基于XPS的中和电子枪仿真实验

王小菊， 吕一帆， 祁康成， 任 帅， 陆荣国， 陈德军

（电子科技大学光电科学与工程学院，成都610054）

0 引 言

自伦琴发现X射线以来，X射线分析技术得到了快速发展［1-4］。作为材料研究领域的一种基本方法，X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）分析得到了人们的普遍关注和应用。通过测量电子能量，XPS可以提供元素定性、定量分析和化学态信息［5-8］，且表面灵敏度高。目前，国内高校的材料专业几乎都开设了与XPS相关的材料分析课程。

XPS的X射线源以单色X射线为主。单色X射线源的主要缺点是当待测样品为绝缘体时，样品表面容易出现荷电效应。即当X射线照射在绝缘样品表面时，根据光电效应，样品表面会发射光电子而在表面留下正电荷，导致测试出的结合能远远高于实际值。为了消除荷电效应，需要给XPS设备配置电子枪。

计算机仿真可以在实验开展前，初步探讨器件结构、材料等因素对其特性的影响，一定程度上可预测器件性能，因此现阶段虚拟仿真得到了各高校实验室建设的高度认可。本文采用仿真模拟软件Opera（Operating environment for Electromagnetic Research and Analysis）对XPS中和电子枪的结构和电子发射情况进行模拟。通过仿真，学生能够掌握电子枪的基本结构、参数和分析方法，了解XPS分析技术。在此基础上，学生的科研素养与仿真能力可以得到有效提高。

1 模拟平台以及物理模型的建立

Opera是全球最先进的电磁设备有限元仿真分析软件之一。使用Opera软件进行中和电子枪的仿真，可以实现电子枪模型尺寸的参数化，可以反复设计，更改仿真模型的参数，在仿真精准度和优化设计方面具有很大的优势［9-12］。

本文要求设计的XPS中和电子枪性能指标如下：① 阳极电流Ia≥50 μA；② 阳极电流分布均匀；③ 束斑为方形，边长a≤2 mm。根据电子光学系统理论，初步设计出如图1所示的电子枪结构。该电子枪由阴极、栅极和阳极组成。初始参数为：阴极发射面为0.9 mm×0.9 mm的矩形面；栅极为空心圆筒状，中心孔直径2×r＝1 mm（r为孔半径）；阴极和栅极间距离D1＝0.3 mm；栅极厚度D2＝0.2 mm；栅极电压Ug＝0 V；阳极电压Ua＝30 V，阳极与阴极间距离L＝3 mm。

在电子枪的设计中，阴极材料是电子枪性能可靠性和寿命的关键，不同的电真空器件对于阴极材料的要求不同。对于XPS电子枪来说，阴极发射材料需要具备下列性质：熔点高、蒸发率小；化学性质稳定、抗离子轰击能力强；逸出功低、发射效率高、发射电流密度大；良好的机械性能。六硼化镧（LaB6）熔点高达2 210℃，逸出功仅为2.4～3.4 eV，化学性质极其稳定，常温下不与酸碱发生反应（硝酸除外），且可长时间暴露大气［13-16］。因此，相对于传统的商用钨材料，LaB6更符合XPS电子枪对阴极材料的要求。本文选择LaB6作为仿真实验中的阴极材料。

图1 XPS电子中和枪物理模型

2 电子枪的结构数值仿真

2.1 栅极孔径大小对发射性能的影响

图2给出了初始参数不变，阳极束斑尺寸a和阳极电流（Ia）随栅孔半径（r）的变化趋势。随着r的增大，Ia和a呈线性增加。当r由0.6 mm增加到2.4 mm 时，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，随着r增大，栅极屏蔽作用减弱，阴极有效发射面积增大，极间电流随之增大。另一方面，r增大使电子束会聚能力变差，束腰位置向阳极靠近，a随之增大。

图2 Ia和s随r的变化曲线

图3（a）～（c）分别给出了r＝1.0、1.6 和2.2 mm时的阳极电流密度（Ja）分布。分析仿真结果，当r较小时（见图3（a）），边缘电子束会聚作用很强，阳极处呈现中间电流密度小，四周电流密度大的情况。比较图3（b）和（c）可以看出，当r＝2.2 mm 时，Ja分布的不均匀性相对于r＝1.6 mm时显著增大。因此，综合考虑阳极电流和束斑质量，初步选定r＝1.6 mm为较佳的栅孔尺寸，在此基础上进一步调整Ja分布的均匀性。

图3 不同r的Ja分布图

2.2 阴栅距对发射性能的影响

图4给出了r＝1.6 mm，其余初始结构参数不变时D1对Ia和s的影响。结果表明，D1对Ia和s的影响很大。随着D1的增加，Ia和s均呈线性减小。当D1由0.2 mm 增加到0.8 mm 时，Ia由124.8 μA 减小到62.1 μA，s由2.16 mm 减小到1.55 mm。分析原因，由于栅极与阴极为同电位，形成浸没物镜结构。此时，栅极对阴极发射电子将起到聚焦作用，且D1越大，聚焦作用越强。因此，Ia和s随D1增加而迅速减小。

图4 Ia和s随D1的变化曲线

图5（a）～ （c）分别给出了D1为0.5、0.7 和0.8 mm 时的Ja分布。当D1较小（D1＝0.3 mm）时，Ja分布较均匀，Ja值较大；随着D1增加，Ja分布的均匀性变差，且整体Ja值减小，如图5（b）和5（c）所示。综合考虑Ia和s，选定D1＝0.7 mm作为较佳的阴栅距参数。此时Ja分布仍呈现四周大、中间小的趋势，差值较小，还需做进一步调整。

图5 不同D1的Ja分布图

2.3 栅极厚度对发射性能的影响

保持r＝1.6 mm，D1＝0.7 mm，Ia和s随D2的变化趋势如图6所示。结果发现，D2对Ia和s的影响较小。如，当D2由0.1 mm 增加到0.3 mm 时，Ia由81.0 μA 减小到60.4 μA，s由1.78 mm 减小到1.52 mm。

图6 Ia和s随D2的变化曲线

图7（a）～ （c）分别给出了D2为0.1、0.2 和0.3 mm时的Ja分布。仿真结果表明：D1由0.1 mm增加至0.3 mm，Ja分布均为中间小、四周大。当D2接近0.2 mm时，Ja分布均匀性较好；但是，当D2增加至0.3 mm时，Ja的均匀性劣化。故选择D2＝0.2 mm作为最佳的栅极厚度参数。

图7 不同D2的Ja分布图

2.4 栅极电压对发射性能的影响

在确定了电子枪的各结构参数后，尝试改变Ug，以提高Ja分布的均匀性。分别取Ug＝-1，0，1 V 3种情况模拟，结果如图8所示。

当Ug＝-1 V时，栅极电位降低，从阴极发射出的电子受到排斥，限制了电子的发射，导致Ia减小，束斑尺寸减小，Ja分布的均匀性较差。当Ug＝1 V时，由于栅极电位增高，从阴极发射出的电子受到加速，促进了电子的发射，导致阳极电流增大，但束斑较为发散。综合考虑束斑质量及电子枪接线和装配的可实施性，最终取Ug＝0 V。

图8 Ia和s随Ug的变化曲线

2.5 仿真结果

通过选择合适的栅极内径、阴栅距等参量，在保证阳极束斑尺寸和阳极电流满足XPS要求的前提下，得到了XPS中和电子枪的最佳结构与电位参数，见表1。电子枪的聚焦能力主要取决于栅极孔径及阴栅距离。当栅极内径为1.6 mm，阴栅距为0.7 mm时，出现理想的电子束聚焦，此时的阳极电流及束斑尺寸符合设计要求，阳极束斑尺寸为1.64 mm×1.64 mm，阳极电流大小为70.1 μA。

表1 仿真所得的最佳电子枪参数

此时最佳电子束轨迹如图9所示，可见，在最佳结构参数下，栅极对电子束会聚作用较为理想，电子束几乎呈平行电子注，满足设计要求。

图9 最佳电子束轨迹

3 结 语

中和电子枪是XPS系统的关键组成部件之一。本文利用计算机软件，建立了简单易行的仿真教学实验方案。通过软件OPERA，初步设计了一种基于XPS的六硼化镧中和电子枪，实现了对电子枪的阳极束斑和阳极电流的模拟。通过观察阳极电流值，束斑尺寸和电子束运动轨迹等仿真结果，学生在实验过程中可以深入掌握中和电子枪的结构与基本特性，为其在以后的学习打下坚实的基础。在教学过程中，教师可以指导学生分别调节栅极孔径、阴栅距等结构参数，探索它们对于电子枪发射能力的影响。