[发明专利]一种抑制二次电子发射的器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种抑制二次电子发射的器件。

背景技术

当具有一定能量或速度的电子轰击材料表面时，会引起电子从被轰击的材料表面发射出来，这种现象称之为二次电子发射。轰击材料的电子通常称为入射电子，从被轰击材料发射出来的电子则称为二次电子，二次电子中也包括从材料表面上直接弹射回来的入射电子，二次电子的数目与入射电子的数目的比值称为二次电子发射系数，常用δ来表示这个量。

二次电子发射在某些真空器件中会产生有害的作用。如在栅控电子管中, 栅极的二次电子发射会破坏电子管的正常工作特性。在高压电子管中，二次电子发射会导致绝缘零件的击穿。在超高频管中，有二次电子共振现象。伴有二次电子发射的等离子体与壁相互作用（PWI）时，在等离子体中电子温度大于20 eV的介质壁，以及大于50～100 eV的金属壁情况下，受到强二次电子发射的影响：霍尔推进器和螺旋波等离子体推进器，高功率微波电子器件的空心阴极，微放电击穿和表面放电，空间等离子体和尘埃等离子体，聚变等离子体以及射频／直流偏压的等离子体处理放电。来自悬浮壁的强二次电子发射能够改变PWI和等离子体性质，强的二次电子发射能够明显增大从等离子体到壁的电子热通量，从而导致：（1）壁加热和蒸发；（2）等离子体冷却乃至熄灭。等离子体与壁相互作用的强弱对等离子体参数有重要影响，鞘层特征参数(如鞘层电势降) 直接控制着等离子体与壁面相互作用这一重要物理过程。足够强的二次电子发射增强了电子沉积在器壁的能量损失，这是由于二次电子发射系数的增加减少了壁电势，减少了沉积到壁的离子能量，却增加了总能量在器壁的沉积。研究结果表明, 随着二次电子发射系数的增大，壁电势绝对值和鞘层厚度减小，鞘层中离子和电子数密度增加。理论模拟表明，存在强二次电子发射的鞘层消失，这样电子就毫无阻拦的跑到壁从而引起大量的损耗。很多材料的二次电子发射特性并不是特别清楚，缺乏完备的实验结果，尤其是在入射电子能量比较低的情况下，同时我们并不清楚出射电子的组成，那么对主等离子体与壁的过渡区域(鞘层)内二次电子发射的精确描述是非常重要和必要的，在这样一些场合，就必须设法抑制二次电子发射。

目前，在抑制二次电子发射的研究主要集中在三个方面：凹槽处理、表面镀膜处理以及表面束流轰击处理。（1）表面凹槽处理：二次电子发射的理论研究表面，表面粗糙度对二次电子发射系数有较大影响，表面越粗糙，二次电子发射系数越小，基于这一理论，人们进行了表面凹槽处理以增加粗糙度的研究。表面凹槽处理会改变束流与腔壁相互作用的特性，也就是影响腔壁阻抗。因此为了使得阻抗减到最小，凹槽方向沿着束流轨道方向。存在磁场时候的抑制机理：垂直边平行于磁力线，当电子打到该边并反射回来时，它会水平旋转半圈再次打到该表面，而激发出来的二次电子仍然会受到磁场作用在水平平面内作回旋运动。因此从理论上来说，垂直边可以完全抑制二次电子发射，此机理与在漂移段用螺旋管磁场束缚二次电子的机理类似。倾斜角为α的斜边不可能完全抑制二次电子，部分二次电子回旋碰撞几次后才脱离表面，部分二次电子可直接脱离表面，其效果完全依赖于α。二次电子旋转半圈后再次击打斜边的几率依赖于α，α越大，这个几率越大，因而抑制作用越强，图1所示为表面进行锯齿形凹槽处理，图2所示为二次电子限制机制的电子轨道。（2）表面镀膜处理：“技术性表面”是指经过打磨处理、化学方法清洗、经济上可应用在超真空上的表面。事实上这种表面不可避免在表面有一层氧化层，这使得其δ比母体金属高的多。为此采取某些措施来消除自然氧化层的不利影响是非常重要的，其中一个解决方法就是表面进行真空镀膜。利用纳米级四面体非晶碳（ta-C）薄膜抑制二次电子发射。ta-C膜中sp²键的含量以及薄膜的厚度对二次电子发射系数有影响，涂层后的二次电子发射系数减小了35%；且当薄膜厚度超过5 nm，二次电子发射系数显著降低，当厚度大于10 nm，二次电子发射系数会增加，分析主要原因是薄膜厚度在5～10 nm时，sp²键的含量较大，呈现出石墨的弱二次电子发射特性。研究结果表明，ta-C薄膜虽然可以较好地起到抑制二次电子作用，但是从工艺角度上讲，此方法成本高、耗时长且生成的表面易损坏需要特别的处理。（3）表面束流轰击处理：实际的腔壁表面受空气污染后，在表面吸附碳氢化合物及水分子层，这将大大增大二次电子的发射系数。即使对腔壁表面进行了镀膜处理，但是仍无法避免这种影响。要想最大限度的发挥膜的效应，必须对其表面进行清洁。那就是使用粒子束流轰击溅射腔壁表面，去除表面吸附的杂质，常用的方法有电子束流和离子束流两种。研究结果可以看出，束流轰击能够明显降低样品表面的万，并且离子束比电子束的效果更明显, 这是可以理解的，因为与污染物原子质量越接近, 作非弹性碰撞所传递的能量越大，污染物原子越容易脱附。但该技术缺乏相关工艺研究和数据报道。