基于负偏压收集极的绝缘体二次电子发射系数测量

　　建立了一个主要由单把脉冲电子枪和一个二次电子收集极构成的测量装置用于室温下绝缘体二次电子发射系数的测量。通过给收集极设定负偏压，本文提出了一种新的电荷中和方法，有效地中和了在测量过程中累积在样品表面的电荷。采用双通道示波器对二次电子电流和样品电流进行了测量，根据相应脉冲电流的峰值确定了样品的二次电子发射系数。成功测量了尼龙样品的二次电子发射系数与一次电子能量的关系曲线，并与文献测量结果进行了比较，结果表明本文的测量装置和测量方法简单易行。

　　随着微波技术的发展，越来越多的研究表明，降低材料的二次电子发射系数δ 对于提升微波管的效率、抑制微波器件中电子倍增击穿和介质窗击穿有重要的作用，因此开展δ 的测量研究十分必要。

　　一般而言，导体的δ 容易测量，而绝缘体较难。测量绝缘体δ 的关键是如何消除样品表面累积的电荷或减弱样品带电的程度。使用一把脉冲电子枪对δ 进行测量，而另一把直流电子枪对测量过程中样品所带的正电荷进行中和是目前通常的测量方法。此外，其它方法也有报道。文献采用电荷补偿原理，对样品表面累积的电荷进行中和，同时探测样品表面电位直至表面电荷完全被中和。早期有文献曾报道对样品进行加热以释放样品表面累积的电荷。文献采用非常小的电子束电流( < 1 nA) 进行δ 的测量，以便尽可能减弱样品的带电程度。而文献则通过改变测量点的位置，以测量所谓无带电样品的δ。

　　上述测量方法，虽然有较高的测量精确度，但是存在额外的设备，如中和电子枪、表面电位探测器、电子束偏转系统以及小电流检测系统等，使得这些测量装置昂贵且测量方法复杂。对样品进行几百度加热后再进行δ 的测量，也是不适合常规高分子材料的。

　　在某些对精确度要求不太高的场合中，迫切需要快速、简单、较为准确地测量出绝缘体的δ，鉴于此，本文建立了一个主要由单把脉冲电子枪和一个二次电子收集极构成的测量装置用于室温下绝缘体δ 的测量。基于负偏压的收集极，本文提出了一种新的电荷中和方法，有效地中和了在测量过程中累积在样品表面的电荷。在此基础上，成功测量了尼龙样品的δ 与一次电子能量的关系曲线，并与文献测量结果进行了比较，结果表明本文的测量装置和测量方法简单易行。

1、测量装置

　　图1 所示的是测量绝缘体δ 的装置示意图。当电子枪发出的一次电子(PE) ，穿过收集极上的圆孔，垂直轰击到样品表面时，从样品表面就有二次电子(SE) 的发射。一次电子的能量由直流高压稳压电源(HVDC) 提供，其能量范围为20 ～3000 eV。调节电子枪灯丝电流或调制极电位可以在0.5 ～2 μA范围内改变电子束束流。脉冲信号发生器加在电子枪的调制极上，分别可以触发电子枪输出单次脉冲电子束( 脉冲宽度约为450 μs) 、触发电子枪输出周期性脉冲电子束( 重复频率约为100 Hz) 或者让电子枪不输出任何电子。测量时，真空室内的真空度约为(2 ～ 4) × 10 ^-4 Pa。被测材料为80 μm 厚的尼龙( Nylon) 样品，样品与下方的金属样品托(Holder) 紧密相贴并通过电阻R1接地。正负极性相反的40 V电池给收集极提供正偏压或负偏压，分别用于δ 的测量和样品表面电荷的中和。

图1 测量绝缘体δ 的装置示意图

5、结论

　　实验研究表明，在绝缘体δ 的测量过程中，样品表面累积的正电荷造成δ 的下降。采用负偏压收集极和单把脉冲电子枪的配合，不仅能有效地中和样品表面累积的正电荷，而且能较为准确地测量出δ。测量结果与文献结果基本一致，表明本文提出的测量装置和方法简单易行。

　　在减小测量误差方面，今后可以尝试两个方面。第一，通过测量二次电子能谱的分布，确定出中和后样品表面的负电位，以减小一次电子能量的偏差。第二，优化测试装置的结构，缩短装置的响应时间，以进一步提高测量精度。