Источники и детекторы зондирующих потоков квантов и частиц, страница 2

длину волны зондирующего излучения в широких пределах. Эффективным в этом случае является синхротронный источник, дающий интенсивный непрерывный спектр от видимой до жесткой рентгеновской области шкалы электромагнитных излучений. Источником синхротронного излучения является поток заряженных частиц, чаще всего - электронов, накапливающий энергию в ускорителях (рис.3.2.3).

Рис.3.2.3. Диаграмма излучения заряженных частиц, движущихся с релятивистской скоростью по окружности в накопительном кольце ускорителя

        Первой особенностью синхротронного излучения является возможность получения высокой интенсивности излучения на выходе из монохроматора. В рентгеновском диапазоне длин волн монохроматор – это специально выращенный, вырезанный или изогнутый монокристалл, соответствующим образом ориентированный в пространстве. Существенны две причины высокой интенсивности: первая - высокая интенсивность излучения на входе монохроматора, так как ток в пучке современного ускорителя может быть значительным - от десятков миллиампер до ампера, вторая - направленность синхротронного излучения (рис.3.2.3), обусловленная искривлением траекторий в управляющем магнитном поле накопительного кольца или ускорителя.

Второе обстоятельство позволяет сколлимировать излучение со значительно меньшими потерями, чем в случае точечных источников. Это особенно важно при работе на высокоэнергетических накопителях, так как исследователей и экспериментальную установку для защиты от излучения приходится располагать на большом расстоянии от ускоряемого пучка.

Важной  особенностью характеристики синхротронного излучения является его линейная поляризованность в плоскости орбиты ускоряемых пучков. Ценной характеристикой синхротронных источников может являться и высокий вакуум, необходимый для продолжительного удержания ускоряемых пучков.

Используя синхротронный источник, можно управляемым образом добиваться возбуждения любых электронных энергетических уровней атомов, а также прецизионного отрыва электронов с последующим анализом их энергетического спектра.

3.2.2. Источники электронных пучков

Электроны, вырванные из атомов или молекул, составляющих вещество, если проанализировать величину их энергии, могут сами по себе нести информацию о таких величинах, как межатомные связи, структура, энергетическое состояние электронов в решетке. Например, явление холодной эмиссии электронов служит основой эмиссионного электронного микроскопа, причем в варианте туннелированных электронов эта методика имеет рекордное пространственное разрешение - порядка 0,1Å .

Однако в современных лабораториях наибольшее распространение имеют приборы и методы, где электронные пучки являются зондирующими. Это область электронной микроскопии и электронной дифракции в различных вариантах, устройства для рентгеноспектрального микроанализа, где возбуждение характеристического спектра мишени достигается воздействием фокусированного электронного пучка, несколько электронно-спектрометрических методик исследований свойств поверхностных слоев.

Важным функциональным узлом электронных микроскопов, дифрактометров, спектрометров является источник электронов - электронная пушка, которая, совместно с узлами ускорения, фокусирования, и составляет электронно-оптическую систему приборов и служит для получения на исследуемой поверхности пучка заданной геометрии и необходимого энергетического спектра.

Энергетическое состояние электронов в металлах и электропроводящих керамиках, служащих источниками электронов, можно в первом приближении представить в виде диаграммы (рис.3.2.4). На границе металл-вакуум существует потенциальный барьер величиной Е_t. При абсолютном нуле температуры максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон, не превышает некоторого значения Е_Т. Таким образом, при абсолютном нуле потенциальную яму можно считать глубиной до этого максимального энергетического уровня, называемого уровнем Ферми Е_F. Разность энергий Е_t и Е_F представляет собой ту энергию, которую нужно сообщить электрону, чтобы он мог покинуть объем. Величина этой энергии еj  равна работе выхода электрона из вещества, где е - заряд электрона, j - контактный потенциал вещество-вакуум.

У большинства металлов, исключая щелочные и щелочноземельные, работа выхода электронов колеблется в пределах 3...5 эВ и при обычных температурах вероятность преодоления электронами барьера и вероятность обнаружения их за пределами объема очень малы, так как мала вероятность их туннелирования.

Рис.3.2.4. Схематическое представление потенциальной энергии свободных электронов в металле. U_св.эл. - потенциальная энергия свободных электронов внутри объема

Для того, чтобы заметное число электронов могло покинуть объем конденсата, необходимо либо увеличить энергию электронов, либо изменить форму и высоту барьера (уменьшить работу выхода), либо комбинировать оба эти воздействия. Широко применяются два способа сообщения дополнительной энергии электронам - нагревание объема, приводящее к термоэлектронной эмиссии, и бомбардировка квантами (с фотоэлектронной эмиссией).

Максимальная плотность электронного тока (или плотность тока насыщения) j_н и абсолютная температура Т связаны уравнением Ричардсона-Дэшмена       

                                                            (3.2.1)

где   k - постоянная Больцмана,  - постоянная Планка, e и m - заряд и масса электрона.

Электроны, выбитые вследствие фотоэффекта, чаще всего используются в различных вариантах электронной спектроскопии.

Уменьшить работу выхода электронов можно или подбирая химсостав эмиттера - источника электронов, или модифицируя его поверхностный слой. Например, добавляя в тугоплавкий вольфрам окись бария, или пропитывая пористую вольфрамовую матрицу алюминатом кальция и кальцием, можно заметно  увеличить  количество эмитируемых при той же температуре электронов. Настоящую революцию  в области высокоинтенсивных электронных эмиттеров произвели эмиттеры из гексаборида лантана LaB₆, получаемые по керамической технологии.