CN110220929A - 一种测量材料二次电子发射系数的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种测量材料二次电子发射系数的装置及方法，装置的特征在于：在真空室内沿真空室的中心轴z由上而下依次平行设置的电子枪、测试夹具和收集极；测试夹具上安有微通道板，微通道板包括输入端和输出端，输入端面朝电子枪；工作电源位于真空室外，包括电子枪电源、微通道板电源、收集极电源，依次分别与电子枪、微通道板、收集极相连接；电流表位于真空室外，位于收集极电源与收集极之间；机械手通过波纹管与真空室内的移动导杆相连。本发明的方法是利用微通道板的输出电流与输入端上面材料的二次电子发射系数成正比，同时以微通道板输入端所镀制的镍‑铬电极材料的二次电子发射系数为基准来测量材料二次电子发射系数。

Description

一种测量材料二次电子发射系数的装置及方法
技术领域
本发明属于物理电子学与光电子学技术领域，具体涉及一种材料二次电子发射系数的测量装置和方法。
背景技术
材料的二次电子发射效应是物理电子学与光电子学研究的一个重要领域。当电子轰击材料表面时，如果入射电子的能量大于材料的逸出功，那么将会有电子发射出来，这一现象被称为二次电子发射，并采用二次电子发射系数来表征。二次电子发射系数是指所发射的二次电子与所入射的一次电子的数量之比。在一些应用领域，如在光电倍增管中，就是利用其打纳极的二次电子发射效应来实现倍增的。因为在光电倍增管中，打纳极材料的二次电子倍增系数大于1，因此经过多级串联打钠极的二次电子倍增后，就可以获得很高的电子增益，从而实现对微弱光信号的探测。所以在光电倍增管中，打纳极需要采用高二次电子发射系数的材料制作，如采用铜-铍合金制作。而在一些应用领域，如在环形加速器中，材料的二次电子倍增会引起电子云效应，导致环形加速器束流品质受限，甚至引起加速器运行不稳定。制作环形加速器的材料要求二次电子发射系数小于1并且越低越好，所以需要采用二次电子发射系数较低的材料，如采用非晶碳膜或石墨烯膜材料。而在某些领域的应用中，却要求材料的二次电子发射系数为特定值，这样才能保证器件(如各类高功率微波器件)的性能。
由于在航天器、离子加速器、高功率微波器件、电真空器件等领域中对材料的二次电子发射系数有特定要求，因此需要对材料的二次电子发射系数进行测量。目前二次电子发射系数测量的方法有多种，主要区别是所采用的二次电子收集器不同，有的采用半球形的收集器，有的则采用球形收集器，还有的采用法拉第筒作为收集器。
在专利(申请号：201110128212.4和201410022709.1)中，介绍了采用半圆形收集器来测量材料二次电子发射系数的方法。该方法当二次电子的发射角较大时，将会收集不到，因此造成测量误差。在专利(申请号：201810965994和201811197282.3)中，介绍了采用球形收集器来测量材料二次电子发射系数的方法，该方法尽管可以全部收集二次电子，但设备复杂昂贵，且费效比较低。在专利(申请号：201711374694.5和201210219891.0)中，介绍了利用法拉第筒作为收集器的二次电子发射系数测量方法，尽管该种测量装置结构简单，但该方法不仅测量精度低，而且适用范围窄。
发明内容
针对现有材料二次电子发射系数测量装置或方法存在的问题，本发明提出了一种材料二次电子发射系数测量的装置和方法。该种装置和方法具有结构简单紧凑，费效比高，适用范围广的特点。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：
一种测量材料二次电子发射系数的装置，包括电子枪(1)、微通道板(3)、测试夹具(4)、收集极(8)、电流表(10)、真空室(2)、机械手(5)、波纹管(6)、移动导杆(7)以及工作电源(9)，其特征在于：在真空室(2)内沿真空室(2)的中心轴z由上而下依次平行设置的电子枪(1)、测试夹具(4)和收集极(8)；所述测试夹具(4)上安装有微通道板(3)，微通道板(3)包括输入端(3-4)和输出端(3-5)，所述微通道板的输入端(3-4)面朝所述电子枪(1)；所述工作电源(9)位于真空室(2)外，包括电子枪电源(9-1)、微通道板电源(9-2)、收集极电源(9-3)，依次分别与电子枪(1)、微通道板(3)、收集极(8)相连接；所述电流表(10)位于真空室外，位于收集极电源(9-3)与收集极(8)之间。所述机械手(5)通过波纹管(6)与真空室(2)内的移动导杆(7)相连，用于在水平面的x方向上移动测试夹具(4)。
所述微通道板(3)的输入端(3-4)和输出端(3-5)均镀制有镍-铬电极。
所述微通道板输出端(3-5)接地，电位为0V，所述微通道板输入端(3-4)的电位为负电位，为-700V～-900V。
所述微通道板(3)由几百万根直径为5-12μm的空心通道(3-8)所组成，通道内壁(3-6)表面为高二次电子发射系数的半导体材料，通道之间由通道壁(3-7)相隔，互不串通。微通道板(3)为圆片状，直径在Φ25mm～Φ40mm之间，厚度在0.3mm～0.4mm之间，斜角为6°，见图7。
所述电子枪(1)电位低于微通道板输入端(3-4)电位，二者的具体电位差应根据二次电子发射系数的测量要求而定。
所述真空室(2)的真空依靠机械泵加分子泵的真空机组来获得，真空度≤5×10-6托。
所述收集极(8)为金属铜。
本发明申请的另一目的是提出一种测量材料二次电子发射系数的方法，该方法步骤包括：
1、蒸镀待测材料
使用真空镀膜机将待测材料蒸镀在微通道板的输入端(3-4)面上，但在蒸镀材料时，使用挡板(11)将微通道板输入端(3-4)面的一半进行遮挡，见图3。由于遮挡，材料的膜层仅仅能覆盖微通道板输入端(3-4)的一半面积。
2、安装微通道板
将镀好待测材料膜层的微通道板(3)装入真空室(2)的测试夹具(4)上。安装时，微通道板的输入端(3-4)面朝电子枪，并且使微通道板(3)的圆心与真空室(2)的中心轴z重合，见图2。微通道板输入端面(3-4)上镀膜区(3-1)与非镀膜区(3-2)的分界线(3-3)与真空室(2)水平面的y轴重合，见图2，图4。
3、抽真空及施加工作电压
安装好微通道板(3)之后，对真空室(2)进行抽真空。当真空度达到5×10-6托之后，打开工作电源(9)，对微通道板(3)、收集极(8)以及电子枪(1)施加所需的工作电压。
4、读取电流数据
之后利用机械手(5)在水平面的x方向上移动测试夹具(4)，使电子枪(1)所发射的电子束斑(13)入射在微通道板输入端非镀膜区(3-1)一半的面积上，见图5，然后利用电流表(10)测量出微通道板(3)的输出电流I0。之后再在水平面的x方向上反向移动测试夹具(4)的位置，使电子枪(1)所发射的电子束斑(13)入射在微通道板输入端镀膜区(3-2)另一半的面积上，见图6，然后利用电流表(10)测量出微通道板(3)的输出电流I。测量完成之后，利用下式(1)计算出所测材料的二次电子发射系数Y。
式中，Y0为微通道板镍-铬电极的二次电子发射系数，Y为待测材料的二次电子发射系数，I为微通道板镀膜区的输出电流，I0为微通道板非镀膜区的输出电流。
此测量方法是利用微通道板(3)在输入电流一定的条件下，输出电流与输入电极材料的二次电子发射系数成正比这一特性来测量材料的二次电子发射系数。微通道板(3)是一种大面阵的微通道电子倍增器，由几百万根直径约为5至12μm的空心通道(3-8)所组成。通道(3-8)的内壁(3-6)表面为高二次电子发射系数的半导体材料，通道(3-8)之间由通道壁相隔，互不串通。微通道板(3)一般为圆片状，直径在Φ25mm～Φ40mm之间，厚度在0.3mm～0.4mm之间，斜角为6°。在微通道板的输入端(3-4)和输出端(3-5)均镀制有镍-铬电极，两电极之间施加有一定的工作电压并通过该电极施加在每一根通道上。由于在微通道板(3)的每一根通道两端均施加有一定的工作电压，因此在其内壁半导体膜层的连续分压下，建立起了由低到高的连续分压场，所以相当于一个微型连续打纳极倍增器。一般微通道板(3)的电子增益均在1000倍以上，即输出电流与输入电流相比较，放大了1000以上。当电子枪(1)所发射的入射电子(14)向微通道板的输入端(3-4)运动时，运动轨迹对准通道孔的入射电子(14)将进入通道内并与内壁碰撞，产生二次电子(15)。而运动轨迹对准通道壁(3-7)的入射电子(14)，将会与通道壁(3-7)上的镍-铬电极碰撞，使镍-铬电极发射二次电子(15)。二次电子(15)在电子枪(1)和微通道板(3)之间电场的作用下，还会返回输入端(3-4)的通道(3-8)内并进行电子倍增。这部分镍-铬电极产生的二次电子(15)与电子枪发射的入射电子(14)叠加在一起，在通道(3-8)孔内不断的与通道内壁(3-6)碰撞产生二次电子(15)，最后从微通道板的输出端(3-5)输出，如图8、图9所示。因此该输出电流除了正比于电子枪(1)的入射电流(12)，之外，还正比于微通道板输入端(3-4)面上通道壁(3-7)上所覆盖的镍-铬电极所发射的二次电子(15)电流。因此当在同一片微通道板的输入端(3-4)面蒸镀或覆盖一层二次电子(15)发射系数高于镍-铬电极的材料膜层时，在输入电流不变的条件下，输出电流将高于原来采用镍-铬电极的微通道板电流。反之，当在同一片微通道板的输入端(3-4)面覆盖一层二次电子发射系数低于镍-铬电极的材料膜层时，输出电流将低于原来采用镍-铬电极的微通道板电流。同理，当在同一片微通道板的输入端(3-4)面上部分镀制二次电子发射系数高于镍-铬电极的材料膜层时，在同样的电子枪(1)发射电流(电流密度)条件下，镀膜区(3-2)的输出电流(电流密度)将高于非膜层(3-1)镀制区的输出电流(电流密度)，并且正比于膜层的二次电子发射系数。对于微通道板(3)所使用的镍-铬电极而言，其二次电子发射系数是一定的，因此测量出镀膜区(3-2)和非镀膜区(3-1)的电流(电流密度)，即可计算出所镀膜层材料的二次电子发射系数。所以本发明的方法是利用微通道板的输出电流与输入端(3-4)面上材料的二次电子发射系数成正比，同时以微通道板输入端所镀制的镍-铬电极材料的二次电子发射系数为基准来测量材料二次电子发射系数的。
附图说明
图1为一种测量材料二次电子发射系数的装置示意图；
图2为微通道板和收集极位置示意图；
图3为微通道板镀膜示意图；
图4为微通道板安装示意图；
图5为电子束斑位置示意图；
图6为电子束斑位置示意图；
图7为微通道板示意图；
图8为通道二次电子倍增示意图；
图9为微通通道板二次电子倍增示意图；
图10为二次电子发射系数与轰击电压的关系；
其中：1、电子枪；2、真空室；3、微通道板；4、测试夹具；5、机械手；6、波纹管；7、移动导杆；8、收集极；9、工作电源；10、电流表；11、挡板；12、蒸发源；13、电子束斑；14、入射电子；15、二次电子；3-1、非镀膜区；3-2、镀膜区；3-3、分界线；3-4、输入电极；3-5、输出电极；3-6、通道内壁；3-7、通道壁；3-8、通道孔；9-1、电子枪电源；9-2、微通道板电源；9-3、收集极电源。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种测量材料二次电子发射系数的装置，包括电子枪1、微通道板3、测试夹具4、机械手5、波纹管6、移动导杆7、收集极8、电流表10、真空室2以及工作电源9，其特征在于：在真空室2内沿真空室2的中心轴z由上而下依次平行设置的电子枪1、测试夹具4和收集极8；测试夹具4上安装有微通道板3，微通道板采用增强器所使用的Φ25-6/8型号微通道板，微通道板3包括输入端3-4和输出端3-5，微通道板的输入端3-4面朝电子枪1；输入端3-4和输出端3-5均镀制有镍-铬电极，其中的镍成分为80％，铬的成分为20％，纯度99.9％。微通道板3由几百万根直径为6μm的空心通道3-8所组成，通道内壁3-6表面为高二次电子发射系数的半导体材料，通道之间由通道壁3-7相隔，互不串通。微通道板3为圆片状，直径为Φ25mm，厚度为0.3mm，见图7。微通道板输出端3-5接地，电位为0V，微通道板输入端3-4的电位为负电位，为-800V。
工作电源9位于真空室2外，包括电子枪电源9-1、微通道板电源9-2、收集极电源9-3，依次分别与电子枪1、微通道板3、收集极8相连接；电流表10位于真空室外，位于收集极电源9-3与收集极8之间。机械手5通过波纹管6与真空室2内的移动导杆7相连，用于在水平面的x方向上移动测试夹具4，见图2。
收集极8为金属铜。
蒸发源12为SiO2材料，将微通道板放入真空镀膜机中，按照通常的镀膜工艺在微通道板输入端面上镀制一层厚度为250nm的SiO2膜层。在镀制SiO2膜层时，利用挡板11将微通道板输入端面的一半面积挡住，见图3。
将该微通道板放入测量装置的测试夹具上，使其与测试夹具上的输入和输出电极接触良好。调节测试夹具位置，使微通道板的圆心与测量装置的中心轴z重合，同时使微通道板镀膜与不镀膜的分界线与真空室水平面的y轴重合，见图2，图4。
关闭真空室，开始抽真空。当真空度达到5×10-6托之后，打开测试装置的工作电源，将微通道板输入电极的电位调节到-800V，收集极电位调节到+30V，电子枪电位调节到-1000V。
在水平面的x轴方向上移动微通道板的位置，使微通道板的中心偏离真空室的z中心轴4.5mm，使电子枪的电子束斑入射在微通道板输入端非镀膜区的面积上，见图5。利用电流表测量出微通道板的输出电流I0。
在水平面的x轴的反方向上再次移动微通道板的位置，使微通道板的中心偏离真空装置的z中心轴-4.5mm，使电子枪的电子束斑入射在微通道板输入端镀膜区的面积上，见图6。利用电流表测量出微通道板的输出电流I。
在本实施例中，电子枪电子束斑在微通道板输入端面上的直径为Φ5mm，发射电流密度约为3.6×10-11A/cm2，Y0为2.16，所采用的电流表为美国Keithley公司的615型，所测得的I0、I分别为9.7×10-9A和1.12×10-8A，根据式(1)可计算出SiO2镀膜材料的二次电子发射系数Y为2.49。
实施例2
测量SiO2材料在不同电子能量轰击下的二次电子发射系数
微通道板采用像增强器所使用的Φ25-6/8型号微通道板，其直径为Φ25mm，通道孔径为6μm，通道中心距为8μm，板厚为0.3mm，输入和输出电极为镍-铬合金，其中的镍成分为80％，铬的成分为20％，纯度99.9％。
蒸发源12为SiO2材料，将微通道板放入真空镀膜机中，按照通常的镀膜工艺在微通道板输入端面上镀制一层厚度为250nm的SiO2膜层。之后将该微通道板放入测量装置的测试夹具上，使其与测试夹具上的输入和输出电极接触良好。调节微通道板的位置，使微通道板的圆心与测量装置的中心轴z重合。
关闭真空室，开始抽真空。当真空度达到5×10-6托之后，打开测试装置的工作电源，将微通道板输入电极的电位调节到-800V，输出电极接地，收集极电位调节到+30V，电子枪电位调节到-1000V。调节电子枪的发射电流密度，使电子枪的发射电流密度小于10-11A/cm2。利用电流表测量出微通道板的输出电流。
调整电子枪的电位，每降低10V测量一次微通道板的输出电流，一直测量到电子枪的电位为-830V为止。
在本实施例中，电子枪束斑在微通道板输入端面上的直径为Φ5mm，发射电流密度约为3.6×10-11A/cm2，所采用的电流表为美国Keithley公司的615型皮安表，所测得的不同电子枪电位的条件下的微通道板输出电流见表1。
由于微通道板的输出电流正比于输入端所镀膜层材料的二次电子发射系数，因此根据SiO2镀膜材料在200eV输入能量条件下的二次电子发射系数(见实施例1)，就可以利用公式(2)计算出SiO2镀膜材料在不同输入能量条件下的二次电子发射系数，见表1和图10。
式中，Y(v)为入射电子能量为v电子伏特条件下的二次电子发射系数，I(v)为入射电子能量为v电子伏特条件下的微通道板的输出电流，I为入射电子能量为200eV条件下的微通道板的输出电流，Y为入射电子能量为200eV条件下的二次电子发射系数。
表1

Claims (8)

1.一种测量材料二次电子发射系数的装置，包括电子枪(1)、微通道板(3)、测试夹具(4)、收集极(8)、电流表(10)、真空室(2)、机械手(5)以及工作电源(9)，其特征在于：在真空室(2)内沿真空室(2)的中心轴z由上而下依次平行设置的电子枪(1)、测试夹具(4)和收集极(8)；所述测试夹具(4)上安装有微通道板(3)，微通道板(3)包括输入端(3-4)和输出端(3-5)，所述微通道板的输入端(3-4)面朝所述电子枪(1)；所述工作电源(9)位于真空室(2)外，包括电子枪电源(9-1)、微通道板电源(9-2)、收集极电源(9-3)，依次分别与电子枪(1)、微通道板(3)、收集极(8)相连接；所述电流表(10)位于真空室外，位于收集极电源(9-3)与收集极(8)之间；所述机械手(5)通过波纹管(6)与真空室(2)内的移动导杆(7)相连。
2.根据权利要求1所述的一种测量材料二次电子发射系数的装置，其特征在于：所述微通道板(3)的输入端(3-4)和输出端(3-5)均镀制有镍-铬电极。
3.根据权利要求1所述的一种测量材料二次电子发射系数的装置，其特征在于：所述微通道板输出端(3-5)接地，电位为0V，所述微通道板输入端(3-4)的电位为负电位，为-700V～-900V。
4.根据权利要求1所述的一种测量材料二次电子发射系数的装置，其特征在于：所述微通道板(3)由几百万根直径为Φ5μm～Φ12μm的空心通道(3-8)所组成，通道内壁(3-6)表面为高二次电子发射系数的半导体材料，通道(3-8)之间由通道壁(3-7)相隔，互不串通；微通道板(3)为圆片状，直径在Φ25mm～Φ40mm之间，厚度在0.3mm～0.4mm之间，斜角为6°。
5.根据权利要求1所述的一种测量材料二次电子发射系数的装置，其特征在于：所述电子枪(1)电位低于微通道板输入端(3-4)电位，二者的具体电位差应根据二次电子发射系数的测量要求而定。
6.根据权利要求1所述的一种测量材料二次电子发射系数的装置，其特征在于：所述真空室(2)的真空依靠机械泵加分子泵的真空机组来获得，真空度≤5×10-6托。
7.根据权利要求1所述的一种测量材料二次电子发射系数的装置，其特征在于：所述收集极(8)为金属铜。
8.一种测量材料二次电子发射系数的方法，其特征在于：步骤包括：
(1)蒸镀待测材料
使用真空镀膜机将待测材料蒸镀在微通道板的输入端(3-4)面上，但在蒸镀材料时，使用挡板(11)将微通道板输入端(3-4)面的一半进行遮挡；由于遮挡，材料的膜层仅仅能覆盖微通道板输入端(3-4)的一半面积；
(2)安装微通道板
将镀好待测材料膜层的微通道板(3)装入真空室(2)的测试夹具(4)上。安装时，微通道板的输入端(3-4)面朝电子枪，并且使微通道板(3)的圆心与真空室(2)的中心轴z重合，微通道板输入端面(3-4)上镀膜区(3-1)与非镀膜区(3-2)的分界线(3-3)与真空室(2)水平面的y轴重合；
(3)抽真空及施加工作电压
安装好微通道板(3)之后，对真空室(2)进行抽真空，当真空度≤5×10-6托之后，打开工作电源(9)，对微通道板(3)、收集极(6)以及电子枪(1)施加所需的工作电压；
(4)读取电流数据
之后利用机械手(5)在水平面的x方向上移动测试夹具(4)，使电子枪(1)所发射的电子束斑(13)入射在微通道板输入端非镀膜区(3-1)一半的面积上，然后利用电流表(10)测量出微通道板(3)的输出电流I0；之后再在水平面的x方向上反向移动测试夹具(4)的位置，使电子枪(1)所发射的电子束斑(13)入射在微通道板输入端镀膜区(3-2)另一半的面积上，然后利用电流表(10)测量出微通道板(3)的输出电流I；测量完成之后，利用下式计算出所测材料的二次电子发射系数Y。
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