用于二次电子发射系数测量的半球型电子收集装置及测量方法

摘要

本发明公开了用于二次电子发射系数测量的半球型电子收集装置及测量方法，包括设置于真空室中的电子枪和收集装置，收集装置由外向内依次为半球型收集极、第一层金属筛网和第二层金属筛网，上下开口的电子束通道腔贯穿收集极、第一层金属筛网和第二层金属筛网，电子束通道腔的上开口对准电子枪，下开口对准能够水平移动及转动的样品台，样品台上设置有样品，法拉第筒连接在样品台的一端。电子束通道腔可屏蔽收集极和两层筛网之间的外在偏压电场对电子束运动轨迹的影响。第二层金属筛网起到屏蔽收集极正偏压和第一层金属筛网负偏压的作用，营造无电场区域，使得电子通过该区域到达样品过程中不受外在电场影响。

说明书

技术领域

本发明属于金属及绝缘材料二次电子发射系数测量技术领域，具体涉及用 于二次电子发射系数测量的半球型电子收集装置及测量方法。

背景技术

初始电子碰撞固体表面而从固体中发射出电子的现象称为二次电子发射。 将出射电子的数目与入射电子数目的比值称为二次电子发射系数δ，当δ>1时， 相对于入射电子有更多的电子从固体发射出来；当δ<1时，说明出射电子数目 小于入射电子。在等离子体物理、扫描电镜、沿面闪络击穿以及空间材料表面 带电等领域，二次电子发射系数是反映材料性能的重要参数。近年来，二次电 子发射系数的研究和测量已经成为国内外电气绝缘及材料领域的研究热点。

不同材料的二次电子发射特性相差很大，二次电子发射系数与材料性质、 表面的状态（如粗糙度等）以及入射电子的角度（电子入射方向与材料表面法 线的夹角）等因数有关。有学者研究发现，电子入射角度越大，产生二次电子 越多。精确测量电子轰击后产生的二次电子数目是实现二次电子发射系数测量 的关键。对于介质材料，为了减少表面电荷造成的测量误差，国内外目前普遍 采用nA甚至pA量级的入射电流，有效地收集并测量微弱入射电流下产生的二 次电子一直是二次电子发射系数测量的重点和难点。

当电子轰击材料表面，在材料内部发生弹性碰撞及非弹性碰撞等复杂的物 理过程，电子碰撞会产生二次电子、俄歇电子等，从材料表面出射的电子并不 全是真正的二次电子，包含了真二次电子和背向散射电子，其中真二次电子占 绝大部分。一般地，真二次电子能量小于50eV，背散射电子能量较高，通过对 电子能量的筛选可以区分真实二次电子和背散射二次电子。全部二次电子发射 系数σ包括背散射电子发射系数η和真实二次电子发射系数δ，它们之间的关系 为δ=σ-η。本发明采用多层筛网结构的收集极装置，通过对筛网施加不同偏压能 够有效收集产生的二次电子，区分真实二次电子和背散射电子，为精确测量二 次电子发射系数提供了新的技术方案。

发明内容

本发明解决的问题在于提出一种用于二次电子发射系数测量的半球型电子 收集装置及测量方法，能够提高二次电子发射系数测量精度，获得金属以及介 质材料的二次电子发射系数曲线。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：

用于二次电子发射系数测量的半球型电子收集装置，包括设置于真空室中 的电子枪和收集装置，收集装置由外向内依次为半球型收集极、第一层金属筛 网和第二层金属筛网，上下开口的电子束通道腔贯穿收集极、第一层金属筛网 和第二层金属筛网，电子束通道腔的上开口对准电子枪，下开口对准能够水平 移动及转动的样品台，样品台上设置有样品，法拉第筒连接在样品台的一端；

所述的收集极连接正偏压装置，第一层金属筛网接地或连接负偏压装置， 第二层金属筛网接地。

所述的法拉第筒与电流放大器相连接，输出一次电流I_p；

收集极通过正偏压装置与电流放大器相连接，输出二次电流I_s。

所述的收集极、电子束通道腔和法拉第筒内表面均镀有碳层；所述的收集 极连接+10～100V的正偏压装置。

所述的法拉第筒的端口与样品处于同一水平高度，其内壁镀碳，径向比为 1:3～5。

所述的电子枪的能量范围为50～10keV，输出电流大小为nA量级；

电子枪具有直流和脉冲两种工作模式，测量金属材料时电子枪工作在直流 模式，测量绝缘材料时电子枪工作在脉冲模式，脉宽为10ns～1ms。

所述的样品台在平动时，在水平方向上直线移动样品或法拉第筒到电子束 通道腔的正下方；

所述的样品台在转动时，能够使样品在-60°～+60°之间旋转，改变电子束 入射角度。

所述的电流放大器实现nA量级电流的测量和信号转换，电流放大器输出的 信号还在电流显示/数据采集处理装置上显示或处理。

所述的收集极为不锈钢材料，直径为100～200mm；

所述的第一层金属筛网的目数小于第二层金属筛网的目数，两层金属筛网 的目数在100～500之间；

第一层金属筛网的直径为80～180mm，第二层金属筛网的直径为60～ 160mm；

所述的电子束通道腔为不锈钢圆筒形，长度为20～40mm，其上开口直径为 8～10mm，下开口直径为3～5mm；

所述的法拉第筒为圆柱筒型结构，内径为6～10mm。

一种测量二次电子发射系数的测量方法，包括以下操作：

1）首先将样品放置在样品台之上，调整样品的偏转角度，待真空室的真空 度达到要求时，调节电子枪阳极电压到设定值；

2）移动样品台，将法拉第筒水平移动到电子枪的正下方，电子枪工作在单 次脉冲模式下，法拉第筒收集到一次电流，记录一次电子流I_p；

3）移动样品台，将样品水平移动到电子枪的正下方，收集极与正偏压装置 相连，第一层金属筛网和第二层金属筛网均接地，屏蔽偏压电场对电子运动轨 迹的影响；触发电子枪，收集极获得全部二次电子流，记录全部二次电流I_s，根 据公式σ=I_s/I_p得到该入射电子能量下的全部二次电子发射系数；

4）第一层金属筛网与地断开连接，并与-50V的负偏压装置相连，第二层金 属筛网接地，触发电子枪，收集极获得背散射电子流，记录背散射电子流I_sb， 根据公式η=I_sb/I_p得到该入射电子能量下的背散射电子发射系数，则真实二次电 子发射系数δ=σ-η。

所述的测量二次电子发射系数的测量方法，还包括以下操作：

5）改变电子枪的入射电子能量，重复2）、3）和4）步骤，直至测试结束， 得到不同入射电子能量下的全部二次电流、背散射电子流，根据σ=I_s/I_p、η=I_sb/I_p和δ=σ-η得到该样品在设定入射角度下的全部二次电子、背散射电子和真实二次 电子发射系数曲线；

6）通过样品台将样品旋转到所需角度，重复步骤1）～5）的操作，获得不 同入射角度下的全部二次电子、背散射电子和真实二次电子发射系数曲线。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的用于二次电子发射系数测量的半球型电子收集装置及测量方 法，其电子束通道腔可屏蔽收集极和两层筛网之间的外在偏压电场对电子束运 动轨迹的影响。第二层金属筛网起到屏蔽收集极正偏压和第一层金属筛网负偏 压的作用，营造无电场区域，使得电子通过该区域到达样品过程中不受外在电 场影响。

本发明提供的用于二次电子发射系数测量的半球型电子收集装置及测量方 法，还能够通过能够水平移动及转动的样品台来实现对样品不同条件的二次电 子发射系数的测量；样品台在转动时，能够使样品在-60°～+60°之间旋转，改 变电子束入射角度，获得不同入射角度下的全部二次电子、背散射电子和真实 二次电子发射系数曲线。

进一步的，第一层金属筛网还可以用以区分背散射电子和真实二次电子， 因为真实二次电子能量小于50eV，只有能量大于50eV的背散射电子可以穿过 第一层筛网到达收集极，实现对二次电子的筛选，获得背散射电子发射系数和 真实二次电子发射系数。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，整个装置位于真空室内。

图2为本发明测量全部二次电子发射系数时装置结构示意图，收集极连接 正偏压（+50V），第一层金属筛网和第二层金属筛网接地。

图3为本发明测量背散射电子发射系数时装置结构示意图，收集极连接正 偏压（+50V），第一层金属筛网接负偏压装置（-50V），第二层金属筛网接地。

其中，1为电子枪；2为电子束通道腔；3为收集极；4为第一层金属筛网； 5为第二层金属筛网；6为样品；7为样品台；8为法拉第筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，用于二次电子发射系数测量的半球型电子收集装置，包括设置于 真空室中的电子枪1和收集装置，收集装置由外向内依次为半球型收集极3、第 一层金属筛网4和第二层金属筛网5，上下开口的电子束通道腔2贯穿收集极3、 第一层金属筛网4和第二层金属筛网5，电子束通道腔2的上开口对准电子枪1， 下开口对准能够水平移动及转动的样品台7，样品台7上设置有样品6，法拉第 筒8连接在样品台7的一端；

所述的收集极3连接正偏压装置，第一层金属筛网4接地或连接负偏压装 置，第二层金属筛网5接地。

所述的法拉第筒与电流放大器相连接，输出一次电流I_p；

收集极3通过正偏压装置与电流放大器相连接，输出二次电流I_s。

电子枪1具有脉冲和直流两种工作模式，电子束通道腔2的上入口正对电 子枪1，下出口正对样品台7。

进一步，所述的收集极3、电子束通道腔2和法拉第筒8内表面均镀有碳层； 所述的收集极3连接+10～100V的正偏压装置。

所述的法拉第筒8的端口与样品6处于同一水平高度，其内壁镀碳，径向 比为1:3～5。

所述的电子枪1的能量范围为50～10keV，输出电流大小为nA量级；

电子枪1具有直流和脉冲两种工作模式，测量金属材料时电子枪1工作在 直流模式，测量绝缘材料时电子枪1工作在脉冲模式，脉宽为10ns～1ms。

具体的，参见图2和图3，测量金属材料二次电子发射系数时，电子枪1采 用直流工作模式；对于介质材料，电子枪工作在脉冲模式。电子枪1脉宽在 10ns～1ms范围内可调，电流为nA级。电子在电子束通道腔2内运动时不受收 集极和两层筛网的外在偏压电场影响，特别是在低入射电子能量情况，电子束 通道腔2起到很好的屏蔽作用。电子束通道腔2底部下出口可以限制电子束束 斑小于Φ3mm。收集极与正偏压装置（+50V）相连，收集到的二次电子流经放 大器输出到示波器。

所述的样品台7在平动时，在水平方向上直线移动样品或法拉第筒8到电 子束通道腔2的正下方；

所述的样品台7在转动时，能够使样品在-60°～+60°之间旋转，改变电子 束入射角度。即样品台7可实现直线平动和-60°～+60°旋转。

所述的电流放大器实现nA量级电流的测量和信号转换，电流放大器输出的 信号还在电流显示/数据采集处理装置上显示或处理。

所述的收集极3为不锈钢材料，直径为100～200mm；

第一层金属筛网4和第二层金属筛网5可以采用不同目数的筛网，但不同 目数的筛网使用前均需要测定电子通过率。当第一层金属筛网4接地时，二次 电子可通过第二层金属筛网5和第一层金属筛网4到达收集极3，此时收集极3 测量值为全部二次电子流；当第一层金属筛网4接-50V偏压时，只有能够能量 超过-50eV的背散射电子能够通过第二层金属筛网5和第一层金属筛网4到达收 集极3，收集极3测量值为背散射电子流，以此区分真实二次电子和背散射电子。 第二层金属筛网5可以使用不同目数的筛网，使用前均需要测定电子通过率。

样品6位于样品台7上，直径小于30mm，厚度为1mm，样品中心位于收 集极球心位置。水平方向上，样品台7为直线平动结构设计，能够直线移动样 品和法拉第筒8到电子枪正下方。在样品侧，样品台7设计为转动结构，可以 实现-60°～+60°的旋转，用以测量不同入射角度下的二次电子发射系数。

进一步，所述的第一层金属筛网4的目数小于第二层金属筛网5的目数， 两层金属筛网的目数在100～500之间；

第一层金属筛网4的直径为80～180mm，第二层金属筛网5的直径为60～ 160mm；

所述的电子束通道腔2为不锈钢圆筒形，长度为20～40mm，其上开口直径 为8～10mm，下开口直径为3～5mm；

所述的法拉第筒8为圆柱筒型结构，内径为6～10mm。

以测量绝缘材料为例，本发明测量二次电子发射系数的方法，包括以下操 作：

（1）首先将样品6放置在样品台7之上，调整样品的偏转角度，待真空室 达到要求时，调节电子枪阳极电压到试验值。

（2）移动样品台7，将法拉第筒8水平移动到电子枪1正下方，电子枪1 工作在单次脉冲模式下，获得一次电流值I_p1。

（3）移动样品台7，将样品6水平移动到电子枪1正下方，收集极3与正 偏压装置（+50V）相连，第一层金属筛网4和第二层金属筛网5接地，如图2 所示。触发电子枪，收集极3获得全部二次电子流，记录电流值I_s1，根据公式 σ₁=I_s1/I_p1得到该入射电子能量下的全部二次电子发射系数。

（4）第一层金属筛网4与负偏压装置（-50V）相连，第二层金属筛网5接 地，如图3所示。触发电子枪，收集极3获得背散射电子流，记录背散射电子 流值I_sb1，根据公式η₁=I_sb1/I_p1得到该入射电子能量下的背散射电子发射系数，则 真实二次电子发射系数δ₁=σ₁-η₁。

为了更多的情况下的二次电子发射系数的测量，还包括以下操作：

（5）改变电子枪的阳极电压即改变入射电子能量，重复（2）、（3）和（4） 步骤，直至到测试结束，得到不同入射电子能量下的I_s2，I_sb2，I_s3，I_sb3…。根据 计算公式σ=I_s/I_p、η=I_bs/I_p和δ=σ-η得到该样品在设定入射角度下的全部、背散射 和真实二次电子发射系数曲线。

（6）如需测量不同入射角度下的二次电子发射系数，通过样品台7将样品 6旋转到所需角度，重复上述（1）-（5）过程，可以获得不同入射角度下的背 散射和真实二次电子发射系数，测量结束。