二次电子产额影响因素的研究进展

二次电子发射现象在显微分析、电子倍增、航空航天、高压输电和粒子加速器等中广泛存在,因此开展二次电子的相关研究具有重要的应用价值。本文首先介绍了二次电子的相关背景;随后从入射电子与材料相互作用到最终二次电子产额测量的全过程出发,将影响二次电子产额的因素分成了入射电子性质、材料属性、样品表面状态、测试条件与方法四个大类,并对其进行了文献调研和综合分析;最后总结了目前研究取得的进展,梳理了相关规律,指出了存在的不足之处,探讨了该领域可能的发展趋势。

金属规则表面形貌影响二次电子产额的解析模型

表面形貌是影响二次电子发射特性的重要因素,但目前仍缺乏刻画这一影响规律的解析模型.本文通过分析发现表面结构的遮挡作用是影响二次电子发射特性的主要因素.基于二次电子以余弦角分布出射的规律,提出了建立表面形貌参数与二次电子产额之间定量关系的方法,并以矩形槽和三角槽为例,建立了电子正入射和斜入射时的一代二次电子产额的解析模型.将推导的解析模型与Monte Carlo模拟结果和实验结果进行了比较,结果表明本文建立的模型能够正确反映规则表面形貌的二次电子产额.本文的模型对于反映常用规则结构影响二次电子出射的规律以及指导通过表面结构调控二次电子发射特性都具有参考价值.

材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增的影响

采用蒙特卡罗抽样与粒子模拟相结合的方法,数值研究了材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增瞬态演化及饱和特性的影响.研究发现:随着材料二次电子产额的增加,二次电子增长率以及稳态二次电子数目和振幅均呈现增加的趋势,放电电流起振时间逐步缩短,稳态电流幅值以及放电功率平均值和振幅值均呈现逐步增加并趋于饱和的规律,沉积功率波形延时以及脉宽呈现逐步增加并趋于饱和的趋势.粒子模拟给出了高/低二次电子产额情况下的电子相空间分布、电荷密度分布、平均碰撞能量、平均二次电子产额、二次电子数目和放电电流的细致物理图像.模拟结果表明:高二次电子产额材料,饱和时更倾向趋于单边二次电子倍增类型分布;低二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性由空间电荷场的"去群聚"效应和"反场"效应同时决定,而高二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性则主要是由发射面附近的强空间电荷场"反场"效应决定的.

加速器真空室常用材料二次电子产额的测量

通过电子枪的优化设计、测量电路的设计以及测量方法的选择,成功设计了一种加速器真空室常用材料二次电子产额的测量装置。用此系统测量了原电子能量在0～3 keV时不锈钢、无氧铜、TiN膜等材料的二次电子产额,某些相同材料的测量结果与国内外资料相近似。实验结果可为新一代加速器真空室的设计以参考,对于国内在此领域的深入研究有一定的借鉴意义。

矩形槽二次电子产额的解析模型

二次电子发射现象由于在现代分析仪器及微波器件中的重要影响,一直以来是物理电子领域研究的基础和重点。表面形貌是影响材料二次电子发射特性的关键参量,但目前对于金属二次电子产额(secondary electron yield,SEY)与表面形貌之间的定量关系研究尚十分欠缺。矩形槽结构由于具有显著降低二次电子产额的特性,是加速器、高功率微波源等广泛应用的抑制结构,文章分析了表面结构特征对二次电子出射的遮挡作用和再入射过程,从理论上推导了电子正入射矩形槽结构时的二次电子产额。通过Monte Carlo模拟和实验结果的对比,所获得的解析模型均能很好的与仿真结果和实验结果相吻合。

一种激光刻蚀降低二次电子产额的方法

空间大功率微波器件受空间环境因素的影响,易于发生微放电效应导致器件性能退化甚至失效。二次电子产额(Secondary Electron Yield,SEY)大于1是诱导空间材料表面微放电效应发生的根本条件之一。在材料表面制备微纳结构能有效抑制SEY,从而降低器件在空间环境中发生微放电的风险。激光加工可操作性强、灵活度高,可用于构建材料表面微米结构。本文使用1064 nm红外激光器在铝合金镀银样品表面制备单元尺寸为百微米的圆孔阵列和沟槽阵列,使用磁控溅射在样品表面分别覆盖200 nm银和72 nm铁氧体。SEY测试结果表明,银表面δmax(SEY峰值)从1.932降至0.868,铁氧体表面δmax从2.672降至1.312。实验证明激光加工制备的微米结构能大幅降低材料表面SEY,从而有效降低材料表面发生微放电的风险。

球形收集极结构的二次电子产额测量装置及测量方法

为了精确测量材料在不同入射电子能量和入射电子角度下的二次电子产额(secondary electron yield,SEY)以及二次电子能谱,研制了收集极为球形结构的SEY测量装置。首先介绍了装置的构成、测量原理及中和方法,并对测得的信号波形进行了分析。随后,测量了Cu材料和Al_(2)O_(3)薄膜材料的SEY值和二次电子能谱。结果表明:不同入射电子能量下SEY值的标准偏差分别小于0.055(Cu)和0.126(Al_(2)O_(3));不同入射电子角度下SEY值与理论模型符合的很好,拟合R^(2)值为0.99864(Cu);出射的二次电子能量绝大部分集中在10 eV(Cu)和20 eV(Al_(2)O_(3))以下,符合相关理论预期。

真空室材料二次电子产额特性研究

设计了针对加速器真空室材料样品的二次电子产额测试装置.对测试装置的设计及测试过程进行了详细介绍,并给出了常见真空室材料的二次电子产额测试结果以及不锈钢材料在经过镀TiN薄膜处理前后的测试对比结果,分析了影响二次电子产额的一些因素,为真空室的表面处理提供了依据.

大气贮存对激光刻蚀铜二次电子发射的影响

粒子加速器的工作性能受电子云效应的严重影响,二次电子产额(Secondary electron yield,SEY)是评判电子云效应的重要参数。利用激光刻蚀技术加工真空室内表面可以有效抑制真空室内二次电子发射,缓解电子云效应。无氧铜材料凭借其高电导率、高热导率和良好的辐射屏蔽性能成为建造新一代粒子加速器真空室的首选材料。由于粒子加速器真空室的建造周期长,在其制造、安装、调试过程中,刻蚀部件将不可避免地面临长期储存的问题。为研究大气贮存对刻蚀部件二次电子发射的影响,文章采用激光刻蚀技术对无氧铜材料进行表面处理,测试并分析刻蚀前后样品的表面特性与SEY。在样品贮存期间,定期对刻蚀样品进行SEY测试。结果表明,随着贮存时间的延长,刻蚀无氧铜的SEY逐渐升高。表面化学状态的变化是造成SEY上升的主要原因。文章将为未来加速器的真空室表面处理提供一种可行方法,为激光刻蚀部件的贮存方法提供实验支撑。

磁控溅射铂抑制镀银表面的二次电子发射

降低表面的二次电子产额是抑制微波部件二次电子倍增效应和提升功率阈值的有效途径之一,目前主要采用在表面构造陷阱结构和沉积非金属薄膜的方法降低二次电子产额,其缺点是会改变部件的电性能.针对此问题,采用在表面沉积高功函数且化学惰性的金属薄膜来降低二次电子产额.首先,采用磁控溅射方法在铝合金镀银样片表面沉积100 nm铂,测量结果显示沉积铂后样片的二次电子产额最大值由2.40降至1.77,降幅达26%.其次,用相关唯象模型对二次电子发射特性测量数据进行了拟合,获得了在40-1500 eV能量范围内能够准确描述样片二次电子产额特性的Vaughan模型参数,以及在0-50 eV能量范围内能够很好地拟合二次电子能谱曲线的Chung-Everhart模型参数.最后,将获得的实验数据和相关拟合参数用于Ku频段阻抗变换器的二次电子倍增效应功率阈值仿真研究,结果表明通过沉积铂可将部件的功率阈值由7500 W提升至36000 W,证实了所提方法的有效性.研究结果为金属材料二次电子发射特性的研究提供实验数据参考,对抑制大功率微波部件二次电子倍增效应具有参考价值.

高性能多功能介质二次电子发射特性研究平台

介绍了一套高性能多功能介质二次电子发射特性研究平台和介质材料二次电子产额脉冲测量方法。该平台配备有三层栅网结构的收集器和30 eV^30 keV宽能量范围的电子枪,可在10-8 Pa超高真空下测量介质材料的二次电子发射特性,并具备XPS能谱分析、加热和氩离子溅射清洗原位处理分析功能。给出了测得的金和氧化铝材料的二次电子电流脉冲,通过判断电流脉冲波形随时间以及照射次数的变化,获得了介质材料带电饱和时间及材料厚度对带电量的影响。

三维规则形貌影响下的二次电子发射特性研究

通过人工加工出特定的表面形貌来调控材料的二次电子发射特性已在诸多领域得到应用。规则表面形貌易于揭示抑制规律和影响机制对二次电子发射特性的影响,同时采用光刻、等离子刻蚀等工艺可以较好地实现特定设计的规则形貌,因此,在抑制微放电的研究初期或原理性试验验证过程中多采用定制的规则表面形貌。基于提出的电子与表面形貌相互作用的多代模型,以三维圆柱孔为例,采用蒙特卡罗方法系统研究了三维规则表面形貌的深宽比、占空比等参量影响二次电子产额、二次电子能谱以及出射角分布的规律。研究发现:规则形貌的深宽比越大,能谱展宽越强烈,形貌对出射角的选择性越强,二次电子产额的抑制效果越好,但该抑制效果存在饱和效应。在形貌不发生交叠时,增加占空比,可有效降低二次电子产额,由于圆柱孔出射电子占比较少,二次电子能谱与出射角分布接近于平面。所获得的三维规则表面形貌的二次电子发射特性对于全面评估其对微放电效应的影响提供了参考。

低能电子束照射电介质样品的二次电子特性

为阐明低能电子束照射下电介质样品的二次电子电流及产额的动态特性,将蒙特卡洛法和有限差分法相结合,建立了较为准确的电子散射、俘获、输运和自洽场等过程的数值计算模型;采用一个改进二次电子检测实验平台,准确测量了二次电子电流.模拟和实验结果表明,相对于电子束脉冲照射模式,电子束连续照射会导致二次电子产额明显降低.在连续照射模式下,随着电子束照射,二次电子电流和产额逐渐减小至一个稳定值.二次电子产额受入射电子束电流的影响较小,但随样品厚度的增大而增大.本文结果为提高扫描电镜成像质量、降低带电效应提供了理论指导,而且提供了依据二次电子特性研究样品参数的新思路.

二次电子发射对质子束流测量精度的影响

二次电子发射直接影响法拉第探测器测量质子束流的精度,减小或消除二次电子发射的影响是提高束流测量精度的关键.根据二次电子补偿原理设计了二次电子补偿型同轴法拉第探测器,实验发现探测器测量质子束流强度时不能完全实现二次电子补偿.为改进和完善探测器的设计,从理论上分析了补偿片未能完全消除二次电子对束流测量影响的原因,是由于补偿片前向发射二次电子数目大于收集极后向发射二次电子数目所致.为此设计了质子束穿过金属箔发射二次电子测量装置,测量得到能量为5-10MeV 质子穿过10μm 厚铜箔时前向与后向发射二次电子产额,验证了理论分析的正确性.

无定形碳薄膜的二次电子发射特性研究

新一代粒子加速器向着高能量和高亮度方向发展,而储存环中的电子云效应极大地阻碍了粒子束的稳定性,是限制加速器进一步发展的主要制约因素。因此,对于新一代的高能粒子加速器来说,寻找低二次电子发射系数(SEY)的储存环真空室表面材料是至关重要的。研究发现,储存环真空室表面沉积无定形碳薄膜是一种很有潜力的加速器真空室表面处理方法。采用直流磁控溅射的方法,在管道表面沉积了高质量的无定形碳薄膜,并对二次电子发射特性进行了研究,发现在入射电子密度为1×10^(-8)C/mm^(-2)的条件下,薄膜的SEY为1. 132,说明无定形碳薄膜可以很好地降低二次电子发射,从而抑制电子云效应。

激光刻蚀不锈钢材料的二次电子发射特性研究

激光刻蚀是一种现代材料表面处理技术,近年来人们发现它可以有效地降低粒子加速器真空室材料表面的二次电子产额。欧洲核子研究中心已经将此方法应用到LHC对撞机亮度升级实验中。不锈钢是加速器真空室常用的结构材料,利用激光刻蚀不锈钢材料表面,通过扫描电子显微镜对样品表征,结果显示刻蚀之后材料表面存在则的沟壑结构。利用高精度二次电子特性参数测试仪测量刻蚀表面二次电子产额。发现刻蚀前后样品最大二次电子产额从2.71降低至0.89。

高导热低二次电子发射系数石墨/铜复合材料

随着电真空器件的发展,行波管面临着更高的热效应,其收集极受高能电子轰击成为发热最严重的部件之一,直接影响到行波管的工作寿命和稳定性,寻找高导热、低二次电子产额的行波管收集极材料至关重要。本文通过粉末冶金方法制备了一种高取向的石墨/铜复合材料,并对不同石墨含量的复合材料热导率和二次电子发射系数情况进行了研究,发现随着石墨含量的增加,复合材料热导率最大值可以达到733.2 W/(m·K),而二次电子发射系数则随石墨含量增加而减小,石墨含量50%(体积比)的复合材料最大二次电子发射系数为1.11。

材料二次电子发射特性及测量方法研究

当材料表面受到具有初始动能的粒子撞击时,会被激发出二次电子。二次电子发射特性广泛应用于各个领域,而在航天领域,二次电子发射系数与在地球同步轨道运行的航天器表面带电水平息息相关。为了更好地计算航天器表面带电电位,需要准确获取航天器表面材料的二次电子发射特性,因而二次电子发射特性研究以及二次电子发射系数测量显得尤为重要。基于二次电子从产生之时所经历的输运、逃逸等物理过程对二次电子发射理论进行了整理,并对目前国内外二次电子发射系数的测量方法及测量手段进行了综述。

负电子亲和半导体的二次电子发射

根据0.8 keV≤E_(pomax)≤5 keV的负电子亲和(negative electron affinity,NEA)半导体二次电子发射(secondary electron emission,SEE)的特性,初级电子产额R,现有的次级电子产额δ的通用公式和实验数据,分别推导并实验证明了NEA金刚石的δ在0.5 E_(pomax)≤E_(po)≤10 E_(pomax),GaN在2 keV≤E_(pomax)≤5 keV,NEA金刚石的δ在0.8 keV≤E_(po)≤3 keV,GaN在0.8 keV≤E_(pomax)≤2 keV的特殊公式;其中E_(pomax)为δ达到最大值时的E_(po),E_(po)为初级电子入射能。推导出了0.8 keV≤E_(pomax)≤5 keV时NEA半导体的内部二次电子到达发射极表面后逃逸到真空中的概率B。还提出了计算0.8 keV≤E_(pomax)≤5 keV NEA半导体1/α的方法;其中1/α为二次电子的平均逃逸深度。分析结果表明,B和1/α的理论研究有助于研究不同样品制备方法对NEA半导体中SEE的定量影响,从而生产出理想的NEA发射体,如NEA金刚石。

新型薄膜材料在电子倍增器中的应用研究

为了提高核探测、航空航天、国防和精密科学仪器等领域中传统电子倍增器的性能,使其在较低的工作电压和入射电子能量下实现高增益、低噪声、长寿命的目标,在材料制备、二次电子发射测试和电子倍增器性能优化等方面开展了大量研究工作。利用原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)技术研制了具有较高二次电子产额(secondary electron yield,SEY)的新型薄膜材料,研究了元素掺杂和表面修饰改善材料二次电子发射特性的方法,详细测试了薄膜材料的二次电子发射特性参数。利用ALD技术将新型薄膜材料成功应用于微通道板(microchannel plate,MCP)和单通道电子倍增器(channeltron electron multiplier,CEM)中,测试结果如下:相同工作电压下,镀膜后MCP组件的增益、单电子分辨率、峰谷比分别改善了约166%、17%和260%;对于单个CEM,镀膜前工作电压为2700 V时增益才能达到10^(8),而镀膜后1600 V下即可达到相同增益(工作电压降低了1100 V),并且其它各项参数(分辨率≤26%,累计拾取电荷量≥15.62 C)均得到改善。该研究成果在高增益、长寿命新型电子倍增器研制及其在荷电粒子与含能光子探测中的应用具有重要意义。