ДЕТЕКТОР ЭЛЕКТРОНОВ

Полезная модель относится к области электронно- и ионно-оптического приборостроения и может быть использована в электронных и ионных микроскопах, электронно- и ионно-лучевых литографах.
Известен детектор электронов по патенту RU 176088 U1 от 28.12.2017 г., выбранный в качестве наиболее близкого аналога, выполненный в виде двояковыпуклого оптически прозрачного диска с коническим углублением по его центру, которое ориентировано меньшим основанием в сторону пучка детектируемых электронов. Поверхность диска, обращенная к пучку детектируемых электронов, имеет покрытие в виде расположенных в последовательном порядке слоев, из которых внешний слой является дифракционной решеткой, а внутренний слой является сцинтиллятором, выполненным с возможностью испускания фотонов при попадании на него детектируемых электронов. Поверхность конического углубления, а также поверхность диска, противоположная обращенной к пучку детектируемых электронов, покрыты отражающей металлической пленкой. На внешнем ребре диска размещен световод, выполненный с возможностью передачи фотонов в приемник-анализатор. Между ребром диска и световодом расположены микролинзы, направляющие излучение, выходящие из диска, в световод.
Недостатком указанного детектора электронов является малое количество фотонов, направляемых в световод по причине использования сцинтиллятора в качестве излучателя фотонов. В лучших сцинтилляторах, используемых в детекторах для электронных микроскопов, световыход составляет около 30 фотонов на 1 кэВ. Соответственно для анализа такого оптического сигнала за приемлемое время приемник-анализатор должен содержать ФЭУ, обладающий высоким коэффициентом умножения и имеющий низкий уровень собственных шумов.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание детектора электронов с увеличенным количеством фотонов, поступающих в световод, уменьшение габаритов устройства.
Для решения данной задачи предлагается замена сцинтиллятора, как источника оптического излучения, на излучатель на основе квантоворазмерных гетероструктур.
Технический результат заключается в увеличении количества фотонов, поступающих в световод, а также в увеличении соотношения сигнал/шум детектора электронов, что ведет к упрощению используемых в электронных микроскопах приемников-анализаторов, что ведет к уменьшению габаритов устройства и снижению его стоимости.
Достигается это за счет конструкции детектора электронов, выполненного в виде выпуклого, со стороны противоположно обращенной пучку детектируемых электронов, оптически прозрачного диска с коническим углублением по его центру, ориентированного узкой частью к поверхности диска, обращенной к пучку детектируемых электронов, с поверхностью конического отверстия и поверхностью диска, противоположной обращенной к пучку детектируемых электронов, покрытыми отражающей металлической пленкой, имеющего на поверхности диска, обращенной к пучку детектируемых электронов слоистое покрытие, из которых внешний слой является дифракционной решеткой, а внутренний слой выполнен из материала с возможностью испускания фотонов при попадании на него электронов, со световодом, размещенным на внешнем ребре диска, с микролинзами, расположенными между ребром диска и световодом, выполненными с возможностью передачи оптического излучения в приемник-анализатор, отличающейся тем, что внутренний слой слоистого покрытия является оптическим излучателем из квантоворазмерных гетероструктур.
Полезная модель работает следующим образом. Детектор (фиг. 1), выполненный из оптически прозрачного материала в виде диска 1, со сквозным коническим отверстием, предназначенным для пропускания первичных электронов электронного зонда, располагается в электронно-оптической системе электронного микроскопа. Пучок детектируемых электронов падает на нижнюю поверхность диска, которая имеет покрытие в виде расположенных в последовательном порядке двух слоев, из которых внешний слой является дифракционной решеткой 2, а внутренний слой является излучателем на основе квантоворазмерных гетероструктур 3. Излучатель представляет собой последовательно расположенные слои (фиг. 2). Слой, обращенный к пучку детектированных электронов, представляет собой зеркало 4. Следующий слой является квантоворазмерной гетероструктурой 5. И последний слой представляет собой полупрозрачное зеркало 6 для вывода излучения.
Попадая в среду гетероструктуры (поперечный срез представлен на фиг. 3), электроны провоцируют в ней генерацию электронно-дырочных пар. Вследствие высоких скоростей релаксации носителей заряда к краям валентной зоны и зоны проводимости в квантоворазмерной гетероструктуре создается инверсная населенность энергетических уровней. Электронный пучок, таким образом, выполненной на основе квантоворазмерной гетероструктуры. Электронный пучок, попадающий на поверхность детектора, модулирован рельефом или другими свойствами поверхности исследуемого в электронном микроскопе образца. Этот модулированный пучок, соответственно, создает модулированное излучение в квантоворазмерной гетероструктуре, которое в свою очередь может быть проанализировано хорошо известными в электронной микроскопии методами обработки сигналов. Один детектируемый электрон с энергией 1 кэВ создает в гетероструктуре примерно 1000 электронно-дырочных пар. Соответственно, энергия лазерного излучения, создаваемого гетероструктурой, превышает энергию излучения, создаваемого сцинтилляторами. Таким образом, увеличивается количество фотонов, поступающих в световод, и повышается соотношение сигнал/шум детектора. Это также открывает возможности для упрощения используемых в электронных микроскопах приемников-анализаторов, например, использовать лавинные фотодиоды или даже pin фотодиоды, вместо ФЭУ, что в целом снижает стоимость и габариты устройства.
Выходу фотонов из диска сквозь поверхность диска, обращенную к пучку детектируемых электронов, препятствует дифракционная решетка 2. Выходу фотонов из диска 1 через поверхность конического углубления и поверхность диска со стороны, противоположно обращенной к пучку детектируемых электронов, препятствует отражающая металлическая пленка 7, выполняющая функцию зеркала. В результате основная часть фотонов движется в направлении световода 5, размещенного на внешнем ребре диска 1. При этом для более эффективного вывода излучения в приемник-анализатор на внешнем ребре диска 1 между ребром диска 1 и световодом 5 установлены микролинзы 6.
Устройство успешно применяется в конструкции микроскопов, разработанных на ФГУП ЭЗАН.