技术领域
[0001] 本
发明涉及材料测试技术领域，尤其涉及超长环境
热电子发射多 场原位在线测试装置及其测试方法。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 因此，针对以上不足，需要提供超长环境热电子发射多场原位在 线测试装置及其测试方法。
发明内容
[0005] 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 超长环境热电子发射多场原位在线测试装置及其测试方法。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供了超长环境热电子发射多场 原位在线测试装置及其测试方法，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，
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 3)通过高功率激光加热装置对测试样品进行加热；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 作为对本发明的进一步说明，优选地，所述公式包括
[0018] 热电子发射电流密度的表达式：
[0019] 其中，Icollect为持续收集电流强度，Sw为发射表面面积；
[0020] 材料有效逸出功函数表达式：
[0021] 其中，k为玻尔兹曼常数，Tw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。
[0022] 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：
[0023]
[0024] 其中，e为元电荷数，ne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，me为电子
质量,Sw为发射表 面面积；
[0025] 在大气环境下，持续收集电流强度的表达式为：
[0026]
[0027] 其中，e为元电荷数，ne为电子数量，qe为电子电荷量， 为电 子的
平均自由程，me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；
[0028] 在等离子体环境下，持续收集电流强度的表达式为：
[0029]
[0030] 其中，e为元电荷数，nnet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,qe为电子电荷量， 为电子的平均自由程，me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。
[0031] 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：
[0032] 在大气环境下，热电子发射电流密度的表达式为：
[0033] 在等离子体环境下，热电子发射电流密度的表达式为：
[0034] 则
[0035] 在真空环境下，材料有效逸出功函数表达式为：
[0036] 在大气环境下，材料有效逸出功函数表达式为：
[0037] 在等离子体环境下，材料有效逸出功函数表达式为：
[0038] 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。
[0039] 实施本发明的，具有以下有益效果：
[0040] 本发明提供了超长环境热电子发射多场原位在线测试装置及其 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
[0041] 图1为本发明的测试装置的结构示意图；
[0042] 图2是本发明的热电子发射测试控制区域模型图；
[0043] 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；
[0044] 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；
[0045] 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；
[0046] 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；
[0047] 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；
[0048] 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。
[0049] 附图标记说明：
[0050] 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
[0051] 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。
[0052] 超长环境热电子发射多场原位在线测试装置及其测试方法，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。
[0053] 具体测试方法如下：
[0054] 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；
[0055] 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；
[0056] 3)通过高功率激光加热装置对测试样品2进行加热；
[0057] 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；
[0058] 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；
[0059] 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；
[0060] 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。
[0061] 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。
[0062] 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。
[0063] 一、在真空环境下：
[0064] 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：
[0065] J＝θJR-Jreflection-Jcollision-Jplasma (1)
[0066] 其中JR＝AT2exp(-Wf/T)为理查德森饱和发射电流密度， A＝1.2×106A/m2，Wf为材料功函数；θ为修正因子与电子初始平动方 向有关，Jcollision为与环境气体碰撞引起的电流密度损耗，Jreflection为空间 电荷反射电流密度，Jplasama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：
[0067] J＝θJR-Jreflection (2)
[0068] 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：
[0069] J＝JR-Jreflection (3)
[0070] 方程(3)含如下假设：
[0071] (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：
[0072] ncollect(y＝L)＝ne (4)
[0073] (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：
[0074]
[0075] 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， Wwall-nag表示克服负电层与表面之间场 强所做的功表达式如下：
[0076]
[0077] 其中，e为元电荷数，
[0078] 由(5)式可知只有当 时，即要达到临界
阈值速率vthreshold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：
[0079]
[0080]
[0081] 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：
[0082]
[0083] 则克服负电层与发射表面间电场限制的电流密度为：
[0084]
[0085] 其中ne＝JR(1-preflection)Sw，Sw为发射表面面积；
[0086] 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：
[0087]
[0088] 由式(11)循环收集电流强度为：
[0089]
[0090] 由上得到真空环境热电子发射电流密度的表达式为
[0091]
[0092] 由式(13)当材料确定后其功函数Wf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；
[0093] 由式(13)可以得到材料的有效逸出功函数为：
[0094]
[0095] 其中，k为玻尔兹曼常数。
[0096] 二、在大气环境下：
[0097] 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：
[0098] J＝JR-Jreflection-Jcollision (15)
[0099] 在方程(3)的基础上方程(15)含如下假设：
[0100] (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；
[0101] (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：
[0102]
[0103] 其中qe为电子电荷量， μe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：
[0104]
[0105] 其中 为电子的平均自由程，可由以下表达式确定：
[0106]
[0107] 由式(16)可以确定循环收集电流强度为：
[0108] Icollect＝J|y＝LSw (18)
[0109] 由上得到大气环境有效热电子发射电流密度的表达式为：
[0110]
[0111] 大气环境下材料的有效逸出功函数为：
[0112]
[0113] 三、在等离子体环境下：
[0114] 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：
[0115] J＝JR-Jreflection-Jcollision-Jplasma (21)
[0116] 在方程(15)的基础上方程(21)含如下假设：
[0117] (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：
[0118]
[0119] 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：
[0120]
[0121] 将vi代入能量守恒方程可以得到如下关系式：
[0122]
[0123] 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：
[0124]
[0125] 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:
[0126]
[0127] (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：
[0128]
[0129] 鞘层边界处的电子数密度可以通过玻尔兹曼关系式得到：
[0130]
[0131] 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：
[0132]
[0133] (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：
[0134] Icollect＝Jy＝LSw (30)
[0135] 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：
[0136]
[0137] 其中，nnet为通过负电层的净电子数密度；
[0138] 等离子体环境下材料的有效逸出功函数为：
[0139]
[0140] 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：
[0141]
[0142] 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：
[0143] (1)持续收集电流强度Icollect；
[0144] (2)材料表面与收集装置间电位差Uc-w
[0145] (3)材料表面温度响应Tw；
[0146] (4)等离子体电子数密度
[0147] (5)等离子体中电子的温度Te。
[0148] 其中收集电流强度Icollect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Tw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Te则利 用光谱仪进行测量获得。
[0149] 本发明具体实施方式一中装置的主要技术特征为：
[0150] 1、等离子放电功率0～3500W连续可调；
[0151] 2、环境压力10～1000Pa连续可调；
[0152] 3、放电气体进气量50ml/min连续可调；
[0153] 4、高功率半导体激光加热功率0～1500W连续可调；
[0154] 5、电流/电压测试分辨率100pA/100nV；
[0155] 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。
[0156] 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：
[0157] 实施例1：
[0158] 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。
[0159] 实施例2：
[0160] 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。
[0161] 实施例3：
[0162] 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。
[0163] 实施例4：
[0164] 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。
[0165] 实施例5：
[0166] 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14 3
的电 子温度1.2eV和电子数密度1×10 /m ，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。
[0167] 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。
[0168] 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。
