Метод исследования закономерностей вторичной электронной эмиссии

Введение

\Актуальность работы. Последствия воздействия ионизирующего излучения имеют большое значение в различных областях науки и техники от космической и вакуумной техники до даже медицины и биотехнологии. Воздействие электронного облучения на вещество заключается в ионизации атомов в материале. Возбужденные электроны проходят через материал до тех пор, пока они либо не теряют свою энергию и не поглощаются повторно, либо не достигают поверхности и не испускаются в виде вторичных электронов, SE.Выход вторичной электронной эмиссии (SEY) характеризует количество электронов, испускаемых материалом, когда электронное излучение (первичные электроны) падает на его поверхность. SEY, обычно обозначаемый σ, определяется как отношение общего количества испущенных электронов к общему количеству падающих электронов. SEY зависит не только от материала, но и от энергии (первичной энергии) и угла падения пучка первичных электронов (PE). Кривые SEY обычно строятся с точки зрения энергии PE для электронного пучка, нормального к поверхности. Форма кривых SEY, которая в основном зависит от поверхности.Цель работы – рассмотреть вторичную электронную эмиссию.Задачи:Выделить метод исследования закономерностей вторичной электронной эмиссии;Дать оценку основным закономерностям вторичной электронной эмиссии;Охарактеризовать графики зависимости коэффициента вторичной эмиссии от энергии и угла падения первичных электронов;Изучить график распределения вторичных электронов по энергиям;Определить физический механизм вторичной электронной эмиссии.1 Метод исследования закономерностей вторичной электронной эмиссииБольшинство современных экспериментальных методов исследования поверхностей основано на явлении испускания вторичных электронов твердыми телами при бомбардировке их пучком первичных электронов. Это явление было открыто в 1902 г. Л. Остином и Г. Старке и получило название вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ). Причина этого эффекта в том, что первичные электроны, взаимодействуя с электронами твердого тела, передают им часть своей энергии. Если этой энергии достаточно для того, чтобы электроны твердого тела преодолели поверхностный потенциальный барьер, то они покидают его и регистрируются как вторичные электроны. Вторичные электроны имеют энергии от нуля до энергии первичных электронов. Энергетическое распределение вторичных электронов имеет сложный характер и отражает разнообразные, сложные и часто взаимосвязанные процессы взаимодействия первичных электронов с поверхностью твердого тела.Энергетические спектры и угловые распределения вторичных электронов содержат достаточно полную информацию об основных микроскопических характеристиках поверхности - составе, строении, электронном строении.Схематическое изображение кривой распределения энергии вторичных электронов показано на рис. 1. Как показывают экспериментальные результаты, форма спектра вторичных электронов практически не меняется при изменении первичных электронов. При энергии первичных электронов 100 эВ...1 кэВ основная доля в спектре приходится на медленные электроны (область а на рис. 1), эти электроны называются истинными вторичными электронами, так как эта группа в основном состоит из электронов выбивается из твердого тела пучком первичных электронов. Предполагается, что они возникают в результате каскадных процессов потери энергии первичными электронами. К истинным вторичным электронам условно относят вторичные электроны с энергией менее 50 эВ. Отношение числа истинных вторичных электронов к числу первичных электронов называется коэффициентом истинной вторичной эмиссии. Максимум спектра истинных вторичных электронов лежит в области 1...10 эВ, причем наблюдается периодическая зависимость положения этого максимума от атомного номера [1]. При достаточно высоких энергиях первичных электронов положение максимума не зависит от Ep; однако при Ep < 20 эВ он смещается в сторону меньших энергий. Если энергия первичных электронов не превышает работы выхода электронов, то спектр вторичных электронов состоит в основном из упругоотраженных электронов.Рис. 1. Схематический вид кривой распределения вторичных электронов по энергииОбласть b на рис. 5.1. относится к неупруго отраженным электронам, число которых существенно не изменяется в зависимости от энергии. Отношение числа электронов эмиттированных поверхностью твердого тела с энергией ³ 50 эВ к числу первичных электронов называют коэффициентом неупругого отражения электронов (КНО) h.При энергии, близкой к энергии первичных электронов Ep (область с), наблюдается узкий пик, соответствующий упруго отраженным электронам (пик 3 на рис. 5.1). Этот пик связан с электронами, отраженными от поверхности твердого тела без потерь энергии или с очень малыми потерями энергии. Отношение числа этих электронов к числу первичных электронов - коэффициент упругого отражения электронов (КУО), который обычно обозначают R.Кроме двух достаточно больших по интенсивности пиков истинно вторичных и упруго отраженных электронов, в спектре вторичных электронов на бесструктурном фоне наблюдаются слабо выраженные максимумы. Положения некоторых из них (максимумы 1 на рис. 5.1) не зависят от энергии первичных электронов, другие (максимумы 2) смещаются синхронно с изменением энергии первичных электронов. Пики 1 обусловлены выходом с поверхности оже-электронов. Изучение этой группы вторичных электронов лежит в основе метода электронной оже-спектроскопии (ЭОС). Группа максимумов 2, расположенная вблизи пика упруго отраженных электронов, соответствует первичным электронам, испытавшим дискретные потери энергии при взаимодействии с поверхностью. Эти потери энергии характеризуют вещество поверхности и называются пиками характеристических потерь энергии. Изучение этой группы пиков составляет предмет спектроскопии характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ). Процессы упругого рассеяния электронов, характеризующиеся пиком упруго отраженных электронов, лежат в основе методов дифракции электронов, позволяющих изучать структуру поверхностных слоев. Наиболее распространенными из этих методов являются дифракция медленных электронов (ДМЭ) и дифракция отраженных быстрых электронов (ДОБЭ).2 Основные закономерности вторичной электронной эмиссииБомбардировка вещества потоком электронов вызывает испускание вторичных электронов. Отношение числа выбитых и отраженных электронов к числу падающих электронов называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии и обозначается σ. Первичные электроны, бомбардирующие поверхность, теряют свою энергию по мере перемещения в твёрдом теле в соответствии с законом Виддингтона:Ex2 = E02 - a × x ,(1)где Ex – энергия электрона, проникшего в глубь вещества на расстояние х; a – постоянная Виддингтона; E0 – начальная энергия электронов.Энергия, передаваемая от первичных электронов к вторичным, расходуется последними на перемещение к поверхности твёрдого тела и преодоление потенциального барьера на границе с вакуумом. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии σ от энергии первичных электронов изображена на рис. 2.Рис. 2. Типичная зависимость коэффициента вторичной эмиссии отэнергии первичных электроновВ реальных приборах ускоряющее напряжение подбирается таким, чтобы обеспечить максимальную величину коэффициента σ. Коэффициент вторичной эмиссии чистых металлов обычно не превышает 2, поэтому их использование в качестве технических эмиттеров нецелесообразно.Практическое применение находят сложные эмиттеры, для которых коэффициент σ достигает 20.Широкое распространение в качестве материала вторичных эмиттеров получили сплавы СuМgАl, АlВеSi. Эффективность такого эмиттера определяется тонким слоем оксида щелочно-земельного металла (МgО, ВеО), создаваемого путём активировки в окислительной среде.Вторичная электронная эмиссия используется в фотоэлектронных умножителях, во вторичных электронных умножителях (ВЭУ) и ряде других приборов.Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – это электровакуумные приборы, в которых фототок усиливается посредством вторичной электронной эмиссии. Схематичное изображение ФЭУ приведено на рис. 3.Рис. 3. Принципиальная схема фотоэлектронного умножителя: ФК – фотокатод, Д1 – Д5 – диноды, А – анод3 Графики зависимости коэффициента вторичной эмиссии от энергии и угла падения первичных электроновНа первый взгляд может показаться, что все отраженные электроны должны иметь энергию, близкую к энергии падающего пучка. Однако это не так. Как отмечалось выше, часть отраженных электронов образуется в результате одного акта - упругого рассеяния, другая часть может возникать в результате многократного акта малоуглового рассеяния и, наконец, могут быть электроны, образованные в результате совместного действия этих двух процессов - часть энергии электрон тратит на неупругие столкновения и, наконец, упруго отражается, но с меньшей энергией. Как показали специальные оценки, сделанные на основе расчетов рассеяния Монте-Карло и соответствующих экспериментов, с увеличением атомного номера элементов мишени увеличивается доля электронов, рассеянных преимущественно по упругому механизму (см. рис. 4). Однако всегда остается значительная доля электронов, проникших вглубь мишени и потративших часть энергии на неупругие взаимодействия. Такие электроны также имеют вероятность покинуть образец в виде отраженных электронов, которая уменьшается с увеличением глубины. При этом область взаимодействия электронов зонда расширяется под поверхностью образца. Если падающий электронный пучок хорошо сфокусирован и имеет почти нулевое поперечное сечение, то отраженные электроны покидают поверхность мишени из области, диаметр которой примерно равен длине пробега электрона в мишени. Распределение числа электронов в этой области имеет вид колокола, при этом наибольшая часть электронов сосредоточена внутри области 0,5R. Поэтому разрешающая способность сканирующего микроскопа в отраженных электронах обычно оценивается этой величиной. Оценки глубины выхода отраженных электронов дают величину, примерно равную 0,3R.Следствием низкой энергии вторичных электронов является их малая глубина выхода. Для того чтобы покинуть поверхность мишени, электрон должен преодолеть энергетический барьер, равный работе выхода, которая составляет обычно несколько электрон-вольт. Поэтому вероятность выхода вторичных электронов резко убывает с увеличением глубины. Это не означает, конечно, что вторичные электроны генерируются только в тонкой приповерхностной области.Рис. 4. Энергетический спектр электронов покидающих поверхность мишени под действием электронов зонда.Образование вторичных электронов происходит во всей области взаимодействия электронов зонда с мишенью, однако покинуть поверхность мишени могут лишь электроны, возникшие в тонком приповерхностном слое. Следует подчеркнуть, что вторичные электроны образуются не только непосредственно под действием первичных электронов зонда, но и за счет взаимодействия отраженных из более глубоких слоев электронов с электронами зоны проводимости в области их выхода из образца, т.е. вблизи поверхности выхода. Отсюда следует, что поперечные размеры области выхода вторичных и отраженных электронов совпадают. В то же время глубина выхода для вторичных электронов на два порядка меньше соответствующей величины для отраженных электронов и составляет приблизительно 0.003R. Вторичные электроны в отличии от рассеянных назад электронов не обнаруживают заметной зависимости от атомного номера. С увеличением угла наклона образца коэффициент эмиссии вторичных электронов δs возрастает, что связано с увеличением длины эффективного пути первичных электронов вблизи поверхности мишени, в то же время направления выхода вторичных электронов не меняются при наклоне мишени, т.е. направления выхода вторичных электронов изотропны относительно падающего пучка. Следует подчеркнуть, что завершенной теории электронной эмиссии электронов в настоящее время не существует. Для описания этих сложных процессов используют различные приближения квантовой механики и, достаточно часто, полуэмпирические соотношения.4 График распределения вторичных электронов по энергиямАнализируя распределение по энергиям вторичных электронов, можно видеть (рис. 5), что его график характеризуется двумя максимумами: при энергии, наибольшее число вторичных электронов обусловлено отражением первичных электронов без потери энергии, и величина этого экстремума довольно мала. Небольшую энергию w2m порядка 2-4 эВ имеет подавляющее большинство вторичных электронов. Микрочастицы е с энергией большей ?2м, но меньшей sb среди вторичных электронов имеются в малом количестве.Рис. 5. Распределение вторичных электронов по энергиямОбе кривые (рис. 5) объясняются при рассмотрении механизма процесса вторичной электронной эмиссии. Если на электрод Д падают первичные электроны очень малой энергии, то они не в состоянии глубоко проникнуть в материал эмиттера, растрачивают свою энергию у его поверхности, передавая её электронам динода. С ростом кинетической энергии первичного электрона увеличивается число электронов внутри твердого тела получающих от него порции энергии, достаточные для вылета этих микрочастиц е наружу из вещества и тем больше его коэффициент вторичной эмиссии.Вместе с тем повышение энергии первичного электрона приводит к тому, что он глубже проникает под поверхность тела и создает большое число свободных электронов в нем. Однако значительная часть их оказывается глубоко под поверхностью, откуда они не в состоянии выбраться наружу. При очень большой энергии первичных электронов её рост уменьшает число вторичных электронов вместо увеличения, как при малых энергиях. Поэтому при некоторой энергии емак и появляется максимум коэффициента вторичной эмиссии 5М.С другой стороны, первичный электрон чаще встречается с электронами твердого тела на сравнительно больших расстояниях, передавая им малые порции энергии. Кроме того, эти элементарные частицы е до выхода из эмиттера, двигаясь к его поверхности, теряют свою энергию, отдавая её другим электронам. В результате чего электроны, покидающие динод, имеют малые энергии в соответствии, с кривой распределения их по энергиям (рис.5).Электроны с энергией, очень близкой к работе выхода wa, имеют малую вероятность эмитировать, так как для этого нужно весьма благоприятное для вылета движение их к поверхности. Вследствие этого наибольшее число вторичных электронов обладает энергией на несколько электрон-вольт выше работы выхода, как это и обнаруживается при измерениях. Увеличение коэффициента вторичной эмиссии 5 при активировании поверхности динода связано с уменьшением работы выхода и созданием, тем самым, требуемых условий для эмиссии из него большого числа электронов с малой энергией. Точно так же уменьшение свободных пробегов электронов в твердом теле заставляет их выделить основную часть их энергии близко к поверхности. В то же время образованные ближе к поверхности эмиттера электроны легче из него выходят, и это повышает коэффициент 5. Поэтому сложные эмиттеры, поверхность которых имеет очень неправильную структуру, вследствие чего пробеги электронов в них малы, имеют большие 5, доходящие до 10-20.Так же и попадание пучка электронов на поверхность эмиттера, под углом (рис. 6) приводит к увеличению коэффициента вторичной эмиссии. Дело в том, что при этом пути электронов в эмиттере лежат ближе к его поверхности, и все возбужденные внутри твердого тела электроны имеют большие возможности для выхода наружу без потерь энергий на пути.Рис. 6. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от угла падения5 Физический механизм вторичной электронной эмиссииВторичное излучение в физике — это явление, при котором первичные падающие частицы достаточной энергии при ударе о поверхность или прохождении через какой-либо материал вызывают испускание вторичных частиц. Этот термин часто относится к излучению электронов, когда заряженные частицы, такие как электроны или ионы в вакуумной трубке, ударяются о металлическую поверхность; они называются вторичными электронами. В этом случае количество вторичных электронов, испускаемых на одну падающую частицу, называется выходом вторичной эмиссии. Если вторичными частицами являются ионы, эффект называется эмиссией вторичных ионов. Вторичная эмиссия электронов используется в фотоумножителях и усилителях изображения для усиления небольшого количества фотоэлектронов, образующихся в результате фотоэмиссии, что делает трубку более чувствительной. Это также происходит как нежелательный побочный эффект в электронных вакуумных лампах, когда электроны с катода ударяются о анод и могут вызывать паразитные колебания.Обычно используемые вторичные эмиссионные материалы включают• щелочной антимонид• Оксид бериллия (BeO)• Оксид магния (MgO)• Фосфид галлия (GaP)• Фосфид арсенида галлия (GaAsP)• Оксид свинца (PbO)В фотоумножителе один или несколько электронов испускаются фотокатодом и ускоряются по направлению к полированному металлическому электроду (называемому динодом). Они ударяются о поверхность электрода с достаточной энергией, чтобы высвободить некоторое количество электронов посредством вторичной эмиссии. Эти новые электроны затем ускоряются по направлению к другому диноду, и процесс повторяется несколько раз, что приводит к общему усилению («умножение электронов») порядка одного миллиона и, таким образом, генерирует электронно обнаруживаемый импульс тока на последних динодах.Подобные электронные умножители можно использовать для обнаружения быстрых частиц, таких как электроны или ионы.В 1930-х годах были разработаны специальные усилительные лампы, которые преднамеренно «сворачивали» электронный пучок, заставляя его ударяться о динод и отражаться в анод. Это привело к увеличению расстояния между пластинами и сеткой для данного размера трубки, увеличению крутизны трубки и снижению ее коэффициента шума. Типичным таким «гексодом с орбитальным пучком» был RCA 1630, представленный в 1939 году. Поскольку сильный электронный ток в таких лампах быстро повреждал поверхность динода, их срок службы, как правило, был очень коротким по сравнению с обычными лампами.В первой компьютерной памяти с произвольным доступом использовалась электронно-лучевая трубка, называемая трубкой Вильямса, которая использовала вторичное излучение для хранения битов на поверхности трубки. Другой трубкой памяти компьютера с произвольным доступом, основанной на вторичном излучении, была трубка Selectron. Оба устарели с изобретением памяти на магнитных сердечниках.Вторичная эмиссия может быть нежелательной, например, в термоэмиссионном клапане (трубке) тетрода. В этом случае положительно заряженная сетка экрана может достаточно ускорить поток электронов, чтобы вызвать вторичную эмиссию на аноде (пластине). Это может привести к чрезмерному току экранной сетки. Это также частично отвечает за этот тип клапана (трубки), особенно ранние типы с анодами, не обработанными для уменьшения вторичной эмиссии, демонстрирующие характеристику «отрицательного сопротивления», которая может привести к нестабильности трубки. Этот побочный эффект можно использовать, используя некоторые старые лампы (например, пентод типа 77) в качестве динатронных генераторов. Этого эффекта удалось избежать, добавив к тетроду третью сетку, называемую сеткой-супрессором, чтобы отталкивать электроны обратно к пластине. Эта лампа называлась пентодом.

Заключение

Таким образом, мы представили анализ некоторых теоретических и инструментальных проблем, возникающих, когда энергия первичных электронов, ударяющих по образцу, очень мала. Было продемонстрировано, что теоретическая модель является слишком упрощенным и приводит к неверному выводу об увеличении выхода вторичной эмиссии до единицы в пределе очень малоэнергетических первичных электронов. Этот вывод подтверждается многочисленными предыдущими экспериментальными исследованиями вторично-эмиссионных свойств различных материалов при низких энергиях электронов, которые показали, что в большинстве случаев значение этого коэффициента не должно превышать нескольких процентов при энергиях ниже 1 эВ. Поэтому мы не видим удовлетворительных аргументов в пользу утверждения, что близость к единице коэффициента вторичной эмиссии при низких энергиях является основным источником образования электронных облаков в различных плазменных системах. К сожалению, многие современные физики мало знакомы с теоретическими и экспериментальными результатами, полученными в начале прошлого века.

Список использованной литературы

1. Павлов, П.В. Физика твердого тела: Учебник / П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов. - М.: Ленанд, 2015. - 496 c.2. Павлов, П.В. Физика твердого тела / П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов. - М.: Ленанд, 2015. - 496 c.3. Савельев, И.В. Курс физики. В 3-х тт. Том 3 «Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц»: Учебник / И.В. Савельев. - СПб.: Лань, 2018. - 308 c.4. Сирота, Д.И. Физика твердого тела: Сборник задач с подробными решениями / Д.И. Сирота. - М.: КД Либроком, 2016. - 184 c.5. Стрекалов, Ю.А. Физика твердого тела: Учебное пособие / Ю.А. Стрекалов, Н.А. Тенякова. - М.: Риор, 2018. - 535 c.6. Тамахина, А.Я. Физика твердого тела: Учебное пособие / А.Я. Тамахина, Э.В. Бесланеев. - СПб.: Лань П, 2016. - 224 c.7. Третьяков, Н.Н. Курс физики. Том 3 Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц: Учебник / Н.Н. Третьяков, В.В. Исаичев, Ю.А. Захваткин. - СПб.: Лань, 2016. - 308 c.8. Трухачев, В.И. Курс общей физики: Учебник Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. / В.И. Трухачев, И.В. Капустин и др. - СПб.: Лань П, 2016. - 320 c.9. Эйхенвальд, А.А. Теоретическая физика: Механика твердого тела / А.А. Эйхенвальд. - М.: КД Либроком, 2016. - 224 c.