二次電子發(fā)射系數的光電測試方法研究

杜威志，王多書，李晨，張玲，王濟洲，董茂進

（1.中國科學技術大學，安徽合肥 230000；2.蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，甘肅蘭州 730000）

二次電子發(fā)射系數的光電測試方法研究

杜威志1，王多書2，李晨2，張玲2，王濟洲2，董茂進2

（1.中國科學技術大學，安徽合肥 230000；2.蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，甘肅蘭州 730000）

采用電子槍產生的電子進行材料二次電子發(fā)射系數的測量與研究，該方法由于實現過程較為復雜且很難獲得微小流量入射原電子等限制了其應用。故采用紫外激發(fā)金屬鋅獲得入射原電子的方法，利用高壓電源和靜電計，實現了材料二次電子發(fā)射系數的精確測量。在電子倍增器中分別測試單級打拿極二次電子發(fā)射系數和倍增器增益，比較后獲得了材料二次電子發(fā)射系數精確測量的方法。利用該方法，研究了氧化鎂材料的二次電子發(fā)射性能，得到了基于氧化鎂發(fā)射材料的電子倍增器增益。

二次電子；發(fā)射系數；氧化鎂；光電測試；方法

0 引言

具有一定能量的粒子（電子、離子等）轟擊到物體表面時，會激發(fā)物體表面原子發(fā)射電子，通常稱為二次電子。將入射粒子中的電子稱為原電子或一次電子。二次電子數與入射粒子數的比值稱為該物體表面的二次電子發(fā)射系數。二次電子發(fā)射系數與發(fā)射體表面性能、入射粒子的種類和能量等有關，一般情況下金屬表面較容易發(fā)射二次電子，但發(fā)射系數較低；半導體和絕緣體表面發(fā)射二次電子相對困難，但發(fā)射系數較高。

目前，對絕緣材料二次電子發(fā)射系數的高精度測量先后提出了幾種方法。早在1938年N.Morgulis 等[1]提出了直流加熱法，通過加熱絕緣材料來釋放表面電荷，從而達到維持材料表面電場的目的。由于很多絕緣材料在加熱狀態(tài)下表面放電不夠穩(wěn)定，因為該方法對于二次電子發(fā)射系數測量精度的提高有限。1940年H.Salow等[2]提出了雙槍法，利用電子槍主動射入電子的方式補償二次電子發(fā)射后由于材料導電性差而無法及時補充的電子，從而維持材料表面電位。后經過不斷完善，能夠較高精度的測量絕緣材料的二次電子發(fā)射系數，該方法對于二次電子發(fā)射系數小于1的材料卻無法測試。童林夙等[3]提出了三槍連續(xù)脈沖法，彌補了雙槍法的不足。所有這些方法中，一方面入射粒子束很難提供小于1 nA的小電流，無法進行微弱信號（1 pA左右）的二次電子發(fā)射系數測試；另一方面，幾乎所有方法都只能提供脈沖式測量，無法進行連續(xù)測試，因而對于二次電子發(fā)射器件的穩(wěn)定性、使用壽命等性能無法考核。

針對上述方法存在的不足，提出了二次電子發(fā)射系數的光電測試方法。利用該方法對氧化鎂薄膜材料的二次電子發(fā)射系數進行了測試研究，并對電子倍增器增益及使用壽命進行了測試分析。

1 二次電子發(fā)射系數光電測試方法及裝置

光電測試方法中，采用合適頻率的紫外光照射金屬鋅膜，將光電效應產生的逸出電子作為入射電子束流進行二次電子發(fā)射的測量。由于光電效應產生的電子數較少，通過控制紫外光強度可以控制束流大小，且紫外光可實現連續(xù)長時間照射，因此光電測試方法可以實現小電流和長時間測量。

測試過程分兩步，首先測試入射電流。樣品位置安裝收集裝置，在特定光強照射下，光電子在電場作用下入射到收集裝置表面，通過收集裝置電流可以得到入射原電子電流Iin。在相同入射條件下放入樣品測試收集極電流Ic，由公式（1）可計算得到發(fā)射系數δ。

該方法還可以用于電子倍增器增益的測試，相同方法分別測試相同入射原電子條件下的首打拿極電流If和收集極電流Ic，由公式（2）計算得到電子倍增器增益G。

光電測試方法測試裝置如圖1所示，由四部分組成，真空系統(tǒng)、紫外燈及附屬裝置、樣品裝配臺以及測試電路等。測試在高于5×10-5Pa的真空室中進行。紫外燈工作波長254 nm，附屬裝置可以調節(jié)紫外光強度。透過真空室窗口，紫外光可照射到光電陰極，光電陰極由鍍有金屬鋅膜石英玻璃制成，鋅膜靠近測試樣品一側。樣品裝配臺用于安裝樣品或電子倍增器。測試電路由高壓源和靜電計組成，高壓源提供測試所需的負高壓，靜電計測量入射及收集極電流。從樣品裝配臺引出了4根線（圖中標注a、b、c、d），分別接光電陰極、倍增極、末打拿極及收集極等。

圖1 二次電子發(fā)射系數光電測試裝置圖

2 測試實驗及結果分析

采用該方法進行了氧化鎂薄膜二次電子發(fā)射系數、電子倍增器增益及使用壽命進行實驗測試。

2.1 氧化鎂薄膜二次電子發(fā)射系數測試。

試驗過程中，氧化鎂薄膜采用磁控濺射方法制備。將真空室抽至5×10-5Pa以上，首先測試入射電流。高壓源負極接a號線，并連接R1（1 MΩ），R1另一端接地，R1電壓即為光電陰極電壓。靜電計輸入端接b號線（內接收集裝置），輸出端接地。改變高壓源電壓，可測得不同光電陰極電壓對應的入射電流，由于收集裝置是零電位，因此由光電陰極電壓可計算得到入射電子能量。其次測試氧化鎂薄膜樣品的二次電子發(fā)射系數。在上述回路中接入R2（1 MΩ）與R1串聯(lián)，R2一端接電源正極并接地，另一端接樣品并與R1相連。收集極置于樣品附近，并與靜電計輸入端相連，靜電計輸出端接地。按照測試入射電流過程中改變高壓源電壓的方式，可依次測出不同電壓下的收集極電流，并結合兩次測試結果可計算得到不同入射電子能量下的二次電子發(fā)射系數。測試結果如表1所示。

表1可以看出，氧化鎂二次電子發(fā)射系數δ隨入射電子能量E變化趨勢與絕緣體δ-E變化趨勢相似。

由于入射電子是光電子，從光電陰極逸出時能量很小，約幾個eV，因此可以認為入射電子能量全由加速電場獲得。

表1 氧化鎂薄膜二次電子發(fā)射系數測試參數及結果

2.2 電子倍增器增益及壽命測試

對電子倍增器進行了增益測試試驗。與樣品測試過程相似，首先測試入射電流，方法與樣品測試相同。其次測試電子倍增器收集極電流。如圖1中，電子倍增器安裝在樣品臺上，R1一端接高壓源負極并通過a號線連接到光電陰極，另一端通過b號線與電子倍增器首打拿極相連，電子倍增器末打拿極通過c號線與高壓源正極連接，收集極通過d號線與靜電計連接并接地。通過改變R1阻值，可以改變光電陰極電壓。驗參數及結果如表2所示。

表2可以看出，隨著工作電壓增大，電子倍增器增益逐漸增大，開始增加緩慢，電壓超過1 700 V以后，增加迅速，與通常的盒柵式倍增器測試結果相似。

表2 電子倍增器增益測試參數及結果

光電陰極電壓低于130 V時，入射電流受本底噪聲影響較大，未測試。

為了進一步驗證該方法對于電子倍增器使用壽命的測試效果，對上述電子倍增器進行了壽命測試試驗。電路連接方法同上，工作電壓取2 300 V，在上述入射電流情況下，持續(xù)監(jiān)測電子倍增器收集極電流，每隔1 h記錄一次數據，并測算其增益，持續(xù)測試2天，實驗參數如表3所列。

表3 電子倍增器壽命測試參數與結果

3 結論

利用紫外光激發(fā)光電陰極發(fā)射的光電子作為入射電子束源，實現了在微小信號下氧化鎂薄膜材料二次電子發(fā)射系數的測試。分別測試了氧化鎂薄膜二次電子發(fā)射系數、電子倍增器增益及其隨時間變化關系。

測試結果表明，光電測試方法可用于絕緣材料二次電子發(fā)射系數的測試，也可用于電子倍增器增益以及使用壽命的測試與分析。

參考資料：

[1]Morgulis N，NagorskyA.Secondary Electron Emission from oxide-coated Cathodes[J].J Tech Phys USSR，1938，5:848-863.

[2]Salow H.über den Sekund?re missions faktor elektronen-bestrahlter Isolatoren[J].Ztechn Phys，1940，21（8）:10-15.

[3]童林夙，雎江程.一個新的測量二次電子發(fā)射系數的實驗方法[J].真空科學與技術，1984，4（6）：102-105.

[4]武興建，吳金宏.光電倍增管原理、特性及應用[J].國外電子元器件，2001（8）：13-17.

STUDY OF SECONDARY ELECTRON EMISSION COEFFICIENT BY PHOTOELECTRIC TEST METHOD

DU Wei-zhi1，WANG Duo-shu2，LI Chen2，ZHANG Ling2，WANG Ji-zhou2，DONG Mao-jin2
（1.University of Science and Technology of China，HeifeiAnhui230000，China；2.Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，LanzhouGansu730000，China）

The method of mearsurement and study on secondary electron emission coefficient by electrons produced by electron gun limits the application with complicated implementation process and difficult acquisition of micro-flow incident primary electrons.Therefore an acurate measurement of secondary electron emission coefficient needs the method of obtaining incident primary electeonics by ultraviolet excitation metal zinc through high voltage power supply and electrometer.Respectively test stand-alone dynode with secondary electron emission coefficient and multiplier gain in electron multiplier.An acurate measurement of secondary electron emission coefficient is obtained.Study the secondary electron emission performance of magnesium oxide（MgO）material after comparison.Hence the electron multiplier gain based on magnesium oxide emission materials are acquired.

secondary electron；emission coefficient；magnesium oxide；photoelectric test method；measure；

O462.2文獻識別碼：A

1006-7086（2014）06-0332-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.006

2014-08-26

杜威志（1992-），男，安徽人，本科，主要從事凝聚態(tài)物理的研究。

E-mail：wzdu@mail.ustc.edu.cn