[发明专利]用于测试和标定场发射电子源阵列的场发射显微镜系统

说明书

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，该系统的连接关系是：主光源通过半反射镜片和电机驱动镜与副光源共同产生光源照明；在光路子系统中，图像依次经过玻璃真空腔壁、电机驱动镜头和半反射镜片产生目镜图像；高速摄像机生成高帧率图像和低帧率图像；低帧率图像通过图像处理软生成对焦控制信号用于控制电机驱动镜头以提高图像的清晰度；同步控制器产生摄像机控制信号、电流采集控制信号和电源控制信号，用以控制高速摄像机，脉冲高压电源和高速电流采集；脉冲高压电源在图像记录部件中的场发射电子源和透明导电层之间施加高压脉冲，并产生场发射电流；高速电流采集将场发射电流数字化产生电流数据。

【技术领域】

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】

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。

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。

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,andJ.T.W.Yeow,“PolyMethyl Methacrylate Thin-Film-Based Field EmissionMicroscope,”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。

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】