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

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