王海娃
摘 要：由于法拉第探测器所测量的质子束流精度受到二次电子发射的严重印象，因此必须降低或是彻底解决二次电子发射带来的影响，从而提升束流测量精度。依据二次电子的相关补偿原理设计出二次电子补偿模型的同轴探测器，通过实验发现法拉第探测器在测量质子束流的强度过程中难以完成二次电子补偿。为了能够有效改进与创新法拉第探测器的设计，在理论方面分析二次电子造成的束流测量精度的影响。
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关键词 ：二次电子发射 质子束流 高能质子
高能质子等相关重带电粒子在轰击金属表面过程中会形成二次电子发射，目前在二次电子相关发射机理与能源分布以及发射角分布等方面有一定研究，其中二次电子发射已经运用在许多方面，比如运用材料二次的电子发射特点设计电子倍增器与强脉冲的电子束形成设备的电子阴极等。但是二次电子发也会对带电粒子测量造成一定影响，比如运用金属收集极完成高能质子束流的强度精确测量过程中，二次电子发射产生的电流会造成测量结果变大。有关学者利用多种措施提升质子束流的测量精度，通过对新型探测器与降低二次电子在金属收集极相关逸出量等措施。降低二次电子逃逸的措施可以在法拉第杯的收集极中施加高压从而控制二次电子逃逸问题，同时在收集极的前面施加电场从而使二次电子受到电场的作用后返回至收集极。
一、二次电子补偿结构原理与精度测量分析
依据高速带电粒子在轰击金属时形成的二次电子发射相关理论能够知道，收集极在接收高能质子过程中，高能质子会在金属体中沉积能量时形成激发电子，一系列被激发的电子会不断向收集极的表面运动，一些电子会逃逸出表面，从而产生二次电子发射，一般情况下发射的相关二次电子来源自金属表面之下的0.5至2毫米的表层。所有的能源是Ei质子造成二次电子中逃逸收集极的表面数目Y是：
Y=Λ＜dEidⅹ＞
公式中的＜dEi/ dⅹ＞aⅹ为能源Ei质子在相关金属中的平均阻止能力，Λ为和金属材料以及其表面状态比较密切的常数[1]。依据此理论设计出一项以二次电子补偿为基础的高能质子的精度测量设备，如图1所示。
此设备主要由金属箔补偿片与收集极构成。其中金属箔和收集极选择一致的材料，同时和收集极之间的距离一定要不超过1毫米。同时，金属笔的厚度一定要相对较薄，保证高能质子能够有效穿过[2]。另外收集极的厚底一定要满足有关要求，从而使质子可以沉积在其中，并且收集极与金属箔全要设置在真空中。能量是E1的高能质子在射入至相关探测结构过程中，质子所穿过的金属箔消耗的能源为ΔE，所穿出的金属箔能量计算公式如下：
E2=E1-ΔE
因为收集极与金属箔全设置在真空中，所以质子在收集极中的能量也是E2。
图1设备的补偿过程具体过程如下所述：
高能质子在穿过金属箔进入收集极过程中，金属箔自身的两个表面和收集极的表面全存在二次电子发射。因为两层金属材料与表面的状态相同，所以二次电子的发射比例系数Δ也是相同[3]。对此，收集极的表面与沿着质子出射方方向中的金属箔表面形成的二次电子产额与角分布相一致。因为金属箔与收集极的距离不能超过1毫米，所以发生的边缘泄露出的二次电子比例相对较小，这样收集极的表面本身所发射出的二次电子数和金属箔补偿片中发射出的电子到达收集极中二次电子数相一致，也就是实现了出入平衡，从而实现了收集极发射的二次电子补偿。经过此种方式的二次电子补偿，能够有效对高能质子束流的准确测量[5]。
二、实验设计
为了对二次电子的补偿原理完成实验验证，从而设计出一项装置完成实验研究，该装置的工作原理与构造如图2所示。
图中的三块金属板要平行放置，其中高能质子在经过前两片的金属箔之后会被完全的阻止在第三块的金属当中，若是第一块金属箔和第二块金属箔以及第三块金属箔运用相同的材料并且表面状态相同时，那么高能质子就会在上述金属箔的表面形成二次电子，同时Δ常数也是相同的。假设入射的质子束流的强度为I0，这时高能质子在第一块金属箔和第二块金属箔中形成的二次电子数是相同的，而且二次电子发射形成的电流分别是与，并且与是相同的[4]。另外在第二块金属箔与第三块金属箔的表面形成的二次电子数也是一致的，其中二次电子在发射时产生的电流分别是和，并且与是相同的。若是第一块金属箔沿着质子射出的方向一侧形成的二次电子都进入第二块金属箔，这时第二块补偿金属箔就会在质子的射出方向一侧形成二次电子。而第三块金属箔在质子射出方向一侧形成二次电子都进入第二块金属箔时，第二块补偿金属箔也会在射出的方向一侧形成二次电子，从而在第二块金属箔中产生的净电流如下：
I2=I2Ie-II2e+I22e-I31e=0
实验所测量的第二块金属箔电流是I2。若是I2接近零，证明二次电子的补偿手段测量的质子束流强度相关原理。同样第二块金属箔沿着质量射出方向的一侧形成二次电子都进入第三块金属箔，这时第三块金属箔所发射出的二次电子完成有效补偿，其电流如下:
I3=I31e-I22e+I0=I0
这时第三块金属箔所输出的信号就是质子束流的强度I0.而第一块金属箔所输出的电流大致和收集极所发射的二次电子产生的电流相一致[6]。
结束语：
通过对二次电子补偿造成的质子束流强度测量的影响分析，主要设计三块金属箔完成实验，选择能量在9至24MeV区域中变化的相关单能直流质子的束流完成实验研究，获取的实验结果表明二次电子的补偿原理有效性。可以利用铜、铝、钛等相关金属当作二次电子补偿装置的材料，都能获取有效的二次电子补偿。实验结果证明金属表面具有良好的一致性，产生的二次电子补偿就越好。另外运用普通的金属材料当作二次电子补偿装置的材料，也能使二次电子补偿产生相对较好的效果。
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参考文献：
[1]张忠兵，欧阳晓平，夏海鸿，陈亮，王群书，王兰，马彦良，潘洪波，柳林月.高能质子束流强度绝对测量的二次电子补偿原理研究[J].物理学报，2010，（8）：11-15.
[2]刘腊梅，赵世柯．工艺参数对Ar+改性无氧铜表面形貌及二次电子发射的影响[J].真空科学与技术学报，2013，32(10):861-863.
[3] Barral S，Makowski K，Peradzynski Z，et al． Wall materialeffects in stationary plasma thrusters near-wall and in-wallconductivity［J］． Phys． Plasmas，2012，10: 4137-4152．
[4]杨振，彭宇飞，龙继东，等．脉冲离子束作用下靶面次级电子的抑制[J].强激光与粒子束，2011，24(9):2198-2202.
[5]刘腊群，刘大刚，王学琼，等．三维PIC数值模拟中二次发射的实现[J].强激光与粒子束，2012，24(8)1980-1984.
[6]Bareilles J，Hagelaar G J M，Garrigues L，et al． Criticalassessment of a two-dimensional hybrid Hall thruster mod-el: Comparisons with experiments［J］． Physics of Plasmas，2012，11(6) : 3035-3046．
（作者单位：仰恩大学维修部 福建泉州市 362000）