Файл: Арифов У.А. Угловые закономерности взаимодействия атомных частиц с твердым телом.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.04.2024

Просмотров: 97

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Согласно общепринятой терминологии под «рассеянием» подра­ зумевается любое отклонение частицы от первоначального напоавления вследствие взаимодействия с атомами твердого тела, газа или жидкости. В это понятие входит как измененное движение частицы внутри вещества, так и вне его. Чтобы отличить эти две части потока рассеянных частиц, употребляют термины «отра­

жение» (для Ф = 0 — «зеркальное отражение») и «внедрение». Иногда говорят также «вторичные частицы» или «частицы, рас­ сеянные поверхностью твердого тела», имея в виду лишь часть потока, направленную наружу. В дальнейшем мы будем исполь­ зовать оба термина, отдавая, однако, предпочтение «рассеянию», как более подходящему и распространенному.

§1 . КРАТКИЙ ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО УГЛОВЫМ ЗАКОНОМЕРНОСТЯМ РАССЕЯНИЯ ИОНОВ

Первые работы по изучению углового и энергетического распределений вторичных ионов, рассеянных твердым телом, были опубликованы в 30-х годах [104, 272, 314, 355, 366, 391J. В них исследовались угловое и энергетическое распределения щелочных ионов, рассеянных поверхностями поликристаллических мишеней, в зависимости от природы, энергии и угла падения бомбардирую­ щих ионов, а также от материала, состояния поверхности и темпе­ ратуры бомбардируемой мишени. Результаты большинства из этих исследований' из-за плохих вакуумных условий п недостаточной

9

чистоты поверхности в основном характеризовали поверхности, по­ крытые пленками из остаточного газа в вакууме. Кроме того, максимальная (предельная) энергия вторичных ионов определялась методом задерживающего поля, точность которого невелика. Сле­ дует также отметить, что в указанных работах характер взаимодей­ ствия ионов с твердым телом был неодинаков, поскольку иссле­ дования проводились в различных областях энергии. Это приво­ дило к различным видам распределений.

В 1928 г. Рид [355] впервые описал результаты своих наблюде­ ний углового распределения ионов, рассеянных поверхностью Ptмишени при бомбардировке ионами Li+ и К+ в интервале энергии 20—260 эв. Максимальное количество вторичных ионов вылетало примерно под зеркальным утлом, причем с увеличением энергии бомбардирующих ионов угол максимального выхода вторичных ионов слегка смещался в сторону меньших углов рассеяния р. С увеличением угла падения первичных ионов возрастали количе­ ство и максимальная энергия вторичных ионов.

Аналогичное исследование с помощью магнитного анализатора

проводил

Герни [272]. Бомбардировалась

Pt-мишень ионами Li+,

К+ и Cs+

(в области энергии 20—-60 эв)

под разными углами па­

дения. Количество рассеянных ионов росло с увеличением угла падения частиц. Угол максимального выхода вторичных ионов О не зависел от энергии и всегда был больше зеркального, т. е. ноны рассеивались преимущественно вперед. Впервые Герни попытался истолковать рассеяние ионов с твердых тел как рассеяние от газовой мишени, т. е. моделью, постулирующей упругие соударе­ ния между падающими ионами и отдельными «свободными» ато­ мами мишени. Однако максимальная энергия вторичных ионов в его эксперименте оказалась значительно ниже вычисленной по уравнению упругого парного соударения частиц.

Лонгакр исследовал изменение углового и энергетического рас­ пределений рассеянных ионов в зависимости от энергии, углов падения и рассеяния частиц [314]. Ni-мишень бомбардировалась ионами Li+ в области энергии 125—450 эв. Отношение наиболее вероятной (максимальной) энергии рассеянных нонов к энергии

^Р тах ^ первичных ионов 7| = -^ — уоывало с увеличением угла рассея-

ния р. Значение ~q и направление максимального выхода рассеян­ ных ионов не зависели от энергии Е0.

Сойер [4] и Вудкок [5] также изучали угловое и энергетическое распределения рассеянных ионов. Бомбардировались раскаленные Pt— Ir-мишени и N1, нанесенный на W-подложку, ионами Li+ в области энергии 20-Н700 эв [366]. Характер рассеяния при малых углах падения Ф оказался более диффузным, чем характер рас­ сеяния, установленный в работах [272, ’355]. Максимум углового распределения зависел от задерживающего потенциала цилиндра Фарадея относительно мишени и с увеличением последнего пере­ мещался в сторону больших углов вылета 0.

10

М. А. Еремеев и Н. В. Зубчанинов [104] исследовали угловое распределение вторичных ионов в зависимости от угла падения Ф при бомбардировке накаленной и холодной Та-мишени ионами К+ в области энергии 2—4 кэв. Направление максимального выхода рассеянных ионов намечалось вблизи угла зеркального отражения. С уменьшением угла падения Ф максимум углового распределения размывался и отступал в сторону угла вылета 0 (меньшего, чем зеркальный), причем увеличивалось число медленных вторичных ионов, функция распределения которых совпадает с функцией cos0. Ионы, рассеянные под углом зеркального отражения, сохра­ няли значительную долю своей первоначальной энергии.

Таким образом, рассмотрение первых работ по исследованию углового и энергетического распределения ионов, рассеянных твер­ дым телом, показывает, что несмотря на различные условия экспе­ риментов, по одним вопросам результаты авторов качественно согласуются между собой, а по другим — резко расходятся. Не­ которые исследователи [104, 355, 366, 391] утверждают наличие максимального выхода рассеянных ионов под зеркальным углом, другие [272, 314] его отрицают, а третьи [272, 366] устанавливают присутствие преимущественного рассеяния под углом большего зеркального отражения. В одних работах [104, 355] доказывается зависимость максимума углового распределения от энергии пер­ вичных ионов, в других [272, 314] она отрицается, а в третьих ]366, 391] обнаруживается зависимость максимума от задерживаю­ щего потенциала цилиндра Фарадея.

Как следует из изложенного, объяснить природу рассеяния ионов с твердых тел с помощью газовой модели [272, 314] не уда­ лось, потому что максимальная энергия рассеянных ионов, найден­ ная методом задерживающего поля, оказалась намного меньше энергии, определяемой из закона упругого парного соударения.

Основные закономерности рассеяния ионов твердым телом были установлены сравнительно позже применением новых мето­ дов получения высокого вакуума и достаточно чистых условий' на исследуемой поверхности.

С помощью масс-спектрометра М. А. Еремеев [105— 107] изу­ чал энергетическое распределение вторичных ионов при бомбарди­ ровке Та-, Mo-, Ni- и С-мишеней ионами L1+, К+ и Cs+ в области энергии 1—4 кэв. Рассмотрены изменения кривых распределения вторичных ионов по энергиям в зависимости от угла падения пер­ вичных ионов, состояния и температуры (300— 1450°) бомбардируе­ мой поверхности. При высокой температуре мишени максимум энергетического распределения находился в области больших энергий и соответствовал энергии ионов, рассеянных в результате

однократного

соударения с отдельными атомами

мишени:

 

т х— пи

„

( 1. 1)

 

£ . = тп, + т-2

0

{ш\ — масса

атома мишени, /п2—-масса иона); причем углы Ф и,

6 равнялись

45°, что соответствовало

р = 90°.

 

В работе [40] описаны результаты исследования энергетическо­ го распределения вторичных ионов при бомбардировке Та- и W-mii- шеней нонами Na+, I\+, Rb+ и Cs+ в области энергии 200—400 эв методом задерживающего поля. Угловая зависимость энергети­ ческого распределения вторичных ионов Na+, Rb+, рассеянных по­ верхностью Та-мншенн, изучалась с помощью подвижного цилинд­ ра Фарадея [41]. Измерения проводились при температуре мпшепн 1300°К вслед за кратковременным нагревом (вспышкой) до 2500°К. Результаты опытов показали, что максимальная (пре­ дельная) энергия вторичных ионов была велика и линейно зави­ села от энергии первичных ионов. Значение ее обусловливалось углом рассеяния первичных ионов и находилось в удовлетвори­ тельном согласии с известным выражением для упругого соуда­ рения [141]

Е = Е

о

____ (mt —т-.у-

(1.2>

^1

■г| cos 3 ± | ' ( m t /и.,)-’ — sin -

[

Экспериментальные величины цэ —EJEo для ионов Na+ и Rb+

хорошо совпадали с теоретическими.

природе рассеяния

Аналогичный

вывод [40, 41,

105— 107] о

ионов сделала

Э.

Я. Зандберг

[110], изучавшая энергетическое

распределение вторичных ионов при бомбардировке Pt- и W-мише- ней положительными и отрицательными ионами щелочных метал­ лов (Na+, Na- , К+, К- , Rb+, Rb~, Cs+, Cs~) и галогенов (CI+, Cl- , F+, F~, 1+, I- , Br+, Br_) в области энергии 300— 1250 эв. Поло­ жительные ионы щелочных металлов п отрицательные ионы гало­ генов рассеивались без изменения знака заряда, а отрицательные ионы щелочных металлов и положительные ионы галогенов испы­ тывали конверсию.

Брюнне [267], исследовавший методом задерживающего поля энергетические распределения вторичных ионов при бомбардиров­ ке Mo-мишени ионами Li+, К+, Na+, Rb+ и Cs+ в области энергии 0,4—4 кэв, также подтвердил правильность закона упругого пар­

ного соударения [40,

41, 105— 107,

110].

Распределение рассеянных

ионов по

энергиям

характеризовалось

предельной энергией Е и

которая

выражается

формулой

(1.1).

Энергетические спектры

снимались с помощью сферического коллектора при нормальном

падении

пучка на

поверхность

мишени. Наличие

рассеянных

ионов с

энергиями

в интервале

0<F<Frnin (где Ет 1п — нижняя

предельная энергия

вторичных

ионов, определяемая

формулой

(1.3)), автор объяснил многократным столкновением нона с ато­ мами мишени

р

__ р т , -

т-,

(1.3)

min

0 \ m i -r

,n.,

Предположение о том, что бомбардирующий ион испытывает несколько последовательных соударении [192, 267], позволило считать- f(E ) > 0 в области Е < Е т \п, что наблюдается в [40, 41,

12

77, 105— 107, I 10, 192,

267]. Таким образом, был достигнут первый

успех

в понимании

механизма рассеяния

ионов твердым

Т е л о м ,

т. е. установлен

закон упругого парного

соударения, под­

твержденный во многих работах последующих лет.

Однако в результате дальнейших исследований в этой области были установлены новые закономерности рассеяния, которые тре­ бовали объяснения. В частности, несколько неожиданным оказа­ лось обнаружение рассеянных ионов при т х< , т 2 (Брюнне [267], Н. Н. Петров [193]), так как модель однократных парных соударе­ ний исключает ионы, рассеянные под углом большим, чем пре­

дельный (p = arcsin ~ ) (1.2) [141].

Изучая энергетическое распределение ионов Cs+, рассеянных Mo, Н. Н. Петров [17] отмечал, что при энергии первичных ионов 1 кэв в составе эмиссии положительных ионов наблюдаются ионы с энергиями ~ НО эв. Наличие их объяснялось соударением иона Cs+ одновременно с несколькими атомами Мо. Была рассчитана

эффективная масса т эфф, с которой

ион Cs+

при рассеянии на

угол р = 90° сохранял максимальную энергию,

найденную экспери­

ментально:

 

 

 

 

 

Е

4- F

шах

 

т Э(|)ф

•^0

*

(1.4;

Р _R

 

 

•^0

^тах

 

Оказалось, что величина эффективной массы равна 179 атом­ ным единицам, что несколько меньше удвоенной массы Мо.

В. И. Векслер исследовал методом задерживающего поля энергетические распределения вторичных ионов при бомбардиров­

ке Mo-мишени

(накаленной до 1400— 1450°К)

ионами

К+,

Rb+,

Cs+ в области энергии 20—250 эв [80—84]. Кривые г)(£0)

не сохра­

няли

вытекающее

из уравнения (1.21

постоянство

отно-

шения

Е

что

объяснялось столкновением иона

с несколь-

-г] = '”ах,

кими атомами мишени, имеющей эффективную массу т эфф. Пос­ ледняя вычислялась по формуле

 

П2 (Ео + Е"

2V Ео£т.™ С03 ? )

(1.5)

О Т Э ф ф =

 

Е 0

~ £тах

 

 

 

 

 

 

 

выведенной из уравнения (1.2)

путем замены

/п, на /пЭфф и Е\ на

экспериментальное

значение £ max.

Из

зависимости

/«пфф/hzi

(^о)

(где о0— скорость

первичных

ионов)

видно

было,

что при

о0>

> 1,4-106 см/сек максимальная энергия определяется одновремен­ ным столкновением налетающего иона с четырьмя атомами мише­

ни, а при и0<1,4- 106 см/сек — в результате

влияния

связи между

■ атомами мишени

ионы рассеиваются от нее,

как от

стенки.

Зависимость

ц = Е тах/Е0 для различных

углов

рассеяния р

исследовалась в работах [80—84]. С уменьшением угла

р значение

v\=Emax/E0 увеличивалось, но форма функции ц (£0)

оставалась

13

Смотрите также файлы