基于XPS的中和電子槍仿真實(shí)驗(yàn)

王小菊， 呂一帆， 祁康成， 任 帥， 陸榮國(guó)， 陳德軍

（電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，成都610054）

0 引 言

自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，X射線分析技術(shù)得到了快速發(fā)展［1-4］。作為材料研究領(lǐng)域的一種基本方法，X射線光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）分析得到了人們的普遍關(guān)注和應(yīng)用。通過測(cè)量電子能量，XPS可以提供元素定性、定量分析和化學(xué)態(tài)信息［5-8］，且表面靈敏度高。目前，國(guó)內(nèi)高校的材料專業(yè)幾乎都開設(shè)了與XPS相關(guān)的材料分析課程。

XPS的X射線源以單色X射線為主。單色X射線源的主要缺點(diǎn)是當(dāng)待測(cè)樣品為絕緣體時(shí)，樣品表面容易出現(xiàn)荷電效應(yīng)。即當(dāng)X射線照射在絕緣樣品表面時(shí)，根據(jù)光電效應(yīng)，樣品表面會(huì)發(fā)射光電子而在表面留下正電荷，導(dǎo)致測(cè)試出的結(jié)合能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際值。為了消除荷電效應(yīng)，需要給XPS設(shè)備配置電子槍。

計(jì)算機(jī)仿真可以在實(shí)驗(yàn)開展前，初步探討器件結(jié)構(gòu)、材料等因素對(duì)其特性的影響，一定程度上可預(yù)測(cè)器件性能，因此現(xiàn)階段虛擬仿真得到了各高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的高度認(rèn)可。本文采用仿真模擬軟件Opera（Operating environment for Electromagnetic Research and Analysis）對(duì)XPS中和電子槍的結(jié)構(gòu)和電子發(fā)射情況進(jìn)行模擬。通過仿真，學(xué)生能夠掌握電子槍的基本結(jié)構(gòu)、參數(shù)和分析方法，了解XPS分析技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生的科研素養(yǎng)與仿真能力可以得到有效提高。

1 模擬平臺(tái)以及物理模型的建立

Opera是全球最先進(jìn)的電磁設(shè)備有限元仿真分析軟件之一。使用Opera軟件進(jìn)行中和電子槍的仿真，可以實(shí)現(xiàn)電子槍模型尺寸的參數(shù)化，可以反復(fù)設(shè)計(jì)，更改仿真模型的參數(shù)，在仿真精準(zhǔn)度和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)［9-12］。

本文要求設(shè)計(jì)的XPS中和電子槍性能指標(biāo)如下：① 陽極電流Ia≥50 μA；② 陽極電流分布均勻；③ 束斑為方形，邊長(zhǎng)a≤2 mm。根據(jù)電子光學(xué)系統(tǒng)理論，初步設(shè)計(jì)出如圖1所示的電子槍結(jié)構(gòu)。該電子槍由陰極、柵極和陽極組成。初始參數(shù)為：陰極發(fā)射面為0.9 mm×0.9 mm的矩形面；柵極為空心圓筒狀，中心孔直徑2×r＝1 mm（r為孔半徑）；陰極和柵極間距離D1＝0.3 mm；柵極厚度D2＝0.2 mm；柵極電壓Ug＝0 V；陽極電壓Ua＝30 V，陽極與陰極間距離L＝3 mm。

在電子槍的設(shè)計(jì)中，陰極材料是電子槍性能可靠性和壽命的關(guān)鍵，不同的電真空器件對(duì)于陰極材料的要求不同。對(duì)于XPS電子槍來說，陰極發(fā)射材料需要具備下列性質(zhì)：熔點(diǎn)高、蒸發(fā)率??；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗離子轟擊能力強(qiáng)；逸出功低、發(fā)射效率高、發(fā)射電流密度大；良好的機(jī)械性能。六硼化鑭（LaB6）熔點(diǎn)高達(dá)2 210℃，逸出功僅為2.4～3.4 eV，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，常溫下不與酸堿發(fā)生反應(yīng)（硝酸除外），且可長(zhǎng)時(shí)間暴露大氣［13-16］。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)的商用鎢材料，LaB6更符合XPS電子槍對(duì)陰極材料的要求。本文選擇LaB6作為仿真實(shí)驗(yàn)中的陰極材料。

圖1 XPS電子中和槍物理模型

2 電子槍的結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真

2.1 柵極孔徑大小對(duì)發(fā)射性能的影響

圖2給出了初始參數(shù)不變，陽極束斑尺寸a和陽極電流（Ia）隨柵孔半徑（r）的變化趨勢(shì)。隨著r的增大，Ia和a呈線性增加。當(dāng)r由0.6 mm增加到2.4 mm 時(shí)，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，隨著r增大，柵極屏蔽作用減弱，陰極有效發(fā)射面積增大，極間電流隨之增大。另一方面，r增大使電子束會(huì)聚能力變差，束腰位置向陽極靠近，a隨之增大。

圖2 Ia和s隨r的變化曲線

圖3（a）～（c）分別給出了r＝1.0、1.6 和2.2 mm時(shí)的陽極電流密度（Ja）分布。分析仿真結(jié)果，當(dāng)r較小時(shí)（見圖3（a）），邊緣電子束會(huì)聚作用很強(qiáng)，陽極處呈現(xiàn)中間電流密度小，四周電流密度大的情況。比較圖3（b）和（c）可以看出，當(dāng)r＝2.2 mm 時(shí)，Ja分布的不均勻性相對(duì)于r＝1.6 mm時(shí)顯著增大。因此，綜合考慮陽極電流和束斑質(zhì)量，初步選定r＝1.6 mm為較佳的柵孔尺寸，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)整Ja分布的均勻性。

圖3 不同r的Ja分布圖

2.2 陰柵距對(duì)發(fā)射性能的影響

圖4給出了r＝1.6 mm，其余初始結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時(shí)D1對(duì)Ia和s的影響。結(jié)果表明，D1對(duì)Ia和s的影響很大。隨著D1的增加，Ia和s均呈線性減小。當(dāng)D1由0.2 mm 增加到0.8 mm 時(shí)，Ia由124.8 μA 減小到62.1 μA，s由2.16 mm 減小到1.55 mm。分析原因，由于柵極與陰極為同電位，形成浸沒物鏡結(jié)構(gòu)。此時(shí)，柵極對(duì)陰極發(fā)射電子將起到聚焦作用，且D1越大，聚焦作用越強(qiáng)。因此，Ia和s隨D1增加而迅速減小。

圖4 Ia和s隨D1的變化曲線

圖5（a）～ （c）分別給出了D1為0.5、0.7 和0.8 mm 時(shí)的Ja分布。當(dāng)D1較?。―1＝0.3 mm）時(shí)，Ja分布較均勻，Ja值較大；隨著D1增加，Ja分布的均勻性變差，且整體Ja值減小，如圖5（b）和5（c）所示。綜合考慮Ia和s，選定D1＝0.7 mm作為較佳的陰柵距參數(shù)。此時(shí)Ja分布仍呈現(xiàn)四周大、中間小的趨勢(shì)，差值較小，還需做進(jìn)一步調(diào)整。

圖5 不同D1的Ja分布圖

2.3 柵極厚度對(duì)發(fā)射性能的影響

保持r＝1.6 mm，D1＝0.7 mm，Ia和s隨D2的變化趨勢(shì)如圖6所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，D2對(duì)Ia和s的影響較小。如，當(dāng)D2由0.1 mm 增加到0.3 mm 時(shí)，Ia由81.0 μA 減小到60.4 μA，s由1.78 mm 減小到1.52 mm。

圖6 Ia和s隨D2的變化曲線

圖7（a）～ （c）分別給出了D2為0.1、0.2 和0.3 mm時(shí)的Ja分布。仿真結(jié)果表明：D1由0.1 mm增加至0.3 mm，Ja分布均為中間小、四周大。當(dāng)D2接近0.2 mm時(shí)，Ja分布均勻性較好；但是，當(dāng)D2增加至0.3 mm時(shí)，Ja的均勻性劣化。故選擇D2＝0.2 mm作為最佳的柵極厚度參數(shù)。

圖7 不同D2的Ja分布圖

2.4 柵極電壓對(duì)發(fā)射性能的影響

在確定了電子槍的各結(jié)構(gòu)參數(shù)后，嘗試改變Ug，以提高Ja分布的均勻性。分別取Ug＝-1，0，1 V 3種情況模擬，結(jié)果如圖8所示。

當(dāng)Ug＝-1 V時(shí)，柵極電位降低，從陰極發(fā)射出的電子受到排斥，限制了電子的發(fā)射，導(dǎo)致Ia減小，束斑尺寸減小，Ja分布的均勻性較差。當(dāng)Ug＝1 V時(shí)，由于柵極電位增高，從陰極發(fā)射出的電子受到加速，促進(jìn)了電子的發(fā)射，導(dǎo)致陽極電流增大，但束斑較為發(fā)散。綜合考慮束斑質(zhì)量及電子槍接線和裝配的可實(shí)施性，最終取Ug＝0 V。

圖8 Ia和s隨Ug的變化曲線

2.5 仿真結(jié)果

通過選擇合適的柵極內(nèi)徑、陰柵距等參量，在保證陽極束斑尺寸和陽極電流滿足XPS要求的前提下，得到了XPS中和電子槍的最佳結(jié)構(gòu)與電位參數(shù)，見表1。電子槍的聚焦能力主要取決于柵極孔徑及陰柵距離。當(dāng)柵極內(nèi)徑為1.6 mm，陰柵距為0.7 mm時(shí)，出現(xiàn)理想的電子束聚焦，此時(shí)的陽極電流及束斑尺寸符合設(shè)計(jì)要求，陽極束斑尺寸為1.64 mm×1.64 mm，陽極電流大小為70.1 μA。

表1 仿真所得的最佳電子槍參數(shù)

此時(shí)最佳電子束軌跡如圖9所示，可見，在最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)下，柵極對(duì)電子束會(huì)聚作用較為理想，電子束幾乎呈平行電子注，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 最佳電子束軌跡

3 結(jié) 語

中和電子槍是XPS系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件之一。本文利用計(jì)算機(jī)軟件，建立了簡(jiǎn)單易行的仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)方案。通過軟件OPERA，初步設(shè)計(jì)了一種基于XPS的六硼化鑭中和電子槍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子槍的陽極束斑和陽極電流的模擬。通過觀察陽極電流值，束斑尺寸和電子束運(yùn)動(dòng)軌跡等仿真結(jié)果，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以深入掌握中和電子槍的結(jié)構(gòu)與基本特性，為其在以后的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中，教師可以指導(dǎo)學(xué)生分別調(diào)節(jié)柵極孔徑、陰柵距等結(jié)構(gòu)參數(shù)，探索它們對(duì)于電子槍發(fā)射能力的影響。