CN109100380A - 一种双层栅网球形二次电子收集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层栅网球形二次电子收集器，包括由内到外的：球形接地栅网、球形偏压栅网、球形二次电子收集极、球形接地屏蔽电极；上半球的顶部开有用于导入入射电子束的孔，下半球的底部开有用于将被测样品通过样品测试载台送入二次电子收集器中心的孔；两层球形栅网与两层球形电极之间彼此绝缘，内层球形栅网接地，用于屏蔽偏压球形栅网引入的电场；外层球形栅网接偏压电源，通过正负偏压的切换实现对真二次电子和背散射电子的甑别；外层球形栅网接可调电压的负电压源，对能够通过外层球形栅网的二次电子进行能量筛选；该收集器可以提高二次电子收集效率，降低被测信号受到的干扰，从而提高固体材料二次电子发射特性的测量准确度。

Description

一种双层栅网球形二次电子收集器

技术领域

本发明涉及电子收集器领域，具体地，涉及一种双层栅网球形二次电子收集器。

背景技术

具有一定能量的电子束轰击固体材料时，材料表面会发射出电子，这种现象称为固体材料的二次电子发射现象。材料表面发射出的二次电子与初始入射电子的数目比称为二次电子发射系数，它是材料的一种特征表面参数。二次电子发射过程在各类电子倍增管以及扫描电子显微镜等表面分析设备中得到了广泛的应用，但二次电子倍增过程引发的各种放电现象却对高功率微波器件、航天器、粒子加速器以及电真空器件的工作可靠性存在不利影响，准确测量固体材料的二次电子发射特性在各相关领域中都是一个很重要的问题。

电子射入固体材料表面后，入射电子将与材料表层的晶格原子发生弹性和非弹性碰撞，在其射程范围内激发出大量的次级电子，这些次级电子被晶格原子散射后扩散至表面，克服表面势垒逸出后成为材料发射出的二次电子。根据二次电子发射的物理机理，一般定义能量小于50eV的二次电子为真二次电子，能量高于50eV的二次电子为背散射电子。材料表面的二次电子发射系数不仅与材料种类、材料表面粗糙度等材料特征有关，还与入射电子能量以及电子入射角度有关。

二次电子发射系数的测量方法种类多样，采用栅网偏压法可以同时测得材料的真二次电子发射系数和电子背散射系数，其测量原理是在二次电子收集极与被测样品间设置偏压栅网，通过栅网偏压对真二次电子和背散射电子进行甄选，通过在偏压栅网上接入不同的偏压，分别在二次电子收集极上得到全部二次电子的信号以及背散射电子的信号，从而测得真二次电子发射系数和电子背散射系数。如果栅网偏压可精细调节，则可以通过栅网偏压来对可通过栅网的二次电子进行能量筛选，从而测得二次电子的能谱分布。

现有二次电子发射系数测量装置的二次电子收集器大多为平板、桶状或半球型结构，在电子收集效率和测试功能方面存在一定的不足。由于样品表面发射出的二次电子在2π空间具有角分布，出射角度较大的二次电子将不能被平板型探测器有效地接收，导致测试误差；桶状或半球型二次电子收集器虽然可以克服平板型二次电子收集器不能有效接收大出射角二次电子的不足，但和平板型二次电子收集器一样，只能测试入射电子垂直入射样品表面时的二次电子发射系数，改变样品与入射电子束的夹角时，将有部分二次电子不能得到有效的收集，因而对准确测量二次电子发射系数与电子入射角度之间的关系产生不利影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述类型二次电子收集器的缺点和不足，采用本发明的双层栅网球形二次电子收集器不仅可以避免以上问题，还可以减小空间与传导性耦合噪声对被测信号的干扰，提供一种电子收集效率更高，测试功能更强的二次电子收集器。

本发明的目的通过以下技术方案实现：双层栅网球形二次电子收集器由内部的两层几何透过率达到90％的球形栅网，以及外部的两层球形电极组成，每层栅网和球形电极均由上下两个半球组合成一个球体；上半球的顶部开有入射电子枪导管插入孔，用于导入入射电子束，下半球的底部开有样品测试载台插入孔，用于将被测样品通过样品测试载台送入二次电子收集器中心；由上下半球构成的球形二次电子收集极可以接收到样品表面发射出的各个方向的二次电子，接收效率高；两层栅网与两层电极之间彼此绝缘，内层栅网接地，用于屏蔽偏压栅网引入的电场，避免偏压电场影响二次电子从样品表面发射出来，并为二次电子提供自由漂移空间；外层栅网接±50V偏压电源，通过正负偏压的切换实现对真二次电子和背散射电子的甑别；从而测得真二次电子发射系数和电子背散射系数；外层栅网接可调电压的负电压源，则可对能够通过外层栅网的二次电子进行能量筛选，从而测定二次电子的能谱分布；球形二次电子收集极的内表面做镀金处理，外表面接外敷绝缘层的信号引出线，该信号引出线与最外层接地电极上安装的SMA同轴接线座相连，通过特征阻抗为50Ω的同轴信号传输线将被测信号传输至I/V放大器；被测信号接入I/V放大器前先通过100V偏压电源，通过该偏压电源在二次电子收集极上施加100V静电压，将被到达二次电子收集极表面的二次电子所打出的三次电子抑制住，使得三次电子不能逸出二次电子收集极表面，造成被测信号的损失；最外层接地电极的上半球靠近赤道面附近开有两个孔，外敷绝缘层的导线穿过一个孔将偏压连接到偏压栅网，另一个孔上方安装一个SMA同轴接线座，使得被测信号从被接收到开始即在同轴线中传输；SMA接线座内部预留一段空腔，以便视测试需求接入电阻、电感元件对二次电子收集器和同轴信号传输电缆进行阻抗匹配，以减小短脉冲信号的失真；实验测试过程中，当电子枪导管和样品测试载台均插入双层栅网球形二次电子收集器时，最外层的接地电极可以较好地将内部结构屏蔽起来，避免二次电子收集极接收空间耦合噪声从而对被测信号产生干扰；当被测样品以与水平面呈一定角度的状态安装到样品测试载台上时，使用双层栅网球形二次电子收集器将可以测得不同电子入射角度下的二次电子发射系数。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

(1)可以接收到从样品表面发射出的各个方向的二次电子，提高了二次电子的接收效率；

(2)可以区分真二次电子和背散射电子，同时测得样品的真二次电子发射系数和电子背散射系数；

(3)可对能通过栅网的二次电子进行能量筛选从而测定二次电子能谱分布；

(4)在一定角度范围内，可以测量不同电子入射角度下的二次电子发射系数；

(5)可以有效屏蔽空间辐射耦合噪声与传导性噪声对被测信号的干扰；

(6)可以对二次电子收集器和信号传输同轴电缆进行阻抗匹配减少信号失真。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为双层栅网球形二次电子收集器整体侧视图；

图2为双层栅网球形二次电子收集器正视图；

图3为双层栅网球形二次电子收集器正向纵剖图；

图4为双层栅网球形二次电子收集器横剖图；

图5为内层栅网与外层电极间的固定关系示意图；

图6为双层栅网球形二次电子收集器工作时与电子枪和样品载台的位置关系图；

图7为双层栅网球形二次电子收集器工作时信号测试回路示意图；

其中：1.接地栅网上半球；2.偏压栅网上半球；3.偏压栅网下半球；4.二次电子收集极上半球；5.二次电子收集极下半球；6.接地屏蔽电极上半球；7.接地屏蔽电极下半球；8.球形接地屏蔽电极固定环；9.球形二次电子收集极固定环；10.球形偏压栅网固定环；11.电子枪插入导管陶瓷管套；12.栅网偏压接线陶瓷套；13.二次电子信号引出接线座；14.电子枪；15.电子枪插入导管；16.样品测试载台。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，为双层栅网球形二次电子收集器的整体侧视图，通过位于赤道面的连接螺孔，将双层栅网球形二次电子收集器连接到真空动平台上，通过动平台来控制双层栅网球形二次电子收集器的机械运动，以实现固定在真空腔体上的不可移动的电子枪导管插入双层栅网球形二次电子收集器的操作。

图2为双层栅网球形二次电子收集器的正视图，并给出了剖面位置与剖视方向。图3、图4给出了双层栅网球形二次电子收集器的纵向和横向剖视结构，图5给出了各层栅网与电极间的固定关系。双层栅网球形二次电子收集器的每一层均由上下两个半球组合成一个球体，最内层接地栅网的内半径为40mm，偏压栅网的内半径为45mm，由钨丝编织而成，栅网的几何透过率达到90％，钨丝表面做镀金处理，除了顶部的电子枪导管插入孔和底部的样品载台插入孔之外，栅网的网孔均匀分布；二次电子收集极和最外层接地屏蔽电极的内半径分别为50mm和55mm，采用不锈钢制成，二次电子收集极内表面做镀金处理。两层栅网与两层电极电位各不相同，彼此间的绝缘、固定及接线集中布置在赤道面上；上下两半接地栅网拼合为一个球体后，采用固定环10将其固定；上下两半偏压栅网拼合为一个球体后，采用固定环9将其固定，并与固定环10进行卡合；上下两半二次电子收集极拼合为一个球体后，采用固定环8将其固定，并与固定环9进行卡合；上下两半接地屏蔽电极拼合为一个球体后，与固定环8进行卡合；固定环8、9、10采用PEEK材料制成，每一个环由两个半环拼合而成，由此就实现了两层栅网与两层电极之间的彼此绝缘以及固定；接地栅网与接地屏蔽电极之间用外敷绝缘层的导线连通，使之共同接地。双层栅网球形二次电子收集器顶部开直径12mm的孔，装配一段内直径10mm的陶瓷管套11，以使电子枪插入导管15插入后与双层栅网球形二次电子收集器内部的各层栅网和电极彼此绝缘。双层栅网球形二次电子收集器底部开直径41mm的孔，以便直径40mm的样品测试载台将被测样品从双层栅网球形二次电子收集器底部送入双层栅网球形二次电子收集器的中心。最外层接地电极的上半球6靠近赤道面附近开有两个孔，一个孔加装栅网偏压接线陶瓷套12，并用外敷绝缘层的导线穿过陶瓷套将±50V偏压连接到偏压栅网；另一个孔上方安装了二次电子信号引出SMA同轴接线座13，SMA接线座内部预留直径20mm高30mm的空腔，以便视测试需求在该空腔内接入电阻、电感元件对二次电子收集器和50Ω同轴信号传输电缆进行阻抗匹配，减小短脉冲信号测试波形的失真。

进行样品的二次电子发射特性测量时，双层栅网球形二次电子收集器与电子枪14、样品载台16间的位置关系如图6所示。真空动平台驱动连接在其上的双层栅网球形二次电子收集器向固定在真空腔体上的入射电子枪运动，使得入射电子枪导管15插入双层栅网球形二次电子收集器顶部的入射电子枪导管插入孔，并使入射电子枪导管的出口与双层栅网球形二次电子收集器内层接地栅网开孔相切；样品测试载台由底部插入双层栅网球形二次电子收集器，并使被测样品位于双层栅网球形二次电子收集器的中心。当电子枪导管和样品测试载台均按照以上方式插入双层栅网球形二次电子收集器时，双层栅网球形二次电子收集器最外层的接地电极就可以较好地将内部结构屏蔽起来，避免二次电子收集极接收空间耦合噪声从而对被测信号产生干扰。

双层栅网球形二次电子收集器工作时，各层栅网与电极的接线关系如图7所示。内层接地栅网通过外敷绝缘层的铜导线与最外层接地屏蔽电极相连，共同通过真空动平台接地；偏压栅网通过外敷绝缘层的铜导线与±50V偏压电源连接；二次电子收集极通过50Ω同轴信号传输电缆连接到100V偏压电源，再通过50Ω同轴信号传输电缆连接到信号放大器对被测信号进行测量；由于被测二次电子信号直接流过100V偏压电源，该100V偏压电源需要放置在两端连接BNC接线座的屏蔽盒内，保持良好的屏蔽，避免通过100V偏压电源耦合空间噪声对被测二次电子信号产生干扰。测定样品的二次电子发射系数时，偏压栅网连接±50V偏压电源，以对真二次电子和背散射电子进行甑选；测定样品的二次电子能谱时，偏压栅网连接可调的负电压源，改变电源偏压来对二次电子能量进行筛选，从而测定不同能量二次电子信号流强，得到二次电子能谱分布。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

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，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种双层栅网球形二次电子收集器，其特征在于，所述收集器包括：

由内到外的：球形接地栅网、球形偏压栅网、球形二次电子收集极、球形接地屏蔽电极；球形接地栅网、球形偏压栅网、球形二次电子收集极、球形接地屏蔽电极均由上下两个半球组合成一个球体；上半球的顶部开有入射电子枪导管插入孔，用于导入入射电子束，下半球的底部开有样品测试载台插入孔，用于将被测样品通过样品测试载台送入二次电子收集器中心；两层球形栅网与两层球形电极之间彼此绝缘，内层球形栅网接地，用于屏蔽偏压球形栅网引入的电场；外层球形栅网接偏压电源，通过正负偏压的切换实现对真二次电子和背散射电子的甑别；外层球形栅网接可调电压的负电压源，对能够通过外层球形栅网的二次电子进行能量筛选。

2.根据权利要求1所述的双层栅网球形二次电子收集器，其特征在于，球形二次电子收集极的内表面做镀金处理，外表面接外敷绝缘层的信号引出线，该信号引出线与球形接地屏蔽电极上安装的SMA同轴接线座相连，通过同轴信号传输线将被测信号传输至I/V放大器。

3.根据权利要求2所述的双层栅网球形二次电子收集器，其特征在于，被测信号接入I/V放大器前先通过偏压电源，通过该偏压电源在球形二次电子收集极上施加静电压，将被到达球形二次电子收集极表面的二次电子所打出的三次电子进行抑制。

4.根据权利要求3所述的双层栅网球形二次电子收集器，其特征在于，球形接地屏蔽电极的上半球赤道面开有两个孔，外敷绝缘层的导线穿过其中一个孔将偏压连接到球形偏压栅网，另一个孔上方安装一个SMA同轴接线座，使得被测信号从被接收到开始即在同轴线中传输。

5.根据权利要求4所述的双层栅网球形二次电子收集器，其特征在于，SMA接线座内部预留一段空腔。

6.根据权利要求1所述的双层栅网球形二次电子收集器，其特征在于，球形接地栅网和球形偏压栅网均由钨丝编织而成，钨丝表面做镀金处理。

7.根据权利要求1所述的双层栅网球形二次电子收集器，其特征在于，上下两半接地栅网半球拼合为一个球体后，采用第一固定环将上下两半接地栅网进行固定；上下两半偏压栅网拼合为一个球体后，采用第二固定环将上下两半偏压栅网固定，并与第一固定环进行卡合；

上下两半二次电子收集极半球拼合为一个球体后，采用第三固定环将上下两半二次电子收集极半球固定，并与第二固定环进行卡合；上下两半接地屏蔽电极拼合为一个球体后，与第三固定环进行卡合；第一至第三固定环采用PEEK材料制成，每一个环由两个半环拼合而成；球形接地栅网与球形接地屏蔽电极之间用外敷绝缘层的导线连通，使之共同接地。

8.根据权利要求1所述的双层栅网球形二次电子收集器，其特征在于，双层栅网球形二次电子收集器顶部开孔，装配陶瓷管套，以使电子枪插入导管插入后与双层栅网球形二次电子收集器内部的各层栅网和电极彼此绝缘；双层栅网球形二次电子收集器底部开孔，以便样品测试载台将被测样品从双层栅网球形二次电子收集器底部送入双层栅网球形二次电子收集器的中心。

9.根据权利要求1所述的双层栅网球形二次电子收集器，其特征在于，球形接地屏蔽电极的上半球赤道面开有两个孔，一个孔加装栅网偏压接线陶瓷套，并用外敷绝缘层的导线穿过陶瓷套将偏压连接到偏压栅网；另一个孔上方安装了用于二次电子信号引出的SMA同轴接线座，SMA接线座内部预留空腔。