Физическая_электроника

шкала массовых чисел спектрометра при развертке приводится в единицах частоты. На рис. 17б приведен типичный вид масс-спектра.

8. Экспериментальные методы исследования. Пучковые технологии

Экспериментальное изучение пучков заряженных частиц связано с разработкой и применением разнообразных методов анализа собственных параметров пучков (ток,

распределение плотности тока по сечению, энергетическое распределение и др.), а также формирующих их систем (инжектор, фокусирующие, транспортные и прочие системы).

Условно все применяемые методы можно разделить на две основные группы: прямые и косвенные.

К прямым относятся диагностические методы непосредственного измерения собственных параметров пучков, где применяются разнообразные конструкции широко распространенных средств: коаксиальные зонды, пояс Роговского, цилиндр Фарадея,

метод вибрирующего зонда, метод подвижного коллектора с малым отверстием.

Достаточно часто применяются методы использующие специально разработанные для анализа пучков электронно-оптические системы (энергоанализаторы, зарядовое и пространственное разделение).

Взаимодействие пучков частиц со средой приводит к разнообразным изменениям в ней и достаточно часто сопровождается ионизационными и радиационными эффектами.

Анализ характеристик возникших изменений достаточно часто несет обширную информацию о характеристиках пучков и служит основанием для проведения косвенных измерений их параметров. К таки методам можно отнести измерения в области теплового и оптического излучения, вторичной электронной эмиссии и возникающего рентгеновского излучения, а также методы ионизации газа и стимулирования проводимости полупроводниковых структур.

Особенности взаимодействия потоков электронов с конденсированными и газообразными веществами позволили осуществить новые технологические процессы,

связанные с изменением исходных физико-химических свойств материалов,

подвергающихся воздействию пучков: облучение полимерных материалов,

сопровождающееся перестройкой молекулярных связей и изменением механической прочности, температуростойкости, электронная литография и др. Интенсивные пучки электронов с высокой мощностью применяются для «чистой» плавки металлов, резки и сварки тугоплавких металлов. Воздействие импульсных пучков дает возможность эффективно воздействовать на свойства поверхностных и приповерхностных слоев металлов, изменяя их структурный и фазовый состав. При помощи хорошо сфокусированных электронных пучков реализуются различные электронно-зондовые методы структурного и элементного анализа состава веществ и материалов, таких как просвечивающая и растровая электронная микроскопия, малоугловое рассеяние рентгеновского излучения, масс-спектрометрия и др.

Рекомендуемая литература

1.А.М.Бродский, Ю.Я.Гуревич Теория электронной эмиссии из металлов. - М.: Наука, 1973

2.Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В.Эмиссионная электроника М.: Наука 1966

3.К. Шимони Физическая электроника – М.:Энергия, 1977

4.Жданов C.К., Курнаев В.А., Романовский М.К., Цветков И.В.Основы физических процессов в плазме и плазменных установках: Учеб. пособие / Москва: МИФИ, 2000. 184 с

5.Специальный физический практикум изд. 3 переаб. И доп. Часть2 М.: Изд.

Московского университета. - 1977. 376 с.

6.Молоковский С.И., Сушков А.Д.Интенсивные электронные и ионные пучки. М.:

Энергоатомиздат 1991

7.Дж.Лоусон Физика пучков заряженных частиц . М: Мир 1980

8.Незлин М.В.Динамика пучков в плазме. – М.: Энергоиздат 1982

9.Абрамян Е.А.Интенсивные электронные пучки . -М.:Энергоатомиздат 1984

10.Тараненко В.П. Влияние положительных ионов на Формирование электронных пучков в условиях высокого вакуума, Изв. Вузов Радиоэлектроника 1965 №6 с.850-

864

11.Г.Месси, Е.Бархон Электронные и ионные столкновения И.Л.1958

12.Алексеев Б.В., Абакумов А.И., Виноградов В.С., Теплофизика высоких температур, 1981,19 №4 с.883-884 «Сечение упругого рассеяния быстрых электронов»

13.Власов А.Г. Известия вузов Физика №1 1961 стр.20-24 « К расчету потерь ускоряемых частиц из-за рассеяния на газе»

14.Miller F.A., Gerardo J.B. J.Appl. Phys. 1972, v43, №7, p.3008-3013 «Electron bean propagation in high-pressure gases»

15.Диденко А.Н., Лигачев А.Е., Куракин И.Б. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов М: Энергоатомиздат 1987, 184 с.

3. Фонды оценочных средств:

Словарь (глоссарий) основных терминов и понятий (включая индекс)

ГЛОССАРИЙ

А

Автоэлектронная эмиссия – испускание электронов с поверхности твердых и жидких тел

под действием внешнего электрического поля с большой напряженностью ( ≈ 107 В/см). Аксептанс (продольный) - площадь устойчивости (область, охватываемая сепаратрисой) Активная среда – вещество, в котором хотя бы для одной пары уровней энергии

осуществлена инверсная населенность Аномальная дисперсия: уменьшение показателя преломления с ростом частоты в полосе

поглощения

Атом - наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств

В

Вакуум – состояние газа при давлении меньше атмосферного Взрывная эмиссия – испускание интенсивного электронного потока, обусловленное

переходом вещества катода из конденсированного состояния в плотную плазму в

результате разогрева локальных областей катода Водородоподобные атомы – атом водорода и ионы, состоящие из ядра и одного

электрона Время жизни – 1) средняя продолжительность пребывания квантовой системы в

возбужденном состоянии, заканчивающаяся спонтанным переходом в менее возбужденное или основное состояние; 2) средняя продолжительность существования (нестабильных) радиоактивных атомных

ядер и элементарных частиц Вторичная электронная эмиссия – испускание электронов твердыми и жидкими телами

(эмиттерами) при их бомбардировке первичными электронами Вынужденные колебания - возникают в колебательной системе при воздействии на нее

внешнего источника энергии

Г

Гамма-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение ( λ ≤ 10−8 см) Гамма-квант – фотон большой энергии (выше 100 кэВ)

Гамма-спектрометр – прибор для измерения энергии квантов гамма-излучения и его

интенсивности

Гиромагнитное отношение (магнитомеханическое отношение) – отношение магнитного момента частиц (и состоящих из них квантовых систем) к их моменту количества движения – механическому моменту импульса

Д

Детекторы частиц – приборы и устройства для регистрации микрочастиц, а также

рентгеновских и гамма-квантов Диокотронная неустойчивость - явление деформации трубчатого электронного пучка,

заключающееся в том, что любая неоднородность распределения плотности тока в трубчатом электронном пучке приводит к появлению электрических полей, дрейфу

электронов, усилению неоднородности и т.д.

Диффузия – взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга из-за

теплового движения частиц вещества

Доплеровское уширение спектральной линии – обусловлено эффектом Доплера

Дрейф носителей заряда – упорядоченное движение подвижных носителей заряда в твердом теле под действием внешних полей

З

Закон Джоуля-Ленца – определяет количество теплоты, выделяемое в единицу времени в единице объема при прохождении тока в металле Закон Мозли - корень квадратный из частоты рентгеновского излучения линейно зависит

от порядкового номера элемента

Закон Чайлда-Ленгмюра-Богуславского (закон "трех вторых") - определяет ток,

который можно получить в вакуумном диоде в режиме его ограничения

пространственным зарядом электронов, т.е. при сколь угодно большой эмиссии катода Зона проводимости – частично заполненная или пустая (при абсолютном нуле

температуры) энергетическая зона в электронном спектре твердого тела Зонная теория – квантовая теория энергетического спектра электронов в кристалле,

согласно которой этот спектр состоит из чередующихся зон (или полос) разрешенных и запрещенных энергий

И

Излучательный квантовый переход – квантовый переход, в котором квантовая система испускает или поглощает квант электромагнитного излучения Излучение – 1) свободное электромагнитное поле;

2) электромагнитное – образование электромагнитных волн ускоренно движущимися заряженными частицами (переменными токами), в квантовой теории – рождение фотонов

при изменении состояния квантовой системы Инжекция - 1) ввод пучка заряженных частиц в ускоритель для дальнейшего ускорения

или накопления частиц...

2) Проникновение неравновесных носителей заряда в полупроводник под действием электрического поля. Источник неравновесных носителей - контактирующие полупроводник или металл

Инжектор - источник ускоряемых заряженных частиц (небольшой линейный ускоритель) Интенсивная эмиссия — выход достаточно большого количества электронов в единицу

времени через единицу площади поверхности, отделяющей вещество от вакуума. Интенсивность излучения – полный поток энергии излучения, проходящий за единицу

времени через единичную площадку в направлении нормали к ней и рассчитанный на единицу телесного угла

Ион – электрически заряженная частица, образующаяся при потере или присоединении электронов атомами, молекулами и т.п.

Ионизация – образование положительных и отрицательных ионов и свободных

электронов из электрически нейтральных атомов и молекул Ионно-электронная эмиссия – испускание электронов поверхностью твердого тела в

вакуум при бомбардировке поверхности ионами

К

Катод – отрицательный электрод электровакуумного или газоразрядного прибора,

являющийся источником электронов Катоды косвенного накала - нагреватель размещен внутри полой металлической детали,

наружная поверхность которой эмитирует электроны Катоды прямого накала - ток пропускается непосредственно через эмитирующий

электрод Квадруполь – электрически нейтральная система зарядов, которую можно рассматривать

как совокупность двух диполей с равными по величине, но противоположными по знаку

дипольными моментами, расположенных на некотором расстоянии друг от друга Квадрупольные линзы – электростатические и магнитные электронные линзы, поля

которых имеют две плоскости симметрии, а векторы напряженностей полей в области

движения заряженных частиц почти перпендикулярны к их скорости Квадрупольный конденсатор – система четырех электродов в виде стержней,

расположенных симметрично относительно центральной оси и параллельно ей Квантовый выход - отношение числа эмитированных электронов к числу падающих на

поверхность фотонов Контактная разность потенциалов – разность потенциалов между разными

контактирующими проводниками в условиях термодинамического равновесия Коэффициент вторичной эмиссии - отношение тока (количества) истинно вторичных

электронов к току (количеству) первичных электронов Коэффициент поглощения – величина, обратная расстоянию, на котором

монохроматический поток излучения, образующий параллельный пучок, ослабляется за

счет поглощения в веществе в е раз Кристаллическая решетка – регулярное расположение частиц (атомов, молекул, ионов)

в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях Кроссовер – минимальное сечение пучка частиц

Л

Ленгмюровский предел плотности тока - плотность тока, достигающая значения максимума на оси системы

М

Магнитная индукция (вектор магнитной индукции) – среднее значение суммарной напряженности микроскопических магнитных полей, созданных отдельными электронами

идругими частицами. Вектор магнитной индукции выражается через вектор

напряженности магнитного поля и вектор намагниченности Магнитная проницаемость – физическая величина, связывающая магнитную индукцию

с напряженностью магнитного поля Магнитное поле – силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на

тела, обладающие магнитным моментом Магнитный момент – основная физическая величина, характеризующая магнитные

свойства вещества

Магнитный поток (поток магнитной индукции) – определяется скалярным произведением вектора магнитной индукции и вектором площадки, которую пронизывают

силовые линии магнитного поля Масс-спектрометр – прибор для разделения ионизованных атомов и молекул по их

массам Металлы – простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными

свойствами; кристаллы с частично заполненной валентной зоной

Н

Напряженность электрического поля – векторная характеристика, определяемая отношением силы, действующей на заряд, находящийся в электрическом поле, к величине заряда (заряд должен быть достаточно малым, чтобы не изменять ни величины, ни

распределения зарядов, порождающих исследуемое поле)

Носители заряда (носители тока) – заряженные подвижные частицы или квазичастицы, способные обеспечивать прохождение электрического тока через вещество

О

Омегатрон – масс-спектрометр, в котором разделение ионов, различающихся величиной отношения массы к заряду, происходит при их движении во взаимно перпендикулярных переменном электрическом и постоянном магнитном полях

П

Плазма – частично или полностью ионизованный газ, в котором выполняется условие

квазинейтральности Подвижность носителей тока в твердом теле – отношение скорости направленного

движения носителей заряда (дрейфовой скорости), вызванного электрическим полем, к

напряженности этого поля Пондеромоторные силы – механические действия электромагнитного излучения на тела,

частицы, атомы и молекулы Пороговая частота – частота падающего электромагнитного излучения, начиная с

которой фотон может вырвать электрон из металла

Потенциал ионизации (ионизационный потенциал) – наименьшая разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле, чтобы его энергия была достаточна для ионизации невозбужденного атома (или молекулы) при

электронном ударе Потенциальная энергия – часть механической энергии системы, зависящая от взаимного

расположения материальных точек, составляющих эту систему, и от их положений во

внешнем силовом поле Поток излучения – средняя мощность излучения за время, значительно превышающее

период колебаний Провисание потенциала - уменьшение потенциала между осью пучка и его границей

Пространственный (объемный) заряд – электрический заряд, распределенный по некоторому объему

Р

Работа выхода – энергия, которую необходимо затратить для удаления электрона из

твердого или жидкого вещества в вакуум (в состояние с нулевой кинетической энергией) Разрешенная зона – область значений энергии, которые может иметь квантовая система Распределение Больцмана – равновесная функция распределения частиц по импульсам и

координатам во внешнем потенциальном поле Распределение Максвелла – распределение по скоростям молекул (частиц)

макроскопической физической системы, находящейся в состоянии термодинамического

равновесия, при условии, что движение частиц описывается законами классической

механики Распределение Ферми-Дирака – формула, описывающая распределение по

энергетическим уровням тождественных частиц с полуцелым спином (фермионов) при

пренебрежении их взаимодействием, т.е. в случае идеального газа

Релятивистские электронные пучки (РЭП) – направленные потоки электронов,

поперечные размеры которых значительно меньше их длины, движущиеся со скоростями,

сравнимыми со скоростью света

Рентгеновское излучение (рентгеновские лучи) – электромагнитное ионизирующее

излучение в спектральной области между гамма- и УФ излучением с длиной волны от 10-

12 до 10-5 см

С

Сила Лоренца – сила, действующая на заряженную частицу в электромагнитном поле Скин-слой – поверхностный слой проводящей среды, в котором происходит затухание

высокочастотного электромагнитного поля Статистика Ферми-Дирака – квантовая статистика, применимая к системам

тождественных частиц с полуцелым спином (фермионам)

Т

Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду

Тормозное излучение - возникает вследствие замедления электронов в мишени и не зависит от вещества мишени

У

Удельная ионизация - определяется числом ионов, создаваемых одним электроном на

отрезке пути 1см, при давлении остаточного газа 133,3 Па Ультрафиолетовое (УФ) излучение – невидимое глазом электромагнитное излучение в

спектральной области между видимым и рентгеновским излучением с длинами волн от

400 до 10 нм

Уровень Ферми – условный уровень энергии системы фермионов, в частности,

электронов твердого тела, соответствующей энергии Ферми Уровни энергии (энергетические уровни) – возможные (дискретные) значения энергии

квантовых систем (атомов, молекул, ионов, атомных ядер и т.д.), определяемые законами

квантовой механики

Ускоряющая разность потенциалов (ускоряющее напряжение) – определяет энергию ускоренных электронов

Ф

Филаментация пучкаразбиение равномерно распределенного пучка на отдельные струи (филаменты)

Фотокатод – катод фотоэлектронных приборов, эмитирующий электроны под действием электромагнитного излучения УФ, видимого и ИК диапазонов

Фотон – элементарная частица; квант электромагнитного излучения

Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) – испускание электронов твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения в вакуум или другую среду

Х

Характеристический спектр – линейчатый спектр электромагнитного излучения атома, вызванный квантовыми переходами на внутренние глубоко лежащие электронные оболочки атома

Ц

Циклотронная окружность – круговая траектория обращения заряженной частицы, имеющей заданную скорость, в постоянном магнитном поле в плоскости,

перпендикулярной его направлению Циклотронная частота (гирочастота) – частота обращения заряженных частиц в

постоянном магнитном поле в плоскости, перпендикулярной его направлению

Ч

Частота перехода – определяется разностью между значениями энергии квантовых уровней, поделенной на постоянную Планка

Э

Электрическое поле – частная форма проявления электромагнитного поля, определяющая действие на электрический заряд силы (со стороны поля), не зависящей от

скорости движения заряда Электромагнитная индукция – возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре,

находящемся в переменном магнитном поле, или движущемся в постоянном магнитном

поле Электромагнитное поле – особая форма материи, посредством которой осуществляется

взаимодействие между электрически заряженными частицами Электронная пушка – вакуумное устройство для получения пучков электронов

Электронная эмиссия – испускание электронов поверхностью конденсированной среды Электронные пучки – направленные потоки электронов, поперечные размеры которых

значительно меньше их длины Электронно-оптическая система - совокупность электродов различной геометрии с

определенными потенциалами, и магнитных систем (постоянных магнитов, соленоидов),

создающих электрические и магнитные поля Электроны проводимости – электроны металлов и полупроводников, упорядоченное

движение которых обеспечивает электропроводность Электропроводность (проводимость) – способность тела проводить электрический ток

под воздействием электрического поля, а также физическая величина, характеризующая

эту способность Электростатическая индукция – наведение электрического заряда в проводниках или

диэлектриках, помещенных в постоянное электрическое поле

Эмиссия – испускание электронов с поверхности твердых и жидких тел Эмиттанс пучка - площадь фазового эллипса, деленная на π

Энергия ионизации – определяется работой, которую необходимо затратить для

удаления одного внешнего электрона из атома, находящегося в основном состоянии Энергия Ферми – значение энергии, ниже которой все состояния фермионов при

абсолютном нуле температуры заняты

Эффект Вавилова-Черенкова (излучение Вавилова-Черенкова) – излучение света электрически заряженной частицей, возникающее при ее движении в среде с постоянной

скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде Эффект Доплера – изменение частоты колебаний (или длины волны), воспринимаемой

наблюдателем, при относительном движении источника колебаний и наблюдателя Эффект Пельтье – выделение или поглощение теплоты при прохождении электрического тока через контакт двух различных проводников

Эффект Холла – возникновение в твердом проводнике с током, помещенном в магнитное поле, электрического поля в направлении, перпендикулярном магнитному полю и направлению тока