测试新型热电子面发射源的试验结果

电子发射密度(电流密度)与均匀性是热电子面发射源的两大核心指标,新型热电子面发射源的理论推导及机械结构设计的正确性需要具体实验来验证,因此需要针对该两项指标进行相应的测试试验。

1.电流密度测试实验

根据指标要求,热电子面发射源的输出电流密度为0～10μA/m2可调,为精确获得新型热电子面发射源的电流密度,对其进行了测试实验。该实验通过设计的高分辨力电流计采集由新型热电子面发射源的输出面与待清刷MCP的输入面构成的回路间的微小电流来计算其输出电流密度、通过不断改变热电子面发射源中倍增MCP的板间电压,得到其对应的输出电流密度。该实验的条件为:金阴极与倍增MCP输入面施加300 V电压(加速电场电压),热电子面发射源输出面与待清刷MCP输入面施加200 V电压。

根据倍增MCP的工作电压范围,测试了板间电压为0～800 V的热电子面发射源输出电流,电压每隔100 V采样一次。由于倍增MCP为φ106mm的圆,可知其面积为7.85×10-3 m2,经过计算得到新型热电子面发射源的输出电流密度与倍增MCP的板间电压关系如图1.40所示。

图1.40　电流密度与板间电压关系图

从图1.40中可以看出,在倍增MCP的电压低于500 V时,输出电流密度变化不大,当电压超过500 V后,电流密度迅速增大。这与倍增MCP的工作性能有关,在低电压时,该MCP的增益变化非常小,因此电流密度基本保持不变。进入MCP工作电压后,MCP的增益迅速变大,电流密度随之快速增长。对于新型热电子面发射源,当板间电压达到800 V时,输出电流密度达到25.5μA/m2,完全满足设计指标要求的0～10μA/m2调节范围。

2.发射电子均匀性测试与分析

为了验证新型热电子面发射源相比较于传统热电子面发射源在均匀性方面的优越性,对二者进行了均匀性测试的对比实验。根据理论部分的推导,针对传统热电子面发射源分别选取了灯丝形状较为理想与灯丝使用后变形的两款来进行测试。

该实验的实现方法:在热电子面发射源输出面正上方4 mm处放置一块荧光屏,在热电子面发射源工作的同时对荧光屏施加+5 000 V的高压将其点亮,通过对点亮后的荧光屏进行图像采集,利用软件对图像处理后得出其均匀性(或不均匀性)的具体数值。图1.41为3种热电子面发射源成像后的灰度化处理图像,其中图1.41(a)为新型热电子面发射源的图像,由于其发射电子面积大,所以图像在视场中占比较高。图1.41(b)与图1.41(c)分别为具有较为理想形状灯丝与变形灯丝的传统热电子面发射源图像。

图1.41　3种热电子面发射源的灰度化处理图像

(a)新型热电子面发射源;(b)较理想热电子面发射源;(c)变形热电子面发射源

观察图1.41,可以发现图1.41(a)与1.41(b)的均匀性均良好,并不能判别其优劣。而图1.41(c)射电子截面已经明显偏离正常的圆形,且圆中心范围相对圆周范围偏暗,这说明变形灯丝已经严重影响该热电子面发射源的均匀性。图1.41(c)中黑色部分为荧光屏成像的边界,并非电子引起的不均匀,在图像处理的算法中将自动剔除。

为精确比较3种热电子面发射源的均匀性差别,通过均匀性测试算法软件对3种热电子面发射源进行了处理,得到了具体量化的均匀性参数。图1.42为3种热电子面发射源的亮度分布3D图,其热电子面发射源排列顺序与图1.41一致。(www.xing528.com)

图1.42　3种热电子面发射源亮度分布3D图

(a)新型热电子面发射源;(b)较理想热电子面发射源

图1.42　3种热电子面发射源亮度分布3D图(续)

(c)变形热电子面发射源

通过图像处理软件进一步处理,将3种热电子面发射源的亮度3D分布进一步计算处理分别得到它们的均匀性曲线。其中图1.43为新型热电子面发射源的均匀性曲线,图1.44(a)与1.44(b)分别为具有较为理想形状灯丝与变形灯丝的传统热电子面发射源的均匀性曲线。

图1.43　新型热电子面发射源均匀性曲线

图1.44　传统热电子面发射源均匀性曲线

(a)较理想灯丝;(b)变形灯丝

从图1.42～图1.44可以看出,新型热电子面发射源的亮度分布基本处于同一水平面,所以均匀性曲线近似一条水平直线。具有理想形状灯丝的亮度分布呈现了左高右低的趋势,所以均匀性曲线近似一条下降的直线,但其波动起伏不大。而具有变形灯丝的热电子面发射源亮度分布十分杂乱,因而其均匀性曲线波动很大,起伏不定。综上,前两种热电子面发射源均有较为良好的发射电子均匀性,但前者均匀性更优。传统热电子面发射源在灯丝变形后,发射电子在各点上分布起伏不定,这样的均匀性在MCP的电子清刷中完全不能使用。表1.5给出了3种热电子面发射源的均匀性具体量化结果。

表1.5　3种热电子面发射源均匀性参数