真空条件下单颗粒粘附力和带电量的测试系统及测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种真空条件下单颗粒与平板材料之间粘附力和颗粒带电量的测试系统，包括真空容器，真空容器内的一对平行电极板，两电极分别通过导线与真空容器外的直流电源电连接并通过该电源加载电压，使两电极之间产生均匀电场，真空容器内还设置有紫外光源或电子枪使单颗粒荷电，真空容器外还设置有颗粒运动摄录装置。本发明还公开了测试方法。与现有技术相比，本发明的测试系统的测试环境与真实环境较接近，测试结果符合度较好，且测试装置简单，在任何真空容器中均可实施，无需使用昂贵的原子力显微镜，也无需对探针区域做真空改造。
【专利说明】真空条件下单颗粒粘附力和带电量的测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于物理参数测试【技术领域】，具体来说，本发明涉及真空条件下测试微小颗粒物与平板之间粘附力以及颗粒物带电量的系统，同时也给出了利用该系统进行单颗粒物与平板粘附力和颗粒带电量的测试方法。
【背景技术】
[0002]通常，微小的颗粒物与平板材料进行接触，颗粒与平板之间会产生粘附效应，一般来说，颗粒粒径越小，粘附效应越明显，针对颗粒粒径小于1_的情况，更是明显。在粘附力测量系统中，通常认为的粘附力是颗粒与平板之间的范德华力及静电力的合力，颗粒的重力则单独考虑。
[0003]目前，通常采用原子力显微镜测试颗粒与平板材料之间粘附力的大小，其基本原理是将单个颗粒物固定在原子力显微镜的探针上，精确控制颗粒与平板材料之间的距离，受粘附力的作用，探针悬臂会发生形变，利用激光测试的方式可以测量探针悬臂的偏移量，根据形变量与受力的关系可计算得到单颗粒与平板间的粘附力，具体的一种测量方法可参见柳冠青等，微米颗粒与固体表面相互作用的AFM测量，工程热物理学报。第30卷，第5期，2009年5月，803-806页。但是，使用原子力显微镜测量单颗粒与平板材料之间的粘附力存在严重缺陷，主要表现在以下三个方面:
[0004]1、微小颗粒物必须牢固地固定在探针尖端，探针针尖半径一般为10到几十纳米，在如此微小的结构上牢固地固定颗粒难度很大。
[0005]2、使用原子力显微镜测试单颗粒与平板间粘附力，二者之间的相对距离是测试人员人为设置和控制的，相对距离不能真实反映颗粒自然沉积条件下的实际间距，而颗粒与平板材料之间的距离是影响二者之间粘附力的最重要的因素之一，因此原子力显微镜测试方法不能反映真实情况。
[0006]3、在真空条件下，辐射光照等环境可能导致颗粒物带电，且带电电荷不易中和，颗粒带电量是影响颗粒粘附力的最重要的因素之一，原子力显微镜是成品测量仪器，其测试环境无法模拟颗粒荷电情况，测试得到的粘附力因此也不能反映真实情况。由此可见，现有的原子力显微镜测量单颗粒与平板的粘附力不能反映真实的情况，测量的误差很大，同时，也无法精确地获得单颗粒的带电量。基于此，提供能够真实反映单颗粒带电量以及单颗粒与平板材料之间的粘附力的测量系统和方法非常必要。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种能够真实反映单荷电颗粒与平板材料之间粘附力以及颗粒带电量的测试系统，该测试系统测试误差小，且能够模拟自然状态下颗粒与平板材料的粘附情况，且不需要对单颗粒进行微小尺度下的精确固定。
[0008]本发明的另一目的在于提供一种利用上述测量系统进行单颗粒与平板材料之间粘附力的测试方法。该测试方法采用非接触静电场法，联立电场参数和颗粒运动参数，在得到颗粒粘附力的同时也可得到颗粒带电电量，主要技术方案如下:
[0009]真空条件下单颗粒与平板材料之间粘附力和颗粒带电量测试系统，包括真空容器，设置在真空容器内的一对平行设置的电极板，上部电极和下部电极分别通过导线与真空容器外的直流电源电连接并通过直流电源加载电压，使平行板之间产生均匀的电场，真空容器内还设置有紫外光源或电子枪对设置在下部电极上的单颗粒实施荷电操作，真空容器外还设置有颗粒运动摄录装置，以通过真空容器上对应摄录位置开设的观察窗对单颗粒的运动进行实时摄录，其中，上部电极与下部电极之间的间距为30mm-100mm，平板材料为导体材料，制成下部电极。
[0010]其中，平板材料为非导体材料，并放置在下部电极的上表面。
[0011]其中，所述颗粒运动摄录装置为高速摄像机。
[0012]其中，平板材料为铜、银、铝、锌、铁或其合金。
[0013]利用上述测试系统测量单颗粒与平板材料之间的粘附力和带电量的方法，包括如下步骤:
[0014]将单颗粒放置在下部电极上，连接真空容器内外线缆之后关闭真空容器，打开真空获取装置直到指定真空度；
[0015]调节紫外光源或电子枪辐照单颗粒使其带电；
[0016]以不高于lV/s的速度升高直流电源的电压，同时开启颗粒运动摄录装置进行连续拍照或摄像。
[0017]当颗粒发生运动时，停止升高电压，记录颗粒发生运动时刻的电压U，则颗粒运动的整个过程中，平板间电场E为恒定值，E = U/d, d为上部电极和下部电极之间的距离，根据捕捉到的颗粒运动图像利用d = at2/2计算颗粒运动加速度a，其中，t为颗粒从发生运动的时刻到到达上部电极的时刻所用的时间，再利用Fa = mXa得到粘附力Fa，其中m为颗粒质量，再由FE = Fa+G和FE = QXE得到颗粒的带电量Q，其中FE为电场力，G为颗粒的重力。
[0018]其中，紫外光源辐射光波长在10nm-400nm，光强根据颗粒实际所受紫外辐射程度进行调节，辐照时间不少于10分钟。
[0019]其中，电子枪的电子束能量不高于20keV，辐照时间不少于10分钟。
[0020]其中，当平板材料为非导电材料时，平板材料的厚度为dl，则根据捕捉到的颗粒运动图像利用2(d_dl) = at2计算颗粒运动加速度a。
[0021]与现有技术相比，本发明的非接触测试方法的主要优点在于:
[0022]1、联立颗粒所受电场力和颗粒运动参数，用二元方程的方式同时获得颗粒粘附力和颗粒带电量，避免了单独求解粘附力带电电荷不确定无法获得粘附力的难题。
[0023]2、测试环境与真实环境较接近，测试结果符合度较高。
[0024]3、测试装置简单，在任何真空容器中均可实施，无需使用昂贵的原子力显微镜，也无需对探针区域做真空改造。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明的真空条件下单颗粒与平板材料间粘附力和颗粒带电量测试系统示意图；[0026]其中，I为上部电极；2为下部电极；3为单颗粒；4为直流电源；5为真空容器；6为紫外光源；7为电子枪。
[0027]图2是单颗粒在t = t0时刻的受力状态示意图，其中；t = t0时刻，Fe = Fa+G ；
[0028]图3是单颗粒在t = tQ+At时刻的受力状态示意图，其中Fe>G，加速度a =(Fe-G) /m, m为颗粒质量。
[0029]图4是单颗粒在t = Vt1时刻的受力状态示意图，此时，颗粒与上部电极接触。【具体实施方式】
[0030]以下参照附图对本发明的真空条件下单颗粒与平板材料之间粘附力和颗粒带电量测试系统进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
[0031]参照图1，本发明的真空条件下单颗粒与平板材料之间粘附力和颗粒带电量测试系统，包括上部电极(I)、下部电极(2)、单颗粒(3)、直流电源(4)、真空容器(5)、紫外光源
(6)或电子枪(7)以及颗粒运动摄录装置。上部电极(I)和下部电极(2)是一对平行的电极，设置在真空容器(5)内，上部电极(I)和下部电极(2)分别通过导线与真空容器外的直流电源(4)电连接并通过直流电源(4)加载电压，使平行板之间产生均匀的电场E，真空容器(5)内还设置有紫外光源(6)或电子枪(7)对设置在下部电极(2)上的单颗粒实施荷电操作，真空容器(5)外还设置有高速摄像机，以通过真空容器(5)上对应高速摄像机的位置开设的观察窗(未示出)对单颗粒的运动进行实时摄录，高速摄像机应能够捕捉微小颗粒运动的全过程，因此拍摄速度必须在清晰程度和拍摄速度之间进行平衡。其中，上部电极
(I)与下部电极(2)之间的间距为30mm-100mm，平板材料为导体材料铜，制成下部电极。
[0032]在另一实施方式中，平板材料为银、铝、锌、铁或其合金。
[0033]在另一实施方式中，下部电极为铜，而平板材料为非导体的电介质，非导体的平板厚度为
[0034]实施方式I平板材料为导体，测试得到的粘附力是下部电极与单颗粒之间的粘附力和颗粒带电暈
[0035]当平板材料为导体时，则下部电极直接使用平板材料所用的导体材料且采用相同的工艺制成。将单颗粒放置在下部电极(2)上，连接真空容器(5)内外线缆之后关闭真空容器(5)，打开真空获取装置直到真空容器内部达到预定的真空度。调节紫外光源(6)使单颗粒荷电，紫外光源的辐照强度根据颗粒可能受到的实际辐射情况确定、辐照时间不少于10分钟；以不快于lV/s的速度逐渐提升加载电压，则必然存在某个时刻h，此时电场力Fe等于粘附力Fa与颗粒重力G之和(如附图2所示)；t0时刻之后，由于电场力大于粘附力，颗粒向上运动，随着颗粒与平板材料的脱离，粘附力急剧减小，此时颗粒仅受重力G和电场力FE的作用，做恒定加速为a的运动(如图3所示)；假设在tO+tl时刻，颗粒运动至上极板位置，由于两个极板之间的距离d衡定(例如5cm)，根据恒定加速度运动学定律可计算得到颗粒的加速度a，根据加速度值可计算得到颗粒所受粘附力Fa，加上颗粒重力G即可得到颗粒电场力数值FE，同时FE除以电场E即可得到颗粒所带电荷量Q。
[0036]实施方式I平板材料为非导体，非导体设置在下部电极上，测试得到的粘附力是非导体平板材料与单颗粒之间的粘附力和颗粒带电暈[0037]当平板材料为非导体如聚四氟乙烯时，在下部电极上放置厚度为dl的平板材料。将单颗粒放置在非导体的平板材料上，连接真空容器(5)内外线缆之后关闭真空容器(5)，打开真空获取装置直到真空容器内部达到预定的真空度。调节电子枪(7)使单颗粒荷电，电子枪的电子束能量低于30keV、辐照时间为不少于10分钟；以不快于lV/s的速度逐渐提升加载电压，则必然存在某个时刻h，此时电场力Fe等于粘附力Fa与颗粒重力G之和(如附图2所示)；tQ时刻之后，由于电场力大于粘附力，颗粒向上运动，随着颗粒与平板材料的脱离，粘附力急剧减小，此时颗粒仅受重力G和电场力FE的作用，做恒定加速为a的运动(如图3所示)；假设在tO+tl时刻，颗粒运动至上极板位置，由于两个极板之间的距离d衡定，平板材料的厚度dl恒定,则颗粒的运动距离为d-dl (例如5cm),根据恒定加速度运动学定律可计算得到颗粒的加速度a，根据加速度值可计算得到颗粒所受粘附力Fa，加上颗粒重力G即可得到颗粒电场力数值FE，同时FE除以电场E即可得到颗粒所带电荷量Q。
[0038]尽管上文对本发明的【具体实施方式】给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.真空条件下单颗粒与平板材料之间粘附力和颗粒带电量测试系统，包括真空容器，设置在真空容器内的一对平行设置的电极板，上部电极和下部电极分别通过导线与真空容器外的直流电源电连接并通过直流电源加载电压，使平行板之间产生均匀的电场，真空容器内还设置有紫外光源或电子枪对设置在下部电极上的单颗粒实施荷电操作，真空容器外还设置有颗粒运动摄录装置，以通过真空容器上对应摄录位置开设的观察窗对单颗粒的运动进行实时摄录，其中，上部电极与下部电极之间的间距为30mm-100mm，平板材料为导体材料，制成下部电极。
2.如权利要求1所述的测试系统，其中，平板材料为非导体材料，并放置在下部电极的上表面。
3.如权利要求1所述的测试系统，其中，所述颗粒运动摄录装置为高速摄像机。
4.如权利要求1-3任一项所述的测试系统，其中，平板材料为铜、银、铝、锌、铁或其合金。
5.利用权利要求1-4任一项所述测试系统测量单颗粒与平板材料之间粘附力和颗粒带电量的方法，包括如下步骤: 将单颗粒放置在下部平板上，连接真空容器内外线缆之后关闭真空容器，打开真空获取装置直到指定真空度； 调节紫外光源或电子枪辐照单颗粒使其带电； 以不高于lV/s的速度升高直流电源的电压，同时开启颗粒运动摄录装置进行连续拍照或摄像。 当颗粒发生运动时，停止升高电压，记录颗粒发生运动时刻的电压U，则颗粒运动的整个过程中，平板间电场E为恒定值，E = U/d, d为上部电极和下部电极之间的距离，根据捕捉到的颗粒运动图像利用d = at2/2计算颗粒运动加速度a,其中，t为颗粒从发生运动的时刻到到达上部电极的时刻所用的时间，再利用Fa = mXa得到粘附力Fa，其中m为颗粒质量，再由Fe =匕+6和Fe = QXE得到颗粒的带电量Q，其中Fe为电场力，G为颗粒的重力。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其中，紫外光源辐射光波长在10nm-400nm，光强根据颗粒实际所受紫外辐射程度进行调节，辐照时间不少于10分钟。
7.根据权利要求5所述的测试方法，其中，电子枪的电子束能量不高于20keV，辐照时间不少于10分钟。
8.根据权利要求5-7任一项所述的测试方法，其中，当平板材料为非导电材料时，平板材料的厚度为dl,则根据捕捉到的颗粒运动图像利用2(d_dl) = at2计算颗粒运动加速度B ο
【文档编号】G01R29/24GK103983381SQ201410238965
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】王志浩, 白羽, 田东波, 李蔓, 李宇, 于强, 刘学超, 李涛 申请人:北京卫星环境工程研究所