книги из ГПНТБ / Арифов У.А. Угловые закономерности взаимодействия атомных частиц с твердым телом

гая юстировка отверстия охранного цилиндра относительно от­ верстий коллектора и аитидинатронной сетки позволяла избавить­ ся от краевых эффектов.

По оси коллектора пропускался молибденовый стержень 4, к которому монтировался держатель мишени в виде коробки 5 с приспособлением для очистки поверхности мишени электронной

бомбардировкой. Коробка крепилась к молибденовому стержню таким образом, что нитевидная ось его лежала в плоскости среза мишени (кристалла). На стержне была установлена стрелка-ука­ затель 6, а на охранном цилиндре — шкала углов 7. К нижнему концу стержня с помощью рычагов прикреплялись магнитные ша­ рики А и В. С помощью внешних магнитов, установленных вокруг магнитных шариков А и В, можно было изменять ориентацию мишени до отношению к пучку первичных частиц (рис. 2 а).

20

Когда мишенью служила тонкая лента поликристалла, в устрой­ стве держателя мишени было предусмотрено приспособление, не допускавшее искривления поверхности мишени во время продол­ жительных тепловых обработок при высоких температурах, что обеспечивало точность определения угла падения первичных ионов на поверхность мишени.

Поскольку часто нужно было работать при высоких темпера­ турах кристалла, в ряде случаев коробка-держатель монокристал­ ла помещалась в другую, танталовую коробку несколько больше­ го размера. Внешняя коробка обычно защищала коллектор от термоэлектронов, идущих от внутренней коробочки, накаленной тепловым излучением и электронной бомбардировкой.

Против щели охранного цилиндра, предназначенной для вхо­ да пучка первичных ионов, жестко устанавливался ионный источ­ ник 8 с электроннооптической линзой 9 для фокусировки пучка на поверхность мишени. Подводка к ионному источнику (для накала его спирали, управления его электронно-оптических систем и т. д.) осуществлялась с помощью гибких никелевых лент, позволявших вращать коллектор и охранный цилиндр вместе с источником вокруг молибденового стержня, который проходит вдоль оси кол­ лектора. Последнее и давало возможность изменять угол падения пучка на поверхность мишени.

Была предусмотрена также возможность изменять угол паде­ ния пучка вращением вокруг своей оси молибденового стержня 4, к которому крепилась мишень, при этом положение ионного источ­

пучка первичных частиц. Коллектор с антидинатронной сеткой был заключен в медную коробку 5 цилиндрической формы (рис. 26). Медный охранный цилиндр тоже имел отверстие с dox= 2 мм для входа пучка первичных ионов.

Сферические формы коллектора и антидинатронной сетки и их достаточно большие диаметры (Дк = 95, dc = 90 мм) позволили максимально приблизиться к условию П. И. Лукирского [144], по которому равенство du/dK= 1/10 (dM— диаметр мишени) является наиболее идеальным условием равномерного отбора на коллектор

рического коллектора).

Против щели охранного цилиндра был жестко установлен ион­ ный источник 1 с элекростатической линзой 6. Данный источник

21

отличался от установленного в первом приборе тем, что его от­

ионов.

Изменение ориентации мишени 2 во втором приборе также осу­ ществлялось с помощью внешних магнитов А и В и приспособле­ ния, предусмотренного в конструкции мпшеневой ножки.

диффузионными насосами. Последние соединялись с прибором с помощью последовательно соединенных ловушек, заполняемых жидким азотом. После нескольких часов тепловой обработки раз­ личных деталей (ионный источник, мишень, приемная часть и др.) в приборе достигался вакуум (4—6)-10-8 тор, а рабочий вакуум был порядка (1—2)-10~7 тор.

Ионный источник. Одним из важных требований при исследо­ вании угловых закономерностей взаимодействия атомных частиц с твердым телом является высокая коллимированность пучка пер­ вичных частиц (малый угол сходимости, малый разброс по энер­

нами был выбран метод получения ионного пучка путем поверх­ ностной ионизации молекул галоидных солей щелочных и щелоч­ но-земельных металлов с последующей сепарацией от нейтральных атомов. Ионный источник, работающий на этом принципе, обла­ дает рядом преимуществ по сравнению с другими типами ионных источников, которыми пользовались исследователи [40, J04, 105, 272, 355] в ранних исследованиях углового и энергетического рас­ пределений вторичных ионов.

Рассмотрение принципа работы этих источников показывает, что в составе ионных пучков, кроме чужеродных примесей, всегда присутствовали нейтральные атомы и молекулы соли, из которой получались ионы. Наряду с однозарядными имелись и миогозарядные ионы, и в большинстве случаев эти источники работали не­ стабильно. Между тем для изучения угловых закономерностей взаимодействия ионов с твердым телом, как нами упомянуто вы­ ше, необходимо было выбрать такой ионный источник, который имел бы высокую коллимированность по энергиям, массам и за­ рядам, а в составе ионных пучков отсутствовали бы нейтральные компоненты как самих ионов, так и чужеродных атомов.

Этим требованиям удовлетворяет источник, в котором ионы образуются путем поверхностной ионизации молекул щелочно-га­ лоидных солей. Кроме перечисленных выше достоинств, назван­ ный источник имеет и другие положительные стороны. Он легко управляем по энергиям и по плотности пучка ионов и может ста­ бильно работать длительное время как по величине, так и по на­ правлению ионного пучка.

2?

Однако самым большим недостатком такого типа источника оказалось расплывание пятна пучка на поверхности мишени в зависимости от ускоряющих напряжений, прикладываемых меж­ ду его различными вытягивающими электродами. Последнее, т. е. расходимость (положительная и отрицательная аберрация) пучка, существенно при исследовании угловых закономерностей взаимо­ действия ионов с твердым телом. Наличие аберрации пучка при­ водит к некоторым неопределенностям угла падения пучка на поверхность мишени, что является определяющим параметром столкновения при изучении элементарных актов взаимодействия атомных частиц. Она также вызывает искажения эффектов, свя­ занных с упорядоченной структурой мишени.

В процессе работы нами были сконструированы и изготовлены несколько типов ионных источников, основанных на том же прин­ ципе поверхностной ионизации, но без вышеуказанных недостат­ ков. Это было достигнуто благодаря хорошему подбору (сочета­ нию) геометрии различных электродов источника, а главным об­ разом геометрии отклоняющего (сепарирующего) конденсатора, электростатических линз, служивших основными элементами по­ добных источников заряженных частиц, и расстояния от последней диафрагмы источника до мишени [127, 128]. Приведем краткое описание двух типов ионных источников, разработанных нами, и наиболее зарекомендовавших себя в процессе исследований.

Схематическое изображение источника с круглым сечением пучка показано на рис. За. Источник состоит из следующих основ­ ных частей: ионизирующая часть — А, сепарирующие устройства— Б и фокусирующие устройства — В.

В ионизирующую часть А источника входил цилиндр 1 с d\ = = 30, /ij=20 (пли d = 25, h = 18 мм), изготовленный из танталовой

(через торец цилиндра 1) имеет окошко 3 для закладки галоидных солей щелочных и щелочно-земельных элементов 4 в зависимости от того, какой сорт ионов надо получить. В верхней крышке ци­ линдра 2 проделано множество мелких отверстий для выхода мо­ лекул солей при нагреве вольфрамовой спирали 5 (rf•= 1,5 мм, число витков 12— 15, изготовлена из 200ц вольфрамовой проволо­ ки). Над спиралью 5 на расстоянии ~ 2 мм от нее установлен вы­ тягивающий электрод-воронка 6 с диаметрами нижнего и верхне­ го сечения конуса 18 и 3 мм соответственно. Вытягивающая воронка прикреплена к верхней крышке цилиндра 1 с помощью диафрагмы 7.

Сепарирующее устройство источника Б состоит из сферическо­ го конденсатора 8 с углом раствора 67°, изготовленного из танта­ ловой пластины толщиной 0,2 мм. Сферический конденсатор 8 установлен между двумя дифрагмами 9, имеющими круглые от­ верстия с с?3 = 3 мм для входа и выхода пучка ионов из поля сфе­

23

рического конденсатора. Внешняя обкладка конденсатора через соответствующую изоляцию и внутренняя наглухо приварены к диафрагмам 9.

Выбор сферического конденсатора в качестве отклоняющего устройства источника продиктован необходимостью увеличить

'а

В¥

светосилу конденсатора. Последний, как известно [173], имеет большую светосилу (пропускную способность) по сравнению с плоским цилиндрическим конденсатором. Угол раствора конденса­ тора взят равным 67° для получения на выходе конденсатора па­

пучок, входящий в щель конденсатора, вновь фокусируется, описав в нем дугу АВ [306]:

24

линдрические, параболические и сферические) с разными угловы­ ми растворами (в пределах 90— 180°) нашли широкое применение в исследовании распределении по энергиям термоэлектронов [101]v характеристических потерь энергии электронами в твердых телах при облучении их электрона-ми [52, 63, 196, 224, 259, 294, 295, 305, 306, 354, 360] и при изучении энергетических спектров рассеянных ионов [48, 38, 176, 184, 273] и электронов [53, 54, 103[, эмиттнро-

ванных под действием ионной бомбардировки твердых тел. Они также успешно используются в масс-спектрографин высокой раз­ решающей способности [63, 90] и в ряде других современных устройств электронно-оптических систем.

В настоящее время электронно-оптические свойства цилиндри­ ческого и сферического конденсаторов общеизвестны. Их теорети­ ческое обоснование можно найти во многих учебниках [90, 173,. 196, 224]. Ниже остановимся только на некоторых деталях, связан­ ных с конкретными условиями наших экспериментов.

Если в конденсатор входит слегка расходящийся моноэяергетический пучок заряженных частиц с углом раствора 2а, то в первом приближении можно считать, что частицы будут двигаться по окружностям, которые согласно [25, 90, 224] пересекаются npiT угле раствора конденсатора 127°20'.

Условие движения по окружности [196, 224] описывается урав­ нением

(как видно из выражения (1.9) разрешающая сила (способность) конденсатора больше для частиц с малыми энергиями). Если на­ пряжение на конденсаторе равно Ук, то интегрирование уравнения (1.9) дает выражение

%о

25

(R[ и R,2 — радиусы внутренней и внешней обкладок цилиндри­ ческого конденсатора), связывающее ускоряющее напряжение с критическим напряжением VK между обкладками конденсатора, при котором заряженная частица движется по окружности с радиу­

сом

R 0 = (Ri + Л?2)/2-

Однако более подробный анализ траектории заряженных час­ тиц в поле электростатического конденсатора [90, 306] показывает, что по окружности движутся только частицы, проходящие по дуге с Ro', поэтому при расходящемся пучке, т. е., если частицы вхо­ дят в конденсатор с направлением скоростей, лежащих в преде­ лах углов + а и —а, на выходе из анализатора они пройдут через

-конденсатора, не превышал-—3, а в случае с прямоугольным сече­

вующие изоляторы прикреплены к диафрагме 9, имеющей тоже круглое отверстие d = 3 мм. Расстояние между различными диаф­ рагмами составляет примерно 4—5 и 9—8 мм. Такая конструкция ионного источника позволяла получить тонкий, интенсивный пу­ чок первичных ионов на нужном расстоянии от источника в соот­ ветствии с геометрией электродов источника и потенциалами, при­ кладываемыми между диафрагмами. Более подробное рассмотре­ ние поведения параллельного пучка в дрейфовом пространстве с учетом электростатического и электродинамического взаимодей­ ствий заряженных частиц (электронов) в пучке [146, 201, 276, 311, 349, 370] показывает, что радиус пучка ионов с круглым сече-

.нием на различных расстояниях от последней диафрагмы источ­

Однако интеграл, входящий в (1.12), не выражается в элемен­ тарных функциях. В. С. Лукашков [146], который и вывел вы­ ражение (1.12), составил таблицу значений этого интеграла. Кри-

26

Радиус сходящегося пучка, получаемого с помощью подходя­

а — угол между внешним контуром сходящего пучка и горизон­ тальной линией от края отверстия последней' диафрагмы источ­

интегрирования, можно построить с высокой точностью внешний контур пучка.

Влияние пространственного заряда на расплывание сечения лучка [90, 276] уменьшается с уменьшением плотности ионного пуч­ ка и прекращается, когда радиус минимального сечения пучка становится меньше критического значения (порядка расстояния между заряженными частицами в пучке). Поэтому, чтобы иметь дело со сходящимся пучком, свободным от аберрации (положи­ тельной и отрицательной), сечение пучка ионов, полученных в опи­

можно было регулировать от 3 до 1 мм с помощью дополнительной диафрагмы с соответствующим отверстием, диаметр которого ме­ нялся от 3 до 1 мм.

В большинстве исследований мы имели дело с пучком, сечение которого не превышало ~ 2 мм, на расстоянии 200—300 мм от последней диафрагмы электростатической линзы. При этом изме­ нение энергии и плотности пучка в широком интервале не приводило к расплыванию пятна пучка, наблюдалось только мигание пятна в зависимости от напряжения, подаваемого на внешнюю обклад­ ку отклоняющего конденсатора 8.

27

Второй’ тип ионного источника (рис. 36), созданный нами на том же принципе поверхностной ионизации щелочно-галоидных солей, отличался от описанного выше следующими параметрами основных элементов его конструкции. Этот источник имел прямо­ угольное сечение пучка размером 2x12 мм на выходе, которое тоже можно было менять с помощью дополнительной диафрагмы от 2X12 до 1X8 мм. Oil оказался наиболее эффективным при ис­ следовании угловых зависимостей энергетических распределений вторичных частиц, получаемых с помощью электрического кон­

анализатором отбор на анализатор для вторичных частиц, идущих от мишени, намного лучше и приводит к увеличению светосилы анализатора. В данном случае сепарирующим устройством служил плоский цилиндрический конденсатор с углом раствора 90° и соответственно вытягивающей воронкой служил прямоугольный конус с размерами сечения 2X14 и 10X14 мм. Остальные эле­ менты источника были аналогичны элементам источника, описан­ ного выше. Более детально оптимальные размеры основных эле­ ментов ионного источника подобного типа нами были описаны в [26].

Электрическая схема источника показана на рис. 36.

При нагревании вольфрамовой спирали 5 постоянным током образовывались пары солей из щелочно-галоидного элемента, которым наполнен цилиндр 2. Эти пары солей, попадая на поверх­ ность спирали, частично диссоциировали на адатомы металла п галоида. Затем часть адатомов в зависимости от потенциала ионизации V адатома и работы выхода ср поверхности нити, иони­ зировалась поверхностной ионизацией и с тепловыми скоростями слетала с поверхности спирали. В зависимости от знака потенциа­ ла, приложенного между спиралью 5 и диафрагмой 6, ионы ме­ талла ускорялись в пространствах 5—7, и часть ускоренных монокинетических ионов, прошедших через воронку 6 и щели 10, попа­ дала в цилиндрический конденсатор 8, где сепарировалась от нейтральных атомов. Затем сепарированный от нейтральных ато­ мов и частично сфокусированный ионный пучок направлялся в иммерсионную электростатическую линзу В, где осуществлялась окончательная фокусировка ионного пучка. Состав ионного пучка, получаемого из данного сорта солей, проверялся на масс-спектро- метрической установке.

Методика исследований. Область вакуума (5-10-8 •— МО-7 тор) в экспериментальных вакуумных камерах, при котором нам предстояло проводить исследование, не позволяла получить абсолютно чистую поверхность образца. Чистота поверхности об­ разца не обеспечивалась и в том случае, если образец до измере­ ний длительное время подвергался тепловой обработке. Поэтому одной из задач при изучении взаимодействия атомных частиц с

28

твердым телом являлось получение и сохранение достаточно чис­ тых условий на исследуемой поверхности.

При сравнительно недостаточном вакууме (меньше МО-8 тор) поверхность быстро загрязнялась атомами и молекулами остаточ­ ных газов. Мономолекулярное покрытие поверхности образца (ми­ шени) пленкой адсорбированных молекул остаточных газов про­ исходило, как известно [26], за время, определяемое формулой

молекул различных газов это время неодинаково. Для молекул газов 0 2 и N2 (наличие их молекул в вакууме наиболее вероятно) время образования мсномолекулярного покрытия на поверхности мишени при комнатной температуре и давлении остаточного газа ~1-10~7 тор равнялось 10— 15 сек., что далеко не достаточно, на­ пример, для снятия одной точки кривой энергетического и углового

вичных ионов при плотности / о, создающим на поверхности мише­

сти мишени н началом измерений, а также сокращение времени самих измерений намного улучшит рабочие условия на поверхно­ сти мишени, необходимые для получения надежных и воспроиз­ водимых результатов.

Мы задались целью разработать такие методы измерений угло­ вых закономерностей взаимодействия атомных частиц с твердым телом, которые обеспечили бы получение и сохранение чистых условий на исследуемой поверхности. Казалось бы, для этого необходимо просто поддерживать температуру ,мишени, достаточ-.

29