1.5. Вторичная электронная эмиссия

Вторичной электронной эмиссией (ВЭЭ) называют испускание электронов из твердого (или жидкого) тела при бомбардировке его пучком первичных электронов, чья энергия должна быть не меньше работы выхода бомбардируемого вещества. Испускаемые телом электроны называют вторичными, а бомбардируемое вещество вторично-электронным эмиттером или мишенью. Вторичная эмиссия была открыта Л.Остином и Г. Штарке в 1902г. Она представляет собой сложное явление, включающее в себя несколько взаимосвязанных процессов: упругого и неупругого рассеяния первичных электронов на атомных частицах, возбуждения внутренних вторичных электронов, их движения к поверхности и выхода их в вакуум. При этом надо иметь в виду, что в числе вторичных электронов может оказаться и часть первичных, отраженных от вещества эмиттера, поэтому электроны, вышедшие из вещества, «внутренние» электроны, часто называют истинно вторичными. Отношение числа истинно вторичных электронов к числу первичных электронов, вызвавших эмиссию, называют коэффициентом истинно вторичной эмиссии и обозначают как δ. Отношение числа упруго и неупругоотраженных электронов к числу первичных называют коэффициентом отражения электронов и обозначают как η (доля неупругоотраженных электронов составляет не более 10% от общего количества вторичных отраженных электронов). На практике наиболее часто используют совокупный показатель эффективности ВЭЭ – коэффициент вторичной эмиссии (КВЭ)

Таким образом, если обозначить число первичных электронов как n_p (индекс р- от англ. primary - первичный), а общее число вторичных электронов как n_s (от secondary - вторичный), вылетающих из мишени или падающих на нее в единицу времени, то коэффициент вторичной эмиссии найдется как

(24)

Коэффициент ВЭЭ представляет собой статистическую величину - средневзвешенную по большому числу актов эмиссии. Поэтому его определяют как среднее число вторичных электронов, приходящихся на один первичный электрон. Его величина может быть как больше, так и меньше единицы. Она зависит от энергии первичных электронов, вида вещества мишени, состояния его поверхности, температуры, угла падения первичных электронов и др. факторов. Проникая в вещество мишени, первичный электрон взаимодействует с его атомами, отклоняясь от своего первоначального направления (рассеиваясь) и теряя при этом энергию. Чем глубже он проникает в вещество, тем меньше шансов у вторичного электрона, которому сообщил энергию первичный электрон, выйти за пределы вещества мишени, поскольку вторичный электрон также испытывает акты взаимодействия с атомами. В результате энергия вторичных электронов на несколько порядков меньше энергии первичных.

Существует понятие эффективной глубины проникновения первичных электронов в вещество L_эфф, которая представляет собой расстояние, которое проходит первичный электрон, не испытав рассеяние на большие углы в экранированном электронами поле ядра, т.е. однократных больших потерь энергии. Ниже приведено одно из эмпирических выражений для L_эфф [4]:

[см], (25)

г де . Здесь A, z, ρ – атомный вес, атомный номер и плотность вещества мишени соответственно, E_p - энергия первичных электронов. Как следует из (25), эффективная глубина проникновения первичных электронов в вещество увеличивается с ростом их энергии и по расчетам составляет величину порядка микрометра при энергии первичных электронов порядка килоэлектронвольт. С учетом изложенного выше зависимость (E_p) выглядит так, как на рис.12. Как видно из рисунка, рост энергии первичных электронов вначале вызывает увеличение числа электронов вторичных, что закономерно (а почему?). Но одновременно растет и эффективная глубина проникновения первичных электронов в вещество, что приводит к уменьшению числа истинно вторичных электронов, растерявших свою энергию в результате взаимодействий с атомами. В итоге, КВЭ, начиная с некоторого значения E_p, а, следовательно, и с некоторого значенияL_эфф, уменьшается. Значения E_p, при которых коэффициент =1, называют первой (Е^′_р) и второй (Е″_р) критическими энергиями или критическими потенциалами φ_р′ и φ_р″. Знание этих величин важно, когда ВЭЭ целенаправленно используется в различных вакуумных приборах –фотоэлектронных умножителях, электроннолучевых приборах, магнетронах и др. Например, использование ВЭЭ с 1 в фотоумножителях позволяет усиливать слабые фототоки.

Если бомбардировке электронами подвергается изолированная (т.е. ни с чем омически не соединённая) мишень, то она будет заряжаться отрицательно. При Е_р Е^′_р ( 1) мишень будет заряжаться отрицательно до потенциала источника первичных электронов, так как только в этом случае может установиться равновесное состояние, при котором все электроны будут отбрасываться от мишени ее полем. При Е_р Е″_р ( 1) мишень также заряжается отрицательно. Ее поле тормозит первичные электроны и их энергия уменьшается. Как только она станет равной второй критической величине (см. рис. 12) наступит состояниее равновесия - n_s=n_p ( =1), которое сохранится сколь угодно долго при условии, что все вторичные электроны будут уходить на коллектор – дополнительный электрод, имеющий положительный потенциал относительно источника первичных электронов. В равновесном состоянии изолированная мишень приобретает потенциал коллектора, т.к. лишь в этом случае число первичных электронов, бомбардирующих мишень, будет равно числу вторичных электронов, уходящих на коллектор. Такой режим применяют в небольших осциллографических электронно-лучевых трубках, у которых люминесцирующий экран, представляющий собой тонкий слой полупроводника-люминофора, изолирован от остальных элементов конструкции. Коллектором вторичных электронов служит внутреннее проводящее покрытие, так называемый аквадаг, на который с помощью механического контакта подается положительный потенциал.

Если же ( ), то мишень приобретает положительный потенциал по отношениию к источнику первичных электронов, которые будут дополнительно ускоряться в поле мишени. Рост энергии первичных элетронов будет продолжаться до тех пор, пока не достигнет величины второго критического значения, после чего наступит состояние равновесия.

Вторичная эмиссия практически всегда имеет место в электронных вакуумныых приборах, поскольку напряжения на их электродах таковы, что электроны ускоряются до энергий, превышающих работу выхода материала электродов. Но, если в корпусе прибора имеется только один положительно заряженный электрод, то вторичные электроны, выйдя из положительно заряженного электрода (анода, экстрактора), который «притянул» своим полем электроны первичные, вновь возвращаются на него, порождая тем самым паразитные , «шумовые» сигналы.

Вторичная эмиссия во многих случаях нежелательна, поскольку искажает картину движения заряженных частиц, и от неё стараются избавляться. Вместе с тем, в ряде приборов это явление целенаправленно используют, например, в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) и ранее упомянутых электронных лучевых осциллографических трубках. В последних приборах без ВЭЭ невозможно было бы получить изображение на экране трубки, возникающее как результат бомбардировки электронами люминесцирующего экрана, т.к. все электроны луча отбрасывались бы полем отрицательно заряженного экрана. Что же касается ФЭУ, то это вакумные приборы с фотокатодом, у которых ток фотоэлектронной эмиссии усиливается за счет ВЭЭ. Для ее организации в конструкцию ФЭУ, помимо фотокатода и анода, вводят некоторое количество так называемых динодов - вторично-электрон-

ных эмиттеров, - положителльно заряженных (относительно катода) электродов (рис.13). На рисунке таких динодов три - Д1,Д2,Д3. Потенциал каждого последущего динода больше предыдущего, что достигается за счет использования резистивного делителя R1 – R4. Диноды изготавливают из материала с большим КВЭ ( Эмитированные фотокатодом электроны попадают на первый динод, потенциал которого равен падению напряжения на R1. С его поверхности уйдет в раз больше вторичных электронов, нежели первичных. Поскольку потенциал второго динода больше, чем первого (U_Д2=U_R1+U_R2), то вторичные электроны первого динода ускоряются в направлении второго динода, являясь для него первичными. Если КВЭ для всех динодов постоянен, то с поверхности второго динода выходит в ² раз больше электронов, чем было испущено катодом. В итоге, при числе динодов, равном N, анодный ток ФЭУ будет больше тока фотокатода в ^N раз, следовательно, во столько же раз чувствительность фотоумножителя будет больше, чем у двухэлектродного фотоэлемента. Реально она составляет величину порядка 10³ А лм при быстродействии порядка 10^-9с. Темновой ток составляет до 10^-8А. Прим.: о катодах ФЭУ см. [10,с. 64].