CN111077176A - 一种二次电子发射性能参数测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二次电子发射性能参数测试装置及测试方法。本装置包括球形电子收集器，其由外向内依次是：球形收集极、球形抑制极和球形接地极；球形电子收集器固定在真空室内的电子收集器固定装置上，其上方设有入射电子孔，电子枪口由入射电子孔进入球形电子收集器内部，球形电子收集器的下方设有样品台进出孔；样品台升降旋转装置，包括安装在真空室外的磁流体控制器、真空室内的螺杆传动机构及与之连接的齿轮旋转机构，样品台与齿轮旋转机构连接，样品台从球形电子收集器下方开孔处进入其内部；磁流体控制器通过螺杆传动机构及与之连接的齿轮旋转机构驱动样品台上下移动及旋转；样品台一面用于放置待测样品，另一面上固定一次电子收集器。

Description

一种二次电子发射性能参数测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及固体材料表面物理性能测试领域，具体是涉及金属、半导体、绝缘体材料的二次电子发射性能参数的测试装置及测试方法。

背景技术

具有一定能量的电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。

材料的二次电子发射性能参数包括材料的二次电子发射系数δ、二次电子能谱d(E)和二次电子的空间角分布f(θ)，这些参数主要和入射电子的能量E和角度β有关。轰击材料表面的电子称为一次电子流I_p，一次电子流功率密度和E、电子束斑面积S有关，从材料表面发射的电子称为二次电子流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。从材料表面发射的二次电子在能量上呈现一定的分布称为二次电子能谱曲线d(E)，包括一次电子的弹性散射电子峰、非弹性散射电子峰、真二次电子峰、俄歇电子峰等。多数表面分析仪器的原理和材料的二次电子能谱有关，如俄歇电子能谱仪中利用了俄歇电子峰，扫描电子显微镜中利用了真二次电子峰等，通过测试二次电子能谱曲线可以解决和材料性质相关的很多物理问题。从材料表面发射的二次电子存在一定的空间角分布，测试二次电子在空间中的分布对于完善现有二次电子发射理论具有重要的意义。

二次电子发射性能测试设备是获取材料二次电子发射性能参数的有利工具，该设备的核心部分是二次电子收集器(包括收集极和两层栅网)。现有设备通常采用球形、圆柱形或半球形二次电子收集器。球形二次电子收集器的缺陷是：无法测试二次电子的空间角分布；圆柱形二次电子收集器的缺陷是：测试二次电子能谱时，两层栅网之间的电场线方向和二次电子运行轨迹存在夹角，造成二次电子能谱测试结果不准确；另外，测试二次电子的空间角分布时，需要不断调整样品台的位置，容易造成一次入射电子束斑面积S的改变，影响一次电子流功率密度，进而影响测试结果。半球形二次电子收集器的缺陷是：当一次电子入射角度较大时，二次电子无法被完全收集，造成测试结果误差较大。

发明内容

为了克服现有技术中二次电子收集器的不足，本申请的目的是提供一种固体材料二次电子发射性能参数的测试装置和方法，使得测试过程简单且二次电子被充分收集，可用于准确测量不同入射电子流功率密度和入射角度时，材料的二次电子发射系数、二次电子能谱和二次电子空间角分布。

为实现上述各项发明目的，本发明的测试装置，包括：

真空系统，包括用于提供和维持真空环境的真空泵、用于检测真空度的真空测试装置和作为腔体用的真空室；

电子束产生系统，包括通过法兰接口安装在真空室内、用于产生连续或脉冲电子束的电子枪及真空室外的电子枪控制器；

球形电子收集器，其固定在真空室内的电子收集器固定装置上，包括三种球形结构，由外向内依次是：球形收集极、球形抑制极和球形接地极，其上方开孔作为入射电子孔，电子枪口由上方开孔处进入球形电子收集器内部，球形电子收集器的下方开孔作为样品台进出孔；球形抑制极的功能是测试二次电子能谱，球形抑制极上需要施加电场；球形接地极可以保证样品处于一个等电势区，提高测试精度。当测试二次电子发射系数和入射电子功率密度、二次电子发射系数和入射电子角度之间的关系时，二次电子流大小等于球形收集极、球形抑制极和球形接地极上测到的电流之和。当测试二次电子的空间角分布、二次电子的能谱时，球形收集极上测到的电流为二次电子流大小。

微弱信号测量系统，包括分别与球形收集极、球形抑制极、球形接地极和样品台连接的电流计或电流-电压放大器；

样品台升降旋转装置，包括安装在真空室外的带有刻度盘的磁流体控制器、真空室内的螺杆传动机构及与之连接的齿轮旋转机构，样品台与齿轮旋转机构连接，从球形电子收集器下方开孔处进入其内部，磁流体控制器驱动样品台上下移动及旋转特定角度；所述样品台升降旋转装置可以控制样品台高度及旋转角度，样品台一面上可以放置待测样品，保证样品和样品台电接触良好；另一面上固定一次电子收集器，由样品台升降旋转装置控制其高度和旋转角度，可以测试一次电子流大小；

样品表面电位中和系统，包括表面电位检测装置、消除表面带正电位装置和消除表面带负电位装置，其中消除表面带正电位装置采用电子束产生系统中的电子枪，消除表面带负电位装置采用正离子中和枪，其安装在真空室内。

所述电子收集器固定装置用来固定球形电子收集器，保证电接触良好，三种球形结构彼此电隔离。

所述球形收集极被若干个条带状陶瓷环隔离，形成多个环形收集极，各环形收集极之间相互绝缘；所述收集极材料为无氧高导铜或者不锈钢材料；所述球形收集极上沿中心轴线对称位置有两个观察窗，观察窗外有旋转挡板。

所述球形抑制极由开孔率为70％～98％的不锈钢网制作而成，具有较高的电子透过率。

所述球形接地极由开孔率为70％～98％的不锈钢网制作而成，具有较高的电子透过率。

所述一次电子收集器是采用倒锥形结构的法拉第杯，采用不锈钢材料或无氧高导铜材料制作，开口尺寸为10mm～25mm，固定在样品台下方，与样品台电接触良好。

所述电子收集器固定装置中间开孔，样品台可以上下移动通过；所述电子收集器固定装置上有三个圆环槽，可以分别固定球形收集极、球形抑制极和球形接地极；所述电子收集器固定装置主体材料为陶瓷，三个圆环槽内镀有金属材料，彼此电隔离；所述圆环槽底部均开有小孔，可以用导线连接球形收集极、球形抑制极和球形接地极。

所述样品台升降旋转装置可以将样品台送入球形结构内部，样品台高度可调；所述样品台中心位置、球形结构轴线和入射电子束方向三者重合；所述样品台升降旋转装置通过旋转齿轮结构调节样品台旋转角度；所述样品台采用无氧高导铜材料或不锈钢材料，保证其同样品台上方的样品及样品台下方的一次电子收集器电接触良好；所述样品台底部有金属引线引出至外部，可以测试样品台电流或电压信号。

本发明的具体工作原理是：

由于球形收集器结构为理想对称的中空导体，入射电子束可以垂直入射到样品台中心。旋转样品台，使得一次电子收集器正对入射电子束方向，通过样品台上的金属引线可以引出至外部小电流计，测试出一次电子流大小。旋转样品台，使得样品台上的样品正对入射电子束方向，一次电子轰击样品后产生的二次电子被球形收集极、球形抑制极和球形接地极收集，通过测试球形收集极、球形抑制极和球形接地极上的二次电子流大小，可以计算出材料的二次电子发射系数与入射电子功率密度、入射能量和入射角度的关系；通过测试构成球形收集极的各个环形收集极上的二次电子流强度，可以计算出材料的二次电子空间角分布；通过在球形抑制极上施加不同的偏压，并测试球形收集极上的二次电子流大小，可以计算出材料的二次电子能谱。

本发明申请的另一目的是提出一种测试二次电子发射性能参数的方法。为实现该目的，本申请公开了一种采用上述二次电子测量装置实现二次电子性能参数测量的方法，该方法步骤包括：

(1)将荧光屏放在样品台上；

(2)开启真空设备对真空室抽真空至工作环境，调节样品台位置至合适高度；

(3)开启电子枪，预热；

(4)输出电子束，打开观察窗挡板，观测荧光屏上光斑位置和大小，调整电子枪参数或样品台升降高度，通过样品台上的圆环刻度记录电子束斑尺寸，确定不同电子束功率密度对应的电子枪控制器参数和样品台位置参数；

(5)将荧光屏从真空室取出，将待测样品放置于样品台上，抽真空至工作环境，根据第(4)步获得的参数，调节样品台位置及电子枪输出参数；当达到设定电子束功率密度时，停止调整进行步骤(6)；

(6)固定样品位置不动，通过分别测试各个环形收极集上的二次电子流，可以获得二次电子的空间角分布；

(7)通过改变球形抑制极上的电压，测试球形收集极上的二次电子流，可以测试样品的二次电子能谱；

(8)通过分别测试球形收极集、球形抑制极和球形接地极上的二次电子流及一次电子收集器上的一次电子流，可以测试不同入射电子能量和功率密度下的二次电子发射系数；利用样品台升降旋转装置，调节样品旋转角度，可以测试不同入射角度下的二次电子发射系数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.测试功能全面：常规测试技术只能测试材料的二次电子发射系数随入射电子能量的变化，不能测试二次电子发射系数随入射电子流功率密度的变化；本申请通过球形收集极上的两个观察窗，利用荧光屏可以首先确定入射电子束面积S的大小，利用样品台升降装置并调整电子枪参数，可改变S的大小，从而改变一次电子流功率密度，可测试不同入射电子功率密度下材料的二次电子发射系数；利用样品台升降旋转装置，调节样品旋转角度，测试入射角度为0°～85°范围内固体材料的二次电子发射系数；通过调节球形抑制极电位，可以过滤掉特定能量的二次电子，测试出材料的二次电子能谱；通过测试各个收集极上的电流或电压信号，经过简单计算可以获得材料的二次电子空间角分布。

2.测试过程简单：圆柱形收集器测试二次电子角分布时，测试每一个角度都需要改变样品台位置，这将改变入射电子束斑面积S，影响测试结果。本发明中：样品由样品台升降旋转装置送入球形收集器内部，样品高度可精确控制，测试二次电子空间角分布时，样品台位置始终不动，通过测试各层收集极上的电流，经过简单计算即可获得二次电子的空间角分布。

3.测试结果准确：测试二次电子能谱时，两层球形栅网之间的电场方向平行于二次电子的运行轨迹，使得二次电子能谱测试结果更准确；采用球形收集器结构可以全面收集材料发射的二次电子；一次电子收集器可以测试一次电子流的大小，通过将样品电流、球形收集极电流、球形抑制极电流和球形接地极电流求和也可测试出一次电子流的大小，两种方法进行比较可以验证一次电子流测试结果的准确性，进而保证测量二次电子发射性能参数的准确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的二次电子发射性能测试装置的总体结构示意图；

图2是图1中所示球形收集器结构的主视图和半剖视图；

图3是本发明的方法中步骤19中球形收集极与待测样品的位置关系的示意图。

附图标记

1-球形电子收集器，2-电子收集器固定装置，3-样品台升降旋转装置，4-观察窗，5-旋转挡板，6-球形抑制极，7-球形接地极，8-待测样品，9-样品台，10-旋转齿轮，11-一次电子收集器，12-球形抑制极小电流计，13-球形接地极小电流计，14-样品台小电流计，15-第一收集极小电流计，16-第二收集极小电流计，17-第三收集极小电流计，18-第四收集极小电流计，19-第五收集极小电流计，20-第六收集极小电流计，21-第七收集极小电流计，22-第八收集极小电流计，23-球形收集器电流计，24-第一收集极，25-第二收集极，26-第三收集极，27-第四收集极，28-第五收集极，29-第六收集极，30-第七收集极，31-第八收集极，32-第一磁流体控制器，33-第二磁流体控制器，34-陶瓷绝缘环，35-电子枪，36-电子枪控制器，37-真空室，38-中和枪控制电源，39-正离子中和枪，40-电位检测装置控制电源，41-样品表面电位检测装置，42-真空设备。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本申请作进一步详细说明，但不仅限于此。

参考附图1和附图2，本实施例中提供了一种固体材料二次电子发射性能参数的测试装置，包括：真空系统、电子束产生系统、球形电子收集器、微弱信号测量系统、样品台升降旋转装置和样品表面电位中和系统。

所述的真空系统包括真空室37和用于为真空室37提供真空环境的真空设备42；真空室37和真空设备42之间通过阀门连接；真空设备42可以包括由干泵、分子泵和离子泵作为真空获得设备，由电离规和电阻规作为真空测量设备，由真空针阀加高纯氮气管路作为充气设备。

所述的电子束产生系统包括电子枪35和电子枪控制器36，电子枪35通过法兰接口安装在真空室37中，通过调节电子枪控制器36，电子枪35可以输出能量为0-10KeV的连续或脉冲电子束，并且可以单独调节束斑的大小和位置。

所述的球形电子收集器位于真空室37内部，包括球形电子收集器1和电子收集器固定装置2；球形电子收集器1包括三层球形结构：球形收集极、球形抑制极6和球形接地极7；所述球形收集极制作材料为无氧高导铜；所述球形抑制极6和球形接地极7制作材料是开孔率为70％～98％的不锈钢网；本实施例中所述球形收集极被陶瓷绝缘环34分成八个部分：第一收集极24、第二收集极25、第三收集极26、第四收集极27、第五收集极28、第六收集极29、第七收集极30和第八收集极31；所述第三收集极26上沿中心轴线对称位置有两个观察窗4，其直径为20mm～80mm；所述观察窗4外面有旋转挡板5，打开挡板5可以观察电子束斑，关闭挡板5可以进行测试，保证测试时二次电子被充分收集。球形电子收集器1上方开孔为一次电子束入射孔，下方开孔为样品台进出孔；球形电子收集器1下方开孔处脖子长度为30mm～50mm；球形电子收集器1安装在电子收集器固定装置2上；电子收集器固定装置2中心开孔供样品台上下移动，中心孔外制作三个圆环槽用于分别固定球形收集极、球形抑制极6和球形接地极7；所述球形抑制极6固定在电子收集器固定装置2上中间的圆环槽内；圆环槽内镀有金属材料，保证和球形抑制极6电接触良好；在圆环槽下方开有小孔用于连接小电流计12；所述球形接地极7固定在电子收集器固定装置2上最里面的圆环槽内，圆环槽内镀有金属材料，保证和球形接地极7电接触良好；在圆环槽下方开有小孔用于连接球形接地极小电流计13。在其它实施例中，球形收集极可以不分层，此时无法测试二次电子的空间角分布，但是可以降低制造成本；另外，球形收集极也可以分成更多层，这样测试二次电子的空间角分布时，测试精度更高，但是，增加了成本；因此，可根据测试需求具体选择球形收集极的结构。

所述的微弱信号测量系统可以测试球形收集极、球形抑制极6、球形接地极7和样品台9的电子流大小；第一收集极小电流计15与第一收集极24相连接，可以测试第一收集极上的二次电子流；第二收集极小电流计16与第二收集极25相连接，可以测试第二收集极上的二次电子流；第三收集极小电流计17与第三收集极26相连接，可以测试第三收集极上的二次电子流；第四收集极小电流计18与第四收集极27相连接，可以测试第四收集极上的二次电子流；第五收集极小电流计19与第五收集极28相连接，可以测试第五收集极上的二次电子流；第六收集极小电流计20与第六收集极29相连接，可以测试第六收集极上的二次电子流；第七收集极小电流计21与第七收集极30相连接，可以测试第七收集极上的二次电子流；第八收集极小电流计22与第八收集极31相连接，可以测试第八收集极上的二次电子流；球形收集器电流计23可以测试整个球形收集极的二次电子流；球形抑制极小电流计12和球形抑制极6相连，可以测量球形抑制极的电子流大小并改变球形抑制极上的直流偏压；球形接地极小电流计13和球形接地极7相连，可以给球形接地极加偏压并测试接地极上的电子流大小；样品台小电流计14和样品台9相连，可以分别测试样品和一次电子收集器的电子流大小；本实施例中，小电流计可以采用静电计，既可以测试小电流，测试量程为fA至mA，又可以输出直流偏压，范围为0-1000V；在其他实施例中，小电流计可以采用其它测试电流或电压的方式实现，如采用电流-电压放大器、示波器法或采用脉冲幅度多道分析器测试方法等。

所述的样品台升降旋转装置3包括位于真空室内的待测样品8、样品台9、旋转齿轮10和一次电子收集器11及位于真空室外控制样品台高度的第一磁流体控制器32和控制样品台旋转角度的第二磁流体控制器33；所述样品台9为圆形结构，样品台表面标有刻度环；第一磁流体控制器32通过传动机构和样品台相连，可以移动样品台使其进入球形收集器内部；第二磁流体控制器33上带有刻度盘，通过传动机构控制旋转齿轮10，可以改变样品台的旋转角度，旋转角度由刻度盘上直接读出。本实施例中采用的样品台升降旋转控制装置，具有程控功能，在测试二次电子发射性能参数时，具有操作简单、控制精度高等优点。

所述的样品表面电位中和系统可以保证待测样品8表面电位维持在设定的阈值范围内，使得测试结果更加准确，通常用于测试电阻率较大的半导体和绝缘体材料；该系统包括样品表面电位检测装置41、电位检测装置控制电源40、正离子中和枪39和中和枪控制电源38；测试电阻率较大的样品时，通过样品台升降旋转装置3控制样品台高度，使其位于球形收集器正下方合适位置处，由电位检测装置41测试样品表面电位，若样品表面带正电，用电子枪35输出低能电子对其进行中和；若样品带负电，用正离子中和枪39输出低能离子束对其进行中和；当样品表面电位在设定的阈值范围内时，可认为完全中和，可以进行后面的测试。本实施例中给出了一种优选的中和方法，分别采用电子枪和正离子枪中和样品表面的正电位和负电位，具有操作简单、中和效率高等优点；在其他实施例中，也可以采用其它方式对样品表面电位进行中和，如利用给样品施加偏压的方式来中和样品表面电位。

基于上述固体材料二次电子发射性能参数的测量装置，本实施例提供了一种二次电子性能参数的测量方法，包括下面步骤：

(1)在样品台9上放置荧光材料，调节电子枪控制器36使电子枪35输出能量为E的入射电子束，打开第三收集极26上的旋转挡板5，通过观察窗4观察电子束斑点的位置是否在样品台刻度环的中心。

(2)若电子束斑点未在样品台9中心，可以调节电子束的入射方向，使其位于样品台9的中心，通过样品台表面的刻度环测试出电子束斑尺寸S的大小。

(3)通过第一磁流体控制器32调节样品台高度，观察电子束斑尺寸S的变化，记录下不同位置处电子束斑尺寸的大小及对应的功率密度E/S。

(4)将荧光材料取出，把待测样品8放在样品台9上，抽真空至工作压强。

(5)一定入射电子束能量下，改变样品台9的高度，关闭第三收集极26上的旋转挡板5，由球形收集极电流计23、球形抑制极小电流计12和球形接地极小电流计13分别测试球形收集极、球形抑制极和球形接地极上的电流，其电流之和作为不同入射电子功率密度下的材料的二次电子流I_s。

(6)通过第二磁流体控制器33旋转样品台，使一次电子收集器正对入射电子束，可测试出一次电子流大小I_p，根据I_s与I_p的比值测试出不同入射电子功率密度下材料的二次电子发射系数δ～(E/S)。

(7)重复步骤(1)-(4)，调整样品台9位置使其位于球形收集极球心，利用球形抑制极小电流计12改变球形抑制极6上的直流偏压△U，能量d(E)低于e△U的二次电子被球形抑制极过滤掉，能量d(E)高于e△U的二次电子可以穿过球形抑制极到达球形收集极。

(8)利用球形收集极电流计23测量不同偏压△U下球形收集极上的二次电子流I_s，得到I_s～e△U的积分谱。

(9)根据不同偏压下的二次电子流I_s的大小，计算微分谱得到一定入射电子能量下的二次电子能谱曲线I_s～d(E)。

(10)重复步骤(1)-(4)，调节第二磁流体控制器33，使样品台9处于水平位置(β＝0°)。

(11)打开电子枪35，输出能量为E的电子束，轰击到待测样品8上。

(12)利用球形收集极电流计23、球形抑制极小电流计12和球形接地极小电流计13分别测试球形收集极、球形抑制极和球形接地极上的电流，其电流之和作为材料的二次电子流I_s I_s(β＝0°)。

(13)调节第二磁流体控制器33，旋转样品台，改变入射电子束角度为△β∈(0°,85°)。

(14)利用球形收集极电流计23、球形抑制极小电流计12和球形接地极小电流计13分别测试球形收集极、球形抑制极和球形接地极上的电流，其电流之和作为二次电子流I_s(△β)；重复步骤(13)。

(15)利用一次电子收集器11测试一次电子流大小I_p。

(16)根据I_s(△β)与I_p的比值，可以测试材料的二次电子发射系数和入射电子角度的关系δ～△β。

(17)调节第一磁流体控制器32，将装有待测样品8的样品台9移动到球形收集极底部，样品表面距离球心位置为L，打开电子枪35，输出能量为E的电子束轰击待测样品8。

(18)利用连接第m层收集极(即第m个环形收集极)上的小电流计测试第m层收集极上的二次电子流大小I_2,m。

(19)在球面坐标系中，由于二次电子发射系数在φ方向具有各向同性，仅在θ方向存在差异，所以可设二次电子发射系数的角分布公式为f(θ)，可知第一层收集极上收集到的二次电流强度为：

其中为方便数学计算，可构造函数F(θ)，使其导数为：F'(θ)＝f(θ)sinθ，θ_k为第k层收集极的下边缘任意位置到二次电子发射点位置的连线同样品表面法向的夹角。存在公式：

其中，k＝0,1,2,…,m，R为球形收集极的曲率半径，L为样品表面距离球心位置的距离(当样品台位于球心下方时，该值取正，反之取负)，m为收集极层数(此处m＝8)，θ_p为第一收集极上边缘任意位置和球心连线与球心轴线的夹角，dθ为各层收集极对应的圆心角。

(20)可知，第m层收集极上所测量到的电流为：I_2,m＝2πI₁[F(θ_m)-F(θ_m-1)]。同理，为方便数学计算，构造函数F(θ_m)，使其导数为：F’(θ_m)＝f(θ_m)sinθ_m，θ_m为第m层收集极的下边缘任意位置到二次电子发射点位置的连线同样品表面法向的夹角。

(21)设函数：G(θ)＝F(θ)-F(θ₀)，可知：

(22)根据(18)中测量到的I_2,m值，共m组数据，经过拟合后，可得到函数G(θ)。

(23)对函数G(θ)进行求导，即根据G'(θ)＝[F(θ)-F(θ₀)]'＝F'(θ)＝f(θ)sinθ，可得到二次电子的空间角分布函数：

在本实施例中，测试二次电子空间角分布时，样品位置始终不动，确保了入射电子束功率密度一致，测量结果准确且操作简单。

(24)关闭电子枪控制器36，关闭真空设备42，向真空室37内充入干燥氮气后，打开设备取出待测样品8，关闭设备。

上述测试过程中，计算二次电子发射系数δ时，需要求出一次电子流I_p的大小，除了利用一次电子收集器直接测试外，还可以利用球形收集极电流计23测试球形收集极上的二次电子流I_s，用样品台小电流计14测试样品电流I_sample，用球形抑制极小电流计12测试球形抑制极电流I_sup，用球形接地极小电流计13测试球形接地极电流I_gnd，由I_s+I_sample+I_sup+I_gnd得出一次电子流大小，通过与I_p进行比较，可以验证两种方法测试一次电子流的准确性，进而保证测试二次电子发射性能参数的准确性。

需要说明的是，本实施例中提供的固体材料二次电子发射性能参数的测量方法中，包括测量不同入射电子功率密度下的二次电子发射系数、二次电子空间角分布与入射电子能量和功率密度的关系、二次电子能谱与入射电子能量的关系、二次电子发射系数与入射电子角度的关系；在具体应用中，测量这四种参数的顺序可以随意改变，或者只测量其中的部分参数。

本申请提出了一种新的技术方案可以准确测试不同入射电子功率密度下材料的二次电子发射系数、二次电子能谱和二次电子空间角分布等参数，为深入研究材料的二次电子发射性能奠定了基础。本申请提供了一种测试装置可测量材料的二次电子发射性能参数，该装置采用球形收集器结构，保证了测量结果的准确性。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (9)

1.一种二次电子发射性能参数测试装置，其特征在于，包括

电子束产生系统，通过法兰接口与真空室连接，包括真空室内的电子枪及真空室外的电子枪控制器；

球形电子收集器，包括三种彼此绝缘的球形结构，由外向内依次是：球形收集极、球形抑制极和球形接地极；球形电子收集器固定在真空室内的电子收集器固定装置上，其上方开孔作为入射电子孔，电子枪口由该入射电子孔进入球形电子收集器内部，球形电子收集器的下方开孔作为样品台进出孔；

微弱信号测量系统，包括分别与球形收集极、球形抑制极、球形接地极和样品台连接的电流计或电流-电压放大器，用于采集球形收集极、球形抑制极、球形接地极和样品台的电流；

样品台升降旋转装置，包括安装在真空室外的磁流体控制器、真空室内的螺杆传动机构及与之连接的齿轮旋转机构，样品台与齿轮旋转机构连接，样品台从球形电子收集器下方开孔处进入其内部；磁流体控制器通过螺杆传动机构及与之连接的齿轮旋转机构驱动样品台上下移动及旋转；样品台一面用于放置待测样品，另一面上固定一次电子收集器；

样品表面电位中和系统，包括表面电位检测装置、消除表面带正电位装置和消除表面带负电位装置。

2.如权利要求1所述的二次电子发射性能参数测试装置，其特征在于，所述球形抑制极由开孔率为70％～98％的不锈钢网制作而成；所述球形接地极由开孔率为70％～98％的不锈钢网制作而成。

3.如权利要求1所述的二次电子发射性能参数测试装置，其特征在于，所述电子收集器固定装置中间开孔，用于样品台上下移动通过；所述电子收集器固定装置上有三个圆环槽，用于分别固定球形收集极、球形抑制极和球形接地极；所述圆环槽底部均开有小孔，用于与球形收集极、球形抑制极和球形接地极连接的导线穿过。

4.如权利要求1所述的二次电子发射性能参数测试装置，其特征在于，所述一次电子收集器是采用倒锥形结构的法拉第杯。

5.如权利要求1所述的二次电子发射性能参数测试装置，其特征在于，所述球形收集极被若干个条带状陶瓷环隔离，形成多个环形收集极，各环形收集极之间相互绝缘；所述微弱信号测量系统分别通过一电流计或电流-电压放大器与每一环形收集极连接，用于采集每一环形收集极的电流。

6.一种基于权利要求1所述二次电子发射性能参数测试装置的二次电子空间角分布测试方法，其步骤包括：

1)在样品台上放置荧光材料，调节电子枪控制器使电子枪输出能量为E的入射电子束；

2)若入射电子束斑点未在样品台中心，则调节电子束的入射方向，使其位于样品台的中心并测试出电子束斑尺寸S；

3)调节样品台高度，观察电子束斑尺寸S的变化，记录下不同位置处电子束斑尺寸的大小及对应的功率密度E/S；

4)将荧光材料取出，把待测样品放在样品台上，抽真空至工作压强；

5)打开电子枪，输出能量为E的电子束，轰击到待测样品上；

6)利用球形收集极、球形抑制极和球形接地极分别测试球形收集极、球形抑制极和球形接地极上的电流，其电流之和为二次电子流I_s；其中所述球形收集极被若干个条带状陶瓷环隔离，形成多个环形收集极，各环形收集极之间相互绝缘；

7)旋转样品台，改变入射电子束角度为△β并利用球形收集极、球形抑制极和球形接地极测试出二次电子流I_s(△β)；

8)利用一次电子收集器测试入射电子束的一次电子流I_p；

9)根据I_s(△β)与I_p的比值，测试材料的二次电子发射系数和入射电子角度的关系δ～△β；

10)将装有待测样品的样品台移动到球形收集极底部，样品表面距离球心位置为L，打开电子枪，输出能量为E的电子束轰击待测样品；

11)利用连接各环形收集极上的电流计测试对应环形收集极上的二次电子流；

12)设二次电子发射系数的角分布为f(θ)、函数G(θ)＝F(θ)-F(θ₀)，F(θ)的导数为：F'(θ)＝f(θ)sinθ；

13)根据测量到m个环形收集极的电流数据拟合得到函数G(θ)；

14)对函数G(θ)进行求导，即根据G'(θ)＝[F(θ)-F(θ₀)]'＝F'(θ)＝f(θ)sinθ，得到二次电子的空间角分布

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，θ_k为第k层收集极的下边缘任意位置到二次电子发射点位置的连线同样品表面法向的夹角：

其中，k＝0,1,2,…,m，R为球形收集极的曲率半径，L为样品表面距离球心位置的距离，当样品台位于球心下方时，L值取正，反之取负；m为环形收集极总数，θ_p为第一收集极上边缘任意位置和球心连线与球心轴线的夹角，dθ为各环形收集极对应的圆心角。

8.一种基于权利要求1所述二次电子发射性能参数测试装置的二次电子能谱曲线测试方法，其步骤包括：

1)在样品台上放置荧光材料，调节电子枪控制器使电子枪输出能量为E的入射电子束；

2)若入射电子束斑点未在样品台中心，则调节电子束的入射方向，使其位于样品台的中心并测试出电子束斑尺寸S；

3)调节样品台高度，观察电子束斑尺寸S的变化，记录下不同位置处电子束斑尺寸的大小及对应的功率密度E/S；

4)将荧光材料取出，把待测样品放在样品台上，抽真空至工作压强；

5)调整样品台位置使其位于球形收集极球心，改变球形抑制极上的直流偏压△U，使得能量d(E)低于e△U的二次电子被球形抑制极过滤掉，能量d(E)高于e△U的二次电子可以穿过球形抑制极到达球形收集极；

6)利用球形收集极测量不同偏压△U下球形收集极上的二次电子流I_s，得到I_s～e△U的积分谱；

7)根据不同偏压下的二次电子流I_s，计算微分谱得到一定入射电子能量下的二次电子能谱曲线I_s～d(E)。

9.一种基于权利要求1所述二次电子发射性能参数测试装置的二次电子发射系数测试方法，其步骤包括：

1)在样品台上放置荧光材料，调节电子枪控制器使电子枪输出能量为E的入射电子束；

2)若入射电子束斑点未在样品台中心，则调节电子束的入射方向，使其位于样品台的中心并测试出电子束斑尺寸S；

3)调节样品台高度，观察电子束斑尺寸S的变化，记录下不同位置处电子束斑尺寸的大小及对应的功率密度E/S；

4)将荧光材料取出，把待测样品放在样品台上，抽真空至工作压强；

5)一定入射电子束能量下，改变样品台的高度，利用球形收集极、球形抑制极和球形接地极分别测试球形收集极、球形抑制极和球形接地极上的电流，其电流之和为二次电子流I_s，I_s作为不同入射电子功率密度下的材料的二次电子流；

6)旋转样品台，使一次电子收集器正对入射电子束，测试出一次电子流大小I_p，根据I_s与I_p的比值测试出不同入射电子功率密度下材料的二次电子发射系数δ～(E/S)。

Images