Шпоры (отличные) по МЭСА 7 семестр
.pdf
9.3 |
При ионизации К-оболочки возможны ещё KL1L2, (2s12р5), KL2L2,3(2s22р4), и |
KL3L3(2s22р4),. всего 6. Наибольшую интенсивность имеет переход KL2L3. |
|
Энергия Оже-электрона в первом приближении для KL2L3 : EA = EсвK − EсвL2 − EсвL3 |
|
определив энергию Оже-электрона, можно сказать, каким элементом испущен данный электрон- метод Оже-электронной спектроскопии.
При образовании первичной |
|
вакансии за счет ионизации |
|
электронным ударом |
|
конкурирующим с Оже- |
|
процессом будет переход с |
|
испусканием кванта |
|
характеристического |
|
рентгеновского излучения→, |
|
правилами отбора ∆l = ± 1; |
|
∆j= 0, ± 1. ( на Оже-переходы не распространяются) |
ω = EсвK − EсвL3 |
По энергии кванта можно сказать в каком элементе произошел переход-электронный
микроанализ Система обозначений излучательных переходов (линии ХРИ)
первом место -символ хим. элемента где генерируется ХРИ.второеоболочка (K, L, M...), с которой был удален электрон. третьебуква в зависимости от "расстояния" с которой пришел электрон α – с соседней, β – через одну, γ – через две и т.д. |пример CaKα, CaKβ
Наиб. интенсивные линии соответствуют изменениями квантовых чисел состояний:
∆l = 1; ∆j = 0, ∆j = 1.
Если принять интенсивность Kα1 и Lα1 за 100%, то Kα2 ~ 50%, Kβ1 ~ 20, Kβ2 ~ 6, Kβ3 ~ 10,
Lα2 ~ 10, Lβ1 ~ 50, Lβ2 ~ 20, Lβ3, Lβ4 ~ 5…6, Ll ~ 2%.
Выход рентгеновской флуоресценции - вероятность заполнения вакансий с выходом ХРИ. Сумма вероятностей выхода рентгеновской флуоресценции и Оже-электронов равна единице.
Переходы Костера-Кронига -
Если в конечном состоянии одна из вакансий находится в той же оболочке (но не в той же подоболочке), которая была ионизована в результате электронного удара.
Если первичная вакансия в К- оболочке, то переход К-К невозможен.
9.4 |
вероятности выхода рентгеновской флуоресценции от атомного номера для К- |
оболочки и для L-оболочки ↓ |
|
|
для элементов с малым атомным номером |
|
преобладают Оже-переходы, для тяжелых |
|
элементов преобладает рентгеновская |
|
флуоресценция. |
|
При электронном облучении образца помимо |
|
Оже-электронов и ХРИ, ещё генерируется |
|
тормозное рентген излучение с непрерывным |
|
энергетическим спектром от нуля до энергии, |
|
бомбардирующих электронов E0. |
|
Тормозное рентгеновское излучение - фон, на |
|
котором выделяются линии ХРИ. |
Вспектре тормозного излучения имеется коротковолновая граница λ0 = hc/E0.
Максимум интенсивности приходится на λmax 1,5λ0.
Увеличение тока электронного пучка приводит к увеличению общего выхода тормозного рентгеновского излучения, но λ0 и λmax при этом не меняются.
Общий выход тормозного рентгеновского излучения является функцией трех переменных: атомного номера образца Z2, тока I0 и энергии электронов E0. формула Крамерса:
Iти = I0Z2(E – E0)/E
где Iти – выход квантов тормозного рентгеновского излучения с энергией E.
10.1 |
Взаимодействие рентгеновского излучения с ТТ (фотоэффект, эффект |
Комптона). Сечение фотоэффекта и связь с коэффициентом поглощения |
|
|
рентгеновского излучения, массовый коэффициент поглощения |
|
При прохождении пучка фотонов через ТТ возможны процессы:
-рождение фотоэлектронов в результате фотоэффекта;
-комптоновское рассеяние;
-образование электрон-позитронных пар.(только если энергия фотона ≥ 2mec2 = 1,02 МэВ не расматриваем).
Комптоновское рассеяние приводит в к изменению направления движения фотона с увеличением его длины волны на ∆λ = (h/mec)(1 – cosθ), где h/mec = 0,0243 Å. Энергии наших фотонов обычно не превышают 10 кэВ, что соответствует λ = 1,24 Å. →даже для
макс. угла расс. θ = 90о ∆λ/λ 2 10-2. и ещё, при таких энергиях, вероятность процесса комптоновского рассеяния значительно ниже вероятности фотоэффекта.
→преобладающий вклад в ослабление пучка фотонов вносит фотоэффект
При фотоэффекте фотон ħω передает всю энергию атомному электрону, который улетает из атома с энергией Ее = ħω – Есв, где Есв – энергия связи электрона в атоме.
условие ħω ≥ Есв→при одной энергии кванта фотоэффект может быть на одних оболочках и не быть на других.
При облучении образца рентгеновскими квантами фиксированной энерги из образца будут вылетать фотоэлектроны с различными Ее, отвечающие различным Есв. можно определить каким атомом испущен фотоэлектрон- рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.
Квантовомеханич. расчет дает выражение для сечения фотоэффекта на оболочке Есв
ph |
128π e2 |
|
|
|
Eсв5/ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
σобол = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
-2 |
|
2 |
|
3 mec ( ω− Eсв)7 / 2 |
|
|
|
|||||||||||||
|
Так как e ħ/mec = 5,56 10 |
|
кэВ Å |
, то, получим |
||||||||||||
ph |
7,45 |
|
|
|
Eсв |
|
5/ 2 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
σобол = |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
, если ħω в кэВ. |
|
|
|
|
||
( ω− Eсв) |
ω |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
− Eсв |
Å |
|
|
|
|
||||||||
введем ħω0 = hc/λ0 = Есв, |
|
λ0 длина волны края поглощения → |
|
|
||||||||||||
ph |
7,45 эВ А2 |
|
( ω0 / ω)5/ 2 |
||
σобол = |
|
|
|
|
|
ω |
(1− ω0 |
/ ω)7 / 2 |
|||
|
|
||||
→ при ħω → Есв (λ → λ0) σph →∞. В
действительности, наблюдается резкий рост величины σph до некоторой величины, после чего оно на данной оболочке становится
равным нулю (ħω < Есв). При этом σph на оболочке с меньшей Есв не равно нулю.
= |
7,45 эВ А2 |
|
(λ/ λ0 )5/ 2 |
ω |
(1−λ/ λ0 )7 / 2 |
|
Полное сечение фотоэффекта в атоме σph складывается из сечений |
|
10.2 |
||
фотоэффекта на каждой оболочке, которые зависят от своих Есв. |
||
|
||
|
Если сечение фотоэффекта рентгеновского кванта с энергией ћω на оболочке s в |
|
|
образце с атомной концентрацией n0 равно σsph, тогда средняя длина свободного пробега кванта до его поглощения с выходом фотоэлектрона с s оболочки
λs = |
1 |
|
|
n0nsσphs |
ns – число электронов на s оболочке |
||
|
Пусть внутри образца интенсивность потока квантов равна I перед входом в слой толщиной dx,→доля поглощенного пучка за счет фотоэффекта в этом слое есть
|
dx |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
dI = −I ∑ |
λs |
= −I |
∑ |
|
dx =− I |
∑μs dx |
ph |
||
|
|||||||||
s |
|
s |
λs |
|
s |
|
где µs = n0nsσs |
||
интенсивность потока рентгеновских квантов после прохождения образца толщиной l:
|
|
|
|
|
|
|
I(l) = I0 |
exp −l |
∑μs |
= I0 exp(−lμ) |
,где I0-интенсивность на входе в образец |
||
|
|
|
s |
|
|
|
μ = ∑μs |
– коэффициент линейного поглощения.[ см-1] |
|||||
s |
|
|
|
|
|
|
длина ослабления – расстояние вдоль нормали к поверхности образца, на котором интенсивность рентгеновского излучения спадает в е раз.
модели расчета σsph плохо согласуются с экспериментальными данными, поэтому пользуются экспериментально определенными
значениями μ и в справочниках дается массовый коэффициент поглощения µ/ρ, где ρ – плотность поглотителя. И можно что то посчитать для соединения из различных элементов по известным
значениям (µ/ρ)i каждого из элементов,
σiph – полное сечение (по всем оболочкам) фотоэффекта на атоме i-го компонента. Тогда
ph |
|
M m n |
(n |
σph ) |
где ni и Mi – атомная концентрация и i-го |
||
μ = ∑niσi |
= ∑ |
i |
0 i |
0i |
i |
|
компонента, n0i – атомная концентрация |
|
Mim0n0i |
моноэлементного образца, состоящего только |
|||||
i |
i |
|
из i-го компонента, m0 – аем. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
11.1 |
Характеристики электронных пучков, источники ускоренных электронов, |
|
термоэмиссионные и автоэмиссионные катоды, электронная пушка. |
||
|
||
|
Электронные пучки принято разбивать на два класса: |
|
|
•Электронные пучки, в которых влияние объемного заряда на движение отдельных электронов пучка пренебрежимо мало.
•Электронные пучки, в которых объемный заряд влияет на движение электронов. Разбиение пучков на эти классы осуществляется на основании характеристики первианс
P = I/U3/2, где I – ток электронного пучка, U – ускоряющее электроны напряжение. При Р ≤ 0,1 мкА/В3/2 влияния объемного заряда нет,
при Р > 0,1 мкА/В3/2 объемный заряд влияет на движение электронов. Например, U = 100 кВ для того, чтобы Р > 0,1 мкА/В3/2 I должен быть > 3 А. в МЭСА используются исключительно низкопервиансные пучки
Источники ускоренных электронов до энергии ~ сотни кэВ называют электронными пушками (ЭП), при больших энергиях – ускорителями электронов.
Назначение электронной пушки – сформировать электронный пучок с:
требуемой энергией электронов, требуемой плотностью тока, требуемой угловой расходимостью, требуемым сечением на заданном расстоянии от ЭП.
ВМЭСА используются пучки круглого сечения (аксиально-симметричные) электронный эмиттер- источник электронов в ЭП.
Вбольшинстве ЭП используются термоэлектронные эмиттеры (катоды), основанные на том, что при нагреве металла происходит увеличение энергии электронов зоны проводимости до
величины, необходимой для преодоления работы выхода еϕ . Плотность тока термоэлектронной эмиссии определяется формулой Ричардсона
j0 |
= AT |
2 |
|
|
|
|
где А – константа (разная для разных материалов), Т – абсолютная |
exp |
− k T |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
температура эмиттера. |
|
|
|
|
|
B |
|
повышение j0 возможно за счет повышения Т, однако имеются |
|
|
|
|
|
|
|
ограничения, связанные |
•с расплавлением термоэмиттера
•с превышением давления насыщенных паров материала термоэмиттера рабочего давления в электронной пушке (< 10-5 Тор);
•с увеличением скорости испарения материала термоэмиттера с повышением температуры, что приводит к сокращению его срока службы.
наиб. распростр. материалом является вольфрам (еϕ = 4,5 эВ; А = 67 А/см2 К),
Для вольфрама Тплавл = 3650 К, Трабоч = 2623 К,.При плотность тока, отбираемая с вольфрамового термоэмиттера 1 А/см2, скорость испарения 10-8 г/см2.с. недостаток – низкая
технологичностьтрудно обрабатывать, хрупок. для преодоления исп.примеси( Рений). также применяются монокристаллы гексаборид лантана (LaB6),
еϕ = 2,66 эВ, А = 40 А/см2 К, Тплавл = 2540 К. , j0 = 1-30 А/см2.
Недостаток - более низкое рабочее давление, чем у W
Также используются оксидный термоэмиттер который состоит из неплотноупакованных кристаллов BaO, SrO и CaO, высаженных на Ni проволоку. в отпаянных стеклянных конструкцияхдешевый типа простой
По конструкции термоэмиттеры делятся:
11.2 на прямонакальные(W) -в которых разогрев осуществляется пропусканием электрического тока через металлическую проволочку, изогнутую в виде
шпильки с радиусом закругления острия ~ 0,1 мм.
термоэмиттеры с косвенным подогревом(LaB6) –разогрев термоэмиттера до рабочей температуры осуществляется тепловым излучением нагревателя – W-проволочки, нагреваемой пропусканием электрического тока.
ещё есть автоэлектронные эмиттеры, работа которых основана на автоэлектронной эмиссии (полевой электронной эмиссией) – испускание электронов проводящим ТТ под действием внешнего электрического поля E высокой напряженности..
При увеличении E уменьшается высота и ширина потенциального барьера над уровнем Ферми на границе ТТ. В результате увеличивается число электронов, туннелирущих в единицу времени сквозь барьер, соответственно увеличивается плотность тока
Плотность тока j0 автоэлектронной эмиссии из металлов в вакуум следует закону Фаулера –
Нордгейма: j0 = C1E2 exp(−C2 / E)
C = e3 / 8πht2 |
(y)ϕ, |
C |
2 |
= |
8π |
2me |
|
ϕ3/ 2ϑ(y) |
||||||
|
|
|
||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
3he |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
приближенная формула |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
E |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3/ 2 |
|
j0 =1,4 10−6 |
|
exp 10 |
,1 |
−6,49 107 ϕ |
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
ϕ |
|
|
ϕ |
|
|
|
E |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где mе - масса электрона, ϕ – потенциал работы выход,
t2 (y) =1,1 ϑ(y) = 0,95 −1,03y2
j0 в А/см2, Е в В/см
ϕ в В.
←автоэлектронная эмиссия от E
Автоэлектронные эмиттеры могут работать
• при комнатной температуре;
• при температуре немного меньшей, чем температура начала термоэлектронной эмиссии (1600-1800 К).
В первом случае энергетический разброс электронов не превышает 0,3-0,5 эВ, во втором случае 0,6-0,8 эВ.
при эксплуатации на его поверхности появляются загрязнения в виде адсорбатов
остаточных газов, которые генерируют шум электронной эмиссии.
Электронная пушка состоит из следующих основных узлов:
1.Электронный эмиттер (катод).
2.Управляющий электрод ≡ модулятор ≡ электрод Венельта.
3.Анод с последующей системой фокусирующих электродов.
Испущенные катодом электроны ускоряются к заземленному аноду разностью потенциалов U. Между катодом и анодом располагается управляющий электрод (модулятор), ось которого
11.3 |
совпадает с острием катода. Модулятор находится под большим |
отрицательным потенциалом (от 0 до ~ 500 В) чем катод за счет падения |
|
|
напряжения на регулирующем резисторе |
|
|
|
испущенные катодом электроны фокусируются |
|
за модулятором в пятно минимального |
|
диаметра d0. Плоскость с этим пятном |
|
называется кроссовером. Из кроссовера |
|
электронный пучок выходит с угловой |
|
расходимостью α ≤ 10-3 радиан. |
|
Максимальная плотность электронного тока в |
|
кроссовере jз (не путать с j0) определяется |
|
выражением |
|
jз = 4Iз/4π d02 |
|
Если бы последующие электронные линзы не |
|
имели аббераций, то плотность тока на образце |
|
была бы равна jз. |
|
Используемые в МЭСА пушки с |
|
термоэмиттерами имеют |
|
jз до десятков А/см2 при d0 сотни нм. |
|
с автоэлектронными эмиттерами |
|
jз десятки А/см2, d0 десятки нм. |
|
Абсолютные значения тока Iз 10-2-10-3 мкА. |
|
Яркость β ЭП определяется как плотность тока |
в единицу телесного угла.
Т.к α - малый угол, то телесный угол охватывающий расходящийся пучок есть πα2, →
β = jз /πα2
←Зависимости Iз и β от напряжения
смещения, равного разности потенциалов между катодом и модулятором
Параметры ионных источников, конструктивные элементы ионных 12.1 источников, дуоплазматрон и ионный источник Пеннинга.
Ионный источник (ИИ)– устройство для получения в вакууме ионного пучка
– пространственно сформированного потока ионов, скорость направленного движения которых много больше их тепловых скоростей.
ИИ состоит из собственно источника ионов и устройства их экстракции. Атомы ускоряемых элементов могут вводиться в ионный источник либо напуском (в виде газа), либо испарением (жидкой или твердой примеси). В ионном источнике они ионизируются и вытягиваются соответствующим потенциалом, приобретая нужную энергию.
требования:
•получение нужных ионов с определенным зарядом;
•получение нужной плотности ионного тока ;
•стабильность пучка во времени.
параметры ИИ:
•полный ток и плотность тока ионного пучка;
•энергия ионов;
•характерный поперечный размер пучка;
•качество пучка: его пространственная и скоростная сформированность – эффективный угол расходимости и энергетический разброс ионов;
•компонентный состав пучка – положительные и отрицательные ионы, атомарные, молекулярные, многозарядные ионы;
•газовая эффективность – отношение потока сформированных ионов к потоку газа, подаваемого в ИИ;
•энергетическая эффективность – отношение мощности пучка к мощности потребляемой ионным источником от сети.
типы ИИ: с горячим, холодным и полым катодами; дуоплазмотроны; источники с ВЧ- и СВЧ - возбуждением; с поверхностной ионизацией
конструктивные элементы ИИ:
•разрядную или ионизационную камеру, которая является несущей конструкцией источника;
•анод, предназначенный для создания электрического поля внутри разрядной камеры;
•источник электронов (термокатод), инжектирующий электроны для ионизации газа;
•магнитную систему, повышающую эффективность ионизации и плотность плазмы;
•электроды, экстрагирующие ионы, и электроды первичной фокусировки пучка.
вспомогательные устройства:
•система подачи газа;
•устройство испарения вещества;
•источники питания.
Впростейшем виде ИИ состоит из эмиттера и ускоряющего электрода – экстрактора с отверстием для выхода ионного пучка.Для фокусировки ускоренного пучка используются электростатические и магнитные линзы (Ионно-Оптическая Система -ИОС).
12.2 |
В зависимости от физической природы эмиттера ионов различают типы ИИ: |
|
• |
"полевые", в которых ионы образуются благодаря действию сильного |
|
|
электрического поля (~108 В/см) на и вблизи поверхности ТТ, ионы которого |
|
|
||
необходимо получить; |
||
•плазменные, в которых ионы отбираются с поверхности плазмы, образуемой в большинстве случаев с помощью газового разряда;
•радиочастотные, в которых газ поступает в кварцевую рабочую камеру, соединенную с высокочастотным генератором, излучение которого ионизует газ;
•с поверхностной ионизацией, где эмиттером ионов служит поверхность накалённого материала, работа выхода которого превышает потенциал ионизации падающих на него атомов .
ВМЭСА используют три первых.
Ионный источник с полевым испарением.
жидко-металлические ИИ., которые из-за большой величины j0 позволяют формировать ионные
зонды
– пучки субмикронного диаметра. Эмиттером является небольшая часть поверхности жидкого металла, покрывающего иглу тонким слоем. 1 и 2 – жидкий металл; 3 – металлическая игла; 4 – жидкометаллическое остриё; 5 – ионы металла; 6 – экстрактор; 7 – область свечения Перед эмиттером находится электрод
- экстрактор, создающий вблизи острия сильное электрическое поле ~
108 В/см и имеющий отверстие для вывода ионного пучка. Большой ионный ток (~ 10-6-10 -3 А); существует на поверхности иглы жидко-металлического острия;. К такому режиму приходят или повышением температуры металла внешним нагревом при
фиксированном большом потенциале U, или увеличением U до некоторого порогового значения, при котором происходит скачок ионного тока.
дуоплазмотрон(картинка в 12.3) |
|
|
|
1 – катод из вольфрама или гексаборида лантана; |
2 – промежуточный анод; |
4 – анод; |
|
3 – соленоид, создающий магнитное поле ~ кГс; |
5 – вытягивающий ИОС |
||
Анод и промежуточный анод изготовлены из ферромагнитного материалаи образуют магнитную цепь
|
Для увеличения степени ионизации |
|
12.3 |
||
столб разряда подвергается |
||
механическому и магнитному, сжатию с |
помощью диафрагм и магнитного поля, нарастающего к анодному отверстию малого диаметра. Сжатие разрядной дуги в узком канале промежуточного электрода сопровождается возникновением плазменного "пузыря" со скачком потенциала в слое, отделяющем катодную плазму А от более плотной анодной плазмы С.
В тонком слое В ускоряются и фокусируются электроны, выходящие из плазменной области А в плазменную область В. Вблизи анода 4 плотная плазма дополнительно сжимается сильным неоднородным магнитным полем, сечение плазмы вблизи выходного отверстия уменьшается, а концентрация ионов в плазме возрастает до 1014–1015 см -3. Такая плазма эмитирует ионы с плотностью в десятки А/см2 Среди других ИИ дуоплазматрон отличается высокой газовой эффективностью.
но он требует сложного электропитания: катода, соленоида и промежуточных анодов:
ИИ с холодным катодом или ионный источник Пеннинга.
зажигание газового разряда осуществляется за счет пробоя газового промежутка катод-анод, где приложенно несколько сотен вольт. Напряжение на разрядном промежутке должно быть минимальным для зажигания и поддержания газового разряда. Напряжение зажигания зависит от материала катода~ кВ.
Газовый разряд горит в продольном магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом с индукцией ~ кГс, между двумя катодами и кольцевым анодом. Эмиссия электронов из катодов происходит за счет их бомбардировки ионами разряда. За счет приложенного магнитного поля электроны движутся по спирали, что увеличивает их путь и число ионизирующих соударений на пути катод-анод.
Извлекаемый ионный ток~нескольких миллиампер.
достоинства ИИ Пеннинга: простота электропитания, отсутствие накаливаемого катода→ позволяет длительно эксплуатировать,низкое рабочее давление.
Недостаток малый вытягиваемы ионный ток..
высокочастотный ИИ.
ионизация рабочего газа производится высокочастотным (~ 1 ГГц) полем. Достоинства простота конструкции, отсутствие накаливаемого катода, простота электропитания, низкое давление рабочего газа в ионном источнике.
можно получать ионы элементов, не являющихся газообразными при обычных условиях. если в качестве рабочего газа использовать метан (СН4), то вместе с ионами водорода из источника будут вытягиваться также ионы углерода (С+).