Источники и детекторы зондирующих потоков квантов и частиц, страница 3

Форма потенциального барьера радикально изменяется приложением внешнего электрического поля. Если поместить тело в сильное однородное электрическое поле (Е~10⁸ В/м), направленное внутрь его, то потенциальное поле (см. рис.2.4) заметно изменяется. Квантово-механический расчет показывает сильную зависимость плотности эмиссионного тока насыщения j_н  от напряженности поля Е  и температуры Т

                                                              (3.2.2)

где В и b - постоянные для данного материала и геометрии опыта.

Меньшую роль (пока) в исследовательской практике играют изменения потенциального барьера, связанные с активацией поверхности при расколе кристалла и приводящие к механоэмиссии, и эффекты экзоэлектронной эмиссии, обусловленные неоднородностями потенциала поверхности, вызванными как структурными дефектами, так и внешними воздействиями - нагреванием, облучением, трением, механической обработкой, химическими и фазовыми превращениями. Однако помнить о возможности влияния этих факторов на эмиссию часто необходимо.

Электронные пушки, применяемые в приборах различного назначения, обычно мало отличаются друг от друга и включают (рис.3.2.5) нагреваемый катод V-образной формы (1) из чистого или модифицированного вольфрама, нагреваемого до 2200...2300°С, анод (3) и третий электрод (2), называемый цилиндром Венельта. В качестве катода в приборах последних модификаций все шире используется гексаборид лантана, хотя он и требует более высокого вакуума в колонне прибора. Электроны, эмитируемые нитью, ускоряются положительным потенциалом анода, обычно изменяемым в пределах от 5 до 200 кВ (существуют и электронные приборы с ускоряющим напряжением до 1 MB).

Рис.3.2.5. Основные узлы электронно-оптических систем: 1-катод, 2-цилиндр Венельта, 3-анод, 4-катушка фокусирования пучка, 5-кроссовер, 6-образец, 7-питающий трансформатор

Дополнительный электрод 2 - цилиндр Венельта – находится под потенциалом от 100В до  600В  по отношению к нити и служит для первичной фокусировки потока  электронов. В точке   фокусировки перед цилиндром Венельта, называемой кроссовером, диаметр пучка не превышает 100 мкм, а непосредственно на образце диаметр пучка может быть уменьшен до величины около 20 мкм для вольфрамового катода, и тщательно стабилизируется, так как на разрешении прибора сказывается расфокусировка пучка. Причем существует тепловой разброс по энергиям  (DЕ » 3kT), что при температуре T эмиттера 2300К составляет около 0,6 эВ и является заметной величиной, особенно в методиках, связанных с медленными электронами.

Для повышения тока пучка (и снижения экспозиции при измерениях) используются катоды из гексаборида лантана.

3.2.3. Другие источники зондирующих потоков

П у ч к и   и о н о в, применяемые в исследовательской практике и в различных технологиях получения материалов, могут весьма различаться как по  составу, так и по величинам энергии. Ионные потоки применяются для разогрева и распыления бомбардируемых мишеней, для изменения их свойств в процессе имплантации ионов. Переводом в ионную составляющую с последующим пространственным разделением в магнитном и электрическом полях осуществляют очень точную массспектрометрию химического анализа, а также разделение изотопов. Энергия ионов варьируется от очень малой (5....10 эВ) в устройствах для спектрометрии ОЖЕ-электронов до десятком килоэлектрон-вольт. Ионные источники - важная составляющая часть ионных микроскопов.

В ионных источниках используются ионизация атомов соударяющимися электронами, фотоионизация, ионизация в газовом разряде, поверхностная ионизация.

Наибольшее распространение получили плазменные ионные источники, создающие интенсивные пучки ионов с заданными значениями массы, заряда, энергии, величиной тока. Ионные пучки с током в десятки ампер могут быть получены с помощью дуговых ионных источников, где инициатором является электрический разряд в вакууме - низковольтный дуговой или высокочастотный. Источником ионов может служить плазма, образующаяся при облучении твердого тела лазерным излучением - импульсным или мощным непрерывным. Широко распространены в технике микроэлектроники и науке  дуоплазмотроны, в которых плазменный пучок управляется неоднородным магнитным полем. Распространены ионные источники, где электроны, ионизирующие газ, осциллируют в пространстве камеры вдоль магнитных силовых линий, ионы  ''вытягиваются” из этого пространства и ускоряются до необходимой энергии электрическим полем.

Число лабораторий, имеющих источники   н е й т р о н о в, очень невелико. Нейтронные источники подразделяются на источники медленных "тепловых" (~0,1 эВ) и источники быстрых (1...2 МэВ) нейтронов. Нейтронный источник представляет собой пучок нейтронов, образующихся в результате ядерных реакций. Эти нейтроны проходят через специальное устройство-замедлитель, где испытывают большое количество столкновений с ядрами, что сопровождается потерей части энергии. После того как их энергия достигнет уровня, соответствующего (по формуле 3.1.3) заданной длине волны де Бройля, пучок коллимируется и монохроматизируется путем отражения от кристалла-монохроматора. Чаще всего это монокристаллы свинца, бериллия или меди. Удается получить монохроматические пучки нейтронов интенсивностью 10⁶...10⁹ нейтронов/мин, их рассеяние на исследуемом образце и является основой методов нейтронографического исследования. Эти методы также требуют повышенных мер радиационной безопасности.

В рассеянии излучений принимают участие обе системы кристалла - ядерная и электронная, интенсивность рассеяния зависит и от природы рассеиваемого излучения. Известны изотопы, ядра которых дают  g - и з л у ч е н и е   в диапазоне энергии внутриатомных и межатомных связей. Закономерности этого процесса составляют сущность ядерной g-резонансной спектрометрии (ЯГРС), или мессбауэровской спектрометрии.