摘要：本文介绍了电子和氩离子两种不同电荷的小型发射枪，根据电子枪的用途，以电荷中和低能量电子枪、脉冲式电子枪和高能量电子枪为例，详细介绍了发射枪的构造、工作原理和粒子轨迹。根据氩离子的产生方式，介绍了冷阴极离子枪、热阴极离子枪和等离子体源。掌握小型带电粒子发射枪的原理和构造，可以针对基础科研、半导体产业、生命科学和国防航天领域的具体应用进行产品开发。
关键词： 电子 离子 等离子体 电磁透镜 静电透镜
在外力（比如光、热、电场、高频电磁波等）作用下，中性原子可以释放出电子，同时自身成为带正电荷的离子，电子和正离子统称为带电粒子。带电粒子在电场中受电场力的作用而做直线加速运动，在磁场中受洛伦兹力的作用而做圆周运动。电场可以改变带电粒子的能量，磁场只能改变带电粒子的运动方向。充分活用电场和磁场对带电粒子作用力的特点，就可以操纵带电粒子。
发射带负电荷电子的各种电子枪，根据其能量范围、束流特性等，可用于电荷中和、电子激发、光子激发和原子构造检测等领域[1-4]。发射带正电荷离子的各种离子枪，可用于表面刻蚀、离子注入和医疗放射等领域[5-7]。
带电粒子被人类控制，并给人类带来科技和产业革命。我国近年来的科技实力不断提高，已经基本实现了各种带电粒子发射装置的国产化。本文围绕带正负两种电荷的电子和氩离子，介绍带电粒子的产生、引出、加速、聚焦和偏转，可在较大范围内连续调整带电粒子的能量，做到了带电粒子发射枪的小型化、系列化和先进化。文中介绍的各种带电粒子发射枪都是本团队自主研发，适合在超高真空环境中使用，装置主体和控制电源中的部件完全国产化，取代国外进口。
1 电子枪
电子的发射主要有三种方式，分别是灯丝通电释放热电子、场致发射冷电子和光激发光电子[8]。其中灯丝通电释放热电子的方式较为常用，灯丝通常选用直径0.1~0.2mm的钨或钽金属丝，也可选用钨或钽金属片释放热电子以获得更均匀和大面积的电子束流。
热电子发射的饱和电流密度J0 遵循理查德森定律：
式中：A0 为发射常数；T 为材料的绝对温度；ΦM 为材料的功函数；k 为玻尔兹曼常数。
电子枪的基本构造包括发射电子的阴极、控制电子束流的控制极（栅极）、决定电子能量的阳极、电子束聚焦透镜和电子束偏转透镜。电子束聚焦透镜可选择静电透镜或电磁透镜[9]。静电透镜不消耗电源能量，用于真空内，比较适合低能量电子枪，在高电压时则要考虑真空放电问题。电磁透镜是高能量电子束的标准聚焦方式，可以在真空外使用，其对电压的稳定性要求高，大功率工作时需要水冷。电子束流的偏转透镜也有静电透镜和电磁透镜两种选择，后者对束流的自由角度偏转更适合。
本文通过三种自主研发的产品，介绍热阴极电子枪的构造和特点。
1.1 电荷中和低能量电子枪
电荷中和低能量电子枪（以下简称低能量电子枪）发射出的电子能量在零至数百电子伏特之间连续可调，不会激发物质的基本状态，能有效减小电子束对样品表面的破坏，确保充分的电子中和效果，是光电子能谱和二次电子分析装置中的基本配置。
低能量电子枪的核心构造如图1（a）所示，其采用标准的阴极- 控制极- 聚焦极- 阳极组合的阴极透镜方式，电子束流不作偏转。阴极采用直径0.15mm的钨丝，阴极灯丝前端与控制极的距离在1mm范围内，以保证有充足的电子能够穿过控制极小孔射出。控制极为圆筒形电极，完全罩住阴极灯丝，这种设计使得控制极产生的电场能对阴极灯丝发射电子运动起到抑制和聚焦作用。各电极开有凹槽用来放置陶瓷球，一方面确保电极之间绝缘，另一方面也保证各电极之间的同轴度。在支撑板和灯丝座之间装配有起到支撑和缓冲作用的弹簧结构。电子经过控制极和聚焦极加速飞向阳极，穿过阳极中心的小孔后射出[1]。
低能量电子枪的电位分布和利用三维电磁场仿真软件（Computer Simulation Technology，CST）进行的电子轨迹仿真结果如图1（b）所示[10]。阴极为负电位，阳极为零电位，阳极和阴极之间的电压差决定了发射电子的能量。控制极的电位低于阴极几十伏，具有控制发射电子数量和电子束聚焦的双重作用。电子穿过控制极，进入控制极和聚焦极形成的电场中，聚焦极的设定电压范围大于阴极的电压范围。当聚焦极的电压低于阴极电压时，对电子束起到聚焦作用；当聚焦极的电压高于阴极电压时，对电子束起到发散作用。因此，聚焦极既可以改变电子束的焦点位置，也可以改变照射到样品表面的束斑尺寸。调节各电极的电位大小可以对发射出的电子数量、电子能量和电子束斑尺寸进行调节[1,11]。配备了独自研发的控制电源，可进行电子枪的手动控制或远程控制。
▲ 图1 （a）低能量电子枪的构造，（b）低能量电子枪的电位分布和电子轨迹
低能量电子枪构造简单，用途明确，有效地实现了对电子的发射、能量控制和聚焦等一系列功能。在真空度为2×10-4Pa、工作距离为30mm的情况下，电子能量在0~500eV之间连续可调，电子束斑的直径在20~30mm之间连续可调，电子束的电流值可达12.5μA[1]。
1.2 脉冲式电子枪
脉冲式电子枪（以下简称脉冲电子枪）的构造如图2所示，主要由阴极、控制极、第一阳极、聚焦极、第二阳极和偏转透镜等构成。
同低能量电子枪一样，脉冲电子枪的聚焦也采用静电透镜方式，但脉冲电子枪具备以下更高性能：
（1）阴极采用片状钽金属，提高了电子束流密度和束流的均匀性[12]；
（2）阳极采用二段式，提高了电子束流的稳定性[9]；
（3）采用对向设置的两组（4 片）偏转电极板，实现束流的偏转[13]；
（4）对控制极施加脉冲电压，实现电子束流的脉冲发射。
▲ 图2 脉冲电子枪的构造图
图3为脉冲电子枪的电位分布和电子轨迹示意图。第一阳极将热电子引出并加速，并进行一次聚焦。第一阳极的出口处设置一个限制孔，以减小电子束聚焦时的球差[9]。聚焦极的电压可调，改变旋转对称轴上的电场分布从而影响电子束斑的大小。经过聚焦极的电子，被第二阳极再次加速到所需的能量，经过偏转电极后射出。两组对向偏转电极呈90度设置，通过调节直流电压实现电子束的偏转。
▲ 图3 脉冲电子枪的电位关系和电子轨迹仿真图
电子枪的脉冲化是利用阴极表面引出电场和阻滞场的交换实现的。当控制极的负向电压增大到一定程度时，阴极表面的阻滞场分量可抵消阳极产生的加速场分量，阴极发射电流截断，此时的控制极电压被称为截止电压[14]。控制极的电压（VC）由非脉冲可调电压（VG）和脉冲电压（VP）叠加而成。图4所示为脉冲电子枪控制极截止电压为-30V时，VG输出与VP输出耦合对VC和发射电流（IE）的影响。时间在a点之前，VG和VP都没有能量输出，VC无输出，IE为10μA连续输出；当时间在a和b之间，VG输出为-35V，VP无输出，此时VC与VG输出相同，大于截止电压，IE为0；当时间在b点之后，VG输出为-35V，VP输出幅值为30V，脉宽为30μs的矩形脉冲，此时VC幅值为-5V，脉宽为30μs的矩形脉冲，IE为幅值略小于10μA，脉宽为30μs的矩形脉冲。
▲ 图4 脉冲电子枪的控制极电压与脉冲输出耦合对发射电流的影响
设计制作的脉冲电子枪，主要参数如下：工作距离10~100mm，电子能量0.02~2keV，束流值10~1000nA，束斑尺寸0.5~5mm，脉冲宽度0.1~100μs。性能稳定的脉冲式电子枪，对半导体或绝缘性材料的二次电子分析和电荷分布研究极其重要。
1.3 高能量电子枪
三十千伏高能量电子枪（以下简称RHEED电子枪）应用于反射高能电子衍射（Reflection high-energy electron diffraction）分析，利用其倒易空间埃瓦尔德衍射球（Ewald）在电子以小角度掠射单晶体表面时能涵盖多个格子线，从而在荧光屏上显示晶体表面原子的衍射图像，获得晶体的原子排列信息、原子层厚度以及原子振动信息。因电子能量较大，采用电磁透镜方式来进行电子束的聚焦和偏转。
RHEED电子枪的构造如图5所示。阴极采用直径0.1mm的钨丝，做出V形发叉式构造。上文介绍的低能量电子枪和脉冲电子枪，其静电型聚焦和偏转透镜置于真空一侧，而RHEED电子枪的电磁透镜线圈和电子束偏转线圈则置于真空外侧。置于真空外侧的电磁线圈，可以避免真空放电。通过提高电磁线圈的电流值或线圈匝数，就能提高中心轴的电磁场，从而实现高能量电子束的聚焦，也能减小像差。在构造设计中，还充分考虑了电子束的准直和在氧气环境中工作时对灯丝保护的差分抽设计[15]。
▲ 图5 高能量电子枪的主体构造图
RHEED电子枪各组件的电压值和聚焦电磁透镜的电磁场仿真如图6所示。由于电子束能量较高，设计中采用了阳极接地零电位，阴极灯丝处于负电位的方式，以确保使用者的人身安全。高电压的绝缘采用石英玻璃或烧结陶瓷材料。
聚焦线圈通过轭铁构成电磁磁路，形成旋转轴对称的电场和磁场。轭铁选用纯铁材料，在中心的结合部分使用一小段无氧铜。这种材料选择和局部构造的特殊设计，实现了磁场在电子束流轨道中心的集中，进而实现了对高能量电子的聚焦。对向设置的束流偏转电磁线圈互相串联，垂直方向的电磁线圈各自独立控制，这种偏转线圈的设置实现了电子束在任意方向的偏转。
▲ 图6 (上)高能量电子枪各组件电压值，(下)聚焦电磁透镜的电磁场仿真
本团队研发的RHEED电子枪，电子能量可达30keV，加速电压和发射电流成正比例对应关系，电子束斑直径在100µm以下，电子束偏转角度大于5度，广泛应用于凝聚态物理表面科学领域的电子衍射，实时原位获得表面原子排列和振动的信息[15]。
2 离子枪
离子枪中离子的产生通常采用电子激发和等离子体引出两种。电子激发使气体分子（原子）离子化是最基本的方式，其过程如下：
M e-→ M 2e-
式中：M为被离子化的中性气体分子；e-为电子；M 为离子。
激发用的电子来源于电场磁场组合的冷阴极或灯丝通电的热阴极，等离子体的产生可采用直流放电或射频放电等方式[16]。针对带正电荷的离子发射枪，其基本构造为离子源、控制极、引出极、离子束聚焦极、离子束偏转极。由于离子的质荷比大，离子束流的聚焦一般采用静电透镜方式。
2.1 冷阴极离子枪
冷阴极离子枪（以下简称潘宁离子枪）基于潘宁放电，其原理如图7所示。阳极筒的两侧平行放置一对电位相同的阴极构成放电室，放电室置于轴向磁场中。放电室中充入氩气，阴极与阳极间放电电压使放电室内产生等离子体。电子在阳极筒中的运动可以分解为垂直于轴线和平行于轴线的运动：在垂直于轴线的方向上，电子在放电室中受到电场、磁场的约束而做螺旋运动；在平行于轴线方向上，电子受到轴向电场力的作用而在两个阴极之间来回振荡。电子在碰壁消失之前的运动路程增加，提高了电子与氩气原子碰撞的概率，增加了放电室内等离子体的浓度。单位时间内因电离产生的新电子数与离子数相等，就会形成动态平衡而自持放电。自持放电的基本条件如下：
式中：γ为电子离子发射系数，该系数主要取决于阴极的材料与表面状况；a为在单位路径上一个电子电离产生的离子数，主要取决于所加电压和气压；d为两电极之间的距离。实际中，由于磁场和对阴极的振荡作用，电子运动轨迹增加，所以应该用电子实际运动轨迹的路程代替d。
▲ 图7 潘宁氩离子枪的工作原理图
潘宁离子枪的阴极电压为0~5kV，阳极和阴极之间的电压为0~1kV，两个静电透镜分别连接对阴极和零电位。氩气的放电电压大约500V，氩离子的能量由阴极电压（即加速电压)决定[17]。
潘宁离子枪的核心构造如图8所示，主要由永久磁铁、阳极筒、外罩、阴极、对阴极和静电透镜等组成。磁场通过永久磁铁产生，以实现离子枪的小型化。在这个核心结构中可实现中性分子/原子电离、加速和聚焦。阳极筒置于阴极支撑罩内部，阴极和对阴极固定在阴极支撑罩两侧，阳极筒与阴极支撑罩通过三个绝缘陶瓷连接，通过真空腔外的电压导入端子（馈通）给阳极筒和阴极分别施加电压。离子枪的阴极和阳极材料，采用溅射率低且耐高温的钼金属。等离子体在放电室中产生，对阴极的中心有离子喷射孔。两组同心电极环构成的静电透镜，实现对离子束流的聚焦[17]。
▲ 图8 潘宁离子枪的核心构造图
2.2 热阴极离子枪
热阴极离子枪的工作原理和离子轨迹仿真结果如图9所示。对阴极灯丝（钽丝，直径0.15mm）通电加热而放出热电子，在阴极附近设置相对高电压的阳极栅网。如果阳极栅网和电阻丝之间的电位差为U，则电子被加速获得动能eU，并被束缚在阳极栅网中。设定U=180V，可使热电子的德布罗意波长等于氩原子的半径，实现了氩离子化率的最大化。离子引导孔（Extract Aperture）上覆盖栅网且相对于氩离子处于负电压，氩离子被加速后飞向离子引导孔而射出。离子引导孔不仅可以加速氩离子，也可以约束离子束流的指向[18]。
▲ 图9 热阴极离子枪的工作原理图
离子束的聚焦采用静电聚焦透镜方式，静电聚焦透镜采用典型的静电单电位透镜方式，其由三个互相绝缘的圆筒电极（材料为不锈钢）构成，中间的电极处于正电压，两侧的电极接地而处于零电位，中间电极的电压通过可变电阻来调节。增加聚焦透镜的数量，可以实现离子束流截面的小尺度化和束流均匀性的加长化，经过偏转透镜控制后，也可实现较大空间范围内的离子束流平行扫描。
热阴极离子枪的核心构造如图10所示，主要由灯丝、电子加速栅网、外筒、离子引导孔（含栅网）、静电聚焦透镜、角度可调旋钮和进气法兰构成。各部件之间通过三氧化二铝绝缘块实现电气绝缘，通过铜导线和底座法兰上的电极端子连接，最后从控制电源获得所需的电信号。灯丝设计为两根，共同使用一个公用电极，以便于发生一根灯丝断线的情况下不用破坏真空即可立刻使用另一根备用灯丝。电子加速栅网和离子引导孔栅网的材料为不锈钢，线径0.1mm，间隔1mm。静电聚焦透镜的三组电极呈圆筒形，内径为18mm，电极的间隔是2mm[18]。
▲ 图10 热阴极离子枪的构造图
热阴极离子枪在工作距离150mm和氩气分压2.0×10-3Pa的情况下，可产生4.5µA的氩离子束流，束斑直径在10~20mm之间可调，能量0~2keV连续可调，各项性能完全满足超高真空环境中固体表面清洁处理、表面刻蚀或深度分析的要求[18]。
设计制作更高能量的氩离子枪，则需要解决电绝缘和真空放电问题。本团队经过一系列改进，在同一原理的基础上，成功研发了能量20keV、束流值50μA，束斑直径在19~24mm之间连续可调的氩离子枪，应用于大口径碳化硅非球面镜的表面精密抛光[19]。
2.3 等离子体源
产生射频等离子体的方法分为电感耦合式和电容耦合式，电感耦合射频等离子体源（以下简称电感离子源）的工作原理如图11所示。射频电源发出的射频电流通过感应线圈，产生感应电场和磁场。电场使电子加速，磁场使电子做螺旋运动，射频能量激发工作气体而产生等离子体。在等离子体源的前端增加用于屏蔽和加速的栅网，则可以选择性的使用等离子体中带正电或带负电的粒子，作为电子枪或离子枪使用。作为离子枪使用时，出口中心可以设置一根或多根灯丝，通电发热释放的电子可以起到中和离子的作用，从而调节发射出去的离子束流值。
▲ 图11 电感离子源的工作原理图
电感等离子体源的核心构造如图12所示，主要由真空放电室、电感线圈、导波片、支撑块、气体导入组件、冷却水循环系统、屏蔽罩构成。离子源的电感线圈通过导波片和电极端子连接，将射频电源输出的能量导入到反应器中[20]。
▲ 图12 电感等离子体源的构造图
3 结论
各种带电粒子发射枪在基础科研、半导体产业、医疗健康以及航天军工领域都发挥着重要作用。本文通过自主研发的几种电子和离子发射枪，介绍了带电粒子产生、引出、聚焦和偏转的基本原理和发射枪构造特点。掌握带电粒子发射枪的基本原理，针对不同的用途就可以做到千变万化。随着未来特殊材料的出现（特别是绝缘材料）和控制电源稳定性的提高，各种带电粒子发射枪的进一步小型化和高性能化是发展趋势。
本文首发于《真空》杂志2023年第4期
原文标题：小型带电粒子发射枪的研发*
本文作者：郭方准，石晓倩，王润成
作者单位：大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028
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