发光点定位和时间戳软件504采用PYTHON语言在LINUX平台上使用OpenCV计算机视觉库进行开发。以及发光点定位和时间戳软件504以文本文件的格式记录发光点的X、Y坐标以及在该点发光的时间，
时间分辨率为0.1秒。
[0043] 本实施例的基本操作方式是：首先启动脉冲高压电源204和高速电流采集204，并进行预热以提高测量的精确度。待系统预热完毕，启动图像处理软件208，数据存储器209，高速网络206，高速摄像机203，主光源301和副光源302。之后启动并设置同步控制器207的各种参数。电源控制信号223的高压电源开启401信号和高压电源关闭402信号之间的时间间隔是5毫秒，两次高压电源开启401信号之间的时间间隔是100毫秒，高速摄像机开启411信号比高压电源开启401信号提前5微秒。电流采集开始421信号比高压电源开启401信号提前10微秒。同步控制器207发出高压电源关闭402信号之后5微秒发出高速摄像机关闭412信号，之后再延迟10微秒发出电流采集结束422信号，之后依次发出高帧率图像传输开始413信号、高帧率图像传输结束414信号、电流数据传输开始423信号和电流数据传输结束424信号。至此，一个完整测试周期结束，系统为下一个周期准备就绪。重复以上周期若干次可以全面地测试被测场发射电子源113的发射均匀性和可靠性。
[0044] 当测试场发射电子源113的发射均匀性时，一般运行50至100周期，总测试时间从几秒至几十秒。当测试可靠性时，本测试应连续运行24小时以上，获得图像和电流数据八十万组以上。通过比较每隔一段时间间隔的电流数据和图像，获取被测场发射电子源113的性能随时间变化的趋势。该数据可用于发射电子源113生产过程中的
质量检测和品质管控。
[0045] 实施例二与实施例一的
硬件结构相同。实施例二的系统结构示于图6。实施例二的系统结构与以上所述实施例一的不同之处在于增加了图像反馈控制信号651，使图像处理软件208可以根据低帧率图像243的内容提前发出高压电源关闭402信号。本实施例二主要应用于场发射电子源113的开发和研究。根据对图像识别软件502的调整，可以在场发射电子源113的不同工作阶段停止测试已便于使用扫描电子显微镜等手段对场发射电子源113进行观察和分析。此外，本实施例二还可以通过改变同步控制器207开发非线性和动态的控制方法，用以提高场发射电子源113的工作
稳定性并提高工作效率。
[0046] 本实施例中的高速摄像机203采用每秒13600帧的高速摄像机。图像分辨率为512x512像素。电流采集速度为每秒300000次采样，分辨率14位。高速网络206采用千兆以太网交换机和六类网线。电机驱动镜头304采用100倍放大的显微镜头配50％的半反射镜片
305。脉冲高压电源204具有正负5000伏电压，80毫安电流，50千赫兹带宽。图像处理软件使用OpenCV计算机视觉库在高性能计算机上开发。
[0047] 同步控制器207产生的摄像机控制信号221，电源控制信号223，和电流采集控制信号224采用标准的TTL电平信号。图像处理软件208产生的对焦控制信号222采用脉冲宽度调制PWM信号用以控制光路子系统202中的电机驱动镜头304。图像识别软件502，图像清晰度分析软件503，以及发光点定位和时间戳软件504采用PYTHON语言在LINUX平台上使用OpenCV计算机视觉库进行开发。以及发光点定位和时间戳软件504以文本文件的格式记录发光点的X、Y坐标以及在该点发光的时间，时间分辨率为0.1秒。
[0048] 本实施例的基本操作方式是：首先启动脉冲高压电源204和高速电流采集204，并进行预热以提高测量的精确度。待系统预热完毕，启动图像处理软件208，数据存储器209，高速网络206，高速摄像机203，主光源301和副光源302。之后启动并设置同步控制器207的各种参数。电源控制信号223两次高压电源开启401信号之间的时间间隔是100毫秒，高速摄像机开启411信号比高压电源开启401信号提前5微秒。电流采集开始421信号比高压电源开启401信号提前10微秒。同步控制器207发出高压电源关闭402信号之后5微秒发出高速摄像机关闭412信号，之后再延迟10微秒发出电流采集结束422信号，之后依次发出高帧率图像传输开始413信号、高帧率图像传输结束414信号、电流数据传输开始423信号和电流数据传输结束424信号。至此，一个完整测试周期结束，系统为下一个周期准备就绪。本实施例中电源控制信号223的高压电源开启401信号和高压电源关闭402信号之间的时间间隔是不固定的，其最大时间间隔受高速摄像机203的存储容量限制。当同步控制器207发出高压电源开启401信号之后，当图像处理软件208中的图像识别软件502侦测到场发射图像212出现发光点时，便发出图像反馈控制信号651给同步控制器207，随后同步控制器207根据设定的时间间隔依次发出高速摄像机关闭412信号，电流采集结束422信号，高帧率图像传输开始413信号、高帧率图像传输结束414信号、电流数据传输开始423信号和电流数据传输结束424信号。至此，测试结束。图像记录部件201中的场发射电子源113和聚甲基丙烯酸甲酯114可以通过扫描电子显微镜和
原子力显微镜进行观察和研究，以确定各种场发射体的特性和损坏机理。若直至高速摄像机203的内存耗尽图像处理软件也没能捕获到发光现象，则需适当提高脉冲高压电源204输出的高压脉冲231的电压，并重复实验，直到出现发光现象或者场发射电流232达到该场发射电子源113的最大设计电流值为止。每次提高的电压不应超过50伏。
