本發(fā)明涉及真空電子技術(shù)領(lǐng)域及高電壓電路領(lǐng)域，尤其是一種構(gòu)造簡(jiǎn)單有效的具有快速脈沖工作模式的小型非放射性電子源的控制電路。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的非放射性電子源缺陷為，一是聚焦系統(tǒng)體積大，二是脈沖電子發(fā)射的方法，電子束流在兩個(gè)離子化脈沖之間是完全空白的，發(fā)射電流只在離子化脈沖的時(shí)間內(nèi)測(cè)量。但是，在某些應(yīng)用中如離子遷移譜儀，離子化時(shí)間可以短到1微秒，且電子電流小于1na，為了直接測(cè)量這個(gè)電流脈沖，跨阻抗放大器需要超過(guò)1mhz的帶寬，噪聲電流在100pa以下。上述這樣的條件幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)方案是使用一個(gè)相對(duì)較慢的電流放大器來(lái)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)發(fā)射電流的平均值，通過(guò)已知的占空比，可以計(jì)算出實(shí)際發(fā)射過(guò)程中的發(fā)射電流。但是，在離子遷移譜中持續(xù)時(shí)間在10ms量級(jí)，平均發(fā)射電流會(huì)比實(shí)際的發(fā)射電流小10000倍，這導(dǎo)致了信噪比的下降，并需要一個(gè)較慢的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步導(dǎo)致了系統(tǒng)響應(yīng)極其慢。所述具有快速脈沖工作模式的小型非放射性電子源的控制電路能解決這一問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種僅使用單個(gè)控制柵格的高度集成化的電子源，裝置主要是一個(gè)小型的真空玻璃管，以及其包含的饋電引線和金屬電極，構(gòu)造簡(jiǎn)單有效。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

所述具有快速脈沖工作模式的小型非放射性電子源的控制電路主要包括加速電壓源、電流表、抽取電壓源、由燈絲控制器、電流感應(yīng)器i、電壓感應(yīng)器i組成的燈絲加熱電流源、燈絲、抽取柵格、氮化硅膜、真空玻璃管、由電壓輸入端口i、電壓輸入端口ii、電壓源、光纖i、電壓放大器、電流感應(yīng)器ii、電壓感應(yīng)器ii組成的柵格電壓脈沖發(fā)生器、微處理器、com模塊、計(jì)算機(jī)、由補(bǔ)償電壓、補(bǔ)償放大電路組成的脈沖補(bǔ)償放大器、由補(bǔ)償控制電路、電流放大器、積分電路組成的發(fā)射電流測(cè)量模塊、包括整流器i的高壓源、包括整流器ii的隔離電源及光纖ii，所述補(bǔ)償放大電路中包括一個(gè)差分放大電路，所述積分電路中包括一個(gè)十六位雙斜率數(shù)模轉(zhuǎn)換器，真空玻璃管的抽氣口是密封的，鎢材料的所述燈絲位于真空玻璃管內(nèi)一端，通電加熱后產(chǎn)生熱電子，所述抽取柵格位于真空玻璃管內(nèi)的所述燈絲前面、且能夠通過(guò)改變燈絲表面的場(chǎng)強(qiáng)來(lái)控制熱發(fā)射電子流，真空玻璃管另一端安裝有一個(gè)銅制成的加速電極且其中心具有一個(gè)直徑1毫米的孔，所述孔由一張250納米厚的所述氮化硅膜密封，電子源內(nèi)部為真空環(huán)境、外部為大氣環(huán)境，動(dòng)能大于7kev的電子可以穿過(guò)所述氮化硅膜，所述燈絲和抽取柵格相對(duì)于加速電極的電勢(shì)都為-10kv，由電勢(shì)差產(chǎn)生的電場(chǎng)使發(fā)射的電子加速到動(dòng)能10kev，能夠穿過(guò)所述氮化硅膜進(jìn)入大氣環(huán)境，所述真空玻璃管內(nèi)具有吸氣劑以能保持真空環(huán)境。

所述控制電路中，所述燈絲加熱電流源的燈絲控制器、電流感應(yīng)器i、電壓感應(yīng)器i分別均連接微處理器、且所述電壓感應(yīng)器i連接所述燈絲，所述微處理器分別輸出參考電壓i、參考電壓ii至所述柵格電壓脈沖發(fā)生器中的電壓輸入端口i和電壓輸入端口ii，并輸入電壓放大器，所述電流感應(yīng)器ii、電壓感應(yīng)器ii分別均連接微處理器、且所述電壓感應(yīng)器ii同時(shí)連接所述抽取柵格和所述脈沖補(bǔ)償放大器的補(bǔ)償放大電路，所述補(bǔ)償放大電路連接所述發(fā)射電流測(cè)量模塊、且所述補(bǔ)償放大器的補(bǔ)償電壓連接微處理器，所述發(fā)射電流測(cè)量模塊的補(bǔ)償控制電路、積分電路分別均連接微處理器、且所述積分電路連接光纖ii，所述發(fā)射電流測(cè)量模塊輸入端依次連接高壓源、隔離電源，所述微處理器通過(guò)com模塊連接計(jì)算機(jī)。

本發(fā)明產(chǎn)生脈沖方法是基于下述效應(yīng)的考慮，即控制所述抽取柵格的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了使所述電壓能夠?qū)崿F(xiàn)很容易且快速的切換，是通過(guò)設(shè)計(jì)合適的電路來(lái)完成的，具體地，產(chǎn)生脈沖的方法是通過(guò)在兩個(gè)具有不同衰減因子的電壓之間切換，所述衰減因子即電子源的外部發(fā)射電子電流與內(nèi)部發(fā)射電子電流之比，其中一個(gè)電壓使得部分聚焦電子到所述氮化硅膜上，另一個(gè)電壓完全使電子束散焦，沒(méi)有電子到達(dá)氮化硅膜，則外部發(fā)射電流就可以在開啟和關(guān)閉這兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行切換，由于衰減因子對(duì)于某個(gè)特定的電壓是常數(shù)，可以由靜態(tài)的測(cè)量容易地獲得。

由于無(wú)論外部發(fā)射電流在開啟還是關(guān)閉狀態(tài)、還是在切換的過(guò)程中，內(nèi)部發(fā)射電流保持不變，可以連續(xù)地對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，并可以通過(guò)調(diào)節(jié)燈絲電流對(duì)其進(jìn)行控制；也正是因?yàn)楸景l(fā)明的電子源可以連續(xù)測(cè)量?jī)?nèi)部發(fā)射電流，與增加的內(nèi)部發(fā)射電流結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了離子遷移譜中信噪比的提高，因此，既能夠精確地控制外部發(fā)射電流，又能夠在非常短的時(shí)間內(nèi)得到一個(gè)可重復(fù)的尾部發(fā)射電流，甚至在非常低的值。

隔離電源為工作于高電勢(shì)的電子元件供電；高壓源是產(chǎn)生加速電壓的電源，在-3kv到-15kv之間可調(diào)，這個(gè)電壓的穩(wěn)定性對(duì)于電流測(cè)量至關(guān)重要；所述由補(bǔ)償控制電路、電流放大器、積分電路組成的發(fā)射電流測(cè)量模塊，其輸入端接所述高壓源，這是高壓源與其他電路之間的唯一連接，高壓電路的地與高壓源的電勢(shì)一致，這樣一來(lái)，任何從高壓電勢(shì)到地的電流都會(huì)經(jīng)過(guò)所述電流放大器，從而電流放大器測(cè)量了由所述燈絲發(fā)射出來(lái)并到達(dá)加速電極的電子電流，即內(nèi)部發(fā)射電流。通過(guò)所述抽取柵格流回的電子電流沒(méi)有被測(cè)量，因?yàn)樗霭l(fā)射電流測(cè)量模塊只在高壓電路中形成回路。優(yōu)點(diǎn)是：在較小的內(nèi)部發(fā)射電流的測(cè)量中，相對(duì)較大的柵格電流不會(huì)引起偏移，但是，電流放大器電路必須對(duì)過(guò)載電流有完全保護(hù)，過(guò)載電流有可能在電路故障及正常的開啟過(guò)程中產(chǎn)生；所述電流放大器的輸出信號(hào)被一個(gè)十六位雙斜率數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)字化后進(jìn)入所述微控制器，一個(gè)阻值為1g歐姆的電阻串聯(lián)在電流放大器的輸入端，其作用是使得雙斜率數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)總是保持在其范圍的中心，這樣一來(lái)，不管發(fā)射電流和漏電流的大小如何，雙斜率數(shù)模轉(zhuǎn)換器在兩個(gè)方向的電流瞬變都有最大的保留。另外，雙斜率數(shù)模轉(zhuǎn)換器的恒定轉(zhuǎn)換時(shí)間極大地簡(jiǎn)化了數(shù)字控制器的工作，使用這個(gè)測(cè)量裝置，內(nèi)部發(fā)射電流的分辨率約為400fa，對(duì)應(yīng)的外部發(fā)射電流的分辨率約為20fa。燈絲加熱電流源是一個(gè)電壓可控的電流源，鎢燈絲的電阻的溫度系數(shù)是正數(shù)，在溫度較低時(shí)，如果用電壓源供電，會(huì)導(dǎo)致一個(gè)極高的涌入電流，造成設(shè)備損壞，所以要使用電流源；所述柵格電壓脈沖發(fā)生器作用是切換控制柵格的電壓，來(lái)達(dá)到開啟和關(guān)閉電子發(fā)射的目的，通過(guò)雙極電流源來(lái)獲得大電壓范圍，使用電源反饋來(lái)改變控制柵格的電壓，當(dāng)提供正負(fù)250v時(shí)，可以使得控制柵格的電壓在幾微秒內(nèi)在正負(fù)240v之間的任意兩個(gè)電壓值之間切換；所述脈沖補(bǔ)償放大器作用是在電流測(cè)量中補(bǔ)償所述抽取柵格加脈沖電壓過(guò)程中由于電容耦合而產(chǎn)生的誤差。

考慮到安全和電磁兼容的原因，控制電路和電子源之間所有的連接都使用屏蔽的高壓線，由于高壓線的屏蔽層是接地的，因此所述抽取柵格和地之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯的電容，并會(huì)加大原本存在的寄生電容，這樣的結(jié)果是，對(duì)所述抽取柵格施加脈沖會(huì)導(dǎo)致有電流從上述電容流向地，并流過(guò)高壓源，該電流會(huì)使整流電流測(cè)量過(guò)載，最終干擾發(fā)射電流控制電路，為了使這個(gè)電流的影響最小化，加入一個(gè)補(bǔ)償放大器能夠解決問(wèn)題。由于電纜的電容取決于電纜的長(zhǎng)度，另外不同的熱電子發(fā)射器裝置會(huì)呈現(xiàn)不同的寄生電容，所以有必要改變補(bǔ)償放大器的增益，使用兩個(gè)npn晶體管，連接成差分放大器，所述差分放大器的發(fā)射電流及增益能夠通過(guò)所述微控制器來(lái)調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明為一種具有快速脈沖的小型低成本電子發(fā)射器，同時(shí)提出了一種合適的控制電路，其利用一個(gè)單個(gè)控制柵格，柵格的電勢(shì)只需要有10v的差異，能夠使電子束部分聚焦或散焦；只有當(dāng)電子束聚焦時(shí)，電子從源發(fā)射出來(lái)，而源內(nèi)的電子電流可以連續(xù)地測(cè)量，本發(fā)明與一般商用的電子發(fā)射器比較，明顯具有簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，改善了對(duì)發(fā)射電流控制的優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合本發(fā)明的圖形進(jìn)一步說(shuō)明：

圖1是非放射性電子源示意圖；

圖2是電子源的控制電路示意圖。

圖中，1.加速電壓源，2.電流表，3.抽取電壓源，4.燈絲加熱電流源，4-1.燈絲控制器，4-2.電流感應(yīng)器i，4-3.電壓感應(yīng)器i，5.燈絲，6.抽取柵格，7.氮化硅膜，8.真空玻璃管，9.柵格電壓脈沖發(fā)生器，9-1.電壓輸入端口i，9-2.電壓輸入端口ii，9-3.電壓源，9-4.光纖i，9-5.電壓放大器，9-6.電流感應(yīng)器ii，9-7.電壓感應(yīng)器ii，10.微處理器，11.com模塊，12.計(jì)算機(jī)，13.脈沖補(bǔ)償放大器，13-1.補(bǔ)償電壓，13-2.補(bǔ)償放大電路，14，發(fā)射電流測(cè)量模塊，14-1.補(bǔ)償控制電路，14-2.電流放大器，14-3.積分電路，15.高壓源，15-1.整流器i，16.隔離電源，16-1.整流器ii，17.光纖ii。

具體實(shí)施方式

如圖1是非放射性電子源示意圖，如圖2是電子源的控制電路示意圖，在工作中，電子源的控制電路要提供加速電壓、燈絲加熱電流、控制柵格電壓，并且要測(cè)量發(fā)射電流；

所述具有快速脈沖工作模式的小型非放射性電子源的控制電路主要包括加速電壓源1、電流表2、抽取電壓源3、由燈絲控制器4-1、電流感應(yīng)器i4-2、電壓感應(yīng)器i4-3組成的燈絲加熱電流源4、燈絲5、抽取柵格6、氮化硅膜7、真空玻璃管8、由電壓輸入端口i9-1、電壓輸入端口ii9-2、電壓源9-3、光纖i9-4、電壓放大器9-5、電流感應(yīng)器ii9-6、電壓感應(yīng)器ii9-7組成的柵格電壓脈沖發(fā)生器9、微處理器10、com模塊11、計(jì)算機(jī)12、由補(bǔ)償電壓13-1、補(bǔ)償放大電路13-2組成的脈沖補(bǔ)償放大器13、由補(bǔ)償控制電路14-1、電流放大器14-2、積分電路14-3組成的發(fā)射電流測(cè)量模塊14、包括整流器i15-1的高壓源15、包括整流器ii16-1的隔離電源16及光纖ii17，所述補(bǔ)償放大電路13-2中包括一個(gè)差分放大電路，所述積分電路14-3中包括一個(gè)十六位雙斜率數(shù)模轉(zhuǎn)換器，真空玻璃管8的抽氣口是密封的，鎢材料的所述燈絲5位于真空玻璃管8內(nèi)一端，通電加熱后產(chǎn)生熱電子，所述抽取柵格6位于真空玻璃管8內(nèi)的所述燈絲5前面、且能夠通過(guò)改變燈絲表面的場(chǎng)強(qiáng)來(lái)控制熱發(fā)射電子流，真空玻璃管8另一端安裝有一個(gè)銅制成的加速電極且其中心具有一個(gè)直徑1毫米的孔，所述孔由一張250納米厚的所述氮化硅膜7密封，電子源內(nèi)部為真空環(huán)境、外部為大氣環(huán)境，動(dòng)能大于7kev的電子可以穿過(guò)所述氮化硅膜7，所述燈絲5和抽取柵格6相對(duì)于加速電極的電勢(shì)都為-10kv，由電勢(shì)差產(chǎn)生的電場(chǎng)使發(fā)射的電子加速到動(dòng)能10kev，能夠穿過(guò)所述氮化硅膜7進(jìn)入大氣環(huán)境，所述真空玻璃管8內(nèi)具有吸氣劑以能保持真空環(huán)境。

所述控制電路中，所述燈絲加熱電流源4的燈絲控制器4-1、電流感應(yīng)器i4-2、電壓感應(yīng)器i4-3分別均連接微處理器10、且所述電壓感應(yīng)器i4-3連接所述燈絲5，所述微處理器10分別輸出參考電壓i、參考電壓ii至所述柵格電壓脈沖發(fā)生器9中的電壓輸入端口i9-1和電壓輸入端口ii9-2，并輸入電壓放大器9-5，所述電流感應(yīng)器ii9-6、電壓感應(yīng)器ii9-7分別均連接微處理器10、且所述電壓感應(yīng)器ii9-7同時(shí)連接所述抽取柵格6和所述脈沖補(bǔ)償放大器13的補(bǔ)償放大電路13-2，所述補(bǔ)償放大電路13-2連接所述發(fā)射電流測(cè)量模塊14、且所述補(bǔ)償放大器13的補(bǔ)償電壓13-1連接微處理器10，所述發(fā)射電流測(cè)量模塊14的補(bǔ)償控制電路14-1、積分電路14-3分別均連接微處理器10、且所述積分電路14-3連接光纖ii17，所述發(fā)射電流測(cè)量模塊14輸入端依次連接高壓源15、隔離電源16，所述微處理器10通過(guò)com模塊11連接計(jì)算機(jī)12。

本發(fā)明產(chǎn)生脈沖方法是基于下述效應(yīng)的考慮，即控制所述抽取柵格6的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了使所述電壓能夠?qū)崿F(xiàn)很容易且快速的切換，是通過(guò)設(shè)計(jì)合適的電路來(lái)完成的，具體地，產(chǎn)生脈沖的方法是通過(guò)在兩個(gè)具有不同衰減因子的電壓之間切換，所述衰減因子即電子源的外部發(fā)射電子電流與內(nèi)部發(fā)射電子電流之比，其中一個(gè)電壓使得部分聚焦電子到所述氮化硅膜7上，另一個(gè)電壓完全使電子束散焦，沒(méi)有電子到達(dá)氮化硅膜，則外部發(fā)射電流就可以在開啟和關(guān)閉這兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行切換，由于衰減因子對(duì)于某個(gè)特定的電壓是常數(shù)，可以由靜態(tài)的測(cè)量容易地獲得。

由于無(wú)論外部發(fā)射電流在開啟還是關(guān)閉狀態(tài)、還是在切換的過(guò)程中，內(nèi)部發(fā)射電流保持不變，可以連續(xù)地對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，并可以通過(guò)調(diào)節(jié)燈絲電流對(duì)其進(jìn)行控制；也正是因?yàn)楸景l(fā)明的電子源可以連續(xù)測(cè)量?jī)?nèi)部發(fā)射電流，與增加的內(nèi)部發(fā)射電流結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了離子遷移譜中信噪比的提高，因此，既能夠精確地控制外部發(fā)射電流，又能夠在非常短的時(shí)間內(nèi)得到一個(gè)可重復(fù)的尾部發(fā)射電流，甚至在非常低的值。

所述隔離電源16為工作于高電勢(shì)的電子元件供電；所述高壓源15是產(chǎn)生加速電壓的電源，在-3kv到-15kv之間可調(diào)，這個(gè)電壓的穩(wěn)定性對(duì)于電流測(cè)量至關(guān)重要；所述由補(bǔ)償控制電路14-1、電流放大器14-2、積分電路14-3組成的發(fā)射電流測(cè)量模塊14，其輸入端接所述高壓源15，這是所述高壓源15與其他電路之間的唯一連接，高壓電路的地與所述高壓源15的電勢(shì)一致，這樣一來(lái)，任何從高壓電勢(shì)到地的電流都會(huì)經(jīng)過(guò)所述電流放大器14-2，從而電流放大器14-2測(cè)量了由所述燈絲5發(fā)射出來(lái)并到達(dá)加速電極的電子電流，即內(nèi)部發(fā)射電流。通過(guò)所述抽取柵格6流回的電子電流沒(méi)有被測(cè)量，因?yàn)樗霭l(fā)射電流測(cè)量模塊14只在高壓電路中形成回路。優(yōu)點(diǎn)是：在較小的內(nèi)部發(fā)射電流的測(cè)量中，相對(duì)較大的柵格電流不會(huì)引起偏移，但是，電流放大器14-2電路必須對(duì)過(guò)載電流有完全保護(hù)，過(guò)載電流有可能在電路故障及正常的開啟過(guò)程中產(chǎn)生；所述電流放大器的輸出信號(hào)被一個(gè)十六位雙斜率數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)字化后進(jìn)入所述微控制器，一個(gè)阻值為1g歐姆的電阻串聯(lián)在電流放大器14-2的輸入端，其作用是使得雙斜率數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)總是保持在其范圍的中心，這樣一來(lái)，不管發(fā)射電流和漏電流的大小如何，雙斜率數(shù)模轉(zhuǎn)換器在兩個(gè)方向的電流瞬變都有最大的保留。另外，雙斜率數(shù)模轉(zhuǎn)換器的恒定轉(zhuǎn)換時(shí)間極大地簡(jiǎn)化了數(shù)字控制器的工作，使用這個(gè)測(cè)量裝置，內(nèi)部發(fā)射電流的分辨率約為400fa，對(duì)應(yīng)的外部發(fā)射電流的分辨率約為20fa。燈絲加熱電流源是一個(gè)電壓可控的電流源，鎢燈絲的電阻的溫度系數(shù)是正數(shù)，在溫度較低時(shí)，如果用電壓源供電，會(huì)導(dǎo)致一個(gè)極高的涌入電流，造成設(shè)備損壞，所以要使用電流源；所述柵格電壓脈沖發(fā)生器9作用是切換控制柵格的電壓，來(lái)達(dá)到開啟和關(guān)閉電子發(fā)射的目的，通過(guò)雙極電流源來(lái)獲得大電壓范圍，使用電源反饋來(lái)改變控制柵格的電壓，當(dāng)提供正負(fù)250v時(shí)，可以使得控制柵格的電壓在幾微秒內(nèi)在正負(fù)240v之間的任意兩個(gè)電壓值之間切換；所述脈沖補(bǔ)償放大器13作用是在電流測(cè)量中補(bǔ)償所述抽取柵格6加脈沖電壓過(guò)程中由于電容耦合而產(chǎn)生的誤差。

考慮到安全和電磁兼容的原因，控制電路和電子源之間所有的連接都使用屏蔽的高壓線，由于高壓線的屏蔽層是接地的，因此所述抽取柵格6和地之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯的電容，并會(huì)加大原本存在的寄生電容，這樣的結(jié)果是，對(duì)所述抽取柵格6施加脈沖會(huì)導(dǎo)致有電流從上述電容流向地，并流過(guò)高壓源，該電流會(huì)使整流電流測(cè)量過(guò)載，最終干擾發(fā)射電流控制電路，為了使這個(gè)電流的影響最小化，加入一個(gè)補(bǔ)償放大器能夠解決問(wèn)題。由于電纜的電容取決于電纜的長(zhǎng)度，另外不同的熱電子發(fā)射器裝置會(huì)呈現(xiàn)不同的寄生電容，所以有必要改變補(bǔ)償放大器的增益，使用兩個(gè)npn晶體管，連接成差分放大器，所述差分放大器的發(fā)射電流及增益能夠通過(guò)所述微控制器來(lái)調(diào)節(jié)。