CN103776858B - 一种测量二次电子发射系数的平板型收集装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量二次电子发射系数的平板型收集装置及测量方法。测量装置主要由转动平台、样品台、加热装置、法拉第筒、电流放大器及收集极等组成。法拉第筒内壁镀有一层碳，与偏压装置及电流放大装置相连，用于测量入射一次电流。收集极为平板结构，上表面涂有一层荧光粉，方便调节和聚焦电子束光斑；下表面镀有一层碳，抑制在收集过程中电子倍增现象的发生。收集极与偏压装置及电流放大装置相连，用以测量材料表面发射的二次电子流。通过转动装置可以实现多块样品的同时测量，节省了测量时间。加热装置及温度控制装置可以将样品温度精确控制在30～300℃范围，用以研究温度对二次电子发射系数的影响。本发明为测量二次电子发射系数提供了一种新的电子收集装置，实现不同温度下二次电子发射系数的测量。

Description

一种测量二次电子发射系数的平板型收集装置及测量方法

技术领域

本发明属于固体材料二次电子发射系数测量技术领域，涉及一种测量二次电子发射系数的平板型收集装置及测量方法。

背景技术

入射电子轰击固体表面使得固体中发射出电子的现象称为二次电子发射。将出射电子的数目与入射电子数目的比值称为二次电子发射系数δ，其决定静电流流出还是流入固体表面。二次电子发射系数δ与材料性质及其表面状态（材料温度、表面粗糙度等）有关，不同材料的二次电子发射系数δ差异很大。二次电子发射系数δ是关于入射电子能量及角度的函数，随着入射能量的增加，δ先增加后减小，角度不同δ也不相同。δ>1说明相对于入射电子有更多的电子从固体发射出来，因而会出现次级电子倍增现象，绝缘材料表面会带同正电荷；δ<1表明出射电子数目小于入射电子，绝缘材料表面带负电荷。二次电子发射系数测量由一次电子流I_p和二次电子流I_s获得，根据计算公式δ=I_s/I_p得到该入射电子能量下的发射系数。改变不同的电子入射能量，从而获得材料的二次电子发射系数曲线。

二次电子倍增效应是导致材料沿面闪络及表面带电等现象的关键因素，精确测量二次电子发射系数就显得尤为重要。此外，在等离子体物理、扫描电镜以及空间材料等领域，二次电子发射系数也是表征材料介电性能的重要参数。金属材料的二次电子发射系数因其自身的导电性测量相对比较容易，介质材料在电子轰击之后会表面带电，给测量带来困难。近年来，二次电子发射系数的精确测量已经成为国内外电气绝缘及材料领域的研究热点。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种测量二次电子发射系数的平板型收集装置及测量方法，用于实现测量金属以及介质材料的二次电子发射系数曲线。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种测量二次电子发射系数的平板型收集装置，包括在真空室内平行布置的样品台和收集极，收集极上开设有束斑小孔，电子枪发射穿过束斑小孔的电子束；样品台的下端设有与转动轴相连接的转动平台，样品台上设有多个样品放置位，法拉第筒设置在转动平台上，样品台的样品放置位、法拉第筒通过转动平台的转动交替位于束斑小孔的下方；收集极、法拉第筒分别与真空室外的电流检测装置相连接。

所述的法拉第筒通过法拉第筒偏压装置与电流放大器相连接，输出一次电流I_p；

收集极通过收集极偏压装置与电流放大器相连接，输出二次电流I_s；

电流放大器与电流显示/数据采集处理装置相连接。

所述的收集极的上表面涂有荧光粉，荧光粉在受到电子轰击后会发光，通过是否有荧光粉发光判别电子束是否垂直入射进入束斑小孔；收集极的下表面镀碳；

所述的束斑小孔的孔轴线与电子枪的入射方向一致；

所述的收集极偏压装置为+10～100V的正偏压装置，进而收集极可有效收集其表面产生的二次电子。

所述的法拉第筒的端口与样品台上的样品处于同一水平高度，其内壁镀碳，径向比为1:3～5；

所述的法拉第筒偏压装置为+10～100V的正偏压装置，进而法拉第筒可有效收集入射电子；法拉第筒偏压装置与收集极偏压装置的结构相同。

所述的电子枪的能量范围为10～10keV，输出电流大小为nA量级；

电子枪具有直流和脉冲两种工作模式，测量金属材料时电子枪工作在直流模式，测量绝缘材料时电子枪工作在脉冲模式，脉宽为10ns～1ms。

所述的样品台与转动平台之间还设有加热样品的加热装置，加热温度范围为30～300℃，用以测量不同温度下的二次电子发射系数。

所述的转动平台为平面圆盘结构，转动轴上设置的刻度对应样品的测量位置，当转动轴旋转α角度时，实现样品之间或样品与法拉第筒的转换，当转动轴旋转0～α之间的角度，测量一块样品上不同点处的二次电子发射系数。

所述的真空室测量时保持在10^-3Pa的真空度，极限真空度为10^-5Pa；

所述的电流放大器实现nA量级电流的测量和信号转换，电流放大器输出的信号在电流显示/数据采集处理装置上显示。

一种测量二次电子发射系数的测量方法，包括以下操作：

1）打开抽真空设备，待真空室保持在10^-3Pa的真空度，将电子枪入射能量调节到设定值，先将电子枪设定在直流工作模式下，通过观察荧光粉受到电子轰击后所发光斑的位置和大小，调节电子枪参数，使得入射电子束垂直入射进入束斑小孔；然后将电子枪工作在脉冲模式下，打开法拉第筒偏压装置和收集极偏压装置；

2）利用转动轴将法拉第筒转至电子枪下面，电子枪在单次脉冲模式下，法拉第筒收集到一次电流，电流显示/二次电子发射系数装置显示一次电流波形，记录入射电子流；

3）利用转动轴将样品台上的样品转至电子枪下面，单次脉冲触发电子枪，收集极2获得二次电流，并在电流显示/二次电子发射系数装置得到二次电流波形，记录峰值电流；

4）利用转动轴将第二块样品转至电子枪下面，重复步骤3）的操作，直至到所有的样品测试结束，得到各自的二次电流；该入射电子能量下所有样品的二次电子发射系数通过计算可得到。

所述的测量二次电子发射系数的测量方法，还包括以下操作：

5）改变电子枪的入射电子能量，重复步骤2）至4）的过程，得到样品在不同入射电子能量下的二次电子发射系数曲线；

6）打开加热装置，将样品温度设定在设定值，待温度恒定之后进行步骤2）至4）操作，即可获得不同温度下的二次电子发射系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的测量二次电子发射系数的平板型收集装置及测量方法，采用平板收集极结构，通过施加正偏压，可以使收集极有效收集二次电子。收集极上表面涂有荧光粉，根据电子束在荧光粉上的光斑调节电子枪入射位置，使得入射电子束垂直入射进入小孔，电子枪的调节更加方便和直观。收集极下表面镀碳，防止收集到的二次电子打到收集极下表面从而再次产生二次电子，影响测量结果。

本发明提供的测量二次电子发射系数的平板型收集装置及测量方法，采用“高精度转动平台-多样品”的设计结构，能够实现多块样品测量，节省更换样品的时间，提高了测量的效率。通过转动装置，可以测量样品不同点处的二次电子发射系数，避免同一点被入射电子轰击两次，克服电子轰击后样品表面带电给测量结果带来的误差。

本发明提供的测量二次电子发射系数的平板型收集装置及测量方法，样品台的加热装置能够精确控制样品的温度，用以研究温度对二次电子发射系数的影响。

附图说明

图1为本发明的测量装置的结构示意图；

其中，1为电子枪；2为收集极；3为束斑小孔；4为样品台；5为加热装置；6为法拉第筒；7为转动平台；8为转动轴；9为真空室；10为法拉第筒偏压装置；11为收集极偏压装置；12为电流放大器；13为电流显示/数据采集处理装置。

图2为根据本装置在室温（20℃）获得的氧化铝样品的二次电子发射系数测量结果。横坐标为入射电子能量，纵坐标为二次电子发射系数（SEE）。具体实施方式

下面结合具体的实例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，一种测量二次电子发射系数的平板型收集装置，包括在真空室9内平行设置的样品台4和收集极2，收集极2上开设有束斑小孔3，电子枪1发射穿过束斑小孔3的电子束；样品台4的下端设有与转动轴8相连接的转动平台7，样品台4上设有多个样品放置位，法拉第筒6设置在转动平台7上，样品台4的样品放置位、法拉第筒6通过转动平台7的转动交替位于束斑小孔3的下方；收集极2、法拉第筒6分别与真空室9外的电流检测装置相连接。

进一步的，测量装置主要由转动平台7、样品台4、加热装置5、法拉第筒6、电流放大器12及收集极2等组成。法拉第筒2与偏压装置10及电流放大装置12相连，利用转动平台7，法拉第筒转至电子枪1下面测量一次电流（入射电流）。法拉第筒1内壁镀有一层碳，端口与样品台4处于同样的高度。样品台4可以一次放置5块样品，通过转动装置，每次测量时将样品精确地转至电子枪1下面。收集极2为平板圆形结构，极板材料为不锈钢。收集极2上表面涂有一层荧光粉，方便调节和聚焦电子束光斑；下表面镀碳，抑制在收集过程中电子倍增现象的发生。收集极2与偏压装置11相联，用以测量材料表面发射的二次电子流，经过电流放大器12与电流显示/数据采集处理装置13连接。收集极中间有自上而下贯穿的束斑小孔3，其作用是限制入射电子光斑，孔轴线与电子枪入射方向一致。利用加热装置5对待测试品进行加热，温度控制装置可以实现对样品温度的精确控制，温度控制范围30～300℃，精度为±0.5℃。

具体的，电子枪1、收集极2、束斑小孔3、样品4、加热装置5、法拉第筒6、转动平台7和转动轴8均在真空室9中；法拉第筒偏压装置10和收集极偏压装置11，电流放大器12和电流显示/数据采集处理装置13位于真空室9外。

装置所用电子枪1的能量范围为10～10keV，输出电流大小为nA量级。电子枪1具有直流和脉冲两种工作模式，脉冲模式下脉宽为10ns～1ms。对于金属材料，测量时电子枪1工作在直流模式，测量绝缘材料采用脉冲方式。

收集极2为不锈钢圆形平板结构，直径为φ40mm，厚度为2mm。收集极中间有自上而下贯穿的束斑小孔3，直径为φ2mm。收集极上表面涂有荧光粉，荧光粉在受到电子轰击后会发光，以此判别电子束是否垂直入射进入小孔3。下表面镀碳，防止收集到的二次电子打到收集极2下表面从而再次产生二次电子，影响测量结果。收集极2与收集极偏压装置11相连接，收集极偏压装置11是由干电池组成的正偏压装置，电压设定为+10～100V（比如设定为+50V）。由于正偏压的存在，收集极能够有效地收集材料表面产生的二次电子。

样品台4为圆柱形结构，直径小于φ25mm，厚度为1mm。收集极2与样品之间的距离保持为5mm。样品台可以放置5块样品，其中一个样品台底部有加热装置5，为样品加热，温度范围为30～300℃，温控装置的精度为±0.5℃。

法拉第筒6内径为φ6mm，径向比1:3～5，其内壁镀碳，抑制二次电子倍增。法拉第筒6与正偏压装置10相连，电压设定为+10～100V（比如设定为+50V），法拉第筒偏压装置10与偏压装置11结构完全相同。由于正偏压的作用，电子更易被法拉第筒6收集到，测量结果更加准确。法拉第筒6端口和样品4处于同一水平高度。

转动平台7为平面圆盘结构，与转动抽8相连，转动轴8上的刻度对应样品的测量位置，当转动轴旋转α角度（比如60°），可以实现一个样品与另一个样品或者法拉第筒的转换。当转动轴旋转0～α（比如0～60^°）角度，可以测量一块样品上不同点处的二次电子发射系数，避免同一点被入射电子轰击两次，避免电子轰击后样品表面带电给测量结果带来的误差。

真空室9为圆柱形结构，直径φ400mm，高度为400mm，测量时保持在10^-3Pa的真空度，极限真空度为10^-5Pa。

电流放大器12实现nA量级电流的测量和信号转换。电流放大器12输出的信号可以在示波器上显示，或者数据采集处理装置根据计算公式δ=I_s/I_p来进行二次电子发射系数的运算，I_s是二次电流，I_p为一次电流。

以测量绝缘材料的二次电子发射系数为例，具体的测量过程说明如下：

（1）将5块样品放置在样品台4上，打开抽真空设备，待真空室9保持在10^-3Pa的真空度。打开加热装置5，将样品温度设定在实验所需值。将电子枪1入射能量调节到实验所需值，首先将电子枪1设定在直流工作模式下，通过观察荧光粉上光斑的位置和大小，调节电子枪参数，使得入射电子束垂直入射进入小孔。然后，将电子枪1工作在脉冲方式，打开法拉第筒偏压装置10和收集极偏压装置11。

（2）利用转动轴8将法拉第筒6转至电子枪下面。电子枪在单次脉冲模式下，法拉第筒6收集到一次电流，示波器显示一次电流波形，记录入射电子流I_p1。

（3）利用转动轴8将样品4转至电子枪下面。电子枪在单次脉冲模式下，收集极2获得二次电流，并在示波器得到二次电流波形，记录峰值电流I_s1-1。

（4）利用转动轴8将第二块样品转至电子枪下面。重复上述（3）操作，直至到所有的样品测试结束，得到I_s1-2，…，I_s1-5。

该入射电子能量下所有样品的二次电子发射系数经数据采集处理装置通过计算公式δ=I_s/I_p得到。

（5）改变电子枪1的阳极电压，即改变入射电子能量，重复上述（3）至（4）过程，得到5块样品在不同入射电子能量下的二次电子发射系数曲线。

（6）如需测量不同温度下的二次电子发射系数，通过加热装置5，将样品温度设定在所需值，待温度恒定之后进行上述（2）-（5）操作。测量结束。

按照所述方法，在室温（20℃）获得的氧化铝样品的二次电子发射系数测量结果如图2所示，其中横坐标为入射电子能量，纵坐标为二次电子发射系数（SEE）。

Claims (6)

1.一种测量二次电子发射系数的平板型收集装置，其特征在于，包括在真空室(9)内平行布置的样品台(4)和收集极(2)，收集极(2)上开设有束斑小孔(3)，电子枪(1)发射穿过束斑小孔(3)的电子束；样品台(4)的下端设有与转动轴(8)相连接的转动平台(7)，样品台(4)上设有多个样品放置位，法拉第筒(6)设置在转动平台(7)上，样品台(4)的样品放置位、法拉第筒(6)通过转动平台(7)的转动交替位于束斑小孔(3)的下方；收集极(2)、法拉第筒(6)分别与真空室(9)外的电流检测装置相连接；

所述的法拉第筒(6)通过法拉第筒偏压装置(10)与电流放大器(12)相连接，输出一次电流I_p；

收集极(2)通过收集极偏压装置(11)与电流放大器(12)相连接，输出二次电流I_s；

电流放大器(12)与电流显示/数据采集处理装置(13)相连接；

所述的收集极(2)的上表面涂有荧光粉，荧光粉在受到电子轰击后会发光，通过荧光粉发光情况判别电子束是否垂直入射进入束斑小孔(3)；收集极(2)的下表面镀碳；

所述的束斑小孔(3)的孔轴线与电子枪的入射方向一致；

所述的收集极偏压装置(11)为+10～100V的正偏压装置，进而收集极(2)可有效收集其表面产生的二次电子；

所述的电子枪(1)的能量范围为10～10keV，输出电流大小为nA量级；

电子枪(1)具有直流和脉冲两种工作模式，测量金属材料时电子枪(1)工作在直流模式，测量绝缘材料时电子枪(1)工作在脉冲模式，脉宽为10ns～1ms。

2.如权利要求1所述的测量二次电子发射系数的平板型收集装置，其特征在于，所述的法拉第筒(6)的端口与样品台(4)上的样品处于同一水平高度，其内壁镀碳，径向比为1:3～5；

所述的法拉第筒偏压装置(10)为+10～100V的正偏压装置，进而法拉第筒(6)可有效收集一次电子；法拉第筒偏压装置(10)与收集极偏压装置(11)的结构相同。

3.如权利要求1所述的测量二次电子发射系数的平板型收集装置，其特征在于，所述的转动平台(7)内或者样品台(4)与转动平台(7)之间还设有加热样品的加热装置(5)，加热温度范围为30～300℃，用以测量不同温度下的二次电子发射系数。

4.如权利要求1所述的测量二次电子发射系数的平板型收集装置，其特征在于，所述的转动平台(7)为平面圆盘结构，转动轴(8)上设置的刻度对应样品的测量位置，当转动轴(8)旋转α角度时，实现样品之间或样品与法拉第筒(6)的转换，当转动轴旋转0～α之间的角度，测量一块样品上不同点处的二次电子发射系数。

5.如权利要求1所述的测量二次电子发射系数的平板型收集装置，其特征在于，所述的真空室(9)测量时保持在10^-3Pa的真空度，极限真空度为10^-5Pa；

所述的电流放大器(12)实现nA量级电流的测量和信号转换，电流放大器(12)输出的信号在电流显示/数据采集处理装置(13)上显示。

6.一种测量二次电子发射系数的测量方法，其特征在于，该测量方法基于权利要求1至5中任一项所述的测量二次电子发射系数的平板型收集装置，其中，电子枪(1)处于脉冲工作模式，该测量方法包括以下操作：

1)打开抽真空设备，待真空室保持在10^-3Pa的真空度，将电子枪入射能量调节到设定值，先将电子枪设定在直流工作模式下，通过观察荧光粉受到电子轰击后所发光斑的位置和大小，调节电子枪参数，使得入射电子束垂直入射进入束斑小孔；然后将电子枪工作在脉冲模式下，打开法拉第筒偏压装置和收集极偏压装置；

2)利用转动轴将法拉第筒转至电子枪下面，电子枪在单次脉冲模式下，法拉第筒收集到一次电流，电流显示/二次电子发射系数装置显示一次电流波形，记录一次电子流；

3)利用转动轴将样品台上的样品转至电子枪下面，单次脉冲触发电子枪，收集极获得二次电流，并在电流显示/二次电子发射系数装置得到二次电流波形，记录峰值电流；

4)利用转动轴将第二块样品转至电子枪下面，重复步骤3)的操作，直至到所有的样品测试结束，得到各自的二次电流；该入射电子能量下所有样品的二次电子发射系数通过计算可得到；

5)改变电子枪的入射电子能量，重复步骤2)至4)的过程，得到样品在不同入射电子能量下的二次电子发射系数曲线；

6)打开加热装置，将样品温度加热至设定值，待温度恒定之后进行步骤2)至4)操作，即可获得不同温度下的二次电子发射系数。