一种电子枪阴极的自动测试系统及测试方法与流程

1.本发明属于电真空技术领域，具体涉及一种电子枪阴极的自动测试系统及测试方法。


背景技术：

2.电子枪是产生、加速电子束流的装置，已被广泛应用于工业检测、安全检查、医学诊断和治疗等领域。阴极作为电子束流发射的载体，对电子枪的性能和可靠性有着根本性的影响，因此在电子枪安装使用之前或者在长久放置后需重新使用时，都需要先对阴极的性能进行测试。
3.伏安特性(uk-ik)和欠热特性(ik-t)是表征电子枪阴极性能的两个主要参数。在伏安特性(uk-ik)测试中，由于电子枪为脉冲工作，其电压uk和电流ik均为脉冲形式，常规测试方法采用固定点采集电压uk和电流ik数据，步骤繁琐导致效率十分低下。同时由于测试使用的设备未能及时校准，实际测量中影响因素较多，因此获得的数据并不可信，甚至有可能无效。
4.另一方面，欠热特性(ik-t)测试对测试仪表的要求很高，目前广泛采用光学高温计对电子枪阴极的表面温度进行实时监测。光学高温计具有测量精度高、反应速度快、测量范围宽、测量值更接近真实温度等诸多优点，实际使用中需通过多次调整光学高温计的目镜，来对准被测电子枪阴极，因电子枪阴极面积相对较小，如光学高温计不能精确对准被测电子枪阴极，将极大影响测试数据的准确性，同时大幅降低电子枪的测试效率。
5.总之，现有电子枪阴极测试方法的缺点主要表现如下：
6.(1)伏安特性测试时，脉冲工况下的电压uk与电流ik等数据采用固定点采集的手动测试方法，效率十分低下，不能真实反映全量程下电子枪的发射性能，也不能适应大批量生产或紧急更换等需求。
7.(2)由于常规测试系统未包含校准装置，无法实现及时校准，实际数据采集的影响因素较多，导致测试数据不可信，甚至无效。在电子枪装入整机后，不可信的测试数据将会影响系统的正常工作。
8.(3)欠热特性测试中，需光学高温计实时参与监测，若光学高温计因故障无法正常工作时，欠热特性测试将被迫中断。实际使用中，需在测试数据的准确性和测试效率之间进行折中，无法兼顾。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明提供了一种电子枪阴极的自动测试系统及测试方法，能够快速采集发射电压与发射电流等数据，并通过软件拟合获得相应的曲线，显著提升了测试效率；测试系统可对系统自身进行校准，确保了系统自身可靠，极大提高了测量数据的准确性。
10.一种电子枪阴极的自动测试系统，系统包括电源系统、采集系统和上位机，外围部件是校准件和电子枪阴极；
11.所述电源系统在上位机的控制指令下产生系统校准测试和电子枪阴极测试时所需的高压电和辅助电，同时将自身的输出电压、电流状态回报给上位机；
12.所述采集系统在上位机的控制指令下对校准件或电子枪阴极发射电子束的电压、电流、温度参数进行存储记录，最后将采集的数据发送到上位机进行处理；
13.所述上位机将采集系统发送的各项数据进行综合处理，自动绘制校准件和电子枪阴极的各项特性曲线，获得特性曲线中的偏离点、拐点或特征工作点，同时通过三维建模获取阴极发射电子束的能量分布，上位机在进行电子枪阴极测试前利用校准件对电源系统和采集系统进行校准。
14.进一步地，所述特性曲线包括发射特性曲线、欠热曲线和有效功函数分布曲线。
15.进一步地，所述电源系统包括高压电源、辅助电源和取样电路；其中，所述高压电源和辅助电源，用于产生电子枪阴极测试所需的各种高压供电和辅助供电，并将电信号传送给取样电路；所述取样电路，用于对高压电源和辅助电源的电压、电流信号进行取样，并将结果传送到上位机。
16.进一步地，所述采集系统包括扫描模块、传感模块和信号采集模块；其中，所述扫描模块，用于控制阴极发射的电子束流在能量吸收装置表面的有效区域进行扫描；所述传感模块，用于接收阴极发射的电子束信号，并将其传送给信号采集模块；所述信号采集模块，用于将传感模块发送的信号进行放大、a/d转换处理，然后将信号传送到上位机。
17.进一步地，所述上位机包括数据处理模块、仿真建模模块和监测控制模块；其中，所述数据处理模块，用于对信号采集模块发送的数据进行综合处理，绘制电子枪阴极的各项特性曲线，计算出表征电子枪阴极性能的特殊工作点，并将经过处理的数据传送到仿真建模模块和监测控制模块；所述仿真建模模块，将经过处理的阴极发射电子束流参数进行三维仿真，重现电子束流的能量密度分布；所述监测控制模块，用于根据数据处理模块的计算结果和取样电路的反馈，实时控制电源系统和采集系统。
18.进一步地，所述上位机发送测试指令后，监测控制模块首先控制启动电源系统和采集系统，电源系统开始加电，采集系统则开始对阴极发射束流进行扫描；在测试过程中，监测控制模块实时监测电源系统的供电电压、电流信息，据此判断系统工作是否正常，若判断系统工作不正常，则监测控制模块控制关闭电源和采集系统；若系统工作正常，则在数据处理模块每记录完一个工作电压或空间截面的电子束流信息后，数据处理模块会发送下一个工作电压或空间截面的测试指令到监测控制模块，监测模块控制电源系统改变输出电压，或者控制扫描模块改变扫描截面，实现下一个电压或者空间截面的扫描，由此实现监测控制模块对电源系统和采集系统的实时控制。
19.一种电子枪阴极的自动测试方法，该方法的实现包括以下步骤：
20.步骤1：将校准件放入测试系统中，上位机通过监测控制模块向电源系统和采集系统分别发送校准测试指令：
21.步骤2：电源系统接收校准测试指令，开启高压电源和辅助电源，同时利用取样电路将相应的供电电压、电流等信息发送给上位机，实现对电源系统输出状态的实时监测；
22.步骤3：采集系统接收校准测试指令，控制扫描模块对校准件发射束流进行扫描，同时传感模块接收电子束流信息，并将信息传送到信号采集模块；
23.步骤4：信号采集模块对采集到的电压、电流数据进行放大、a/d转换处理，然后将
信号传送到上位机；
24.步骤5：上位机的数据处理模块对信号采集模块发送的数据进行综合处理，绘制校准件的特性曲线(特性曲线主要是确认测试系统的精度，如果精度在合理范围内，对电子枪的测试才有意义，如果超差，则测试数据无效)，用于校准测试；
25.其中，步骤1-步骤5为校准测试步骤，仅在测试系统首次使用或久置后需重新使用时才用到。在完成校准测试后，方可进行电子枪阴极的性能测试，测试的步骤如下：
26.步骤6：将待测的电子枪放入测试系统中，上位机通过监测控制模块向电源系统和采集系统分别发送电子枪阴极性能测试指令：
27.步骤7：电源系统接收阴极性能测试指令，开启高压电源和辅助电源，同时取样电路将相应的供电电压、电流信息发送给上位机，实现对电源系统输出状态的实时监测；
28.步骤8：采集系统接收阴极性能测试指令，监测控制模块控制扫描模块对电子枪阴极发射束流进行初次扫描，同时传感模块接收阴极发射电子束流信息，并将信息传送到信号采集模块；
29.步骤9：信号采集模块对采集到的电压、电流数据进行放大、a/d转换处理，然后将信号传送到数据处理模块；
30.步骤10：数据处理模块将步骤9的信号记录，同时发送下一个工作电压或空间截面的测试指令到监测控制模块，监测模块控制电源系统改变输出电压，或者控制扫描模块改变扫描截面，实现下一个电压或者空间截面的扫描；
31.步骤11：数据处理模块对信号采集模块多次发送的数据进行综合处理，绘制电子枪阴极的各项特性曲线，自动获得发射特性曲线中的偏离点、拐点和特征工作点；
32.步骤12：仿真建模模块对数据处理模块采集大量的不同截面处的电子束流信号电子束信号进行三维仿真，重现电子束流的能量密度分布。
33.有益效果：
34.1、本发明的测试系统可快速采集阴极发射电子束流的相关参数，并通过软件拟合获得相应的特性曲线，能真实反映全量程下电子枪的发射性能，且测试效率得到了显著的提升，能够完全满足批量生产或紧急更换的需求。
35.2、本发明的测试系统可通过控制扫描模块获取不同截面处电子枪阴极发射束流参数，实现阴极发射电子束流能量密度分布的三维仿真建模，为阴极发射特性的深入评估提供了更加详实的依据。
36.3、本发明的测试方法采用了系统自校准的步骤环节，在对电子枪测试之前，系统可通过校准件对系统自身进行及时校准，确保了系统自身可靠，从而降低了测试数据受外界因素的影响，极大提高了测量数据的准确性。
附图说明
37.图1为本发明一种电子枪阴极的自动测试系统及测试方法的原理框图
38.图2为本发明自动测试系统的校准测试和电子枪阴极测试的逻辑关系图。
39.图3为本发明自动测试系统的电子枪阴极具体测试流程图。
40.其中，1-电源系统，2-采集系统，3-上位机，11-高压电源，12-辅助电源，13-取样电路，21-扫描模块，22-传感模块，23-信号采集模块，31-数据处理模块，32-仿真建模模块，
33-监测控制模块。
具体实施方式
41.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
42.本发明提供了一种电子枪阴极的自动测试系统及测试方法，如图1所示，包括电源系统1、采集系统2和上位机3。
43.电源系统1中的高压电源11与辅助电源12在上位机3中监测控制模块33的控制下工作，高压电源11与辅助电源12的输出同时连接到待测设备和取样电路13。取样电路13对接收到的电信号进行取样，其输出连接到上位机3中的监测控制模块33的输入。采集系统2中扫描模块21在上位机3中监测控制模块33的控制下工作，其另一端连接到待测装置(电子枪或校准件)。传感模块22的输入连接到待测装置(电子枪或校准件)，传感模块22的输出连接到信号采集模块23的输入。信号采集模块23的输出连接到上位机3中数据处理模块31的输入，将经过放大、a/d转换等处理后的信号传送到上位机3。上位机3中的数据处理模块31的输出连接到仿真建模模块32和监测控制模块33的输入。监测控制模块33的输入连接到数据处理模块31和取样电路13的输出，监测控制模块33的输出分别连接到高压电源11、辅助电源12和扫描模块21的输入。
44.电源系统1主要实现在上位机3的控制下对待测装置(电子枪或校准件)的供电，同时通过取样电路13将输出状态上传给监测控制模块33。
45.采集系统2主要实现在上位机3的控制下对待测装置(电子枪或校准件)发射的电子束流参数采集，经过放大、a/d转换等处理后将数据传送到上位机3。
46.上位机3一方面将采集系统2传送的数据进行处理，绘制各项特性曲线，通过求取对数、微分等算法自动获得特性曲线中的特殊点，同时通过仿真模块进行三维建模，获取阴极发射电子束的能量分布。此外上位机3还要完成对电源系统1和采集系统2的控制和检测，以确保测试系统正常稳定的完成不同性能参数的测试。
47.进一步的实施实例中，电源系统1由高压电源11、辅助电源12和取样电路13组成。其中高压电源11和辅助电源12，用于产生电子枪阴极测试所需的各种高压供电和辅助供电，并将电信号传送给取样电路13。取样电路13，用于对高压电源11和辅助电源12的电压、电流等信号进行取样，并将结果传送到上位机3。
48.采集系统2由扫描模块21、传感模块22和信号采集模块23组成。其中，扫描模块21，用于控制阴极发射的电子束流在能量吸收装置表面的有效区域进行扫描；传感模块22，用于接收阴极发射的电子束信号，并将其传送给信号采集模块23；信号采集模块23，用于将传感模块22发送的信号进行放大、a/d转换等处理，然后将信号传送到上位机3。
49.上位机3由数据处理模块31、仿真建模模块32和控制模块33组成。其中数据处理模块31，用于对信号采集模块23发送的数据进行综合处理，绘制电子枪阴极的各项特性曲线，计算出表征电子枪阴极性能的特殊工作点，并将经过处理的数据传送到仿真建模模块32和监测控制模块33；仿真建模模块32，将经过处理的阴极发射电子束流参数进行三维仿真，重现电子束流的能量密度分布；监测控制模块33，用于根据数据处理模块31的计算结果和取样电路的反馈，实时控制电源系统1和采集系统2。
50.本发明的工作过程和原理：
51.本发明提出的自动测试系统，其测试步骤主要包含校准件和待测电子枪两方面的测试。首先进行校准件测试，完成之后方可进行电子枪性能测试。
52.在校准件测试中，包括以下步骤：
53.步骤1：将校准件放入测试系统中，上位机3通过控制模块33向电源系统1和采集系统2分别发送校准测试指令：
54.步骤2：电源系统1接收校准测试指令，开启高压电源11和辅助电源12，同时利用取样电路13将相应的供电电压、电流等信息发送给上位机3，实现对电源系统1输出状态的实时监测；
55.步骤3：采集系统2接收校准测试指令，控制扫描模块21对校准件发射束流进行扫描，同时传感模块22接收电子束流信息，并将信息传送到信号采集模块23；
56.步骤4：信号采集模块23对采集到的电压、电流等数据进行放大、a/d转换等处理，然后将信号传送到上位机3；
57.步骤5：上位机3的数据处理模块31对信号采集模块23发送的数据进行综合处理，绘制校准件的特性曲线，用于校准测试系统。
58.在完成校准测试后，进行电子枪阴极的性能测试，其步骤如下：
59.步骤6：将待测的电子枪放入测试系统中，上位机3通过控制模块33向电源系统1和采集系统2分别发送电子枪阴极性能测试指令：
60.步骤7：电源系统1接收阴极性能测试指令，开启高压电源11和辅助电源12，同时利用取样电路13将相应的供电电压、电流等信息发送给上位机3，实现对电源系统1输出状态的实时监测；
61.步骤8：采集系统2接收阴极性能测试指令，控制扫描模块21对电子枪阴极发射束流进行扫描，同时传感模块22接收阴极发射电子束流信息，并将信息传送到信号采集模块23；
62.步骤9：上位机3控制扫描模块21移动到下一待测位置，重复步骤8，以获取不同截面处电子枪阴极发射束流参数；
63.步骤10：信号采集模块23对采集到的电压、电流等数据进行放大、a/d转换等处理，然后将信号传送到上位机3的信号处理模块31中；
64.步骤11：上位机3的数据处理模块31对信号采集模块23发送的数据进行综合处理，绘制电子枪阴极的各项特性曲线，如发射特性曲线(伏安特性曲线)、欠热曲线(miram曲线)、有效功函数分布(pwfd)，通过求取对数、微分等算法自动获得发射特性曲线中的偏离点、拐点和特征工作点(t80)；
65.步骤12：数据处理模块31将步骤9中获取的不同截面处电子枪阴极发射束流参数进行处理，利用仿真建模模块32进行三维仿真，重现电子束流的能量密度分布。
66.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。