ДАТЧИК ВТОРИЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ
SECONDARY ELECTRONIC EMISSION SENSOR

Изобретение относится к области исследований состояния поверхности материалов методами вторичной электронной эмиссии и может быть использовано в измерительных устройствах определения характеристик процессов электризации и нейтрализации заряженных поверхностей, а также вторичной эмиссии электронов с образца при облучении его электронной пушкой.
Известен датчик вторичной электронной эмиссии, включающий селектор электронов по скоростям с отклоняющими пластинами, сцинтиллятор, световод и фотоэлектронный умножитель (Патент США 4405861, кл. H01J 40/00, заявл. 20.08.1981, опублик. 20.09.1983).
Такой датчик имеет ограниченное применение для определенных условий и режимов измерений в узком диапазоне плотностей тока вторичных электронов.
Наиболее близким техническим решением является датчик вторичной электронной эмиссии, включающий электростатический селектор электронов по энергиям, регистратор электронов, установленный на выходе из селектора и содержащий последовательно расположенные сцинтиллятор в виде слоя люминофора с управляющей металлической сеткой и фотоэлектронный умножитель с входным светопроникающим окном (Шульман А.Р., Фридрихов С.А. Вторично-эмиссионные методы исследования твердого тела. - М.: «Наука», 1977, с.507).
Известный датчик позволяет проводить измерения и получать более точные результаты при малых сигналах за счет использования управляющей металлической сетки, на которую подается необходимый потенциал.
Решаемой задачей в предложенном техническом решении является расширение функциональных возможностей датчика за счет применимости к измерениям вторичной электронной эмиссии от образцов, находящихся в окружении низкотемпературной плазмы. При таких условиях измерений известные датчики не имеют достаточной чувствительности и не способны регистрировать разделение электронов по группам энергий из-за попадания внутрь селектора электронов по энергиям медленных тепловых электронов, создающих фоновый сигнал, значительно превышающий сигнал от истинно вторичных или отраженных от поверхности образца электронов.
Указанная цель достигается тем, что в датчике вторичной электронной эмиссии, включающем электростатический селектор электронов по энергиям, регистратор электронов, установленный на выходе из селектора и содержащий последовательно расположенные сцинтиллятор в виде слоя люминофора с управляющей металлической сеткой и фотоэлектронный умножитель с входным светопроникающим окном, слой люминофора нанесен на поверхность входного светопроникающего окна фотоэлектронного умножителя, а управляющая сетка размещена внутри этого слоя, при этом толщина сетки не превышает толщины слоя люминофора, а ее геометрическая прозрачность составляет 0,6…0,9.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая конструктивная схема датчика, на фиг.2 - расположение сетки и люминофора на фотоэлектронном умножителе, на фиг.3 - зависимость относительной чувствительности датчика от геометрической прозрачности управляющей металлической сетки.
Датчик включает (фиг.1) электростатический селектор электронов по энергиям, выполненный в виде цилиндрического конденсатора в корпусе 1 с обкладками 2, фотоэлектронный умножитель 3 с входным светопроникающим окном 4, на поверхность которого нанесен слой люминофора 5. Внутри слоя люминофора 5 (фиг.2) размещена управляющая металлическая сетка 6. Толщина сетки не превышает толщины слоя люминофора, т.е. сетка полностью скрыта под люминофором.
Электростатический селектор электронов представляет собой цилиндрический конденсатор. Селекция электронов по энергиям в нем осуществляется поперечным электростатическим полем, величина которого варьируется в широких пределах путем изменения потенциала на обкладках 2 конденсатора.
Оптимальные условия для фокусировки электронов соответствующей энергии на выходе их из цилиндрического конденсатора имеют место при азимутальном угле обкладок 127,5. Из условий допустимых габаритов энергоанализатора, предельных значений энергии электронов и разности потенциалов на обкладках 2 конденсатора принимаются следующие геометрические размеры: средний радиус конденсатора 121 мм, расстояние между обкладками 10 мм. При этих условиях для прохождения потока электронов с энергией 1 кэВ через цилиндрический канал без столкновения с обкладками конденсатора необходимо создать между ними разность потенциалов 165,3 В.
Регистратор электронов представляет собой фотоэлектронный умножитель 3, например типа ФЭУ-6. В качестве люминофора используется вещество сернистый цинк (ZnS), активированный медью (Cu). Это вещество отличается высокой эффективностью свечения при электронном облучении, стойкостью к внешним воздействиям и стабильностью характеристик во времени. Образующийся при облучении люминофора электростатический заряд снимается путем заземления управляющей металлической сетки 6. Наибольший эффект дает полное погружение управляющей сетки 6 в слой люминофора, поэтому ее толщина не должна превышать толщины слоя люминофора. Технологически на поверхность входного окна фотоэлектронного умножителя сначала укладывается сетка, а затем наносится люминофор до исключения видимости сетки. При такой конструкции сетка одновременно выполняет функцию армирования тонкого слоя люминофора.
В то же время, для исключения попадания на поверхность слоя люминофора 5 низкоэнергетической фоновой электронной компоненты с энергией электронов до 50 эВ на сетку может подаваться соответствующий отрицательный потенциал.
В результате экспериментальных исследований установлено, что при размещении сетки внутри слоя люминофора чувствительность датчика существенно зависит (фиг.3) от геометрической прозрачности сетки, под которой принято понимать отношение площади отверстия, образованного перемычками сетки, к полной площади ее единичного элемента. Из полученной зависимости следует, что для достижения относительной чувствительности датчика не менее примерно 80% от максимального значения необходимо выбирать сетки с прозрачностью в диапазоне от 0,6 до 0,9. В этом случае может быть получено достаточно уверенное усиление и регистрация исходного сигнала датчика. Полученная зависимость имеет физическое обоснование. При уменьшении прозрачности сетки, когда образующие сетку перемычки занимают значительную часть слоя люминофора, уменьшается величина светового потока, генерируемого люминофором. При высокой прозрачности сетки, начиная с некоторого значения, ее металлические перемычки настолько далеки друг от друга, что резко уменьшается влияние перемычек на снижение электрического заряда люминофора.
Одной из главных функций, выполняемой датчиком, является определение потенциала образца исследуемого материала.
Поток вторичных электронов, идущих от поверхности, разделяется по энергии, в основном, на две группы электронов: истинно вторичные электроны, обладающие энергией в несколько электронвольт, и отраженные от поверхности первичные электроны. В свою очередь, отраженные электроны имеют широкий энергетический спектр, от энергии, практически равной энергии падающих на поверхность первичных электронов (упругое отражение), до энергии истинно вторичных электронов. Весь этот широкий спектр энергии отраженные первичные электроны приобретают в результате неупругого рассеяния первичных электронов на веществе поверхности. При этом для всего рассматриваемого диапазона энергий электронов и всех исследуемых материалов коэффициент истинной вторичной электронной эмиссии значительно превышает коэффициент отражения электронов.
При воздействии на поверхность образца потока высокоэнергичных электронов пушки происходит его заряжение, в результате чего поверхность образца приобретает определенный потенциал. Так как электроны истинной вторичной эмиссии покидают незаряженную поверхность с малыми энергиями, то при наличии на поверхности потенциала эти электроны будут ускоряться в электрическом поле образца до энергии, соответствующей приобретенному потенциалу. При измерении спектра электронов, идущих от поверхности образца, сигнал с датчика должен иметь явно выраженный пик в области соответствующей энергии ускоренных электронов истинной вторичной эмиссии. Помимо этого в правой части спектра энергий вторичных электронов будут присутствовать менее выраженные размытые один или несколько максимумов, соответствующих энергиям отраженных электронов.