[發明專利]一種抑制二次電子發射的器件

有效

• 申請號: 201410507722.6
• 申請日: 2014-09-28
• 公開（公告）號: CN104241061B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 金成剛;黃天源;楊燕;楊東謹;胡一波;諸葛蘭劍;吳雪梅
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H01J1/14
• 分類號: H01J1/14
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司32224
• 代理人: 董建林

技術領域

本發明涉及一種抑制二次電子發射的器件。

背景技術

當具有一定能量或速度的電子轟擊材料表面時，會引起電子從被轟擊的材料表面發射出來，這種現象稱之為二次電子發射。轟擊材料的電子通常稱為入射電子，從被轟擊材料發射出來的電子則稱為二次電子，二次電子中也包括從材料表面上直接彈射回來的入射電子，二次電子的數目與入射電子的數目的比值稱為二次電子發射系數，常用δ來表示這個量。

二次電子發射在某些真空器件中會產生有害的作用。如在柵控電子管中, 柵極的二次電子發射會破壞電子管的正常工作特性。在高壓電子管中，二次電子發射會導致絕緣零件的擊穿。在超高頻管中，有二次電子共振現象。伴有二次電子發射的等離子體與壁相互作用（PWI）時，在等離子體中電子溫度大于20 eV的介質壁，以及大于50～100 eV的金屬壁情況下，受到強二次電子發射的影響：霍爾推進器和螺旋波等離子體推進器，高功率微波電子器件的空心陰極，微放電擊穿和表面放電，空間等離子體和塵埃等離子體，聚變等離子體以及射頻／直流偏壓的等離子體處理放電。來自懸浮壁的強二次電子發射能夠改變PWI和等離子體性質，強的二次電子發射能夠明顯增大從等離子體到壁的電子熱通量，從而導致：（1）壁加熱和蒸發；（2）等離子體冷卻乃至熄滅。等離子體與壁相互作用的強弱對等離子體參數有重要影響，鞘層特征參數(如鞘層電勢降) 直接控制著等離子體與壁面相互作用這一重要物理過程。足夠強的二次電子發射增強了電子沉積在器壁的能量損失，這是由于二次電子發射系數的增加減少了壁電勢，減少了沉積到壁的離子能量，卻增加了總能量在器壁的沉積。研究結果表明, 隨著二次電子發射系數的增大，壁電勢絕對值和鞘層厚度減小，鞘層中離子和電子數密度增加。理論模擬表明，存在強二次電子發射的鞘層消失，這樣電子就毫無阻攔的跑到壁從而引起大量的損耗。很多材料的二次電子發射特性并不是特別清楚，缺乏完備的實驗結果，尤其是在入射電子能量比較低的情況下，同時我們并不清楚出射電子的組成，那么對主等離子體與壁的過渡區域(鞘層)內二次電子發射的精確描述是非常重要和必要的，在這樣一些場合，就必須設法抑制二次電子發射。

目前，在抑制二次電子發射的研究主要集中在三個方面：凹槽處理、表面鍍膜處理以及表面束流轟擊處理。（1）表面凹槽處理：二次電子發射的理論研究表面，表面粗糙度對二次電子發射系數有較大影響，表面越粗糙，二次電子發射系數越小，基于這一理論，人們進行了表面凹槽處理以增加粗糙度的研究。表面凹槽處理會改變束流與腔壁相互作用的特性，也就是影響腔壁阻抗。因此為了使得阻抗減到最小，凹槽方向沿著束流軌道方向。存在磁場時候的抑制機理：垂直邊平行于磁力線，當電子打到該邊并反射回來時，它會水平旋轉半圈再次打到該表面，而激發出來的二次電子仍然會受到磁場作用在水平平面內作回旋運動。因此從理論上來說，垂直邊可以完全抑制二次電子發射，此機理與在漂移段用螺旋管磁場束縛二次電子的機理類似。傾斜角為α的斜邊不可能完全抑制二次電子，部分二次電子回旋碰撞幾次后才脫離表面，部分二次電子可直接脫離表面，其效果完全依賴于α。二次電子旋轉半圈后再次擊打斜邊的幾率依賴于α，α越大，這個幾率越大，因而抑制作用越強，圖1所示為表面進行鋸齒形凹槽處理，圖2所示為二次電子限制機制的電子軌道。（2）表面鍍膜處理：“技術性表面”是指經過打磨處理、化學方法清洗、經濟上可應用在超真空上的表面。事實上這種表面不可避免在表面有一層氧化層，這使得其δ比母體金屬高的多。為此采取某些措施來消除自然氧化層的不利影響是非常重要的，其中一個解決方法就是表面進行真空鍍膜。利用納米級四面體非晶碳（ta-C）薄膜抑制二次電子發射。ta-C膜中sp²鍵的含量以及薄膜的厚度對二次電子發射系數有影響，涂層后的二次電子發射系數減小了35%；且當薄膜厚度超過5 nm，二次電子發射系數顯著降低，當厚度大于10 nm，二次電子發射系數會增加，分析主要原因是薄膜厚度在5～10 nm時，sp²鍵的含量較大，呈現出石墨的弱二次電子發射特性。研究結果表明，ta-C薄膜雖然可以較好地起到抑制二次電子作用，但是從工藝角度上講，此方法成本高、耗時長且生成的表面易損壞需要特別的處理。（3）表面束流轟擊處理：實際的腔壁表面受空氣污染后，在表面吸附碳氫化合物及水分子層，這將大大增大二次電子的發射系數。即使對腔壁表面進行了鍍膜處理，但是仍無法避免這種影響。要想最大限度的發揮膜的效應，必須對其表面進行清潔。那就是使用粒子束流轟擊濺射腔壁表面，去除表面吸附的雜質，常用的方法有電子束流和離子束流兩種。研究結果可以看出，束流轟擊能夠明顯降低樣品表面的萬，并且離子束比電子束的效果更明顯, 這是可以理解的，因為與污染物原子質量越接近, 作非彈性碰撞所傳遞的能量越大，污染物原子越容易脫附。但該技術缺乏相關工藝研究和數據報道。