一种金属表面二次电子能谱分布测试方法与流程

本发明涉及二次电子能谱分布的测试领域，具体地，涉及一种金属表面二次电子能谱分布测试方法。

背景技术：

具有一定能量的电子束轰击固体材料时，材料表面会发射出电子，这种现象称为固体材料的二次电子发射现象。电子射入固体材料表面后，入射电子将与材料表层的晶格原子发生弹性和非弹性碰撞，在其射程范围内激发出大量的次级电子，这些次级电子被晶格原子散射后扩散至表面，克服表面势垒逸出后成为材料发射出的二次电子。根据二次电子发射的物理机理，材料表面发射出的二次电子按照能量分布主要可以分为能量较低的从材料表面晶格原子激发出的真二次电子、能量等于入射电子的弹性散射电子，以及能量在这两者之间的由入射电子经过多次散射后射出表面的非弹性散射电子，从二次电子能谱分布来看，能量小于50ev的真二次电子占比超过80％。金属材料表面的二次电子发射特性是粒子加速器、航天器、高功率微波器件、电真空器件等众多领域普遍关心的一种重要的材料表面特性，其中的某些金属部件表面的二次电子发射和倍增会对这些装置和器件的性能产生不利影响，对相关金属材料表面做改性处理来抑制金属表面的二次电子发射，是解决这些问题的重要途径之一，目前已得到较多研究和应用的金属二次电子发射特性改性方法主要包括表面镀膜、表面刻蚀、表面辐照等。由于真二次电子的数目占了大部分，如果某种改性方法可以大幅减少金属材料表面发射出的真二次电子，则可以有效地抑制金属表面的二次电子发射，为此，准确测定金属材料样品改性前后二次电子能谱分布的变化，将为评估二次电子发射抑制改性效果提供有效的评估依据。

技术实现要素：

本发明的目的在于实现上述金属材料表面二次电子发射特性改性效果评估对金属材料二次电子发射能谱分布的测试需求，准确测定不同入射电子能量下，金属材料样品表面发射出的二次电子的能谱分布。

本发明的目的通过以下技术方案实现：采用双层栅网球形二次电子收集器收集金属材料样品表面发射出的二次电子，通过调节与偏压栅网连接的负直流电源的输出电压，对二次电子进行能量甑选，测得二次电子信号随负偏压的变化曲线，进而得到二次电子能谱分布曲线。

本申请提供了一种金属表面二次电子能谱分布测试方法，应用于双层栅网球形二次电子收集器中，所述方法包括：

进行二次电子能谱测试时，先使超高真空腔内的真空度优于1×10^-7pa，脉冲电子枪经过充分时间的预热发射电流稳定后，开始进行测量；

设定好电子枪输出电子能量e，首先测定全部二次电子信号流强，球形偏压栅网上接0v偏压，脉冲电子枪发射出脉宽10μs的脉冲电子束，打到样品表面，此时收集极将接收到全部二次电子信号，幅度记为i0；

然后在球形偏压栅网上加幅度为-u的负偏压，则能量低于eu的二次电子将被栅网偏压阻挡而不能到达收集极，此时测得的信号幅度为iu，则能量低于eu的二次电子所占的比例可表示为pu＝iu/i0改变负偏压电源的输出电压，可以得到二次电子信号随负偏压的变化曲线，其中栅网偏压的取值范围为0v至e/e之间；

对pu取u的导数即可得到二次电子的能谱分布p(e)：

求得样品的二次电子能谱分布曲线和真二次电子峰局部曲线；

改变电子枪输出电子能量，重复上述测试流程，则可以测定不同入射电子能量下二次电子能谱分布曲线；

对于某种金属表面二次电子发射特性改性，通过真二次电子峰的变化来对改性效果进行评估；

改变被测样品在样品测试载台上的安装角度，按照上述测试流程，在一定角度范围内，可以测量金属材料样品二次电子能谱分布随电子入射角度的变化曲线。

双层栅网球形二次电子收集器由内部的两层几何透过率达到90％的球形栅网，以及外部的两层球形电极组成，每层栅网和球形电极均由上下两个半球组合成一个球体；上半球的顶部开有入射电子枪导管插入孔，用于导入入射电子束，下半球的底部开有样品测试载台插入孔，用于将被测样品通过样品测试载台送入二次电子收集器中心；由上下半球构成的球形二次电子收集极可以接收到样品表面发射出的各个方向的二次电子，接收效率高；两层栅网与两层电极之间彼此绝缘，内层栅网接地，用于屏蔽偏压栅网引入的电场，避免偏压电场影响二次电子从样品表面发射出来，并为二次电子提供自由漂移空间；外层栅网接可调电压的负电压源，对能够通过外层栅网的二次电子进行能量筛选，从而测定二次电子的能谱分布；球形二次电子收集极的内表面做镀金处理，外表面接外敷绝缘层的信号引出线，该信号引出线与最外层接地电极上安装的sma同轴接线座相连，通过特征阻抗为50ω的同轴信号传输线将被测信号传输至i/v放大器；被测信号接入i/v放大器前先通过100v偏压电源，通过该偏压电源在二次电子收集极上施加100v静电压，将被到达二次电子收集极表面的二次电子所打出的三次电子抑制住，使得三次电子不能逸出二次电子收集极表面，造成被测信号的损失；最外层接地电极的上半球靠近赤道面附近开有两个孔，外敷绝缘层的导线穿过一个孔将偏压连接到偏压栅网，另一个孔上方安装一个sma同轴接线座，使得被测信号从被接收到开始即在同轴线中传输；sma接线座内部预留一段空腔，以便视测试需求接入电阻、电感元件对二次电子收集器和同轴信号传输电缆进行阻抗匹配，以减小短脉冲信号的失真；实验测试过程中，当电子枪导管和样品测试载台均插入双层栅网球形二次电子收集器时，最外层的接地电极可以较好地将内部结构屏蔽起来，避免二次电子收集极接收空间耦合噪声从而对被测信号产生干扰；当被测样品以与水平面呈一定角度的状态安装到样品测试载台上时，使用双层栅网球形二次电子收集器将可以测得不同电子入射角度下的二次电子能谱分布。

为实现上述发明目的，本申请提供了

(1)可以通过栅网偏压对金属材料样品表面发射出的二次电子进行能量甑选；

(2)可以通过测定二次电子信号随负偏压的变化曲线，从而得到二次电子能谱分布曲线；

(3)在一定角度范围内，可以测量金属材料样品二次电子能谱分布随电子入射角度的变化曲线；

(4)可为金属材料表面二次电子发射特性改性效果提供评估依据。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为双层栅网球形二次电子收集器工作时与电子枪和样品载台的位置关系图；

图2为双层栅网球形二次电子收集器工作时信号测试回路示意图；

图3为无氧铜样品的二次电子信号随负偏压的变化曲线；

图4为无氧铜样品的二次电子能谱分布测试曲线；

图5为无氧铜样品二次电子能谱真二次电子峰；

其中：1.接地栅网；2.偏压栅网；3.二次电子收集极；4.接地屏蔽电极。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，为双层栅网球形二次电子收集器工作时与电子枪和样品测试载台的位置关系图，双层栅网球形二次电子收集器由两层栅网加两层电极组成，最内层栅网1为接地栅网，用于屏蔽栅网偏压，防止栅网偏压对电子出射过程产生影响；第二层栅网2为偏压栅网，用于连接负偏压电源，对二次电子进行能量甑选；第三层电极3为二次电子收集极，用于接收二次电子信号；最外层电极4为接地屏蔽电极，用于屏蔽空间耦合干扰信号对被测脉冲二次电子信号的干扰；双层栅网球形二次电子收集器的顶部开有电子腔插入孔，底部开有样品测试台插入孔；电子枪前端的电子枪插入导管通过陶瓷套筒插入双层栅网球形二次电子收集器内部，导管出口与接地栅网平齐，以便电子枪发射出的电子可以直接打到样品表面，而不会在穿越电极和栅网的过程中产生电子损失；样品测试载台从底部插入双栅网球形二次电子收集器内部，被测样品位于双栅网球形二次电子收集器的中心。

如图2所示，为双层栅网球形二次电子收集器工作时信号测试回路示意图，偏压栅网上接输出电压可调节的负偏压电源，对能够穿越栅网的二次电子进行能量甑选；当该栅网加0v偏压时，穿过内层接地栅网的所有二次电子除了被偏压栅网阻挡的部分，都能穿过偏压栅网到达二次电子收集极被接收；当该栅网加-u偏压时，穿过内层接地栅网的二次电子中，能量小于eu的二次电子将被栅网偏压减速直至反向运动回到样品上而不能穿过偏压栅网到达二次电子收集极；在二次电子信号测试回路中，接入+100v偏压，对二次电子收集极表面在二次电子碰撞下发射出的三次电子进行抑制，使得二次电子信号能全被收集极接收到。

双层栅网球形二次电子收集器、电子枪、样品测试载台整体位于超高真空腔内，被测信号通过同轴线从真空腔体中引出，在腔体外经过偏压和i/v放大器后由采集卡或者示波器采集；进行二次电子能谱测试时，先使超高真空腔内的真空度优于1×10^-7pa，脉冲电子枪经过充分时间的预热发射电流稳定后，开始进行测量；设定好电子枪输出电子能量e，首先测定全部二次电子信号流强，偏压栅网上接0v偏压，脉冲电子枪发射出脉宽10μs的脉冲电子束，打到样品表面，此时收集极上得到的测试信号即为全部二次电子信号，信号幅度记为i0；然后在偏压栅网上加幅度为-u的负偏压，则能量低于eu的二次电子将被栅网阻挡而不能到达收集极，此时测得的信号幅度为iu，则能量低于eu的二次电子所占的比例可表示为pu＝iu/i0，改变负偏压电源的输出电压，可以得到如图3所示的二次电子信号随负偏压的变化曲线，其中栅网偏压的取值范围为0v至e/e之间；对pu取u的导数即可得到二次电子的能谱分布p(e)，实际测试过程中按照负偏压的取值，p的求法为：

按照(1)式可以求得样品的二次电子能谱分布曲线如图4所示，其中的真二次电子峰局部曲线如图5所示。改变电子枪输出电子能量，重复上述测试流程，则可以测定不同入射电子能量下二次电子能谱分布曲线；由图4和图5所示曲线的测试结果可知，样品表面发射出的二次电子中，大部分都是能量低于50ev的真二次电子；对于某种金属表面二次电子发射系数改性方法，本发明的测试方法可通过真二次电子峰的变化来对改性效果进行评估；改变被测样品在样品测试载台上的安装角度，按照上述测试流程，在一定角度范围内，可以测量金属材料样品二次电子能谱分布随电子入射角度的变化曲线。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。