二次电子发射系数的光电测试方法研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学技术大学 作者:杜威志

  采用电子枪产生的电子进行材料二次电子发射系数的测量与研究,该方法由于实现过程较为复杂且很难获得微小流量入射原电子等限制了其应用。故采用紫外激发金属锌获得入射原电子的方法,利用高压电源和静电计,实现了材料二次电子发射系数的精确测量。在电子倍增器中分别测试单级打拿极二次电子发射系数和倍增器增益,比较后获得了材料二次电子发射系数精确测量的方法。利用该方法,研究了氧化镁材料的二次电子发射性能,得到了基于氧化镁发射材料的电子倍增器增益。

  引言

  具有一定能量的粒子(电子、离子等)轰击到物体表面时,会激发物体表面原子发射电子,通常称为二次电子。将入射粒子中的电子称为原电子或一次电子。二次电子数与入射粒子数的比值称为该物体表面的二次电子发射系数。二次电子发射系数与发射体表面性能、入射粒子的种类和能量等有关,一般情况下金属表面较容易发射二次电子,但发射系数较低;半导体和绝缘体表面发射二次电子相对困难,但发射系数较高。

  目前,对绝缘材料二次电子发射系数的高精度测量先后提出了几种方法。早在1938年N. Morgulis等提出了直流加热法,通过加热绝缘材料来释放表面电荷,从而达到维持材料表面电场的目的。由于很多绝缘材料在加热状态下表面放电不够稳定,因为该方法对于二次电子发射系数测量精度的高有限。1940年H. Salow等提出了双枪法,利用电子枪主动射入电子的方式补偿二次电子发射后由于材料导电性差而无法及时补充的电子,从而维持材料表面电位。后经过不断完善,能够较高精度的测量绝缘材料的二次电子发射系数,该方法对于二次电子发射系数小于1的材料却无法测试。童林夙等提出了三枪连续脉冲法,弥补了双枪法的不足。所有这些方法中,一方面入射粒子束很难提供小于1 nA 的小电流,无法进行微弱信号(1 pA 左右)的二次电子发射系数测试;另一方面,几乎所有方法都只能提供脉冲式测量,无法进行连续测试,因而对于二次电子发射器件的稳定性、使用寿命等性能无法考核。

  针对上述方法存在的不足,提出了二次电子发射系数的光电测试方法。利用该方法对氧化镁薄膜材料的二次电子发射系数进行了测试研究,并对电子倍增器增益及使用寿命进行了测试分析。

  1、二次电子发射系数光电测试方法及装置

  光电测试方法中,采用合适频率的紫外光照射金属锌膜,将光电效应产生的逸出电子作为入射电子束流进行二次电子发射的测量。由于光电效应产生的电子数较少,通过控制紫外光强度可以控制束流大小,且紫外光可实现连续长时间照射,因此光电测试方法可以实现小电流和长时间测量。测试过程分两步,首先测试入射电流。样品位置安装收集装置,在特定光强照射下,光电子在电场作用下入射到收集装置表面,通过收集装置电流可以得到入射原电子电流Iin。在相同入射条件下放入样品测试收集极电流Ic,由公式(1)可计算得到发射系数δ。

二次电子发射系数的光电测试方法研究

  该方法还可以用于电子倍增器增益的测试,相同方法分别测试相同入射原电子条件下的首打拿极电流If和收集极电流Ic,由公式(2)计算得到电子倍增器增益G。

二次电子发射系数的光电测试方法研究

  光电测试方法测试装置如图1所示,由四部分组成,真空系统、紫外灯及附属装置、样品装配台以及测试电路等。测试在真空度高于5×10-5 Pa的真空室中进行。紫外灯工作波长254 nm,附属装置可以调节紫外光强度。透过真空室窗口,紫外光可照射到光电阴极,光电阴极由镀有金属锌膜石英玻璃制成,锌膜靠近测试样品一侧。样品装配台用于安装样品或电子倍增器。测试电路由高压源和静电计组成,高压源提供测试所需的负高压,静电计测量入射及收集极电流。从样品装配台引出了4根线(图中标注a、b、c、d),分别接光电阴极、倍增极、末打拿极及收集极等。

二次电子发射系数光电测试装置图

图1 二次电子发射系数光电测试装置图

  3、结论

  利用紫外光激发光电阴极发射的光电子作为入射电子束源,实现了在微小信号下氧化镁薄膜材料二次电子发射系数的测试。分别测试了氧化镁薄膜二次电子发射系数、电子倍增器增益及其随时间变化关系。

  测试结果表明,光电测试方法可用于绝缘材料二次电子发射系数的测试,也可用于电子倍增器增益以及使用寿命的测试与分析。

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