二次电子发射
电子束与物质作用产生的信号
背散射电子产额与原子序数的关系
Z<40的范围内，背 散射电子的产额对原 子序数十分敏感。
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背散射电子与二次电子产 额随原子序数变化的比较。
背散射电子及二次电 子的产额随原子序数的 增加而增加，但二次电 子增加的不明显。
二次电子信号在原序 数Z>20后，其信号强度 随Z变化很小。
➢背散射电子的发射主要取决于样品中元素 的原子序数及样品表面入射角的大小。
d) 背散射电子像一般与二次电子像以及X射线成分分析联 合使用。
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二次电子像、背散射电子像与原子序数Z的关系
SEI
BEI
SrTiO3+MgO复相陶瓷的二次电子像和背散射电子像
SEI:试样表面起伏清晰
BEI：起伏模糊，但亮度变化大
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§2.3 透射电子
2.3.1 透射电子的产生 当电子束照射到薄试样上，如果样品厚度要
在此过程中有99％以上的入射电子能量转变 成热能，只有约1％的入射电子能量从样品中激发 出各种信号。
2
3
只有了解上述物理信息的产生原理及所 代表的含义，才能设法检测它们、利用它 们。 扫描电子显微镜 (SEM) 透射电子显微镜 (TEM) 电子探针 (EPMA)
分别侧重于对上述某一方面或几方面的 信息进行测量分析的。
比入射电子的有效穿透深度薄很多（如薄膜样品）， 这时就会有一部分入射电子穿透样品，这部分入射 电子就称为透射电子。
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2.3.2 透射电子的特点 1、电子的穿透能力与加速电压有关，加速电
压高，则入射电子能量高，穿透能力强，在相同 条件下透射电子数量多。
2、透射电子数目：与样品厚度成反比 与原子序数成正比
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➢背散射电子也可以用来显示形貌衬度,但是用背散 射信号进行形貌分析时，其分辨率远比二次电子低。 ➢背散射电子能量较高，以直线轨迹逸出样品表面， 对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到 背散射电子，而掩盖了许多有用的细节;所以背散射 电子像也被称为有影像; ➢背散射电子信号强度要比二次电子低的多，所以粗 糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。
光电倍增管PMT
雪崩光电二极管（APD）、
增强型光电二极管（IPD）、 微通道板（MCP）、 微球板（MSP） 真空光电二极管（VAPD）
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1.光电倍增管（PMT）单光子探测器
单光子探测需要的光电倍增管要求增益高、暗电流小、
噪声低、时间分辨率高、量子效率高、较小的上升和下 降时间。
特点：
具有高的增益（104～107）； 大光敏面积； 低噪声等效功率（NEP）；
光子探测了，一般选用InGaAs-APD，但由于制造工艺的 问题，目前还没有专门针对单光子探测的商用InGaAsAPD。目前对这两个波段的单光子探测一般都是关于利用 现有针对光纤通信的商用APD，通过优化外围驱动电路， 改善工作环境，使其达到单光子探测的目的。
14
目前对单光子探测器将主要从两个方面去研究
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阳极接地的优点：可直接与前置放大器耦合。缺点是噪声
比较大。
这种接法：阴极为负高压，光电倍增管工作时为了安全一
般外罩必须接地，这就意味着外罩的壁和光电倍增管内部电 极之间有很大的负压，特别是对阳极和靠近阳极的倍增极， 由于这个高压，可能在阴极和倍增极与外罩间形成漏电流， 这个漏电流流经玻璃时会产生荧光。荧光发射的光子将会到 达光阴极，产生误计数。
Δ τ 很小，渡越时间τ 也较小。若将其光阴极也制成曲面形状， 则这种管子最为适宜作光子计数器使用。
聚焦电极
K
A
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3.PMT的增益与二次电子发射系数回顾
倍增管的增益G定义为
Ia G Ik
二次电子发射系数δ又称为倍增系数
δ值一般为3~6，视倍增极的材料和工作偏压而定。
N2 N1
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在理想情况下，设阴极和倍增极发射的电子都被阳极所
低气压气体直流击穿特性----帕邢曲线
低气压气体直流击穿特性------帕邢曲线姓名：张会钦院系：物理与光电工程学院班级：1004学号：201021017指导老师：大连理工大学一、引言气体放电是指在电场作用下气体中发生的导电现象，是气体中的原子或者分子等中性粒子因为某种激励因素的作用而发生电离产生正负带电粒子的结果。
不同的工作条件下产生的气体放电现象，具有不同的放电特性，低气压气体放电是研究最早，理论最为成熟，应用最为广泛的放电现象。
气体放电分为非自持放电和自持放电，从非自持到自持放电的过渡现象称为击穿过程。
二、摘要本实验使用的是氩气从理论上说是为了掌握汤森击穿理论，理解帕邢曲线的物理意义，认识帕邢曲线的普遍性，从操作上说是为了认识低气压气体直流击穿现象．测量氩气击穿的帕邢曲线。
三、正文【实验目的】（1）研究低气压的实现和维持方法，了解气压测量原理。
（2）认识低气压气体直流击穿现象，研究放电条件与气体击穿状态的关系，初步体会寻找物理联系的研究方法。
（3）尝试从对实验现象的理性分析得到理论普遍性规律的认识过程。
【实验仪器】1. 低气压直流辉光放电发生装置2. 氩气的控制与调节送气系统3. 直流数字电压表，多量程电流计【实验原理】1.低气压气体击穿现象气体放电分为自持放电和非自持放电。
非自持放电是指存在外电离原因的条件下才能维持的放电现象。
自持放电是指没有外电离因素，放电现象能够在导电电场的支持下自主维持下去的放电过程。
气体从非自持放电到自持放电的过度现象，成为气体的击穿。
气体发生这种放电方式转化的电场强度称为击穿场强，相应的放电电压称为击穿电压。
2．汤森放电理论气体从非自持放电到自持放电的整个过程的所有现象是1903 年前后汤森首先发现并进行了详细研究，根据研究结果提出了汤森放电理论，这类放电过程称为汤森放电。
汤森认为：气体放电的发生是气体分子或原子被电离产生电子和离子的结果，在外加电场作用下，电离产生的电子可以被加速，获得能量的电子又可以增强气体的电离，而离子在获得能量后可以轰击阴极产生二次电子发射。
低气压气体直流击穿特征----帕邢曲线[整理版]
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低气压气体直流击穿特性------帕邢曲线0000姓名：张会钦0000院系：物理与光电工程学院0000班级：10040000学号：2010210170000指导老师：0000大连理工大学0000一、引言000气体放电是指在电场作用下气体中发生的导电现象，是气体中的原子或者分子等中性粒子因为某种激励因素的作用而发生电离产生正负带电粒子的结果。
不同的工作条件下产生的气体放电现象，具有不同的放电特性，低气压气体放电是研究最早，理论最为成熟，应用最为广泛的放电现象。
气体放电分为非自持放电和自持放电，从非自持到自持放电的过渡现象称为击穿过程。
0000二、摘要00本实验使用的是氩气从理论上说是为了掌握汤森击穿理论，理解帕邢曲线的物理意义，认识帕邢曲线的普遍性，从操作上说是为了认识低气压气体直流击穿现象．测量氩气击穿的帕邢曲线。
0000三、正文00【实验目的】00（1）研究低气压的实现和维持方法，了解气压测量原理。
0000（2）认识低气压气体直流击穿现象，研究放电条件与气体击穿状态的关系，初步体会寻找物理联系的研究方法。
0000（3）尝试从对实验现象的理性分析得到理论普遍性规律的认识过程。
0000【实验仪器】001. 低气压直流辉光放电发生装置00002. 氩气的控制与调节送气系统00003. 直流数字电压表，多量程电流计0000【实验原理】001.低气压气体击穿现象000气体放电分为自持放电和非自持放电。
非自持放电是指存在外电离原因的条件下才能维持的放电现象。
自持放电是指没有外电离因素，放电现象能够在导电电场的支持下自主维持下去的放电过程。
气体从非自持放电到自持放电的过度现象，成为气体的击穿。
气体发生这种放电方式转化的电场强度称为击穿场强，相应的放电电压称为击穿电压。
00002．汤森放电理论00气体从非自持放电到自持放电的整个过程的所有现象是1903 年前后汤森首先发现并进行了详细研究，根据研究结果提出了汤森放电理论，这类放电过程称为汤森放电。
第二章气体放电的物理过程
第二章气体放电的物理过程本章节教学内容要求：气体分子的激发与游离，带电质点的产生与消失汤森德气体放电理论：电子崩的形成，自持放电的条件，帕邢定律。
流注理论：长间隙击穿的放电机理，极性效应，先导放电，雷云放电及电晕。
必要说明：1）常用高压工程术语击穿：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。
闪络：沿固体介质表面的气体放电（亦称沿面放电）电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。
击穿电压（放电电压）Ｕb（ｋＶ）：使绝缘击穿的最低临界电压。
击穿场强（抗电强度，绝缘强度）Ｅb（ｋＶ／ｃｍ）：发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。
Ｅｂ＝Ｕｂ／Ｓ（Ｓ：极间距离）一般在常压大气中，Ｅｂ＝３０ｋＶ／ｃｍ，当Ｓ较小为ｃｍ且电场为均匀分布时；Ｅｂ＝５００ｋＶ／ｍ，当Ｓ较大接近ｍ时。
放电：（狭义与广义）气体绝缘的击穿过程。
辉光放电：当气体压力低，电源容量小时，放电表现为充满整个气体间隙两电极之间的空间辉光，这种放电形式称为辉光放电。
火花放电：在大气压力或更高的压力下，电源容量不大时变现出来的放电。
主要表现为：从一电极向对面电极伸展的火花而不是充满整个空间。
火花放电常常会瞬时熄灭，接着有突然出现。
电晕放电：在不均匀电场中，曲率半径很小的电极附近会出现紫兰色的放电晕光，并发出“兹兹”的可闻噪声，此种现象称为电晕放电。
如不提高电压，则这种放电就局限在很小的范围里，间隙中的大部分气体尚未失去绝缘性能。
电晕放电的电流很小电弧放电：在大气压力下，当电源容量足够大时，气体发生火花放电之后，便立即发展到对面电极，出现非常明亮的连续电弧，此称为电弧放放电。
电弧放电时间长，甚至外加电压降到比起始电压低时电弧依然还能维持。
电弧放电电流大，电弧温度高。
电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。
2）常见电场的结构均匀场：板－板稍不均匀场：球－球极不均匀场：（分对称与不对称）棒－棒对称场棒－板不对称场线－线对称场§２－１气体中带电质点的产生和消失一．带电粒子的产生（电离过程）气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：一是气体分子本身发生电离，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。
空气电离
空气电离空气是由氧、氮、水蒸气、二氧化碳等多种气体组成的气体混合物，在正常情况下，气体分子不带电（显中性），但在射线、受热及强电场的作用下，空气中的气体分子会失去一些电子，即所谓空气电离，这些失去的电子称为自由电子，它又会与其它中性分子相结合而得到电子的气体分子带负电，称为空气负离子。
负离子具有热电性和压电性，既使在微小的温度和压力变化的情况下，亦能引起负离子晶体之间的电势差，从而使空气发生电离，空气中，多种气体分子"俘获"电子的能力有强有弱，其中氧气和二氧化碳较强，而氧气在空气中占20%多，二氧化碳仅占0.03%。
因此空气电离产生的自由电子大部分被氧气获得，形成负氧离子，又称"负离子"。
一些实验设备要在真空中运行,当加高压时往往会因真空不好出现放电现象,想问问空电离和什么因素有关?有没有计算的公式?电离和电介质材料和加工工艺水平有重要的关系，真空电离说明还有气体存在。
电离当然要再你的环境中存在可以电离的截介质才行，真空中试不行的。
真空特别号或者特别遭的时候都不是很容易电离的，好像是在-2量级的时候比较容易电离1cm空气的击穿电压（尖端击穿）是多少？在均匀电场，气压为0.098MPa、温度为20℃、两极间距离大于0.1cm 的条件下，空气击穿电压与极间距离保持以下关系Uj=300b+1.35式中:Uj——空气击穿电压，kV；B ——电极间距离，cm。
正常情况下，1mm空气击穿电压是多少？空气击穿电压一般为3kV/mm帕邢定律Paschen law表征均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间关系的定律。
1889年由F.帕邢根据平行平板电极的间隙击穿试验结果得出。
表达为:击穿电压U（千伏）是电极距离d（厘米）和气压P（托）乘积的函数（见图）。
应用汤森击穿条件r(ead-1)=1（见汤森德理论）以及电离系数χ与(Pd)的关系式可以求出击穿电压公式式中A和B在一定E/P范围内是常数。
材料现代分析方法练习题及答案
材料现代分析方法1在电镜中，电子束的波长主要取决于什么？答：取决于电子运动的速度和质量2什么是电磁透镜？电子在电磁透镜中如何运动？与光在光学系统中的运动有何不同？答：运用磁场对运动电荷有力的作用这一特点使使电子束聚焦的装置称为电磁透镜。
近轴圆锥螺旋运动。
不同点：光学系统中光是沿直线运动的，在电磁透镜中电子束作近轴圆锥螺旋运动。
3电磁透镜具有哪几种像差？是怎样产生的，是否可以消除？如何来消除和减少像差？答：有球差、像散、色差。
球差：是磁透镜中心区和边沿区对电子的折射能力不同引起的。
像散：像散是由于电磁透镜的周向磁场非旋转对称引起不同方向上的聚焦能力出现差别。
色差：色差是由入射电子的波长或能量的非单一性造成的。
球差可以消除，用小孔径成像时，可使其明显减小；像散只能减弱，可以通过引入一强度和方位都可以调节的矫正磁场来进行补偿；色差也只能减弱，稳定加速电压和透镜电流可减小色差。
4什么是电磁透镜的分辨本领？主要取决于什么？为什么电磁透镜要采用小孔径角成像？答：分辨本领是指成像物体（试样）上能分辨出来的两个物点间的最小距离；电磁透镜的分辨率主要由衍射效应和像差来决定；用小孔径成像原因是可以使球差明显减小。
5说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素是什么？如何提高电磁透镜的分辨率？答：关键因素是用来分析的光源的波长，对于光学显微镜光源是光束，对于电磁透镜是电子束；减小电磁透镜的电子光束的波长可提高分辨率。
6试比较光学显微镜成像和透射电子微镜成像的异同点，答：相同点：都要用到光源，都需要装置使光源聚焦成像。
异同点：光学显微镜的光源是可见光，聚焦用的是玻璃透镜，而透射电子显微镜的分别是电子束和电磁透镜。
光学显微镜分辨本领低，放大倍数小，景深小，焦长短，投射显微镜分辨本领高，放大倍数大，景深大，焦长长。
7为什么透射电镜的样品要求非常薄，而扫描电镜无此要求？答：因为用透射电镜分析时，电子光束要透过样品在底片上形成衍射图案，样品过厚则无法得到衍射图案，对于扫描电镜，对样品无此要求是因为用扫描电镜时是通过分析电子束与固体样品作用时产生的信号来研究物质，所以对样品不要求非常薄。
实验 30 低气压气体直流击穿特性———帕邢曲线
APe BPd / V (**-2)
其中和为实验常数．
是与电极材料和离子能量有关的，在确定电极材料条件下，离子能量是唯一决定因
素．实验发现与离子能量的关系表现出阶段性，在二次电子发射的临界离子能量附近． 与离子能量的关系很敏感，但是一旦离子能量远离了临界值，与离子能量几乎表现为无 关．在气体击穿电压的幅值量级内，离子能量远大于临界能量，因此在讨论气体击穿规律时 可以认为为常数，这样击穿条件可表示为：
【分析讨论题】
1.击穿电压是气体击穿发生的电压，想一想放电的熄灭电压为什么与击穿时的电压不同。 2.你对提高实验中击穿状态的判断精度还有什么建议
【参考文献】
（1） 徐学基： 《气体放电物理学》 ，上海：复旦大学出版社， 2003 年。
4
【可供使用的仪器】
1. 低气压直流辉光放电发生装置 2. 氩气的控制与调节送气系统 3. 直流数字电压表，多量程电流计
【实验原理】
1.低气压气体击穿现象 常态下气体是绝缘体，在直流电场作用下没有载流能力。如果采用一定的激励方式， 使气体中性粒子发生电离而形成正负带电粒子，并且发生电离的粒子数量达到一定的比例， 这时气体就具有导电能力，如果施加电场，气体中的带电粒子就会定向运动形成电流，即发 生了气体的放电现象。 气体放电分为自持放电和非自持放电。非自持放电是指存在外电离原因的条件下才能 维持的放电现象，例如：用紫外光或者放射线照射气体，使气体电离而具有导电能力。如果
3
每个气压条件下， 至少要重复 3 次测量，直到测得比较稳定的击穿电压。 不同测量回合得到的击穿电压变化小于 5%为宜 （10）增加气体流量，使气压升高至 30Pa, 重复（9）的测量 （11）依次增加气体流量，每次增加 10Pa，重复（9） ．直至气压达到 120 帕． （12）减小气压至 18Pa，重复（8） ． （13）依次减小气压，每隔 2 帕，重复测量，直至 5 帕。 （14）实验完毕后，调节气体流量控制旋钮至最小位置，调节电压至最小值，依次关闭 电压、机械泵、冷却水，电源开关。 【预习及报告要求】 1.预习要求： （1）阅读实验讲义和参考文献（1）中的相关章节，了解汤森理论的发展过程，基本内容。 （2）阅读文献中帕邢曲线的相关章节，掌握帕邢曲线的物理意义，了解其适用条件。 （3）熟悉氩气的击穿特性，掌握击穿参数的实验规律。 2．实验论文内容要求 （1）简述帕邢曲线的物理意义和适用条件，解释帕邢曲线的主要特点和相应依据。 （2）给出氩气不同气压时的击穿电压，描绘氩气的帕邢曲线，找出氩气的最小击穿电压和 临界气压值． （3）简述实验数据的计算过程，附有原始数据和处理后的数据 （4）对于讨论题，根据自己的理解给出解答。