CN106770411B - 一种二次电子测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子测量技术，具体涉及一种二次电子测量装置。该装置在真空腔内设置等离子体发生装置，采用等离子体中和二次电子测量时绝缘样品表面积累的电荷，能够实现二次电子总电流测量和二次电子角分布测量；能够收集反向射向电子枪的二次电子。本发明避免了现有技术中正离子注入中和方法所导致的绝缘样品表面损伤的问题。

Description

一种二次电子测量装置

技术领域

本发明属于电子测量技术，具体涉及一种二次电子测量装置。

背景技术

二次电子是指一些具有一定动能的电子轰击一些材料的表面，从材料表面发射出来的电子。二次电子能量很低，一般不超过50eV，其产生条件一般是真空。

针对不同的应用环境，二次电子的影响各有利弊。在高功率波导管中，二次电子的发射容易导致射频打火，使得微波传输系统不能稳定运行。在射频谐振腔内，特别是超导谐振腔内，二次电子容易导致雪崩效应而打火，也会使得谐振腔不能稳定工作。因此在这些应用领域都是需要抑制二次电子的发射。而在电子倍增器的应用领域，人们利用二次电子效用将很微弱的一次电子放大到其它仪器可以测量的程度，因此需要尽量提高二次电子发射系数。

为了研究二次电子的性能参数，国内外研制了很多二次电子测量装置。但这些装置中有两个问题未能很好地解决：一是绝缘材料的电荷中和问题，二是电子枪注入口的反射二次电子问题。

第一个问题是因为绝缘材料不能及时将材料表面的电荷传导到地电位，使得绝缘材料表面电位发生变化，从而影响到一次入射电子轰击材料表面的能量，最终使得所测量的二次电子发射参数不够准确。

针对绝缘材料的电荷中和问题，国内外同时采用三个办法：一是入射电子为脉冲束，降低绝缘材料表面的电荷积累；二是采用离子注入中和的方法，三是采用非常薄的样品，电子可以从导电的样品载台迁移中和射入绝缘样品内的电子。离子注入方法有两个困难，一是注入离子容易引起表面损伤，而表面损伤会影响二次电子的发射性能，二是注入离子的中和程度的测量困难，设备也复杂昂贵。采用薄样品会影响到二次电子的发射性能。

第二个问题是因为电子枪产生的一次电子注入到待测样品表面时，需要在二次电子接收面上开孔，而材料表面发射的二次电子总会存在与一次电子运动方向相反的，这些反向电子难以被接收电极接收，甚至会在电场的作用下重新轰击到材料表面，可能引起测量的系统误差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种利用等离子体中和方法进行二次电子测量的装置。

本发明的技术方案如下：一种二次电子测量装置，包括真空腔以及设置在真空腔内的样品承载支架，待测样品设置在样品承载支架上，一次电子由电子枪发射进入真空腔对所述待测样品进行轰击，并对产生的二次电子进行测量，其中，在所述真空腔内设有等离子体发生装置，在完成待测样品的一个或几个电子脉冲的二次电子测量后，关闭电子枪和真空腔的真空泵阀门，通过所述的等离子体发生装置产生的等离子体中和待测样品表面电荷。

进一步，如上所述的二次电子测量装置，其中，所述的等离子体发生装置为可加载高压的等离子体激励电极和/或等离子体火炬。

进一步，如上所述的二次电子测量装置，其中，当采用所述的等离子体激励电极或等离子体火炬产生等离子体时，向所述真空腔内通入惰性气体。

进一步，如上所述的二次电子测量装置，其中，所述的待测样品为绝缘材料样品。

进一步，如上所述的二次电子测量装置，其中，在所述的真空腔内设有可加载负电压的栅网，在所述栅网与真空腔的内壁之间设有接收电极，所述接收电极连接电子参数测量系统。

更进一步，如上所述的二次电子测量装置，其中，在所述电子枪与真空腔之间设有电子偏转传输系统，所述电子偏转传输系统包括电子横向聚焦磁铁(例如四极磁铁)和偏转磁铁；所述接收电极与一个插入所述电子偏转传输系统的偏转磁铁的金属管道连接，电子偏转传输系统将电子枪发射的一次电子经偏转和聚焦后到达所述待测样品，同时将反向射向电子枪的二次电子偏转到接收电极上。

进一步，如上所述的二次电子测量装置，其中，所述的等离子体火炬置于真空腔的下半部，样品承载支架能够向下运动并旋转，使得等离子体火炬的喷口能够对准所述待测样品。

进一步，如上所述的二次电子测量装置，其中，所述的样品承载支架上设有Y轴转架和X轴转架，所述的Y轴转架能够相对于样品承载支架独立地沿平行于待测样品表面的Y轴旋转，所述的X轴转架能够相对于样品承载支架独立地沿垂直于待测样品表面的X轴旋转，所述的样品承载支架、Y轴转架和X轴转架能够一起沿平行于待测样品表面的与Y轴相垂直的Z轴旋转；在Y轴转架和X轴转架内侧分别设有二次电子测量片和栅网。

进一步，如上所述的二次电子测量装置，其中，所述的X轴转架呈90度圆弧状结构，旋转角度范围为180°；所述的Y轴转架呈180度圆弧状结构，旋转角度范围为90°。

进一步，如上所述的二次电子测量装置，其中，所述Y轴转架的左半部圆弧与右半部圆弧相互错开一定距离，以避免Y轴转架对一次入射电子的遮挡，在错开位置相应的立体角处的真空腔内壁上设有二次电子测量片。

本发明的有益效果如下：本发明采用等离子体中和二次电子测量时注入绝缘样品表面的电荷，由于等离子体是电中性的，绝缘样品在等离子体内足够长的时间就可以实现电荷中和。另外，对于平衡等离子体，其内的电子温度与离子温度是相等的，而离子质量远大于电子的，因此离子的速度很低，除非绝缘样品置于阴极放电区，绝缘样品所受离子的轰击损伤很小，从而避免了现有技术中绝缘样品表面损伤的问题。本发明能够实现二次电子总电流测量和二次电子角分布测量；并且能够收集反向射向电子枪的二次电子。

附图说明

图1为本发明进行二次电子总电流测量时的装置结构示意图；

图2为本发明进行二次电子角分布测量时的样品承载支架及探头支架结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

由于等离子体内的正负离子密度相同，只要带电的绝缘材料处于其中的时间足够长，就一定能够实现电荷中和。因为等离子体内是等电位的，而正离子的动能很小，因此对绝缘材料表面的损伤就很小。等离子体中和的方法是，在完成绝缘材料样品的一个或几个电子脉冲的二次电子测量后，关闭电子枪和真空泵阀门，向测量室通入氩气等惰性气体。然后将几百至几千伏的电压加载到测量室的等离子体激励电极上。在完成绝缘材料表面电荷中和后，打开真空泵阀门，重新将测量室内气体抽到高真空状态，再次进行二次电子的测量工作。绝缘材料样品表面电荷中和也可以采用等离子体火炬的方法，通过等离子体火炬喷管喷出的小范围的等离子体直接对绝缘材料样品表面电荷进行中和，其优点是等离子体密度高，温度低等。

由于反向运动的二次电子经过偏转磁铁所受到的偏转力与注入的一次电子的相反，因此这些二次电子可以被接收电极接收。实验需要对不同能量的一次电子轰击材料的二次电子发射性能进行测量，因此需要采用电偏转磁铁。

二次电子测量分为总电流测量与电流角度分布测量。总电流测量采用球形壳接收电极，在球形壳接收电极内侧设置一层以上的栅网，用于测量二次电子的能量等。电流角度分布测量采用旋转架测量各个立体角内的二次电子电流。

实施例1

如图1所示的二次电子测量装置由真空腔1、接收电极2、栅网3、等离子体火炬4、等离子体激励电极5、待测样品6、样品承载支架7、电子枪8、电子偏转传输系统9以及真空、电源、测量等其它系统组成。

样品承载支架7设置在真空腔1内，待测样品6设置在样品承载支架7上，一次电子由电子枪8发射进入真空腔1并对所述待测样品6进行轰击，可加载高压的等离子体激励电极5和等离子体火炬4可以单独设置，也可以同时设置，在完成待测样品6的一个或几个电子脉冲的二次电子测量后，关闭电子枪和真空腔的真空泵阀门，通过所述的等离子体激励电极5或等离子体火炬4产生的等离子体中和待测样品6表面电荷。

真空腔1内设有栅网3，栅网3可以是1层或多层，在所述栅网3与真空腔的内壁之间设有接收电极2，所述接收电极2连接电子参数测量系统。

二次电子的测量原理是：一次电子从电子枪8发射出来，经过电子偏转传输系统9(主要包括电子横向聚焦磁铁(例如四极磁铁)和偏转磁铁)的偏转与聚焦到达待测样品6，样品电位为地电位，电子轰击后产生的二次电子通过空间漂移到栅网3，栅网加载负电压，电子能量低于栅网与地电位的势能，电子便不能穿过栅网3，否则电子就穿过栅网3到达接收电极2，从而测得二次电子发射系数等参数。与接收电极2相连接的电子参数测量系统属于本领域的公知技术。

金属样品是导电的，因此不需要进行样品的电荷中和。绝缘材料样品不能将表面积累的电荷及时传导出去，从而影响到二次电子参数的测量。采用等离子体进行电荷中和可以避免上述的电荷中和的困难以及由其带来的问题。首先等离子体是电中性的，绝缘样品在等离子体内足够长的时间就可以实现电荷中和。其次，对于平衡等离子体，其内的电子温度与离子温度是相等的，而离子质量远大于电子的，因此离子的速度和能量较低，除非绝缘样品置于阴极放电区，绝缘样品所受离子的轰击损伤较小。等离子体电荷中和可以采用两种方法：一是将真空室内全空间形成等离子体，二是采用等离子体火炬。

采用第一种电荷中和方法，需要将等离子体激励电极5伸入真空腔1内，样品承载支架7可采用绝缘材料，也可采用接阳极(一般是地电位)的金属材料。等离子体电荷中和的过程是，当绝缘样品上的电子积累到一定程度，将电子枪和真空泵的闸板阀关闭，向真空腔内通入一定气压的惰性气体(如氩气)，将等离子体激励电极5加载几百伏的负电压，等离子体点火后维持一段时间，撤掉等离子体激励电压，打开真空泵闸板阀，抽取真空后重新进行二次电子的测量。

采用第二种电荷中和方法，为避免等离子体火炬对二次电子测量的影响，需要将等离子体火炬4置于真空腔1的下半部。样品承载支架7可采用与第一种方法相同的方案。等离子体电荷中和的过程也与第一种方法类似，所不同的是在对样品进行电荷中和时，需要将样品承载支架7向下移动，并旋转样品载台，使样品对准等离子体火炬的喷口。本方法不是在整个真空腔内产生等离子体，而仅是由等离子体火炬喷管喷出的小范围的等离子体，其优点是等离子体密度高，温度低等。当采用所述的等离子体火炬产生等离子体时，惰性气体直接由等离子体火炬通入到所述真空腔内。

对于反向运动的二次电子，需要将接收电极2上连接一个插入电子偏转传输系统9中的偏转磁铁的管道，用于接收被偏转磁铁偏转的二次电子。此外电子偏转传输系统9中的聚焦四极磁铁用于调整束斑的尺寸，其目的是避免样品旋转导致的表面电子密度的变化，即当样品旋转时，垂直于旋转轴方向的样品表面束斑变大，通过四极磁铁将其调整为与垂直入射的束斑尺寸相同。

实施例2

图2所示的是二次电子电流角度分布测量支架图。在进行二次电子电流角度分布测量时，可以将图1测量装置中的接收电极2、栅网3和电子偏转传输系统9去掉，电子枪可以直射入待测样品，同时将样品承载支架7改为图2的结构。

图2中，Y轴转架10可以相对于样品承载支架7独立地沿平行于待测样品表面的Y轴旋转；X轴转架11可以相对于样品承载支架7独立地沿垂直于待测样品表面的X轴旋转；样品承载支架7、Y轴转架10和X轴转架11能够一起沿平行于待测样品表面的与Y轴相垂直的Z轴旋转。在Y轴转架10和X轴转架11相对样品的内侧放置相互绝缘的二次电子测量片12，用于测量小范围立体角内的二次电子，同时在二次电子测量片12前安置栅网13，栅网3可以是一层或多层，用于测量二次电子能量。二次电子测量片12和栅网13分别连接的电子参数测量系统。

X轴转架11呈90度圆弧状结构，其旋转角度可接近180度。基于对称性，Y轴转架10呈180度圆弧状结构，其旋转角度为90度。为了避免Y轴转架10对一次入射电子的遮挡，图2中圆弧形Y轴转架右半部相对于左半部错开一定距离，同时在错开位置相应的立体角处的真空腔1内壁安装固定二次电子测量片。

本发明采用等离子体中和二次电子测量时注入绝缘样品表面的一次电子；能够实现二次电子总电流测量和二次电子角分布测量；能够收集反向射电子枪的二次电子。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种二次电子测量装置，包括真空腔(1)以及设置在真空腔内的样品承载支架(7)，待测样品(6)设置在样品承载支架上，一次电子由电子枪(8)发射进入真空腔(1)对所述待测样品(6)进行轰击，并对产生的二次电子进行测量，其特征在于：在所述真空腔(1)内设有等离子体发生装置，在完成待测样品(6)的一个或几个电子脉冲的二次电子测量后，关闭电子枪和真空腔的真空泵阀门，通过所述的等离子体发生装置产生的等离子体中和待测样品(6)表面电荷。

2.如权利要求1所述的二次电子测量装置，其特征在于：所述的等离子体发生装置为可加载高压的等离子体激励电极(5)和/或等离子体火炬(4)。

3.如权利要求2所述的二次电子测量装置，其特征在于：当采用所述的等离子体激励电极(5)或等离子体火炬(4)产生等离子体时，向所述真空腔(1)内通入惰性气体。

4.如权利要求1所述的二次电子测量装置，其特征在于：所述的待测样品(6)为绝缘材料样品。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的二次电子测量装置，其特征在于：在所述的真空腔(1)内设有可加载负电压的栅网(3)，在所述栅网(3)与真空腔的内壁之间设有接收电极(2)，所述接收电极(2)连接电子参数测量系统。

6.如权利要求5所述的二次电子测量装置，其特征在于：在所述电子枪(8)与真空腔(1)之间设有电子偏转传输系统(9)，所述电子偏转传输系统(9)包括电子横向聚焦磁铁和偏转磁铁；所述接收电极(2)与一个插入所述电子偏转传输系统的偏转磁铁的金属管道连接，电子偏转传输系统(9)将电子枪发射的一次电子经偏转和聚焦后到达所述待测样品(6)，同时将反向射向电子枪的二次电子偏转到接收电极(2)上。

7.如权利要求2-4中任意一项所述的二次电子测量装置，其特征在于：所述的等离子体火炬(4)置于真空腔(1)的下半部，等离子体火炬(4)的喷口能够对准所述待测样品(6)。

8.如权利要求1-4中任意一项所述的二次电子测量装置，其特征在于：所述的样品承载支架(7)上设有Y轴转架(10)和X轴转架(11)，所述的Y轴转架(10)能够相对于样品承载支架(7)独立地沿平行于待测样品表面的Y轴旋转，所述的X轴转架(11)能够相对于样品承载支架(7)独立地沿垂直于待测样品表面的X轴旋转，所述的样品承载支架(7)、Y轴转架(10)和X轴转架(11)能够一起沿平行于待测样品表面的与Y轴相垂直的Z轴旋转；在Y轴转架(10)和X轴转架(11)内侧分别设有二次电子测量片(12)和栅网(13)。

9.如权利要求8所述的二次电子测量装置，其特征在于：所述的X轴转架(11)呈90度圆弧状结构，旋转角度范围为180°；所述的Y轴转架(10)呈180度圆弧状结构，旋转角度范围为90°。

10.如权利要求9所述的二次电子测量装置，其特征在于：所述Y轴转架(10)的左半部圆弧与右半部圆弧相互错开一定距离，以避免Y轴转架对一次入射电子的遮挡，在错开位置相应的立体角处的真空腔(1)内壁上设有二次电子测量片。