一种抑制二次电子发射的离子束表面处理设备和方法

摘要

一种抑制二次电子发射的离子束表面处理设备和方法，属于真空电子技术领域。包括处于前置真空的机械泵、二级真空分子泵及样品台组件，样品台组件上方设有溅射沉积组件及离子源，该设备使用的方法为：系统抽真空，样品加热，充氩气，离子源溅射，样品冷却，采用专门仪器检测二次电子发射系数值。该设备及方法使二次电子发射得到了有效抑制，设备中所用钼靶的加工简单，成本低廉。

说明书

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，特别涉及到一种用于抑制真空状态下受电子轰击电极的二次电子发射的离子束表面处理设备和方法。

背景技术

行波管广泛用于雷达，电子战，卫星通信和精确制导等武器装备。近年来，对于行波管需求量不断增加，同时对行波管性能也提出了更高要求，其中包括更高的整管效率。更高的整管效率不仅意味着降低行波管的功耗、减小电源的重量和体积，而且意味着提供改善器件可靠性和寿命的空间。这对于机载和空间行波管来说尤为重要，因为这类装备的行波管不可避免的受到功耗和重量的限制。据报道，星载行波管整管效率提高一个百分点，经济效益高达三千万美元。因此，提高空间行波管的整管效率十分重要。

行波管的整管效率，主要取决于电子注与高频电路的互作用效率，以及收集极的效率。提高收集极效率的一种方法是采用多级降压收集极(MDC)。理论上，MDC使离开互作用区的电子按不同的速度分类收集，即较高动能的电子经过较高的减速场后被较低电位(如最低的阴极电位)的收集极加以收集，而对较低动能的电子则采用较高电位的收集极，使电子都能“软着陆”，降低电子与表面的碰撞损耗，将电子的部分动能回馈电源。

设计合理的多级降压收集极可以提高行波管的整管效率。然而，实际上，离开互作用区的电子的能量存在一定方式的分布，MDC的作用始终受限于收集极材料的二次电子发射。二次电子的发射系数，一方面取决材料的性质，另一方面与材料表面的形貌密切相关。对于无氧铜，它在金属材料中具有优异的导热率、导电率以及可加工和焊接性能，常被用做理想的收集极材料。不足的是它的二次电子发射系数较高。降低或抑制其二次电子发射的一个方法，是从无氧铜的表面形貌改性入手，从而避免在无氧铜上涂覆异质材料(如石墨等)。常用的收集极材料也就首选导热率和导电率优异的无氧铜。但无氧铜的二次电子发射系数最高值高达1.35，而且在极宽的一次电子能量范围内都呈现出较高的二次电子发射系数。一次电子到达收集极时不可避免地产生大量二次电子，以及一定量的弹性散射的一次电子。这些带能量的电子出现在各级收集极附近，它们再次打到收集极上时则造成可观的能量损耗，从而降低行波管收集极的效率，同时使管体温度上升，又进一步降低了行波管的效率；大量低能二次电子的存在，还可能造成回流，增加高频热耗散功率并形成噪声。所以，抑制二次电子发射至关重要。本申请主题的含义，也得以更加明确。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，针对在行波管收集极中不可避免的存在大量的二次电子，它们降低了行波管的收集极以及整管的效率，为了克服这一弊端，就要设法抑制二次电子发射。本发明的目的，就是提供一种抑制二次电子发射的离子束表面处理设备和方法。

为实现本发明的目的，所采取的技术方案如下，一种抑制二次电子发射的离子束表面处理设备，包括处于前置真空的机械泵、二级真空分子泵及样品台组件，其特征在于，样品台组件上方设有溅射沉积组件，该溅射沉积组件上部空间设有离子源，它们组成了密封的真空设备，该设备还连接着一台电控柜。电控柜电源用于离子源、真空泵和真空规、加热器等部件的供电及其控制。该设备构件又分为高真空系统和表面处理构件两个主要部分。高真空系统可以由高真空泵(如分子泵)和低真空泵(如机械泵)以及测量部件等组成，系统的极限真空达到5x10^-5Pa。

表面处理构件是该设备的核心，主要包括离子源，如考夫曼离子源、溅射沉积组件和样品台。考夫曼离子源位于真空室的顶部，溅射沉积组件置于样品台上方，用来在样品表面沉积低溅射率的原子，如钼原子，是起掩模的作用，以便在样品表面形成特殊织构。构成溅射沉积组件可有不同的方法，其中的一种组件组成方法是，包含一个平面溅射靶和一个对准其靶面位置处设置的另一个离子源，它们分别位于样品上方的两侧；另一种方法是，利用同一离子源，对钼靶进行溅射，如实施例所述。为了控制和调整钼原子的沉积速率，可以从钼靶着手，所述钼靶设计成齿状结构，齿翼与水平面成一定角度，通常为45到85度，通过调整齿翼与空缺面积之比，就可以调整钼原子的沉积速率。样品放在旋转的工件台上，以确保钼原子的沉积速率的一致性。

为了获得最佳工艺条件，在设计和加工了上述表面处理设备以后，还需要进行工艺实验。因为不同的离子源、钼靶和收集极样品之间存在差异。试验的方法是，结合二次电子系数的测量和扫描电镜的分析，优化工艺参数，目的是使二次电子系数最小。优化的主要工艺参数包括：离子的能量和密度、钼靶的齿翼与空缺面积之比、样品的加热温度、处理的时间等。

一种抑制二次电子发射的离子束表面处理方法，其特征在于，按照以下步骤进行操作，它们是：

a.将样品置于真空系统的旋转工作台上；

b.系统抽真空，真空达到1x10^-3Pa；

c.样品加热到，550℃±10℃；

d.充入氩气5x10^-3～1x10^-1Pa；

e.启动离子源溅射，束流1～5mA/cm²，束压1～2keV；

f.溅射工艺计时，0.5～2小时；

g.关闭离子源及加热源，样品冷却；

h.采用专门仪器检测二次电子发射系数值。

本发明的有益效果是，二次电子发射得到了有效抑制，在所实施的设备中所用钼靶的加工简单，可以采用钼片冲制，或剪切而成。加工成本低，便于调整钼原子的沉积速率。钼靶的设计使设备电源简单化，同时利用一个离子源完成钼原子的沉积和无氧铜表面的溅射。这样不仅减轻了设备的复杂性，降低成本，同时简化了设备的操作程序。本发明的另一个优点是采用普通的商品化考夫曼离子源，样品和样品台直接与地相连，操作安全方便，成本低廉。

附图说明

图1为抑制二次电子发射的离子束表面处理设备示意图；

图2为所用钼靶结构图；

图3为抑制二次电子发射的离子束表面处理方法流程图。

具体实施方式

参照图1，表示一种抑制二次电子发射的离子束表面处理设备示意图，图中，处于前置真空的机械泵5连接着二级真空分子泵4及样品台组件3，样品台组件上方设有溅射沉积组件2，该溅射沉积组件上方设有考夫曼离子源1，它们组成了密封的真空设备，该设备还连接着一台电控柜6。

参照图2，表示溅射沉积组件的一种结构图，它是一个边沿上设有多个齿翼的环片状结构，图中2-1为齿翼，齿翼间为空缺2-2。

参照图3，表示所述抑制二次电子发射的离子束表面处理方法流程图，图中表示按照以下步骤进行操作：

a.将样品置于真空系统的旋转工作台上；

b.系统抽真空，极限真空达到5x10^-5Pa；

c.样品加热到550℃±10℃；

d.充入氩气5x10^-3Pa～1x10^-1pa；

e.启动离子源溅射，束流1～5mA/cm²，束压1～2keV；

f.溅射工艺计时，0.5～2小时；

g.关闭离子源及加热源，样品冷却；

h.采用专用仪器检测二次电子发射系数值。