配套检测样品在电子注激励下产生光谱特性的实验系统

摘要

本发明公开了一种配套检测样品在电子注激励下产生光谱特性的实验系统，属于太赫兹辐射光谱特性检测领域。该系统包括：真空腔室、抽真空系统、旋转控制杆以及电子枪；抽真空系统为自由电子注激励样品提供高真空的实验环境；旋转控制杆不仅可以固定电子枪还可以控制电子注激励样品的角度和位置；真空腔室上、下安装的一对观察窗可以方便实现太赫兹时域光谱分析仪对样品在电子注激励下产生的辐射场进行实时探测和分析，前、后安装的一对观察窗可以方便实验操作人员实时观察真空腔室内部的情况。本发明整套系统设计合理，配合太赫兹时域光谱分析仪使用，可以方便实现对样品在自由电子注激励下产生太赫兹辐射光谱特性的检测。

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹辐射光谱特性检测技术领域，具体涉及一种配套利用太赫兹时域光谱分析仪检测在自由电子注激励下样品产生太赫兹辐射的光谱特性的实验系统。

技术背景

太赫兹波(THz)是指频率在0.1THz到10THz间的电磁波，太赫兹波介于微波和红外波之间。太赫兹波具有许多独特的性质，在安全检测、成像、生物医学、无线通信等领域均有重要的应用。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短(皮秒量级)，所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种，优良育种等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍然在不断的研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认。

太赫兹时域光谱分析仪是一种相干探测技术设备，能够同时获得太赫兹脉冲的振幅信息和相位信息，通过对时间波形进行傅里叶变换能直接得到样品的吸收系数和折射率等光学参数。石墨烯电子迁移率高，在太赫兹科学技术尤其是THz辐射源的研究中具有重要应用。电子注激励石墨烯样品，石墨烯的电化学性能会发生变化，而其电化学性能的变化可以通过折射率和电导率的变化来表征。使用太赫兹时域光谱分析仪对石墨烯辐射谱进行分析，即可获得石墨烯电导率和折射率变化情况，这对于石墨烯太赫兹辐射源的研究具有重大意义。但是现有的太赫兹时域光谱分析仪平台不能为电子注激励石墨烯样品提供高真空的实验环境。所以发明设计合适的配套系统，使得该套系统和现有太赫兹时域光谱分析仪协调工作，方便检测样品的光谱特性，具有迫切的现实需要。

发明内容

本发明根据现有的太赫兹时域光谱分析仪设计了相应的配套实验系统，该系统和太赫兹时域光谱分析仪配合使用，能方便检测出在自由电子注激励下，样品所产生的透射谱或是反射谱等时域光谱特性。

本发明采用的技术方案是：

一种配套检测样品在电子注激励下产生光谱特性的实验系统，包括：真空腔室、抽真空系统、旋转控制杆以及电子枪；

所述抽真空系统用于提供真空腔室高真空环境；

所述真空腔室设有观察窗以及腔室门，其内部还设置有样品台；所述腔室门上设置有给电子枪供电的双芯电极；

所述旋转控制杆穿过腔室门分为内外两部分，电子枪通过旋转控制杆内半部分固定于样品台上方，旋转腔室外侧的旋转控制杆外半部分即可改变电子枪发射电子注的角度；

所述抽真空系统包括一个抽系统低真空的机械泵，一个抽系统高真空的分子泵，以及用于控制机械泵和分子泵正常工作的控制平台。

所述观察窗为分别设置于真空腔室上、下、前、后的四个观察窗，上、下观察窗外部抵近有太赫兹时域光谱分析仪探头，用于探测并分析信号。

所述腔室门上还设置有一个六芯电极，可以用于外加电源对样品施加调制电压，还可以结合法拉第杯测量电子注束流大小。

所述电子枪是为本真空实验系统专门设计的电子枪，电子枪主要包括：镀有陶瓷的导线、阴极接线柱、电子枪上极板、金属支撑杆、钼筒、陶瓷柱、阴极和开孔阳极板。钼筒内部设置有阴极并固定于电子枪上极板背面，所述开孔阳极板通过陶瓷柱和上极板连接，且开孔位置和阴极发射面的中心位于同一轴线上；

所述电子枪上极板和开孔阳极板为无氧铜材料，阴极选用钡钨阴极，使用激光焊接技术将阴极焊接固定于钼筒内部，钼筒通过螺丝固定在电子枪上极板下方。阴极的两个接线柱上分别焊接有镀有陶瓷的导线，两根导线的另一端分别连接到双芯电极的两个金属电极上，外加调制电源通过双芯电极即可对阴极进行加热并提供加速电压，从而实现电子枪发射电子。

本发明采用以上技术方案所能达到的效果是：采用机械泵、分子泵两级抽真空系统，可以为自由电子注激励样品提供高真空(10^-4Pa)的实验环境；旋转控制杆不仅可以固定电子枪还可以控制电子注激励样品的角度和位置；真空腔室上、下安装的一对观察窗可以方便实现太赫兹时域光谱分析仪对样品在电子注激励下产生的辐射场进行实时探测和分析，前、后安装的一对观察窗可以方便实验操作人员实时观察真空腔室内部的情况。本发明整套系统设计合理，配合太赫兹时域光谱分析仪使用，可以方便实现对样品在自由电子注激励下产生太赫兹辐射光谱特性的检测。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的真空腔室部分俯视结构示意图；

图3是本发明的真空腔室腔室门侧视结构示意图；

图4是本发明的真空腔室腔室门主视结构示意图；

图5是本发明的真空腔室腔室门俯视结构示意图。

图中：1、机械泵；2、分子泵；3、控制平台；4、真空腔室；5、观察窗；6、腔室门；7、双芯电极；8、电子枪旋转控制杆；9、六芯电极；10、调制电源；11、太赫兹时域光谱分析仪信号接收探头；12、电子枪；13、样品台。其中，双芯电极7包括：7-1、刀口法兰，7-2、陶瓷套管，7-3、金属电极；电子枪旋转控制杆8包括：8-1、旋转控制杆外半部分，8-2、旋转控制杆内半部分；电子枪12包括：12-1、镀有陶瓷的导线，12-2、阴极接线柱，12-3、电子枪上极板，12-4、金属支撑杆，12-5、钼筒，12-6、陶瓷柱，12-7、阴极，12-8、开孔阳极板。

具体实施方式

为了进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1-图5所示，本发明装置包括机械泵1、分子泵2、分子泵和机械泵控制平台3和真空腔室4，该真空腔室4上设置有腔室排气孔、上下前后各一个观察窗5和腔室门6，所述腔室门6通过滑道开关，其外侧设置有双芯电极7、电子枪旋转控制杆外半部分8-1和六芯电极9，内侧设置有有样品台13和电子枪旋转控制杆的内半部分8-2。真空腔室4其外壳为金属结构，该金属结构可以承受高真空环境。

参照图1所示的本发明原理示意图搭建好整个实验系统，将真空腔室4固定到太赫兹时域光谱分析仪平台上，将太赫兹时域光谱分析两个信号接收探头11分别抵近真空腔室4的上下两个观察窗5。

参照图4和图5为腔室门6主视及俯视结构示意图，将样品固定到样品台13上，通过固定金属支撑杆12-4将电子枪12安装到电子枪旋转控制杆内半部分8-2，电子枪两个阴极接线柱12-2通过镀有陶瓷的导线12-1分别连接到双芯电极7的两根贯通到腔室内部的金属电极7-3上，双芯电极7外端通过导线连接到调制电源10上，通过调制电源10可以为阴极12-7加热和并提供加速电子的高压，实现电子发射。

以上准备工作完成后，开始启动本套实验系统，开启机械泵1，对整套系统抽低真空，当真空度达到10Pa左右时，开启分子泵2，对整套系统抽高真空。

当真空度满足实验要求时(10^-4Pa)，打开调制电源10，开始对电子枪12的阴极12-7进行加热，当阴极12-7温度满足发射要求，对阴极12-7加负高压，使电子枪12发射电子，通过调节阴极12-7所加电压和加速高压大小可以控制电子枪12发射电流的大小。

旋转电子枪旋转控制杆外半部分8-1，控制电子注作用到样品上的角度和位置，角度调节范围约为±80度。

电子注作用于样品，样品电学特性会发生变化并向外辐射电磁波，产生的电磁波辐射可以通过抵近上下两个观察窗5的两个太赫兹时域光谱分析仪信号接收探头11接收到，通过光谱分析仪可以进一步完成对信号时域光谱的分析。腔室门6上还设有六芯电极，外加电源通过该电极可以为样品施加一定的电压，由此可以分析样品在加电压后与电子注作用产生的辐射谱特性。此外，利用该六芯电极并配合使用法拉第杯等装置，还可以测量电子枪12所发射的束流大小。

真空腔室4还设置了前后两个观察窗5，通过这两个窗口可以方便观察真空腔室4的内部情况，便于控制电子枪12作用到样品上的位置与角度。