АНАЛИЗАТОР СПИНОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ

Полезная модель относится к исследованиям и анализу твердых тел, а именно устройствам для измерения спиновой поляризации электронов и функционирующих по принципу детекторов Мотта, а именно, заявляемое устройство предназначено для измерения спиновой поляризации электронов, полученных в результате фотоэмиссии, автоэлектронной эмиссии и вторичной эмиссии из магнитных и немагнитных материалов.
При измерении степени спиновой поляризации электронов традиционно применяется моттовское рассеяние при больших энергиях. В высоковольтных детекторах Мотта анализируемый пучок электронов ускоряется до энергии 100 -120 кэВ, рассеивается на золотой фольге, а затем отраженные электроны регистрируются двумя (или четырьмя - при измерении двух проекций вектора поляризации) электронными детекторами.
В основе работы детектора поляризации Мотта лежит спин-орбитальное взаимодействие. В результате взаимодействия спина электрона с его орбитальным моментом эффективные сечения рассеяния для электронов с противоположными спинами оказываются различными. Иными словами, в результате спин-орбитального взаимодействия возникает лево-правая асимметрия рассеяния.
В качестве прототипа выбран компактный детектор Мотта [V.N. Petrov et al. Ultrafast compact classical Mott polarimeter" - American Institute of Physics. Review of scientific instruments 78, 025102 (2007)]. Этот детектор имеет в своем составе две концентрические полусферы с осевыми отверстиями для прохода пучка электронов. Внешняя полусфера находится под нулевым потенциалом и является внешним экраном. Внутренняя полусфера смонтирована посредством цилиндрического керамического изолятора и к ней прикладывается потенциал 40 кВ. Внутри малой полусферы в вакууме расположены сцинтилляторы, оси которых ориентированы под углом 60° к оси пучка электронов, и которые приклеены оптически прозрачным клеем к фотоэлектронным умножителям, при этом фотоэлектронные умножитель находятся внутри малой полусферы. Там же расположена поперечная пластина - подложка с рассеивающим экраном,
выполненным из золотой фольги и направляющие апертуры. Пластина с фольгой находится под потенциалом внутренней полусферы (40 кВ).
Сцинтиллятор изготовлен из иттрий-алюминиевого перовскита (YAP), активированного церием.
Цилиндрический алюминиевый корпус детектора находится под потенциалом внутренней полусферы (40 кВ). Внутри корпуса расположены элементы измерительной схемы устройства, в том числе оптические излучатели, которые используются для передачи сигнала посредством волоконно-оптических кабелей к приемным устройствам, расположенным под потенциалом земли.
Основные недостатки прототипа вызваны тем, что элементы схемы измерения находятся в электрическом поле высокой напряженности. Так присутствие фотоэлектронных умножителей внутри малой сферы приводит к появлению дополнительных электрических полей, что может приводить к расфокусировке электронного пучка и появлению ложных сигналов. На надежность работы устройства также влияет то, что элементы схемы измерений находятся внутри корпуса, находящегося под высоким потенциалом, и, таким образом существует вероятность пробоя и выхода элементов схемы из строя.
В основу полезной модели поставлена задача создания прибора для измерения спиновой поляризации электронов с улучшенными характеристиками.
Достигаемый технический результат - повышение точности измерений и надежности работы прибора.
Результат достигается изменением конструкции.
Анализатор спиновой поляризации электронов имеет в своем составе внешний экран в форме полусферы с осевым отверстием для прохода пучков электронов. Внутри полусферы размещен высоковольтный электрод с мишенью, выполненной из золотой фольги. Анализатор также имеет, по меньшей мере, два сцинтиллятора, расположенных внутри высоковольтного электрода и каждый из которых соединен с фотоэлектронными умножителем. От прототипа анализатор отличается тем, что каждый сцинтиллятор соединен с фотоэлектронным умножителем при помощи оптоволоконного световода, один конец которого расположен внутри высоковольтного электрода, а второй на внешнем экране. При этом фотоэлектронные умножители расположены с внешней стороны внешнего
экрана, а оптоволоконные световоды снабжены экранами, расположенными в зоне соединения световодов с внешним экраном и высоковольтным электродом.
Предпочтительным является выполнение высоковольтного электрода в виде тела конусообразной формы с осевым каналом для прохода пучка электродов и каналами, в которых расположены сцинтилляторы и частично введены оптоволоконные световоды. При этом экраны световодов установлены на внешней поверхности конуса и внутренней поверхности внешнего экрана и имеют тороидальную форму. Целесообразно высоковольтный электрод снабдить диафрагмой для прохода пучков электронов.
Более подробно сущность полезной модели поясняется Фигурой, на которой представлено сечение анализатора спиновой поляризации электронов.
Анализатор имеет внешний экран 1 в форме полусферы с осевым отверстием 2 для прохода пучков электронов 3. В качестве технического эквивалента полусфере может быть использована фигура, представляющая собой половину правильного многогранника с множеством граней, форма поверхности которой приближена к форме полусферы. Внешний экран находится под потенциалом земли. Внутри внешнего экрана 1 размещен высоковольтный электрод 4 с мишенью 5, выполненной из золотой фольги. Высоковольтный электрод 4 может иметь форму, подобную той, что в прототипе, т.е. полусферы. Предпочтительно выполнение высоковольтного электрода в виде тела конусообразной формы с осевым каналом 6 для прохода пучка электронов 3. Потенциал, прикладываемый к высоковольтному электроду - 40 кВ.
Анализатор также имеет, по меньшей мере, два сцинтиллятора 7, расположенных внутри высоковольтного электрода и каждый из которых расположен в одном из каналов 8, выполненных в теле конуса. Оси каналов 6, 8 сходятся в центре мишени 5. Оси расположены в одной плоскости, при этом оси каналов 8 (а, соответственно, оси сцинтилляторов 7) ориентированы под углом 60° к оси отверстия 2 (соответственно, оси пучка электронов). Сцинтилляторы 7, как и в прототипе, могут быть изготовлены из иттрий-алюминиевого перовскита (YAP), активированного церием.
Каждый сцинтиллятор 7 соединен с фотоэлектронным умножителем 9 при помощи оптоволоконного световода 10. Один конец световода 10 с закрепленным
на нем сцинтиллятором 7 расположен канале 8 внутри высоковольтного электрода 4, а второй - на внешнем экране 1. Сами фотоэлектронные умножители 9 расположены с внешней стороны внешнего экрана 1, то есть, вынесены за пределы электрического поля. Оптоволоконные световоды 10 снабжены экранами 11,12, расположенными в зоне соединения световодов с внешним экраном и высоковольтным электродом, то есть один из экранов 11 каждого световода установлен на внешней поверхности конуса, другой экран 12 - на внутренней поверхности внешнего экрана. Экраны 11, 12 имеют тороидальную форму. На вершине высоковольтного электрода 4 установлена диафрагма 13 для прохода пучков электронов.
Устройство работает следующим образом.
При определении спиновой поляризации электронов их пучок подается через отверстие 2 в объем под внешний экран 1. Под воздействием сильного электрического поля электроны ускоряются в пространстве между внешним экраном и высоковольтным электродом. Энергия электронов после ускорения - 40 кэВ. Электроны проходят через диафрагму 13 и фокусируются на мишень 5. После рассеяния на золотой фольге электроны достигают сцинтилляторов 6. Каждый электрон формирует пачку фотонов, число которых пропорционально энергии электронов. Импульс света с помощью оптоволоконных световодов выводиться из области высокого потенциала и регистрируются фотоэлектронными умножителями, расположенными на внешней стороне экрана 1 (под потенциалом земли). Амплитуда импульсов на выходе фотоэлектронных умножителей пропорциональна энергии электронов. Спиновая поляризация электронов определяется по формуле:
где
L
R
N и N - числа электронов, зарегистрированных, соответственно, левым и правым фотоэлектронным умножителем. К - спиновая чувствительность рассеивающей золотой фольги.
По сравнению с прототипом достигается следующий эффект: возрастает эффективность регистрации спиновой поляризации электронов за счет исключения влияния дополнительного электрического поля в высоковольтном узле. Это
связано с тем, что фотоэлектронные умножители вынесены за пределы высоковольтного узла.
Возрастание эффективности прибора приводит к уменьшению времени набора данных, что крайне важно при измерении поляризации электронного пучка в тех случаях, когда требуется экспресс анализ твердых тел.
Вынос фотоэлектронных умножителей за пределы области высокого потенциала приводит к возникновению следующих дополнительных преимуществ:
- прибор становится компактным;
- вся высоковольтная часть сосредоточена внутри малого объема, следовательно, возрастает его надежность и безопасность;
- электронные схемы вынесены из-под высокого потенциала, следовательно, уменьшается вероятность высоковольтного пробоя и выхода электроники из строя;
- упрощается монтаж прибора, т.к. оптоволоконные световоды одновременно выполняют функции крепежных элементов для высоковольтного электрода.