热阴极真空计

2024年2月1日，中科盈德（泰州）测控技术有限公司为交通部绿通快速检测项目研发生产的全球首台套冷阴极无损检测交通专用设备已顺利完成，即日将前往青岛高速集团灵珠收费站完成现场交付。中科盈德（泰州）测控技术有限公司聚焦于激光超声、冷阴极无损检测等多种世界领先的高端创新无损检测技术设备的设计开发、成果转化与生产制造，是全球唯一一家掌握自主知识产权，能够提供全系列激光超声、冷阴极无损检测等技术做为工业系统全方位无损检测解决方案的企业。中科盈德一直用更安全、更方便、更有效的创新技术引领世界无损检测行业的发展方向、开拓新领域、开发新市场，并以走向世界为企业的发展目标。高速公路绿色通行是指在高速公路收费站设立专用通道，对鲜活农产品车辆实行优惠政策的安全、快捷的便利通道。自2005至2023年，交通部、国务院、财政部、国家发改委等相继印发了一系列关于全国高效率鲜活农产品流通“绿色通道”建设实施方案的通知，运载符合绿通目录内鲜活农产品的流通车辆，经道路部门检测后，装载率达到80%以上的，可以享受国家给予的相关道路免费通行的绿通优惠政策。2021年10月交通运输部路网监测与应急处置中心印发了收费公路联网收费预约通行服务规程，明确指出了使用数字自动检验设备的查验方式。规划了将逐步建立以自动检测为主、人工查验为辅的鲜活农产品运输绿色通道的规范检测体系。目前各地交通部门主要的绿通检测方式，仍然是以收费站工作人员的人工检测为主，存在着效率低、风险大、偏差大、争议大、易勾结逃费、高投诉等各种棘手问题，在部分地区虽有进行数字自动检验设备的试点工作，但因其技术原理上的缺陷，存在诸多问题，无法做进一步的推广。这样的现状既影响了国家惠民政策的具体落实，又给交通管理部门的声誉带来了负面的影响，也给国家形成了长期可观的经济损失。因此多年以来，国家相关部门一直亟待能有更先进的数字自动检测设备出现，需要更好的创新技术为绿通快速检测项目带来更安全、更高效、更可靠的系统解决方案。中科盈德基于自有知识产权、自主研发完成了世界首台套冷阴极无损检测交通专用设备，领先使用世界最先进的创新型冷阴极无损检测技术生产的绿色通道快速检测系统，通过颠覆百年未变的热阴极无损检测的产生原理，很好的解决和提升了安全、效率等多个原有的卡脖子疑难问题，比较起传统的热阴极无损检测产品，具有诸多的革命性的优点：更加安全、小型轻便、无需预热、节能高效、更长期限使用寿命等等。因其采用先进的数字脉冲技术，响应速度快、对外部影响小、更加安全可靠，对于检测工作人员和广大物流驾驶员来说，这是更安全、更高效的创新型无损检测技术手段。产品采用数字图像分析系统，检测结果比传统人工检查更方便、更快捷，也更少产生争议，且节能省电、绿色环保，即时检测，即时出结果，使得绿通快速检测的通过流程更快速、更高效、更安全！中科盈德的新一代冷阴极无损检测技术，可以较好的解决交通部门长期以来最为关心的安全性等诸多技术痛点和社会关切问题，具有较好的经济效益和社会效益。中科盈德创新型冷阴极无损检测技术在以安全性、可靠性为代表的多个重要方面，已经有了革命性的提升和进步，未来还可以通过不断的开发，做进一步的迭代增强，如增强穿透功能、多角度立体成像功能、AI智能识别功能、大数据分析等，使中科盈德的绿通系列产品具有持续迭代升级的能力，始终走在无损检测技术发展的创新前沿。中国具有全世界最多的高速公路里程，各地交管部门对于绿通快速检测产品普遍具有较大的需求，随着绿通快速检测产品的逐步推广，每年将会为国家挽回上百亿的道路通行费损失，也能够为企业带来进一步践行创新型科技发展的机遇。2024年1月山东省高速首先启动了绿通快速检测项目的试点工作。山东省首批计划改造收费站点约825个，交通部计划自2024年起，开始向全国逐步推广，全国共有近5万对收费站点需要逐步进行安装，产品每五年进行一次强制性更换，绿通快速检测产品每年约有400亿元的市场规模。现在已有数个省份的交通部门计划加入今年的推广之中，目前各省交通部门的订单意向汇总已接近4000台套，价值近80亿元人民币。高速公路绿通快速检测项目的研发完成，是中科盈德创新型冷阴极无损检测技术成长历史上的一个里程碑，这也是企业自主知识产权的冷阴极无损检测技术在进入航空航天、半导体行业、核能核电、国家电网、船舶制造、医疗等领域之后，新进入的又一个重大应用领域，是对热阴极无损检测技术的一次产业迭代革命，让自主知识产权、世界领先的冷阴极工业无损检测装备得到进一步的推广和普及，用创新科技解决原有的各种卡脖子难题，这对于助力中国从工业制造大国向工业制造强国的进一步提升，具有重大的积极意义和良好的社会效益！此次中科盈德绿通快速检测项目的交付，将有机会让我国的冷阴极无损检测技术，从技术原理、专利发明、到实际应用，再到商业价值，都能够走在全世界的最前沿，未来有机会彻底地改变世界无损检测技术的面貌与行业市场的格局！中科盈德的冷阴极无损检测产品，既是照出万物的智慧之光，也是企业自身的发展之光，更会是一束迈向世界，今后让国人都能够引以为自豪的希望之光！展望未来的创新发展之路，冷阴极无损检测产品的前景无限！

前记：近五年来，在政策支持下，中国电镜产业化发展之路上多点开花，电镜、电镜功能附件装置与设备、电镜制样等方面不断有新的产业化技术涌现。其中不仅包含扫描透射电镜、场发射扫描电镜、聚焦离子束显微镜、透射电镜原位研究系统等重要技术的商品化，也不乏场发射枪、高压电源、光阑等电镜关键部件的攻克。在中国电镜技术产业化呈现百花齐放、国家对电镜设备产业化问题高度重视背景下，仪器信息网也别策划电镜技术系列征稿活动，共同探讨中国电镜产业技术、市场的机遇与挑战。相关投稿将整理至对应专题展示，并在仪器信息网相关渠道推广，欢迎大家投稿，电镜技术、市场相关均可（投稿邮箱：yanglz@instrument.com.cn，关于征稿内容要求也可邮件咨询或电话联系：15311451191，同微信）。本期主题为“电镜核心部件技术”，对应专题如下（点击图片进入专题），相关约稿将陆续上线，欢迎关注。以下为安捷伦科技（中国）有限公司真空事业部供稿，安捷伦科技（中国）有限公司真空部门的前身——创建于1948年的瓦里安（Varian）在1957年发明了第一台溅射离子泵（SIP），大大拓展了当时的技术所能达到的真空度，使超高真空成为可能，因此安捷伦对于真空技术有着丰富的经验和深刻的理解。安捷伦为了满足电子显微镜系统高真空、低电磁噪声和低振动的要求，基于Varian Vacuum 产品的基础，开发了一系列的真空系统。以下，安捷伦分享了对真空技术的看法及面向电子显微镜领域的真空系统整体解决方案。--------------------电子显微镜的真空系统介绍供稿：安捷伦科技（中国）有限公司真空事业部1.引言在上个世纪二三十年代，为了看到有机细胞（细胞核、线粒体等）内部的细微结构（100nm），人们开发出了透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy），它在普通显微镜的基础上用聚焦电子束代替可见光来“透视”标本，大大提高了分辨率。二十世纪六十年代，扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope）问世，它采用高能电子束扫描样品来成像。电子与组成样品的原子相互作用，可以产生包含样品表面形貌、成分和其他信息的信号。2.电子显微镜是如何工作的无论是透射电子显微镜还是扫描电子显微镜，都是靠电子束照射样品来获取图像，其主要部分包含电子源（电子枪）、电子透镜、扫描线圈、检测器等，这些部件通常自上而下地装在一个高真空的腔室（镜筒）内。图1 电子显微镜的系统结构电子枪（也被称为电子源）：一般位于镜筒的顶部，它能发射电子并形成速度均匀的电子束。电子束向下通过电子透镜来聚焦。电子透镜：电子显微镜镜筒中最重要的部件之一，它用一个对称于镜筒轴线的空间电场或磁场使电子轨迹向轴线偏转以形成聚焦，其作用与玻璃凸透镜使光束聚焦的作用相似，所以称为电子透镜。现代电子显微镜大多采用电磁透镜，由很稳定的直流励磁电流通过带极靴的线圈产生的强磁场使电子聚焦。扫描线圈：控制和微调光束位置的电磁线圈。检测器：聚焦的电子束照射样品台上的样品并产生信号，这些信号被检测器检测到，然后被转换成图像。3.真空对于电子显微镜的重要性真空对电子显微镜有非常重要的作用。电子显微镜工作时，整个电子束路径与待分析的样品一起都会置于高真空的环境，如果真空度不够高，电子枪的栅极与阳极间可能会产生极间放电进而烧断灯丝，电子束与残留空气粒子发生碰撞还会导致散射，这种散射会导致电子束中的电子无法到达样品，或者分析失真。4.电子显微镜对真空的要求为了使电子束中的电子尽量不受阻碍地移动，电子显微镜的真空度通常需要达到1E-7mbar量级的高真空，甚至1E-10mbar量级的超高真空；除了真空度，真空泵工作时的振动水平也非常关键。由于电子束的截面小，在样品上的定位精度很高，只有处于振动水平极低的环境中，才能保持这种精度；另外，为了避免油蒸汽污染样品或显微镜内部元件，最好采用无油干式的真空泵。5.典型的真空系统配置下图是一个扫描电子显微镜系统的示例。左侧从上往下分别是装有电子枪和电子透镜的镜筒和放置样品的样品腔，样品腔的右边是一个进出样室（LoadLock）。待分析的样品被放置于进出样室内，进出样室被抽到一定的真空度后再把样品转移到样品腔中进行分析。有进出样室的电子显微镜可以将样品腔一直维持在高真空，从而缩短每次检测的准备时间，提高样品吞吐量，降低单次检测成本。图2 典型的真空系统配置该扫描电子显微镜的镜筒上配置有两台离子泵（IonPump），在样品腔和进出样室还配置了两套分子泵（TurboPump）机组和多个阀门（Valve），并配置了多个真空计以检测不同位置的真空度。6.安捷伦真空：提供适合电子显微镜的全套真空产品安捷伦真空部门的前身、创建于1948年的瓦里安（Varian）在1957年发明了第一台溅射离子泵（SIP）。离子泵的发明大大拓展了当时的技术所能达到的真空度，使超高真空成为可能。安捷伦真空对聚束系统真空应用有着非常丰富的经验，为了满足电子显微镜系统高真空、低电磁噪声和低振动的要求，开发了一系列的产品。离子泵：作为离子泵的发明者，安捷伦真空可以生产多种类型的离子泵。采用专利设计的安捷伦扫描电子显微镜专用离子泵，具有更加稳定和精准的压力读数，以及更少的粒子产生，特别适合安装于电子枪处（电子枪处对温度、磁场的要求都比较高，一般的冷阴极或热阴极真空计对其正常工作会有影响，而普通的离子泵测量的压力偏差又比较大）。安捷伦真空独有的StarCell离子泵在保留较高活性气体抽速的同时，还具有相当高的惰性气体抽速，一般将其安装于镜筒的下部，与电子枪上的SEM离子泵相结合，为电子显微镜提供一个强大的高真空抽气组合。图3 安捷伦SEM专用离子泵分子泵：安捷伦TwisTorr涡轮分子泵采用独有的AFS悬浮轴承技术，工作时振动非常低，被广泛地应用在世界各地的众多电子显微镜上。一个位于日本的业界领袖，从2015年起，在其生产的电子显微镜上使用了1000多台安捷伦分子泵，泵的可靠性非常接近100%，实测的振动水平低于0.01米/秒2，噪声等级更是只有40dB(A)。图4 安捷伦TwisTorr涡轮分子泵阻尼减振器：为了进一步减小分子泵振动对电子显微镜等高灵敏度分析仪器的影响，安捷伦真空专门开发了一款阻尼减震器，该减震器可以将涡轮分子泵在满转速时的振动减小到原来的1/40左右（CF法兰）。图5 阻尼减振器除此之外，安捷伦真空可以提供各种抽速的涡旋干泵、各种类型的真空计、电磁噪声几乎为零的各种真空泵控制器等，另外，基于其在聚束系统广泛的知识和灵活的制造能力，还可以为特定系统定制特殊的离子泵，还可以为敏感的显微镜应用提供最先进的振动模拟和测试。

近期，西湖大学理学院何睿华课题组连同研究合作者一起，发现了世界首例具有本征相干性的光阴极量子材料，其性能远超传统的光阴极材料，且无法为现有理论所解释，为光阴极研发、应用与基础理论发展打开了新的天地。3月8日，相关论文“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”，已提前线上发表于Nature期刊。西湖大学博士研究生洪彩云、邹文俊和冉鹏旭为共同第一作者，西湖大学理学院长聘副教授何睿华为通讯作者。全部实验和理论工作都在西湖大学完成。摄影师镜头下，首例具有本征相干性的光阴极量子材料：钛酸锶。光阴极：辉煌的出身，沉寂的领域，现代科技的基石之一1887年，德国物理学家赫兹在实验中意外发现，紫外线照射到金属表面电极上会产生火花。1905年，爱因斯坦基于光的量子化猜想，提出了对该现象的理论解释。这标志着量子力学大门的正式开启，因为这个贡献，爱因斯坦于1921年被授予诺贝尔物理学奖。由此，将“光”转化为“电”的“光电效应”，以及能够产生这个效应的“光阴极”材料，正式进入了人类的视野。伴随着对光电效应理解的加深，人们后来发展出了更完善的理论，能够解释所有光阴极材料的基本性能，并成功预言了当时未知的光阴极材料。这些光阴极材料基本上都是传统金属和半导体材料，大多数在60年前被发现。它们已经成为当代粒子加速器、自由电子激光、超快电镜、高分辨电子谱仪等尖端科技装置的核心元件。这类高精尖设备除了常见于实验室，还被应用在大众生活中，如粒子加速器已被用于治疗癌症、杀灭细菌、开发包装材料、改进车辆的燃料注入等。简单说来，光阴极材料是否“好用”，直接关系着这类设备的性能。然而，这些传统的光阴极材料存在固有的性能缺陷——它们所发射的电子束“相干性”太差，也就是电子束的发射角太大，其中的电子运动速度不均一。这样的“初始“电子束要想满足尖端科技应用的要求，必须依赖一系列材料工艺和电气工程技术来增强它的相干性，而这些特殊工艺和辅助技术的引入极大地增加了“电子枪”系统的复杂度，提高了建造要求和成本。钛酸锶：量子材料之光，光阴极领域的潜在重启者尽管基于光阴极的电子枪技术最近几十年来有了长足的发展，但它已渐渐无法跟上相关科技应用发展的步伐。许多前述尖端科技的升级换代呼唤初始电子束相干性在数量级上的提升，而这已经不是一般的光阴极性能优化所能实现的了，只能寄望于在材料和理论层面上的源头创新。长期深耕材料物理性质研究的西湖大学理学院何睿华团队，意外在一个同类物理实验室中“常见”的身影——钛酸锶上实现了突破。近年来兴起的一大类新的材料——量子材料，以其复杂多变的性质和丰富多样的功能而著称。具有钙钛矿结构的钛酸锶（SrTiO3）是这类材料的重要代表之一。被誉为“钛酸锶之父”、高温超导发现人、诺贝尔物理学奖获得者K. A. Muller教授称钛酸锶为“固体物理中的果蝇”，因为很多重要的固体物理现象都是首先从该材料上发现的，其中还包括许多尚未被理解的现象。然而，以钛酸锶为首的氧化物量子材料研究，其主流是将这些材料当作硅基半导体的潜在替代材料来研究，主要关注的是它们独特的电子学相关性质。但何睿华团队却在实验中发现，这些熟悉的材料竟然同样承载着触发新奇光电效应的能力——它有着远超于现有光阴极材料的光阴极关键性能：相干性（见图1说明），从而极大地弥补了现有光阴极材料的缺憾。图1. 钛酸锶和其他材料的初始电子束能谱分析对比。前者具有更高的初始电子束相干性，具体体现为：电子发射动能能量发散度小于0.01 eV（a），发散角小于2°（b），相比普通材料的约0.5 eV和20°有了数量级上的提升。Nature论文匿名审稿人指出：“与类似实验条件下的其他现有光阴极相比，钛酸锶光阴极最重要的性质是它所发射的初始电子束所具有的相干性有了数量级上的提升。这种性能上的巨大飞跃允许（人们）完整获得具有本征相干性的电子束，而无需为了提高相干性而牺牲电子束流强度。这一发现可能会导致光阴极技术发生范式转变，该技术长期以来一直受困于（电子枪）电子束不能同时具有高相干性和高束流强度的矛盾，（这个矛盾的）根源就在于初始电子束的本征非相干性。”超快电镜专家、论文合作者、西湖大学理学院研究员郑昌喜认为，合作团队发现的重要性“不在于往钛酸锶的神奇性质列表增添了一个新的性质，而在于这个性质本身，它可能重启一个极其重要、被普遍认为已发展成熟的光阴极技术领域，改变许多早已根深蒂固的游戏规则”。角分辨光电子能谱：以子之矛，攻子之盾图片设计师：林晨科学探索常常在意外中触碰出新的火花。为什么何睿华团队能在“常见”的材料上获得新的发现？这得归功于一种强大的、但很少被应用于光阴极研究的实验手段：角分辨光电子能谱技术。以往，由于大部分具有较高性能的传统光阴极材料其表面具有多晶或非晶结构，光阴极领域的主流研究方法依赖的主要是光电流探测，这个135年前已开始使用的实验手段。这也使得一大类新近发展出来的研究单晶量子材料的实验利器无用武之地，其中包括角分辨光电子能谱技术。究其本质，角分辨光电子能谱技术这个技术的工作原理，就是光电效应。它被用于探测材料的电子结构，即了解电子如何在材料里运动。在过去的几十年里，角分辨光电子能谱技术主要用于研究跟材料的光学、电学和热学性质相关的那部分电子结构。受这种强烈的科学关注的驱使，现有大多数实验设施针对相关能量区域内的电子结构测量进行了相应的配置和优化。谁能想到，这个运用了光电效应原理的技术，竟然能“以子之矛，攻子之盾”，挖掘出光电效应中新的物理——在实验中，西湖大学何睿华团队使用了这个源自光电效应的量子材料研究利器，出乎意料地捕捉到了单晶量子材料的独特光电发射特性。通过对角分辨光电子能谱仪进行“非常规”配置，以实现对非常规能量区域内、与光电效应相关的电子结构测量，他们发现钛酸锶优越的光阴极性能来自于其独特的光电发射性质（图2），而这些性质明显不同于所有已知的光阴极材料。可以说，它们几乎在每个主要方面都超出了已有光电发射理论的预期。图2. 普通光阴极材料（a）和光阴极量子材料钛酸锶（b）所发射的初始电子束的区别。关于西湖大学团队的以上结论，角分辨光电子能谱理论权威、论文合作者、美国东北大学教授Arun Bansil进行了理论确认，他指出：“（这个发现）表明我们对光电效应相关物理过程的完整理解缺少一些很基本的东西，而这个缺失的元素可能成为开启整个光阴极量子材料家族之门的钥匙，（这些材料）具有独特的、不为现有材料所具有的光阴极性能。”展望：从理论到应用的待解之谜而发现，往往只是驶向未知浩瀚海洋的第一步。在激动人心的发现过后，何睿华实验室立刻投身于下一步的探索之中。据本成果的第一作者、西湖大学理学院2019级博士生洪彩云介绍，接下来，他们将进一步在理论和应用方面展开对钛酸锶材料的研究工作。在理论方面，既然现有理论失灵了，那就意味着需要建立新的理论，来解释观察到的钛酸锶光阴极性能。何睿华对此给出了一个非常大胆的猜想，跟Bansil组合作提出了一个全新的光电发射机制。按照这个新的理论，他们预测了一大类由此新机制主导的候选光阴极量子材料，实验团队正计划对这些材料预测进行一一验证。在应用方面，既然钛酸锶材料比已有的光阴极材料表现都要更理想，团队也计划与相关领域的团队合作，挖掘这种材料的实际应用价值。何睿华在西湖大学的个人介绍页面上，写着对这所学校的心愿：“希望西湖大学能成为一个具有独特定位，鼓励学科交叉和大胆创新的冒险家乐园”。事实上，首个光阴极量子材料钛酸锶的发现，也正开花于他带领团队进行的长达数年的沉浸式“冒险”探索之中。原本，实验室所进行的一个“小”研究项目是研究量子材料的逸出功（注：在光电效应中，电子跃出材料表面需要付出一定的能量“代价”，即逸出功）。依托物质科学平台的超高真空互联系统，以“高通量”手法批量测量各材料的逸出功时，他们偶然发现钛酸锶有些“与众不同”，并且抓住了这个“意外”，这才得以有了后面的发现。有趣的是，何睿华实验室“无心插柳柳成荫”的发现，似乎在冥冥中，也呼应了人类与光电效应意外“相遇”的起始点——1887 年，赫兹为了证明麦克斯韦的电磁波预言，进行了火花放电实验，而偶然发现了这种神奇的现象。探索前人未达之境。热爱“冒险”的西湖科学家们，将进一步挖掘光阴极材料的更多奥秘。