CN110146529A - 一种测量介质材料二次电子发射系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量介质材料二次电子发射系数的方法，其步骤包括：1)将待测介质材料放置在金属样品台上；将金属样品台、栅网、收集极的输出端口与采集装置输入端口连接，且金属样品台、栅网所施加电压与电子枪出射口电压相同，收集极电位高于金属样品台电位；2)调整电子枪参数，使电子束斑的照射金属样品台表面，并持续照射设定时间；3)将电子枪出射的电子能量调节至需要测试的能量，将初级电子束的照射位置调节至介质材料表面，使电子枪发射脉冲电子束，测量并计算金属样品台、栅网、收集极各通路脉冲电流I₁、I₂、I₃；通过公式δ＝(I₂+I₃)/(I₁+I₂+I₃)计算当前电子入射能量下介质材料的二次电子发射系数δ。

Description

一种测量介质材料二次电子发射系数的方法

技术领域

本发明属于物理电子学领域，特别涉及一种使用脉冲电子枪对介质材料表面正电荷进行中和后，测试介质材料的二次电子发射系数的方法。

背景技术

具有一定动能的电子(或离子)轰击到固体材料表面，使得材料内部电子从材料表面发射出来的现象，称为材料的二次电子发射现象。

轰击材料表面的电子流强被称为一次电子流I_p，从材料表面发射的电子流强被称为二次电子流I_s，通常材料的二次电子发射系数δ定义为I_s与I_p之比。δ小于1表示发生了二次电子的抑制效应，这一效应可以解决航天器表面的微放电问题、环形加速器内表面的电子云问题和高功率微波真空器件的可靠性和寿命问题等。δ大于1表示发生了二次电子的倍增效应，这一效应广泛应用在电子倍增器领域，如双片微通道板探测器利用材料表面的二次电子级联倍增效应，增益可以达到10⁷；随着大型高能物理实验对探测器件，如微通道板型光电倍增管(MCP-PMT)的要求越来越高，研究探测器中所用到的二次电子倍增材料的性能显得尤其重要。

常见的二次电子发射系数测量装置主要由三部分组成：电子枪，样品台，收集极。其中电子枪发射具有一定动能的电子束，照射在样品台上的待测材料表面，从而产生二次电子，并通过收集极对二次电子进行收集与测量，从而计算获得待测材料的二次电子发射系数。

介质材料往往具有较高的二次电子发射系数，其出射的二次电子大于入射的一次电子，会使得材料表面带有正电荷，进而抑制二次电子的产出，导致测量得到的二次电子发射系数快速下降，并趋近于1，由此使得测量结果不能准确反应材料真实性能。为了消除样品带电现象的影响，测量得到准确的介质材料的二次电子发射系数，需要在每次测量之前对介质材料表面进行正电荷中和。

但是，目前对介质材料表面正电荷进行中和的方法仍存在一定的问题。

1)基于低能电子枪的中和方法：该方案在测量用电子枪之外，增加了一个中和用低能电子枪(如在盘型钽丝两端加电压，使发射热电子)。当需要对介质材料进行中和时，则关闭测量用电子枪，开启低能电子枪，使用低能电子枪发射的大量低能电子对介质材料表面积累的正电荷进行中和。该方案结构复杂，需要两个电子枪(用于测量的电子枪，用于中和的电子枪)，且难以控制中和剂量，容易使介质材料表面残留正电荷或反而携带负电荷。

2)基于单电子枪的偏压中和法：该方案使用同一把电子枪对介质材料进行测量与中和。当需要对介质材料进行中和时，在样品台上施加50V的正偏压，并用电子枪照射介质材料表面，介质材料产生的二次电子在样品台正偏压的影响下，重新回到介质材料表面，从而使介质材料表面获得负电荷。获得的负电荷量等于电子枪发出的电荷量。该方案同样难以控制中和剂量。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：提供一种新的介质材料表面电荷的中和方案，以及对应的二次电子发射系数的测试方法。该方法结构简单，适用范围广泛，且在充分中和介质材料表面正电荷的基础上，有效防止了过量中和导致的负电荷的积累，从而可以简单有效的测量得到准确的介质材料在不同入射能量下的二次电子发射系数。测量结果准确可靠。

本发明的技术方案为：一种测试介质材料的二次电子发射系数的方法，包括：

步骤1，将介质材料放置在金属样品台1上，升入球形收集极3的中心，并对真空腔体6抽真空，真空度优于10^-4Pa；

步骤2，将脉冲信号放大器输入端接入金属样品台1，栅网2，收集极3各通路上的信号输出接口，并将脉冲信号放大器输出端接入到电信号采集装置；

步骤3，调整电子枪5的偏转电压和聚焦电压，或微调电子枪法兰的位置，使电子束斑照射位置为金属样品台1表面，并靠近待测样品边缘，使电子枪发射电子束并持续照射5s～100s，从而用金属样品台1产生的低能二次电子对介质材料表面的正电荷进行充分中和,其中电子枪电子出射动能为300eV～1000eV；

步骤4，将电子枪5出射的电子能量调节至需要测试的能量，并使电子枪5处于脉冲工作模式。调整电子枪5的偏转电压与聚焦电压，使电子枪出射的初级电子束的照射位置为介质材料表面。为了确认电子枪的偏转电压与聚焦电压是否调节合理，可以先使电子枪5先发射一束脉冲电子书，并使用电信号采集装置观察套筒4的信号输出，若套筒4通路无输出信号，说明电子枪5出射的初级电子束未撞击在套筒上发生散射，不会影响初级电子束的位置与能量分布，则此时设置的偏转电源与聚焦电压是合理的；

步骤5，使电子枪5发射脉冲电子束，使用电信号采集装置测量金属样品台1，栅网2，收集极3各通路脉冲电流，分别为I₁，I₂，I₃；

步骤6，将栅网2，收集极3通路脉冲电流求和，记为二次电流I_s；将金属样品台1，栅网2，收集极3通路脉冲电流求和，记为一次电流I_p，得出该电子入射能量下的二次电子发射系数δ＝(I₂+I₃)/(I₁+I₂+I₃)；

步骤7，将电子枪5出射的电子能量调节至下一需要测试的能量，并重复步骤3～6。直到所有待测量的入射能量下的二次电子发射系数均测量完毕为止。

为了提升收集极对二次电子的收集效率，防止由于收集极产生新的二次电子，导致测量得到的二次电流偏小，在步骤5中，在收集极3上施加电压高于金属样品台1电压50V。

考虑到收集极3上施加的电压可能会对一次电子照射样品材料的过程中，以及二次电子产生的过程产生干扰，在步骤5中，在金属样品台1，栅网2，套筒4上施加电压与电子枪出射口电压相同；

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明使用了金属样品台产生的低能二次电子对介质材料表面正电位进行中和，随着介质材料表面的正电位逐渐降低，样品台产生的低能二次电子也越来越难以到达介质材料表面，从而在充分中和介质材料表面正电荷的基础上，有效防止了过量中和导致的负电荷的积累；本发明测量结果与文献DOI 10.1063/1.3647637，DOI 10.1063/1.4869139相一致(如图5)，说明测量结果是准确的。使用该测试方案测得的结果，与Furman模型(见图2)符合的很好。分别通过使用本中和方法与不使用本中和方法进行测量后，对比效果如图6所示，中和之后测得的二次电子发射系数明显增加，说明中和是有效的。

附图说明

图1示出了本发明的方法中各结构的位置关系示意图；

其中，1-样品台，2-栅网，3-收集极，4-套筒，5-电子枪，6-真空腔体

图2示出了本测试方法的典型测试结果；

图3示出了中和方法示意图；

(a)介质表面带正电位时的中和过程示意图，(b)介质表面不带电时的中和过程示意图；

图4示出了介质材料表面电位与中和效率之间的关系的数值模拟结果图；

图5示出了本测试方案的典型测试结果与已有文献的对比图；

图6示出了使用本中和方法与不使用本中和方法的测量结果的对比图。

具体实施方式

本发明提供一种新的介质材料表面电荷的中和方法，以及对应的二次电子发射系数的测试方法。该方法减弱了由于电荷积累效应所引入的测量误差，进而得以通过一种准确有效的方式测量介质材料在不同入射能量下的二次电子发射系数。且该方法一次完整测量便可测量样品材料在不同入射能量下的所有二次电子发射系数，整个测试过程中不需要进行移动样品，更换电子学结构等操作，操作简单方便，测试结果精确。其中和方法结构简单，适用范围广泛，且在充分中和介质材料表面正电荷的基础上，有效防止了过量中和导致的负电荷的积累。

本发明提供的方法，包括以下几个步骤：

(1)将待测介质材料放置在金属样品台1上，随后控制金属样品台1上升，并升入球形收集极3中心位置；然后对腔体抽真空，真空度优于10^-4Pa；

(2)将脉冲信号放大器输入端接入金属样品台1，栅网2，收集极3各通路上的信号输出接口，并将脉冲信号放大器输出端接入到示波器的不同通道；其中放大器为反相运算放大电路组成，通过将运算放大器的同相端与电子枪出射口进行短接，从而在放大通路电流的同时，可以保证金属样品台1，栅网2各通路上的电压与电子枪出射口电压相同，不会随通路电流的变化而发生漂移；同时收集极3通路在接入运算放大器前，先通过总电压为50V的电池组，电池组正极接入全球形收集极3，电池组负极接入运算放大器反相输入端，同相输入端与电子枪出射口短接。从而给全球形收集极3提供偏压，防止因收集极3发出新的二次电子，使测量得到的二次电流偏小。套筒接地，以保证收集极3上施加的正电压不会对一次电子照射样品材料的过程产生干扰；

(3)打开电子枪5电源，调整电子枪5的偏转电压和聚焦电压，或微调电子枪法兰的位置，使电子束斑照射位置为金属样品台1(304不锈钢)表面，并靠近待测样品边缘，电子束斑边缘距待测样品边缘的最短距离为5mm。使电子枪发射中和电子束并持续照射设定时间。其中中和用电子束流的电子动能取决于金属样品台的材质，电子动能应取使金属样品台发射的二次电子发射系数最大为宜。例如，当金属样品台材质为304不锈钢时，使电子动能为300eV，当金属样品台材质为铝时，使电子动能为600eV，当金属样品台表面为金膜或其他贵金属薄膜时，使电子动能为1000eV。中和电子束的照射持续时间取决于待测介质材料的最大二次电子发射系数，介质材料的最大二次电子发射系数越大，中和电子束的照射持续时间越长，以保证对介质材料表面正电荷的充分中和。例如，当介质材料的最大二次电子发射系数大于1且小于2时，照射持续时间为5s。当介质材料的最大二次电子发射系数大于2且小于5时，照射持续时间为10s。当介质材料的最大二次电子发射系数大于5且小于10时，照射持续时间为50s。当介质材料的最大二次电子发射系数大于10时，照射持续时间为100s。

此时样品台表面会产生大量的低能二次电子，当介质材料表面带正电位时，在电场作用下，介质材料表面对低能二次电子产生吸引作用，从而使介质表面的正电位被中和。随着中和过程的进行，介质表面的正电位逐渐减小，其电场对低能二次电子的吸引作用也越来越弱。最终当介质材料表面被充分中和后，电场消失，不再吸引低能二次电子。这使得该方案在保证充分中和介质材料表面正电荷的基础上，有效防止了过量中和导致的负电荷的积累。

对上述物理过程进行数值模拟，研究了介质材料表面电位与中和效率之间的关系，见图4。其中中和效率定义为：介质材料表面收集到的二次电子数目与中和用初级电子数目之比。模拟结果显示：随着介质材料表面所带正电位的降低，二次电子越来越难以到达介质材料表面，当介质材料表面的电位U<0.9V时，中和效率<10^-4。故可以认为使用该中和方法对绝缘样品表面进行充分中和后，绝缘样品表面所残余电势不超过1V。并为了保证充分中和，中和所用电子束的脉冲宽度为测量用电子束脉冲宽度的10⁶～10⁷倍；

(4)将电子枪5出射能量调至需要测试的能量，并使电子枪5处于脉冲工作模式，脉宽T＝10μs；

(5)使电子枪发射脉冲电子束，并通过计算机读取示波器所测得的金属样品台1，栅网2，收集极3各通路上的波形，并对波形的信号区域进行积分计算，除以放大倍率(等效电阻)R，从而得出金属样品台1，栅网2，收集极3各通路的电荷，并将金属样品台1，栅网2，收集极3各通路的电荷除以各波形的脉冲宽度T，以获得各通路脉冲电流，分别记为I₁，I₂，I₃；

(6)将栅网2，收集极3两通路的脉冲电流求和，记做二次电流I_s＝I₁+I₂，将金属样品台1，栅网2，收集极3各通路脉冲电流求和，记做一次电流I_p＝I₁+I₂+I₃，得出该入射能量下的二次电子发射系数

(7)返回步骤(3)，并重复步骤(3)(4)(5)(6)，以测量不同入射能量下的样品材料的二次电子发射系数；直到所有需要测量的一次电子的入射能量条件均测量完毕，则结束测量。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种测量介质材料二次电子发射系数的方法，其步骤包括：

1)将待测介质材料放置在金属样品台上，将该金属样品台升入收集极中并对真空腔体抽真空；

2)将金属样品台、栅网、收集极的输出端口与电信号采集装置输入端口连接，且金属样品台、栅网所施加电压与电子枪出射口电压相同，收集极电位高于金属样品台电位设定值；

3)调整电子枪参数，使电子束斑照射位置为金属样品台表面，使电子枪发射电子束并持续照射设定时间，从而用金属样品台产生的低能二次电子对介质材料表面的正电荷进行充分中和；

4)将电子枪出射的电子能量调节至需要测试的能量，将电子枪出射的初级电子束的照射位置调节至介质材料表面，并将电子枪的工作状态调节为脉冲工作模式；

5)使电子枪发射脉冲电子束，测量并计算金属样品台、栅网、收集极各通路脉冲电流，即金属样品台脉冲电流I₁、栅网脉冲电流I₂、收集极脉冲电流I₃；

6)通过公式δ＝(I₂+I₃)/(I₁+I₂+I₃)计算当前电子入射能量下，该介质材料的二次电子发射系数δ；

7)改变入射电子能量，重复步骤3)～6)，直到所有待测量的入射能量下的二次电子发射系数均测量完毕为止。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述设定值为50V。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，调整电子枪参数，使其出射的电子束斑照射该介质材料边缘的金属样品台区域，电子束斑边缘与介质材料边缘的最短距离为5mm。

4.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，步骤3)中，电子动能为300eV～1000eV，持续照射时间为5s～100s。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过脉冲信号放大器放大金属样品台、栅网、收集极、上的输出脉冲信号。