基于XPS的中和電子槍仿真實驗

王小菊， 呂一帆， 祁康成， 任 帥， 陸榮國， 陳德軍

（電子科技大學光電科學與工程學院，成都610054）

0 引 言

自倫琴發現X射線以來，X射線分析技術得到了快速發展［1-4］。作為材料研究領域的一種基本方法，X射線光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）分析得到了人們的普遍關注和應用。通過測量電子能量，XPS可以提供元素定性、定量分析和化學態信息［5-8］，且表面靈敏度高。目前，國內高校的材料專業幾乎都開設了與XPS相關的材料分析課程。

XPS的X射線源以單色X射線為主。單色X射線源的主要缺點是當待測樣品為絕緣體時，樣品表面容易出現荷電效應。即當X射線照射在絕緣樣品表面時，根據光電效應，樣品表面會發射光電子而在表面留下正電荷，導致測試出的結合能遠遠高于實際值。為了消除荷電效應，需要給XPS設備配置電子槍。

計算機仿真可以在實驗開展前，初步探討器件結構、材料等因素對其特性的影響，一定程度上可預測器件性能，因此現階段虛擬仿真得到了各高校實驗室建設的高度認可。本文采用仿真模擬軟件Opera（Operating environment for Electromagnetic Research and Analysis）對XPS中和電子槍的結構和電子發射情況進行模擬。通過仿真，學生能夠掌握電子槍的基本結構、參數和分析方法，了解XPS分析技術。在此基礎上，學生的科研素養與仿真能力可以得到有效提高。

1 模擬平臺以及物理模型的建立

Opera是全球最先進的電磁設備有限元仿真分析軟件之一。使用Opera軟件進行中和電子槍的仿真，可以實現電子槍模型尺寸的參數化，可以反復設計，更改仿真模型的參數，在仿真精準度和優化設計方面具有很大的優勢［9-12］。

本文要求設計的XPS中和電子槍性能指標如下：① 陽極電流Ia≥50 μA；② 陽極電流分布均勻；③ 束斑為方形，邊長a≤2 mm。根據電子光學系統理論，初步設計出如圖1所示的電子槍結構。該電子槍由陰極、柵極和陽極組成。初始參數為：陰極發射面為0.9 mm×0.9 mm的矩形面；柵極為空心圓筒狀，中心孔直徑2×r＝1 mm（r為孔半徑）；陰極和柵極間距離D1＝0.3 mm；柵極厚度D2＝0.2 mm；柵極電壓Ug＝0 V；陽極電壓Ua＝30 V，陽極與陰極間距離L＝3 mm。

在電子槍的設計中，陰極材料是電子槍性能可靠性和壽命的關鍵，不同的電真空器件對于陰極材料的要求不同。對于XPS電子槍來說，陰極發射材料需要具備下列性質：熔點高、蒸發率??；化學性質穩定、抗離子轟擊能力強；逸出功低、發射效率高、發射電流密度大；良好的機械性能。六硼化鑭（LaB6）熔點高達2 210℃，逸出功僅為2.4～3.4 eV，化學性質極其穩定，常溫下不與酸堿發生反應（硝酸除外），且可長時間暴露大氣［13-16］。因此，相對于傳統的商用鎢材料，LaB6更符合XPS電子槍對陰極材料的要求。本文選擇LaB6作為仿真實驗中的陰極材料。

圖1 XPS電子中和槍物理模型

2 電子槍的結構數值仿真

2.1 柵極孔徑大小對發射性能的影響

圖2給出了初始參數不變，陽極束斑尺寸a和陽極電流（Ia）隨柵孔半徑（r）的變化趨勢。隨著r的增大，Ia和a呈線性增加。當r由0.6 mm增加到2.4 mm 時，Ia由12.8 μA 增加到177.5 μA，a 由0.24 mm增大到2.84 mm。分析原因，隨著r增大，柵極屏蔽作用減弱，陰極有效發射面積增大，極間電流隨之增大。另一方面，r增大使電子束會聚能力變差，束腰位置向陽極靠近，a隨之增大。

圖2 Ia和s隨r的變化曲線

圖3（a）～（c）分別給出了r＝1.0、1.6 和2.2 mm時的陽極電流密度（Ja）分布。分析仿真結果，當r較小時（見圖3（a）），邊緣電子束會聚作用很強，陽極處呈現中間電流密度小，四周電流密度大的情況。比較圖3（b）和（c）可以看出，當r＝2.2 mm 時，Ja分布的不均勻性相對于r＝1.6 mm時顯著增大。因此，綜合考慮陽極電流和束斑質量，初步選定r＝1.6 mm為較佳的柵孔尺寸，在此基礎上進一步調整Ja分布的均勻性。

圖3 不同r的Ja分布圖

2.2 陰柵距對發射性能的影響

圖4給出了r＝1.6 mm，其余初始結構參數不變時D1對Ia和s的影響。結果表明，D1對Ia和s的影響很大。隨著D1的增加，Ia和s均呈線性減小。當D1由0.2 mm 增加到0.8 mm 時，Ia由124.8 μA 減小到62.1 μA，s由2.16 mm 減小到1.55 mm。分析原因，由于柵極與陰極為同電位，形成浸沒物鏡結構。此時，柵極對陰極發射電子將起到聚焦作用，且D1越大，聚焦作用越強。因此，Ia和s隨D1增加而迅速減小。

圖4 Ia和s隨D1的變化曲線

圖5（a）～ （c）分別給出了D1為0.5、0.7 和0.8 mm 時的Ja分布。當D1較小（D1＝0.3 mm）時，Ja分布較均勻，Ja值較大；隨著D1增加，Ja分布的均勻性變差，且整體Ja值減小，如圖5（b）和5（c）所示。綜合考慮Ia和s，選定D1＝0.7 mm作為較佳的陰柵距參數。此時Ja分布仍呈現四周大、中間小的趨勢，差值較小，還需做進一步調整。

圖5 不同D1的Ja分布圖

2.3 柵極厚度對發射性能的影響

保持r＝1.6 mm，D1＝0.7 mm，Ia和s隨D2的變化趨勢如圖6所示。結果發現，D2對Ia和s的影響較小。如，當D2由0.1 mm 增加到0.3 mm 時，Ia由81.0 μA 減小到60.4 μA，s由1.78 mm 減小到1.52 mm。

圖6 Ia和s隨D2的變化曲線

圖7（a）～ （c）分別給出了D2為0.1、0.2 和0.3 mm時的Ja分布。仿真結果表明：D1由0.1 mm增加至0.3 mm，Ja分布均為中間小、四周大。當D2接近0.2 mm時，Ja分布均勻性較好；但是，當D2增加至0.3 mm時，Ja的均勻性劣化。故選擇D2＝0.2 mm作為最佳的柵極厚度參數。

圖7 不同D2的Ja分布圖

2.4 柵極電壓對發射性能的影響

在確定了電子槍的各結構參數后，嘗試改變Ug，以提高Ja分布的均勻性。分別取Ug＝-1，0，1 V 3種情況模擬，結果如圖8所示。

當Ug＝-1 V時，柵極電位降低，從陰極發射出的電子受到排斥，限制了電子的發射，導致Ia減小，束斑尺寸減小，Ja分布的均勻性較差。當Ug＝1 V時，由于柵極電位增高，從陰極發射出的電子受到加速，促進了電子的發射，導致陽極電流增大，但束斑較為發散。綜合考慮束斑質量及電子槍接線和裝配的可實施性，最終取Ug＝0 V。

圖8 Ia和s隨Ug的變化曲線

2.5 仿真結果

通過選擇合適的柵極內徑、陰柵距等參量，在保證陽極束斑尺寸和陽極電流滿足XPS要求的前提下，得到了XPS中和電子槍的最佳結構與電位參數，見表1。電子槍的聚焦能力主要取決于柵極孔徑及陰柵距離。當柵極內徑為1.6 mm，陰柵距為0.7 mm時，出現理想的電子束聚焦，此時的陽極電流及束斑尺寸符合設計要求，陽極束斑尺寸為1.64 mm×1.64 mm，陽極電流大小為70.1 μA。

表1 仿真所得的最佳電子槍參數

此時最佳電子束軌跡如圖9所示，可見，在最佳結構參數下，柵極對電子束會聚作用較為理想，電子束幾乎呈平行電子注，滿足設計要求。

圖9 最佳電子束軌跡

3 結 語

中和電子槍是XPS系統的關鍵組成部件之一。本文利用計算機軟件，建立了簡單易行的仿真教學實驗方案。通過軟件OPERA，初步設計了一種基于XPS的六硼化鑭中和電子槍，實現了對電子槍的陽極束斑和陽極電流的模擬。通過觀察陽極電流值，束斑尺寸和電子束運動軌跡等仿真結果，學生在實驗過程中可以深入掌握中和電子槍的結構與基本特性，為其在以后的學習打下堅實的基礎。在教學過程中，教師可以指導學生分別調節柵極孔徑、陰柵距等結構參數，探索它們對于電子槍發射能力的影響。