Часть 5 (1125043), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Между сцинтиллятором и фотоэлектронным умножителемпомещается световод, позволяющий вывести фотоумножитель, работа которогокрайне чувствительна к внешним электрическим и магнитным полям, запределы вакуумной камеры РЭМ. Так как большинство используемыхсцинтилляторов генерируют свет под действием электронов с энергией более10кэв, на его внешнюю поверхность наносится тонкий полупрозрачныйметаллический слой и на него подается положительное напряжение около 12квдля сбора и ускорения низкоэнергетической части спектра (истинно) вторичныхэлектронов. Чтобы исключить влияние этого электрического поля на первичныеэлектроны зонда, сцинтиллятор помещается внутрь цилиндра Фарадея, накоторый подается напряжение порядка нескольких десятков вольт (-50÷+250в),причем небольшой положительный потенциал используется для сборанизкоэнергетических электронов, которые, попадая внутрь цилиндра,ускоряются дополнительным потенциалом, имеющимся на поверхностисцинтиллятора.
Отрицательное напряжение на коллекторе полностью запираетвход детектора для низкоэнергетической части вторичных электронов, позволяянаблюдать контраст только в отраженных электронах. Детектор в таком видеполучил название детектора Эверхарта-Торнли, по имени разработавших егоавторов. Следует подчеркнуть, что эффективность сбора низкоэнергетическихэлектронов будет выше, чем для высокоэнергетических. Это становитсяпонятным из рис.5.4 Угол сбора электронов низкоэнергетической части спектраувеличивается за счет положительного потенциала коллектора. Для отраженныхэлектронов угол сбора определяется только размером входного угла детектора,и его расстоянием до образца.150Рис.5.4. Схема устройства детектора Эверхарта-Торнли.Наконец, необходимо подчеркнуть, что материал сцинтилляторапостепенно деградирует за счёт накопления радиационных дефектов поддействием подающих на него электронов, ухудшая эффективность детектора, итребует периодической замены.Полупроводниковый детектор.
Вторичные электроны, попадая вматериал полупроводника вблизи p-n-перехода, рождают в нем электроннодырочные пары, что приводит к появлению тока в цепи p-n-перехода. Этот токбудет пропорционален количеству электронов, поглощенных в монокристаллеполупроводника. Для получения достаточной величины сигнала ток вдальнейшем усиливается специальными малошумящими усилителями.Электроны должны иметь энергию, достаточную для образованияэлектронно-дырочных пар, поэтому полупроводниковый детектор (ППД)обычно используется для регистрации высокоэнергетической части вторичныхэлектронов.
Так как p-n-переход может иметь значительную площадь,эффективность сбора и регистрации отраженных электронов при помощи ППДвыше, чем для детектора Эверхарта-Торнли.Детектор излучения катодолюминесценции. Количество света,испускаемое мишенью под действием электронов зонда, обычно мало, поэтомудля увеличения эффективности сбора световых квантов используютспециальные зеркала, изготовленные в виде половины эллипсоида вращения, водин из фокусов которого помещают мишень, а в другой - световод - приемник,уводящий свет за пределы вакуумной камеры микроскопа.
Далее светрегистрируется либо интегральным детектором - фотоэлектроннымумножителем, либо спектрометром, позволяющем исследовать распределениеиспущенного образцом света по длинам волн. В зеркале имеется отверстие дляпропускания электронного пучка - зонда, направляемого на образец.Регистрациярентгеновскогоизлучения.Длярегистрациирентгеновского излучения обычно используются два типа систем. Во-первых,применяются кристалл-дифракционные спектрометры с изогнутыми дляувеличениясветосилыкристаллами-анализаторами.Приемникомрентгеновского излучения обычно служит сцинтилляционный детектор.
Вкачестве кристалла-сцинтиллятора обычно используются монокристаллыNaI(Tl). Во-вторых, применяются энергодисперсионные системы типа ППД наоснове Si(Li) p-n-перехода.Энергодисперсионные детекторы имеют существенно более низкоеэнергетическое разрешение (100÷150эв) по сравнению с кристаллдифракционными спектрометрами (меньше 10эв), однако благодаряодновременной регистрации всего спектра без каких-либо перемещений образцаи детектора и возможности его быстрой обработки на ЭВМ эти детекторыполучили в настоящее время очень широкое распространение.1515.3.
ВЗАИМДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКАС ВЕЩЕСТВОМПри попадании электронов зонда на поверхность мишени-образцапроисходит множество достаточно сложных явлений, связанных с передачейэнергии электронов пучка веществу мишени [5,11-15]. В первом приближениивсе эти явления можно разделить на две большие группы: упругое рассеяние,связанное с изменением траекторий электронов при малой потере энергии;неупругое рассеяние, обусловленное неупругим взаимодействием с ядрамиатомов, и неупругим взаимодействием со связанными электронами.
Дляописания взаимодействия потока частиц с веществом обычно используютследующие два понятия - сечение взаимодействия и длина свободного пробегаnчастиц. Сечение взаимодействия определяется, как σ =, а длинаnmn0свободного пробега - λ =A, где n - число столкновений в единице объема;N0 ρσnm - число атомов в единице объема мишени; n0 - число падающих частиц вединицу времени; ρ - плотность; A - атомный вес; N0 - число Авагадро.5.3.1.
ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИЭЛЕКТРОНОВ В ВЕЩЕСТВЕ (УПРУГИЕ И НЕУПРУГИЕПОТЕРИ)Упругое рассеяние электронов, как правило, возникает в результатекулоновского взаимодействия электронов с полем ядра - это так называемоерезерфордовское рассеяние, и происходит, как правило, на углы порядкадесятков градусов. Сечение рассеяния зависит от угла рассеяния ϕ и атомногономера Z и описывается формулой Резерфордаσ r = 1 . 62 ⋅ 10 −20F Z ϕI⋅ G ⋅ ctg JH E 2K2(5.7)Возможен и процесс многократного рассеяния на малые углы в результатевзаимодействия электронов с электронным облаком атома. В каждом актерассеяния электрон испытывает незначительное отклонение, однако посленескольких актов взаимодействия электрон может существенно изменитьнаправление движения практически на обратное.
Вероятности механизмовпервого или второго типа рассеяния сильно зависят от материала мишени иэнергии падающего пучка электронов.Неупругое рассеяние электронов в материале мишени происходит врезультате множества механизмов, например, таких как, возбуждениеэлектронного газа решетки (плазмоны), возбуждение электронов проводимости(вторичные электроны, наведенный ток), ионизация внутренних электронныхоболочек атома (Оже-электроны и характеристическое рентгеновскоеизлучение), возбуждение тормозного рентгеновского излучения, возбуждениефотонов (катодолюминесценция) и пр.Процесс потерь энергии электронами связан с многократными актами ихвзаимодействия с кулоновскими полями ядер и электронами атомных оболочек152и носит многоступенчатый характер.
Описание траекторий электронов в такихмногократных случайных актах обычно проводится в рамках метода МонтеКарло.Расчет потерь энергии электронов в мишени в предположениинепрерывности потерь впервые был сделан Бете на основе квантовой теории.Окончательное выражение для скорости потерь энергии электронов имеет видdEZ ρ1.166 E m− m = 2 π e4 N0 ⋅ ⋅ln,(5.8)dXA EmJздесь Em - средняя энергия электронов, e - заряд электрона, ρ - плотностьвещества, Z - атомный номер, A - атомный вес, N0 - число Авагадро. Параметр J получил название среднего потенциала ионизации элемента и равенJ = 9 .76 Z + 58 . 5 Z −0 .19 ⋅ 10 −3 êýâ(5.9)IJKFGHejДля описания средних потерь энергии иногда используют еще выражениесредней тормозной способности1 dES=− ⋅ m,(5.10)ρ dxкоторая определяет средние потери энергии на единицу длины и единицуплотности, т.е.
на единицу массовой толщины. Зная средние потери, можнолегко определить полную длину пробега электрона в мишениE =0dE,(5.11)R=dE m / dxEmzbgкоторая будет складываться из участков траекторий между каждыми двумясоседними по времени актами взаимодействия. Выражение для полной длиныпробега было посчитано Канайя и Окаяма с учетом полного сечения рассеяния,учитывающего как упругие, так и неупругие акты взаимодействия, и имеет видA(5.12)R = 0 .
0276 ⋅ E 1 .67 ⋅ 0 .889 .ρZFGHIJKЕсли в этой формуле E задается в кэв, А - г/моль, а ρ в ã / ñì 3 - вычисленнаяполная длина пробега электронов в мишени будет выражена в μm. Следуетподчеркнуть два обстоятельства: во-первых, полная длина пробега не совпадаетс глубиной проникновения электрона в мишень; во-вторых, приведенныеформулы очень приближенны и могут дать лишь грубые оценки этих величин.Рассмотрим несколько подробнее основные механизмы взаимодействияэлектронного пучка с веществом мишени.5.3.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
