样品辐照电子源的研发
作者：文阅期刊网 来源：文阅编辑中心 日期：2022-08-26 09:01人气：
摘 要：为了研究地球早期环境和生命演化过程，设计制作了样品辐照电子源。电子通过热灯丝发射，能量通过阴极电压来调节，电子束斑尺寸通过静电透镜来调节。灯丝缠绕方式提高了发射电子的均匀性。根据理论分析和电磁软件仿真，确定了电子源阴极与控制极距离的参数。仿真结果显示，在能量为3.5 keV时聚焦电压越大束斑越小，在工作距离为150 mm时束斑直径可实现30 mm到50 mm之间可调。实验结果显示，该装置发射的电子束能量在1-5 keV之间连续可调；在工作距离为150 mm时，3.5 keV电子束的束斑直径可调，与仿真结果变化趋势一致，可产生20.8 μA电子束流。该电子源电子束密度充足，电子束斑尺寸可调。
关键词:电子枪;静电透镜;环境模拟;电子轨迹;
The Development of Sample Irradiated Electron Source
SHI Xiaoqian CHEN Xueying GUO Fangzhun
School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University
Abstract：
A sample irradiation electron source is developed for the purpose of study the early earth environment and life evolution process. The electrons are emitted by the hot filament, the electron energy is determined by the cathode voltage, and the electron beam spot size is determined by an electrostatic lens. The filament winding method increases the uniformity of electron emission. According to theoretical analysis and electromagnetic software simulation, the parameters of the distance between cathode and control pole is determined. The simulation results show that when the energy is 3.5 keV, the larger the focusing voltage, the smaller the beam spot. When the working distance is 150 mm, the beam spot diameter can be adjusted from 30 mm to 50 mm. The experimental results show that the energy of the electron beam emitted by the device is continuously adjustable between 1 and 5 keV. When the working distance is 150mm, the spot diameter of 3.5 KeV electron beam can be adjusted, which is consistent with the simulation results and can produce 20.8 μA electron beam. The electron beam density of the electron source is sufficient, and the size of the electron beam spot is adjustable.
Keyword：
Electron gun; Electrostatic lens; Environmental simulation; Electron beam trajectory;
电子是物质构成的基本粒子，也是物质性能调控和构造分析的重要手段[1]。电子的波粒二象性应用于晶体表面的原子排列分析，电荷特性应用于电子注入和绝缘材料（或半导体）的电荷中和[2,3,4,5,6,7]。1924年，德布罗意发现了物质波，得到了电子的能量和波长的关系[8]。用于透射电子显微镜（TEM）时，电子的能量在数万到数百万电子伏特之间，波长和原子尺寸接近，可直接观察到原子[9]。作为反射高能量电子衍射（RHEED）使用时，小角度掠射的电子能量在数万电子伏特，Ewald球和表面原子的倒易空间棒交叉而形成的衍射斑点可实时原位观察到表面的原子排列和振动信息。数十至数百电子伏特的电子则可以垂直照射样品表面，获得低能量电子衍射（LEED）图像[3,10]。在半导体产业中，根据需要会注入电子或带正电的离子。使用X射线或紫外线照射绝缘材料或半导体材料时，会因为光电效应而产生样品表面带正电，这时需要向样品表面照射电子而实现电荷的中和[4,11]。
以往的科研和产业应用中所需的电子能量分为数十至数百电子伏特和数万至数百万电子伏特两大类。中国地质大学在地球早期环境和生命演化过程的研究中，提出了采用1~5keV之间连续可调的电子枪辐照微生物粉末的实验研究，并要求阴极发射电流大于5mA且在工作距离为150mm时束斑直径在30mm到50mm之间可调。目前国内尚未有满足此要求的电子枪，基于此，本文研发了一种能量为5keV的样品辐照电子源。文中主要介绍了该电子源的工作原理、仿真模拟、结构设计和测试结果。
1 电子源的工作原理和设计
1.1 工作原理
电子的发射形式有场致发射、热发射、光电子发射和次级电子发射[12]。场致发射是靠外部施加强电场降低阴极表面势垒，因此阴极的大量电子被释放出来。热发射是给阴极加热，当温度高于材料功函数时，热电子被发射出来。热发射一般选用钨和钽作为阴极，饱和电流密度J0的满足理查德森定律[12]。场致发射相对热发射的主要优点是无需加热，但真空度需要达到极高真空度（10－8Pa以上）[13]，实现成本高。其他两种发射形式在电子源中用的较少，分析所研发的电子源用途，选用价格低廉的热发射方式即可满足要求。
一般电子枪由阴极、控制极和阳极三个电极组成，为实现束斑大小可控，故加入聚焦极（图1）。阴极通电加热后放出热电子，控制极的电压比阴极略低，与阴极形成阻滞场，可调控电子的发出量和使电子会聚在中心轴。阳极电压比阴极高，与阴极之间形成加速场可使电子向阳极方向运动[4]。聚焦极的电压在控制极和阴极之间，电压可调。阳极接地，阳极和阴极之间的电压差为电子的能量。
控制极和聚焦极可看成一组浸没透镜，从图2可以看出当V1＜V2电子是聚焦的。假设电子从左到右水平进入透镜场，先会聚焦后发散，由于电子一直处于加速过程，到达后面的发散部分电子具有较大的速度，场对电子的作用要比前段小，所以从整体看上去电子束被聚焦[14]。改变聚焦极的电压就可以改变场的分布，从而改变照射在样品表面的束斑尺寸。
1.2 设计
样品辐照电子源的设计要求：（1）束流大于10μA；（2）能量在1到5keV之间可调；（3）在工作距离为150mm时，束斑大小在30mm到50mm可调。根据大连交通大学自主研制的低能量电子枪的设计，再此基础上样品辐照电子源的整体构造不变，透镜部分尺寸和电压重新进行设计以达到设计要求。图3为电子源的核心构造图，阴极选用直径为0.2mm的钨丝，阴极采用将钨丝绕过灯丝支架的设计（如图3 View A示意）。灯丝两端固定在灯丝杆上，通过接线柱实现和电极的连接。阴极的结构相对低能量电子枪一根灯丝的结构增加了阴极发射面积，故在辐照样品时，该电子枪的电子发射均匀性相对提高。由于低能量电子枪的最高能量为500eV，现电子源最高能量为5keV，避免真空放电，控制极和聚焦极以及聚焦极和阳极距离各增加3mm。灯丝在控制极中，灯丝发出的热电子可在阳极加速场的作用下通过控制极。聚焦极的电压介于控制极和阳极电压之间，目的是使轴上电位沿轴变化缓慢，减少球差系数，电压大小可调并实现束斑可调的目的。各透镜开有凹槽用来放置陶瓷柱，一方面起到绝缘作用，另一方面固定各透镜距离。装配在弹簧底座和灯丝底座之间的弹簧对核心构造起到支撑和缓冲作用。电子源的核心构造通过四根陶瓷棒连接，陶瓷棒两端分别固定在支撑板和阳极上，可以起到支撑和绝缘的作用。电极焊接在标准的CF63刀口法兰上，可实现真空密封和实现通电的目的[15]。
按设计需求，电子源在工作距离为150mm时，束斑大小在30mm到50mm可调。利用CST（Computer Simulation Technology）仿真软件对电子源的电子光学系统进行分析[16]。将上述设计的电子源按实际尺寸和位置在软件中绘制，从右至左依次为阴极、控制极、聚焦极和阳极，所述各部件同轴，阴极简化成圆平面发射电子。材料设置为理想导电材料Perfect Electric Conductor（PEC）。CST对粒子发射器的仿真对网格要求比较高，采用自动生成的网格均匀，但密度较大，若全部加密就会导致计算时间过长。采用局部加密的方式既节约了运算时间也提高了实验精度，图4（a）为网格划分图。完成网格划分后，完成发射源的设置，阴极粒子发射形式为热发射，将钨的理查德森系数输入，发射距离设置为0.1mm，粒子发射数设置为920个。图4（b）是电子能量为3.5keV，阴极与控制极距离Da=1.5mm，控制极与阴极差50V和聚焦电压-2kV时电子运动轨迹图。在工作距离为150mm的位置建立粒子界面，可得到束斑直径为30mm，调整聚焦电压值，束斑直径在18mm到36mm之间可调。图4(c)为其他条件不变，改变阴极与控制极之间的距离Da值，调节聚焦极电压得到的最大束斑直径和最小束斑直径图。通过关系图可以得到Da值越大，束斑直径越大，调整的范围也增加，这是由于Da值越大焦点越靠近控制极，当Da=0时，控制极几乎对电子束聚焦不起的作用。综合考虑选取Da=2.5mm，此时样品表面束斑直径25mm到55mm之间可调。图4(d)为其他条件不变，Da=2.5mm时，样品处束斑直径和聚焦极电压的对应关系。随着聚焦电压的增加束斑直径减少，且在相同的电压间隔下聚焦电压越大束斑直径变化更明显。这是由于阳极接地电位不变，随着聚焦极电压的增加与阳极的电压差增加，电场强度增加导致电子受到的径向力更大，束班尺寸变化明显。
2 电子源的测试
电子源发射出来的电子束流和束斑尺寸采用束流检测器测试[17]。将装配好的电子源与束流检测器连接到真空腔体上，保证两者垂直，按照实际实验要求，距离设置为150mm。当真空度小于10-3Pa时，给灯丝通电加热，将聚焦电压和阴极电压等参数设置好，继续增加灯丝电流，连接束流检测器的电流表开始出现示数。驱动束流检测器记录下其在不同位置时的电流值，就可获得电子束的空间分布信息。在腔室压强为2×10-4Pa时，首先对灯丝电流以及阴极电压和电子束流的对应关系进行了测试。然后测试了电子束斑的空间分布，通过半最大值(full wave at half maximum，FWHM)方式[18]来评价束斑直径的大小。最后进行了电子束斑直径和聚焦电压之间的测试。
图5(a)阴极电压为-3.5kV、聚焦极为-2.4kV、控制极与阴极电压差为50V时的灯丝电流与电子束流的对应关系。随着灯丝电流的增大，电子束流呈指数关系增加，结果符合热电子发射的理查德森规律。当灯丝电流为达到3.3A时，电子束流值为20.8μA。对比低能量电子枪的测试结果[4]，两者在真空度一致，本文所研发的电子源的工作距离是低能量电子枪的五倍，得到的电子束流值仍大于其测试值。图5(b)为灯丝电流为3.2A、控制极与阴极电压差为50V时，阴极电压与电子束流关系曲线。可以看出阴极电压与电子束流成正比，阳极零电位，阴极电压决定电子能量。电子能量的增加使其有更大的自由行程，电子与残留气体分子散射后到达金属薄片的几率增加，电子束电流值增大。
图5(c)为阴极电压-3.5kV、灯丝电流为3.2A、控制极与阴极电压差为50V、聚焦电压为-2.4kV时，电子束流与空间分布的关系曲线。从测试结果可知，电子束斑对称分布，电子束电流最大值可达到10μA，束斑直径计算结果约为40mm。图5(d)为当阴极电压为-3.5kV、灯丝电流为3.2A、控制极与阴极电压差为50V时，聚焦极电压与电子束斑直径的关系曲线。从曲线可以看出，随着聚焦极电压的增大，电子束斑直径减小，束斑直径在30mm到50mm之间连续可调。实测结果与模拟结果变化趋势一致，在聚焦电压一定的情况下，实测的束斑直径比模拟结果稍大，产生这一结果的原因是仿真的结果较理想化。
3.结论
本文介绍的样品辐照电子源电子能量1~5keV之间连续可调。在工作距离为150mm时，3.5keV电子束的束斑直径为30mm到50mm之间连续可调，可产生20.8μA电子束流，对比大连交通大学团队研发的低能量电子枪束流远大于其测试值，且仿真结果与测试结果符合很好。该电子源的实际测试结果满足设计要求，已应用在中国地质大学微生物生态及地外环境模拟系统中。
参考文献
[1] 王之国. 人类发现的第一个基本粒子-电子[J]. 黑河科技, 2003(1):2
[2] 郭方准. 解说低能量/光电子显微镜(LEEM/PEEM)[J]. 物理, 2010(3):8
[3] 游燕, 臧侃, 郭方准. 国产高能量电子枪的研发[J]. 物 理, 2015,44(11):761-765
[4] 薛冬冬. 低能量电子枪的研发[D]. 大连交通大学, 2016
[5] Lo W J , Chung Y W , Kesmodel L L, et al. Ultraviolet Photoemission Studies of Acetylene and Ethylene Adsorptions on the Pt(111) Surface: Correlations with LEED Studies[J]. Solid State Communications, 2015, 22(6):335-337
[6] Terrazas C A, Gaytan S M, Rodriguez E, et al. Multi-material Metallic Structure Fabrication Using Electron Beam Elting[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 71(1-4):33-45
[7] 王岩, 赵伟霞, 邓晨晖,等. 二维混合结构网格电场数值模拟及其在低能电子枪设计中的应用[J]. 真空科学与技术学报, 2020(1):6
[8] 程民治, 朱仁义, 王向贤. M.德布罗意兄弟与20世纪物理学[J]. 现代物理知识, 2010(2):6
[9] 谢书堪.中国透射式电子显微镜发展的历程[J].物理,2012,41(6):401-406
[10] Irmikimov A , Pamasi L N , Hattori A N, et al. Atomically Architected Silicon Pyramid Single-Crystalline Structure Supporting Epitaxial Material Growth and Characteristic Magnetism[J]. Crystal Growth & Design, 2021, 21(2)
[11] 王小菊, 吕一帆, 祁康成,等. 基于XPS的中和电子枪仿真实验[J]. 实验室研究与探索, 2020, 39(2):4
[12] 林祖伦, 王小菊. 阴极电子学[M]. 国防工业出版社, 2013
[13] 陈青云. 碳纳米管冷阴极电子光学系统及返波管研究[D].电子科技大学,2020
[14] 华中一, 顾昌鑫, 电子光学[M].上海：复旦大学出版社,1993:108-115
[15] 臧侃,董华军,郭方准.国产氩离子枪的研发[J].物理,2014,43(1):49-53
[16] 叶禹豪, 左从进, 许海鹰,等. CST仿真技术在电子枪聚焦部件中的应用[J]. 航空制造技术, 2018, 61(9):5
[17] 薛冬冬,孙秀宇,游燕,等.低能量电子枪的研发[J].真空电子技术,2016(1):34-37
[18] 朱美强，石晓倩,唐瓦,等.高能量大束流氩离子枪的研发[J].核技术,2021 , 44(9):41-46
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