CN111307850B - 一种介质二次电子发射产额的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种介质二次电子发射产额的测量方法，包括：将金属导电栅网覆盖在待测介质的表面；将入射电子照射到金属导电栅网范围内，测量得到入射电流和样品电流；根据入射电流和样品电流，解算得到测量得到的总体二次电子产额；获取金属导电栅网在待测介质的表面上的覆盖比例、金属导电栅网对下层待测介质表面出射电子的遮挡系数，以及金属导电栅网自身的二次电子产额；解算得到待测介质表面出射的二次电子产额；解算得到待测介质的本征二次电子产额。本发明无需高精度的中和手段，可通用于普通金属二次电子产额测试设备，测量结果准确且不受样品厚度限制，能较好适应于低能端。
Description
技术领域
本发明属于二次电子发射技术领域，尤其涉及一种介质二次电子发射产额的测量方法。
背景技术
二次电子发射又称次级电子倍增，是指具有一定能量的电子或其它粒子，照射固体材料表面时，从这些物体表面会发射电子的现象。当部件处于10-3Pa或更低压强时，在承受大功率的情况下，很容易由于二次电子发射而发生谐振放电现象，称为微放电效应。对于二次电子产生的机理可以简要的概括如下：电子以一定能量入射到材料表面时，与材料内的原子或分子发生多次散射，一部分电子与表面原子发生弹性散射而被直接反弹回去，形成弹性背散射电子。进入材料内部的原电子可能与材料原子发生非弹性散射而激发内二次电子，内二次电子主要由入射电子将样品原子导带、价带或者少量内壳电子电离逸出样品形成的，一部分内二次电子会向表面移动并克服功函数而出射，形成本征二次电子，部分原电子在内部因多次散射改变运动轨迹并损失能量，直至从表面逸出形成非弹性背散射电子，或者消耗全部的能量后停留在样品内部。通常把弹性和非弹性背散射电子统称为背散射电子。
辐照到介质材料中的电子除了以二次电子的形式从样品表面逃逸，还会以沉积电荷的形式积累在样品内部或浅表层，从而使航天器件产生带电现象。电子入射电介质后产生带电效应的过程主要分为两步：首先，电子与原子发生散射和电离作用，生成大量的电子和空穴对，形成局部有等离子体特征的电荷密集区域；然后，局部等离子体会导致电子和空穴经输运和捕获作用在材料表层和深层形成一定的空间电荷分布，同时又通过产生的表面电场改变二次电子发射系数而影响材料的空间电荷特性。电子束照射电介质样品的带电是由入射样品的电子束电流和离开样品的二次电子电流与泄漏电流之间的不平衡所致。其带电过程同时受到样品条件和入射电子束条件的影响。当电子束能量大于使二次电子发射系数等于1的第二临界能量的时候，电子束电流会大于从样品表面出射的二次电子电流，此时样品带负电，否则带正电。对于介质材料负带电状态，材料的表面带电主要通过改变入射电子的着地能量的方式而影响最终二次电子的发射产额；而对于介质材料的表面正带电状态，表面带电对二次电子的出射影响更为强烈，由于出射的二次电子(尤其是真二次电子)能量较低，很容易收到表面正带电所引起的局部电场作用，导致出射的电子再次被表面电场拉回，从而显著的影响二次电子的出射产额。对于实际测量过程中，对于介质材料的正带电所对应的入射电子能谱区域往往处于我们非常关系的能谱段，并且正带电过程很容易便会达到饱和，较负带电情况更迅速的降低二次电子产额为1。因此，在测量介质材料的二次电子产额时对材料表面带电的规避时实验测量的重要前提。
目前，主流的介质二次电子测量方法中，对介质表面的带电规避主要方法包括：短脉冲法、低能电子枪中和法和偏置电压中和法等。其中，短脉冲法由于通过极短的脉冲来实现较弱的带电，同时也带来了入射电子能谱的展宽，导致难以获得精准单一能量电子产额。低能电子枪中和法由于采用了低能的短脉冲电子枪中和，由于中和位置和中和电荷量的精准要求对设备的精度和人工操作的经验度有很严苛的要求。偏置电压中和法则是采用改变偏置电压，默认弱正带电来中和负带电状态，相对精度较差，对低能段产额测试具有较强的局限性。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种介质二次电子发射产额的测量方法，无需高精度的中和手段，可通用于普通金属二次电子产额测试设备，测量结果准确且不受样品厚度限制，能较好适应于低能端。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种介质二次电子发射产额的测量方法，包括：
将金属导电栅网覆盖在待测介质的表面；
将入射电子照射到金属导电栅网范围内，测量得到入射电流和样品电流；
根据入射电流和样品电流，解算得到测量得到的总体二次电子产额；
获取金属导电栅网在待测介质的表面上的覆盖比例、金属导电栅网对下层待测介质表面出射电子的遮挡系数，以及金属导电栅网自身的二次电子产额；
根据测量得到的总体二次电子产额、覆盖比例和金属导电栅网自身的二次电子产额，解算得到待测介质表面出射的二次电子产额；
根据解算得到的待测介质表面出射的二次电子产额和遮挡系数，解算得到待测介质的本征二次电子产额。
在上述介质二次电子发射产额的测量方法中，将入射电子照射到金属导电栅网范围内，测量得到入射电流和样品电流，包括：
采用导电胶带将金属导电栅网与二次电子测试平台样品台导通；
将入射电子照射到金属导电栅网范围内，同时在二次电子测试平台样品台上施加一个+500V的偏置电压，获得入射电流IPE；
撤销施加在二次电子测试平台样品台上的+500V的偏置电压，获取样品电流IS。
在上述介质二次电子发射产额的测量方法中，通过如下公式解算得到测量得到的总体二次电子产额δmeasurement：
在上述介质二次电子发射产额的测量方法中，通过如下公式解算得到待测介质表面出射的二次电子产额δsub-out：
其中，δnet表示金属导电栅网自身的二次电子产额，P表示金属导电栅网在待测介质的表面上的覆盖比例。
在上述介质二次电子发射产额的测量方法中，通过如下公式解算得到待测介质的本征二次电子产额SEYture：
其中，γ表示金属导电栅网对下层待测介质表面出射电子的遮挡系数。
在上述介质二次电子发射产额的测量方法中，还包括：对每一个电子轨迹进行跟踪，采用蒙特卡罗拟方法，记录待测介质表面出射电子的运动轨迹，通过统计的方法获得金属导电栅网的遮挡系数。
在上述介质二次电子发射产额的测量方法中，金属导电栅网为：采用金属良导体材料加工得到的网格结构。
在上述介质二次电子发射产额的测量方法中，金属导电栅网的宽度为b、厚度为h、网格宽度为a，待测介质的厚度为Hs；
a≤0.5Hs，且a≤200um；
b≤0.2a；
h≤b。
在上述介质二次电子发射产额的测量方法中，
金属导电栅网的材料为铜Cu；
待测介质的材料为聚四氟乙烯PTFE；
b＝20um，a＝100um，h＝20um，Hs＝200um。
在上述介质二次电子发射产额的测量方法中，金属导电栅网在待测介质表面的覆盖范围大于测量电子束斑范围的400％。
本发明具有以下优点：
本发明公开了一种介质二次电子发射产额的测量方法，无需高精度的中和手段，可通用于普通金属二次电子产额测试设备，测量结果准确且不受样品厚度限制，能较好适应于低能端，具有较好的科研及市场应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例中一种介质二次电子发射产额的测量方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中一种介质二次电子发射产额的测量方法的结构及原理示意图；
图3是本发明实施例中一种仿真结果对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
如图1，在本实施例中，该介质二次电子发射产额的测量方法，包括：
步骤101，将金属导电栅网覆盖在待测介质的表面。
在本实施例中，如图2，金属导电栅网为：采用金属良导体材料加工得到的网格结构，覆盖在待测介质的表面，使得待测介质表面的绝大部分电荷通过金属导电栅网导走。
记：金属导电栅网的宽度为b、厚度为h、网格宽度为a，待测介质的厚度为Hs；则有：a≤0.5Hs，且a≤200um；b≤0.2a；h≤b。例如，金属导电栅网的材料为铜Cu；待测介质的材料为聚四氟乙烯PTFE；b＝20um，a＝100um，h＝20um，Hs＝200um。
优选的，金属导电栅网在待测介质表面的覆盖范围大于测量电子束斑范围的400％。
步骤102，将入射电子照射到金属导电栅网范围内，测量得到入射电流和样品电流。
在本实施例中，金属导电栅网被置于待测介质上方，当电子照射待测介质时，一部分入射电子会照射在金属导电栅网上直接出射出去，而另一部分电子则通过金属导电栅网的网格间隙打到下层的待测介质上并发射出去，最终测得的二次电子包括这两部分总和。由于入射电子束斑远大于金属导电栅网尺寸，因此可以认为入射电子均匀分布在金属导电栅网和下层待测介质所透射的区域上。
优选的，可以采用导电胶带将金属导电栅网与二次电子测试平台样品台导通；将入射电子照射到金属导电栅网范围内，同时在二次电子测试平台样品台上施加一个+500V的偏置电压，将所有出射电子拉回来，进而获得入射电流IPE。然后，撤销施加在二次电子测试平台样品台上的+500V的偏置电压，获取样品电流IS。
通过仿真金属导电栅网前后待测介质表面的带电状态可以得到，在相同的电子照射剂量下，采用金属导电栅网可以将待测介质表面电位从5V降低到平均0.5V左右，降低为原来的10％。由于二次电子能谱最可几峰通常在3-4个eV,表面5V会导致大量出射电子被拉回，而0.5V的表面电位可以保证绝大部分电子出射。从而说明金属导电栅网对带电抑制的有效性。
步骤103，根据入射电流和样品电流，解算得到测量得到的总体二次电子产额。
在本实施例中，测量得到的总体二次电子产额δmeasurement的具体解算公式可以如下：
步骤104，获取金属导电栅网在待测介质的表面上的覆盖比例、金属导电栅网对下层待测介质表面出射电子的遮挡系数，以及金属导电栅网自身的二次电子产额。
在本实施例中，可以对每一个电子轨迹进行跟踪，采用蒙特卡罗拟方法，记录待测介质表面出射电子的运动轨迹，通过统计的方法获得金属导电栅网的遮挡系数。
步骤105，根据测量得到的总体二次电子产额、覆盖比例和金属导电栅网自身的二次电子产额，解算得到待测介质表面出射的二次电子产额。
在本实施例中，待测介质表面出射的二次电子产额δsub-out的具体解算公式可以如下：
其中，δnet表示金属导电栅网自身的二次电子产额，P表示金属导电栅网在待测介质的表面上的覆盖比例。
步骤106，根据解算得到的待测介质表面出射的二次电子产额和遮挡系数，解算得到待测介质的本征二次电子产额。
在本实施例中，由于金属导电栅网存在一定厚度，从下层待测介质表面出射的二次电子有一定概率被金属导电栅网侧壁遮挡无法出射，因此，获得侧壁的遮挡系数便可反推出下层待测介质的真实二次电子发射产额。待测介质的本征二次电子产额SEYture的具体解算公式可以如下：
其中，γ表示金属导电栅网对下层待测介质表面出射电子的遮挡系数。
在本实施例中，如图3所示，图3中的左图为总测量的二次电子产额曲线与金属导电栅网的二次电子产额曲线图，通过关系式便可获得下层待测介质的二次电子产额曲线。图3中的右图为本发明获得的待测介质的二次电子产额曲线与低能电子枪中和法测量结果的对比，在能量50-1200eV的关键能量段，其两者的平均相对偏差为6.76％，证明了本发明所述方法的可信性。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种介质二次电子发射产额的测量方法，其特征在于，包括：
将金属导电栅网覆盖在待测介质的表面；
将入射电子照射到金属导电栅网范围内，测量得到入射电流和样品电流；
根据入射电流和样品电流，解算得到测量得到的总体二次电子产额；
获取金属导电栅网在待测介质的表面上的覆盖比例、金属导电栅网对下层待测介质表面出射电子的遮挡系数，以及金属导电栅网自身的二次电子产额；
根据测量得到的总体二次电子产额、覆盖比例和金属导电栅网自身的二次电子产额，解算得到待测介质表面出射的二次电子产额；
根据解算得到的待测介质表面出射的二次电子产额和遮挡系数，解算得到待测介质的本征二次电子产额；
其中，
将入射电子照射到金属导电栅网范围内，测量得到入射电流和样品电流，包括：采用导电胶带将金属导电栅网与二次电子测试平台样品台导通；将入射电子照射到金属导电栅网范围内，同时在二次电子测试平台样品台上施加一个+500V的偏置电压，获得入射电流IPE；撤销施加在二次电子测试平台样品台上的+500V的偏置电压，获取样品电流IS；
通过如下公式解算得到测量得到的总体二次电子产额δmeasurement：
2.根据权利要求1所述的介质二次电子发射产额的测量方法，其特征在于，通过如下公式解算得到待测介质表面出射的二次电子产额δsub-out：
其中，δnet表示金属导电栅网自身的二次电子产额，P表示金属导电栅网在待测介质的表面上的覆盖比例。
3.根据权利要求2所述的介质二次电子发射产额的测量方法，其特征在于，通过如下公式解算得到待测介质的本征二次电子产额SEYture：
其中，γ表示金属导电栅网对下层待测介质表面出射电子的遮挡系数。
4.根据权利要求1所述的介质二次电子发射产额的测量方法，其特征在于，还包括：对每一个电子轨迹进行跟踪，采用蒙特卡罗拟方法，记录待测介质表面出射电子的运动轨迹，通过统计的方法获得金属导电栅网的遮挡系数。
5.根据权利要求1所述的介质二次电子发射产额的测量方法，其特征在于，金属导电栅网为：采用金属良导体材料加工得到的网格结构。
6.根据权利要求1所述的介质二次电子发射产额的测量方法，其特征在于，金属导电栅网的宽度为b、厚度为h、网格宽度为a，待测介质的厚度为Hs；
a≤0.5Hs，且a≤200um；
b≤0.2a；
h≤b。
7.根据权利要求6所述的介质二次电子发射产额的测量方法，其特征在于，
金属导电栅网的材料为铜Cu；
待测介质的材料为聚四氟乙烯PTFE；
b＝20um，a＝100um，h＝20um，Hs＝200um。
8.根据权利要求1所述的介质二次电子发射产额的测量方法，其特征在于，金属导电栅网在待测介质表面的覆盖范围大于测量电子束斑范围的400％。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "加速器真空室常用材料二次电子产额的测量";朱存宝等;《第十四届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集（下册）》;20080731;923-928 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111307850A (zh) | 2020-06-19 |
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