二次电子发射系数的光电测试方法研究

杜威志，王多书，李晨，张玲，王济洲，董茂进

（1.中国科学技术大学，安徽合肥 230000；2.兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，甘肃兰州 730000）

二次电子发射系数的光电测试方法研究

杜威志1，王多书2，李晨2，张玲2，王济洲2，董茂进2

（1.中国科学技术大学，安徽合肥 230000；2.兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，甘肃兰州 730000）

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。

二次电子；发射系数；氧化镁；光电测试；方法

0 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[1]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提高有限。1940年H.Salow等[2]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[3]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。

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。

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。测试在高于5×10-5Pa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。

图1 二次电子发射系数光电测试装置图

2 测试实验及结果分析

采用该方法进行了氧化镁薄膜二次电子发射系数、电子倍增器增益及使用寿命进行实验测试。

2.1 氧化镁薄膜二次电子发射系数测试。

试验过程中，氧化镁薄膜采用磁控溅射方法制备。将真空室抽至5×10-5Pa以上，首先测试入射电流。高压源负极接a号线，并连接R1（1 MΩ），R1另一端接地，R1电压即为光电阴极电压。静电计输入端接b号线（内接收集装置），输出端接地。改变高压源电压，可测得不同光电阴极电压对应的入射电流，由于收集装置是零电位，因此由光电阴极电压可计算得到入射电子能量。其次测试氧化镁薄膜样品的二次电子发射系数。在上述回路中接入R2（1 MΩ）与R1串联，R2一端接电源正极并接地，另一端接样品并与R1相连。收集极置于样品附近，并与静电计输入端相连，静电计输出端接地。按照测试入射电流过程中改变高压源电压的方式，可依次测出不同电压下的收集极电流，并结合两次测试结果可计算得到不同入射电子能量下的二次电子发射系数。测试结果如表1所示。

表1可以看出，氧化镁二次电子发射系数δ随入射电子能量E变化趋势与绝缘体δ-E变化趋势相似。

由于入射电子是光电子，从光电阴极逸出时能量很小，约几个eV，因此可以认为入射电子能量全由加速电场获得。

表1 氧化镁薄膜二次电子发射系数测试参数及结果

2.2 电子倍增器增益及寿命测试

对电子倍增器进行了增益测试试验。与样品测试过程相似，首先测试入射电流，方法与样品测试相同。其次测试电子倍增器收集极电流。如图1中，电子倍增器安装在样品台上，R1一端接高压源负极并通过a号线连接到光电阴极，另一端通过b号线与电子倍增器首打拿极相连，电子倍增器末打拿极通过c号线与高压源正极连接，收集极通过d号线与静电计连接并接地。通过改变R1阻值，可以改变光电阴极电压。验参数及结果如表2所示。

表2可以看出，随着工作电压增大，电子倍增器增益逐渐增大，开始增加缓慢，电压超过1 700 V以后，增加迅速，与通常的盒栅式倍增器测试结果相似。

表2 电子倍增器增益测试参数及结果

光电阴极电压低于130 V时，入射电流受本底噪声影响较大，未测试。

为了进一步验证该方法对于电子倍增器使用寿命的测试效果，对上述电子倍增器进行了寿命测试试验。电路连接方法同上，工作电压取2 300 V，在上述入射电流情况下，持续监测电子倍增器收集极电流，每隔1 h记录一次数据，并测算其增益，持续测试2天，实验参数如表3所列。

表3 电子倍增器寿命测试参数与结果

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。

参考资料：

[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 Sekundäre missions faktor elektronen-bestrahlter Isolatoren[J].Ztechn Phys，1940，21（8）:10-15.

[3]童林夙，雎江程.一个新的测量二次电子发射系数的实验方法[J].真空科学与技术，1984，4（6）：102-105.

[4]武兴建，吴金宏.光电倍增管原理、特性及应用[J].国外电子元器件，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文献识别码：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，主要从事凝聚态物理的研究。

E-mail：wzdu@mail.ustc.edu.cn