探测口径连续可调式法拉第杯、调节方法及调节装置与流程

本发明涉及电学检测部件，尤其是涉及一种探测口径连续可调式法拉第杯、调节方法及调节装置。

背景技术：

1、法拉第杯是一种金属制杯状、用来测量带电粒子入射强度的真空侦测器，其测得的电流可以用来判定入射电子或离子的数量。由于其可以绝对衡量带电粒子的束流，因此广泛应用于电子显微镜、电子束直写设备以及质谱仪等领域。

2、以电子显微镜为例，电子显微镜的成像性能一定程度上取决电子源的质量。电子源的关键参数例如总发射电流、角电流密度分布等关键参数对电子光学设计、设备运行以及后期调试至关重要，通常需要优先测量。而法拉第杯作为一种绝对电流测量工具，具有很高的分辨率和灵敏度，是束流测量的最优选择。通过结合法拉第杯和高精度三维位移装置，可以精确测量电子束在某一个截面上的绝对束流分布。

3、法拉第杯的位置精度由最外圈的孔径大小决定，常规的法拉第杯机械加工完成后已经确定其测量口径的物理尺寸，因此使用过程中通常无法原位更改。在实际测量中，前期为了寻找电子束位置和大致形状，我们期望使用大口径法拉第杯以缩短扫描时间并提高效率；而精确测量电子束关键参数时，则期望使用小孔径法拉第杯，提高位置精度和分辨率。

4、由于法拉第杯工作于超高真空环境，如果测量时更换不同探测径的法拉第杯，不可避免地需要破坏真空环境，造成测试周期延长。因此为了实现在真空内原位改变法拉第杯的探测口径，现有设计中通常集成设计一些不同尺寸的孔径光阑，通过步进马达控制，实现原位机械更换不同口径的光阑的功能，避免了破坏超高真空环境。然而这种集成不同孔径光阑的方案需要进行复杂的结构传动设计，设计成本和控制成本较高。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种探测口径连续可调式法拉第杯、调节方法及调节装置，具有调节控制方便且成本低的优点。

2、本发明的目的采用如下技术方案实现：

3、根据本公开实施例的第一方面，提供一种探测口径连续可调式法拉第杯，包括：

4、用于导入探测电子的静电透镜组件，所述静电透镜组件的前端设有用于接入电压形成电势差将探测电子的动能转化为势能以控制不同尺寸的电子束通过、以调整测量尺寸的加压控制单元；

5、设置在所述加压控制单元后侧以接入偏压限制电子逃逸的抑制极；

6、设置在所述抑制极后侧用于接收通过所述抑制极的电子束以实现探测测量动作的收集极；以及，

7、用于固定所述加压控制单元、所述抑制极和所述收集极的绝缘固定套。

8、实现上述技术方案，使用时，由电子发生装置发出探测电子并由静电透镜组件导入，根据所需的测量尺寸通过外部加压装置向加压控制单元接入相应的电压值，加压控制单元在静电透镜组件前端形成一个电势差，此时由于能量守恒，探测电子被减速，其一部分动能被转化为势能，由于电场的靠近加压控制单元的能量较大，因此会使得探测电子外侧的动能转化更多，而探测电子中心仍具有足够动能的电子会通过抑制极，接入加压控制单元的电压不同即会形成不同强度电场，从而改变经过抑制极的电子束的直径，调节的连续性更强，而同时在抑制极上接入偏压，探测电子形成电子束通过抑制极时，该偏压会限制电子逃逸，最终被收集极收集进行探测测量动作；通过调整接入加压控制单元的电压值即可改变电子束的测量尺寸，而无需进行复杂的结构设计或者破坏真空环境，整体成本较低、且操作过程方便快捷。

9、在一些示例性的实施方式中，所述加压控制单元包括：

10、设置在所述静电透镜组件前端的接地极，所述接地极用于接地连接以阻挡部分外围电子；

11、设置在所述接地极与所述抑制极之间的减速极，所述减速极用于与外部加压装置相连接以接入电压形成电势差将探测电子的动能转化为势能，所述外部加压装置通过改变不同的接入电压以控制不同尺寸的电子束通过。

12、实现上述技术方案，当探测电子经过接地极进入静电透镜组件时，位于外围部分探测电子即会与接地极相接触，接地极接地将这部分的探测电子导出，从而能够过滤外部紊乱的探测电子，而减速极接入电压后会产生电压差而形成电场，由于能量守恒，探测电子一部分的动能被转化为势能，从而限制部分探测电子通过，即剩余具有足够动能的电子才能通过减速极，从而改变了通过的电子束的尺寸，通过改变不同的接入电压即可控制不同尺寸的电子束通过，满足不同的探测需求。

13、在一些示例性的实施方式中，所述绝缘固定套外固定设置有接地外壳，所述接地极固定于所述接地外壳的前端。

14、实现上述技术方案，通过接地外壳与接地极相固定便于进行接地连接。

15、在一些示例性的实施方式中，所述绝缘固定套内依次开设有第一嵌槽、第二嵌槽和第三嵌槽，所述减速极卡嵌于所述第一嵌槽，所述抑制极卡嵌于所述第二嵌槽，所述收集极卡嵌于所述第三嵌槽。

16、实现上述技术方案，通过设置第一嵌槽、第二嵌槽和第三嵌槽，便于安装固定减速极、抑制极和收集极。

17、在一些示例性的实施方式中，所述绝缘固定套由陶瓷材料制成。

18、在一些示例性的实施方式中，所述收集极的中部开设有楔形或锥形的收集槽。

19、实现上述技术方案，便于对探测电子进行收集和汇聚。

20、本公开实施例的第二方面，提供一种调节法拉第杯探测口径的方法，所述调节方法基于如第一方面所述的法拉第杯实现，包括：

21、通过电子发生装置发射探测电子并导入所述静电透镜组件内；

22、设定外部加压装置的电压值并接入所述加压控制单元形成电势差将探测电子的动能转化为势能以控制不同尺寸的电子束通过；

23、于所述抑制极上接入偏压以限制电子逃逸，并由所述收集极接收通过所述抑制极的电子束以实现探测测量动作。

24、实现上述技术方案，由静电透镜组件导入探测电子，加压控制单元接入电压后形成电势差而产生电场，将一部分探测电子动能转换为势能，从而限制探测电子经过的数量，即控制了通过加压控制单元的电子束的尺寸，而通过在抑制极接入偏压后可以限制探测电子逃逸，最终被收集极收集进行探测测量动作；通过调整接入加压控制单元的电压值即可改变电子束的测量尺寸，而无需进行复杂的结构设计或者破坏真空环境，整体成本较低、且操作过程方便快捷。

25、在一些示例性的实施方式中，所述设定外部加压装置的电压值并接入所述加压控制单元形成电势差将探测电子的动能转化为势能以控制不同尺寸的电子束通过具体包括：

26、根据所需的测量尺寸按照预定策略设定与所述加压控制单元对应连接的外部加压装置的电压值；

27、所述接地极接地连接以将探测电子中的外围电子阻挡导出以形成第一电子束；

28、所述减速极接入所述外部加压装置提供的电压以形成电势差将所述第一电子束的动能转化为势能，位于所述第一电子束中心部位具备足够通过所述抑制极动能的电子通过以形成第二电子束。

29、实现上述技术方案，由于最终通过的电子束的直径与接入的电压值呈一定比例，因此根据所需的测量尺寸设定相应的电压值，即可获得相应直径的电子束，当探测电子经过接地极进入静电透镜组件时，位于外围部分探测电子即会与接地极相接触，接地极接地将这部分的探测电子导出，从而能够过滤外部紊乱的探测电子，形成第一电子束；而减速极接入电压后会产生电压差而形成电场，由于能量守恒，探测电子一部分的动能被转化为势能，从而限制部分探测电子通过，即剩余具有足够动能的电子才能通过减速极，从而改变了通过的电子束的尺寸，形成第二电子束，通过改变不同的接入电压即可控制不同尺寸的电子束通过，满足不同的探测需求。

30、本公开实施例的第三方面，提供一种调节法拉第杯探测口径的装置，包括：

31、如第一方面所述的探测口径连续可调式法拉第杯；

32、与所述减速极相连接的第一加压装置，所述第一加压装置用于按照预定策略设置电压值以接入所述减速极；

33、与所述抑制极相连接的第二加压装置，所述第二加压装置用于向所述抑制极提供偏压。

34、实现上述技术方案，通过第一加压装置向减速极提供不同大小的电压值，从而形成不同尺寸的电子束，通过第二加压装置相抑制极提供偏压，从而可以抑制探测电子逃逸，进而实现连续的探测尺寸的调整。

35、本公开实施例的第四方面，提供一种探测口径连续可调式法拉第杯的应用，将如第一方面所述的探测口径连续可调式法拉第杯应用于电子显微镜、电子束直写设备或者质谱仪。

36、综上所述，相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

37、本发明实施例通过提供一种探测口径连续可调式法拉第杯、调节方法及调节装置，其中，法拉第杯包括：用于导入探测电子的静电透镜组件，所述静电透镜组件的前端设有用于接入电压形成电势差将探测电子的动能转化为势能以控制不同尺寸的电子束通过、以调整测量尺寸的加压控制单元；设置在所述加压控制单元后侧以接入偏压限制电子逃逸的抑制极；设置在所述抑制极后侧用于接收通过所述抑制极的电子束以实现探测测量动作的收集极；以及，用于固定所述加压控制单元、所述抑制极和所述收集极的绝缘固定套。使用时，由电子发生装置发出探测电子并由静电透镜组件导入，根据所需的测量尺寸通过外部加压装置向加压控制单元接入相应的电压值，加压控制单元在静电透镜组件前端形成一个电势差，此时由于能量守恒，探测电子被减速，其一部分动能被转化为势能，由于电场的靠近加压控制单元的能量较大，因此会使得探测电子外侧的动能转化更多，而探测电子中心仍具有足够动能的电子会通过抑制极，接入加压控制单元的电压不同即会形成不同强度电场，从而改变经过抑制极的电子束的直径，调节的连续性更强，而同时在抑制极上接入偏压，探测电子形成电子束通过抑制极时，该偏压会限制电子逃逸，最终被收集极收集进行探测测量动作；通过调整接入加压控制单元的电压值即可改变电子束的测量尺寸，而无需进行复杂的结构设计或者破坏真空环境，整体成本较低、且操作过程方便快捷。