Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор экспериментальных данных и моделей 16
Глава 2. Экспериментальное исследование взаимодействия быстрых электронов с диэлектрическими поверхностями 42
2.1 Экспериментальная установка 42
2.2 Результаты экспериментов 48
Глава 3. Модель 73
Заключение 93
Список сокращений и условных обозначений 95
Список литература 96
- Экспериментальное исследование взаимодействия быстрых электронов с диэлектрическими поверхностями
- Экспериментальная установка
- Результаты экспериментов
- Модель
Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности
Известно, что под воздействием различных видов излучений физические свойства конденсированного вещества могут значительно изменяться. В настоящей работе рассматривается случай взаимодействия пучков электронов с энергией 10 кэВ с диэлектрическими поверхностями при близких к нулю (скользящих) углах падения электронов на поверхность. Показаны модификация зарядового состояния поверхности при таком взаимодействии и возможность реализации на основе наблюдаемых эффектов технических приложений для разработки новых энергоэффективных дефлекторов и фокусирующих элементов для пучков электронов. Также, в работе разработана математическая модель, позволяющая спрогнозировать изменения физических свойств диэлектрических поверхностей в рамках рассматривающегося взаимодействия пучков электронов с поверхностью.
Эффекты, реализующиеся при взаимодействии пучков заряженных частиц с конденсированным веществом, находят широкое применение для решения научных и прикладных задач в таких областях как медицина, энергетика, приборостроение, физика и т.п. Важной особенностью такого взаимодействия является формирование и контроль спектрально-угловых характеристик пучков частиц, что осуществляется специальными устройствами. В связи с прогрессом в области технологий, основывающихся на взаимодействии ускоренных частиц с конденсированным веществом, разработка таких устройств является актуальной задачей современной науки и инженерии.
В настоящее время основным подходом к управлению спектрально-угловыми характеристиками пучков ускоренных заряженных частиц является использование достаточно сложных электромагнитных и электростатических систем. Несмотря на достаточно широкое применение таких систем, их основными недостатками являются значительные размеры и необходимость использования дополнительных источников питания.
Альтернативой данным системам могут служить устройства, принцип работы которых основан на сравнительно недавно открытом эффекте управления пространственными характеристиками пучков положительно заряженных частиц диэлектрическими поверхностями. Основой эффекта является изменение физических свойств материала поверхности при воздействии на нее пучка частиц. Была обнаружена возможность реализации условий бесконтактного движения
заряженных частиц вблизи диэлектрической поверхности в электрическом поле, образовавшемся вследствие взаимодействия части пучка частиц с поверхностью. Можно выделить два основных параметра, определяющих проявление обсуждаемого эффекта – угол отклонения пучка от первоначального направления и доля частиц в отклонённом пучке по отношению к первичному пучку.
В 2000 г в экспериментальной работе N. Stolterfoht , et al. // Procedings of the 10th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions впервые было зафиксировано прохождение многозарядных ионов через нанокапилляры без существенной потери интенсивности пучка даже при отклонении капилляров на углы вплоть до 20 относительно оси падающего пучка. При этом оказалось, что большая часть ионов пучка проходит через наноразмерные каналы без изменения начального зарядового и энергетического состояний. Данный эффект авторы объяснили образованием самосогласованного зарядового распределения на поверхности диэлектрика при скользящем падении пучка положительных ионов на поверхность.
К началу диссертационных исследований механизмы изменения физических свойств диэлектрических поверхностей, реализующиеся при скользящих углах взаимодействия с поверхностями пучков ускоренных частиц, изучены достаточно хорошо как теоретически, так и экспериментально для положительных ионов. Важным прикладным результатом обнаруженного эффекта является возможность разработки энергоэффективных и малогабаритных микрокапиллярных линз для пучков ионов, что также было реализовано и нашло применение в медицине для направленного острофокусного воздействия пучками протонов на отдельные клетки.
Возможность реализации подобного эффекта управления для пучков ускоренных электронов оказалась не столь простой, как казалось в начале соответствующих исследований. Например, в работе W. Wang, et al. // J. of Physics: Conference Series 163 (2009) было показано, что прошедшие через конические капилляры электроны испытывали значительные потери энергии и не могли быть эффективно сфокусированы капилляром, как это наблюдалось для ионов в работе T. Nebiki, et al. // J. Vac. Sci. Technol. 21 (2003). Кроме того, доля прошедших через капилляр электронов уменьшалась при уменьшении энергии электронов. Подобный результат наблюдался также в работах В.П. Петухова (Поверхность, рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008, 2010 гг.), выполненных с цилиндрическими диэлектрическими каналами для электронов с энергиями от 2.5 до 20 кэВ. Дополнительное подтверждение данной тенденции
было получено в работе S. Wickramarachchi, et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 269 (2011), где было показано отсутствие эффекта прохождения через каналы электронов с энергией 500 эВ, в то время как для электронов с энергией 800 и 1000 эВ эффект был стабильным при прохождении пучка электронов вдоль оси канала. С другой стороны, при изменении ориентации канала относительно пучка электронов, когда пучок взаимодействовал под малым углом с внутренней поверхностью канала, наблюдалась противоположная зависимость – отклонение пучка каналом происходило более эффективно для электронов с меньшей энергией.
Попытки построения математической модели, описывающей механизмы изменения физических свойств диэлектрических поверхностей при скользящих углах взаимодействия пучков быстрых электронов с поверхностями, были сопряжены с необходимостью учёта большего числа процессов в сравнении с моделями, разработанными для ускоренных ионов, из-за существенно большей подвижности электронов и необходимости учета вторичной электронной эмиссии. Данная особенность позволила разработать модели формирования зарядового распределения на поверхности только для частных наиболее простых случаев рассматриваемого взаимодействия.
Таким образом, актуальность настоящей работы определяется рядом существовавших вопросов, связанных с процессами модификации поверхности диэлектриков пучками электронов при скользящих углах взаимодействия.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование механизмов взаимодействия пучков ускоренных электронов с энергией порядка 10 кэВ с плоской диэлектрической поверхностью при скользящих углах взаимодействия.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
-
Разработать экспериментальную установку для проведения исследований механизмов взаимодействия пучков электронов с энергией 10 кэВ при токе 1-1000 нА с диэлектрическими поверхностями.
-
Выполнить экспериментальные исследования процессов взаимодействия пучков электронов с энергией 10 кэВ с диэлектрическими цилиндрическими и плоскими каналами.
-
Выполнить экспериментальные исследования процессов взаимодействия пучков быстрых электронов с энергией 10 кэВ с плоскими
диэлектрическими поверхностями различного химического состава (стекло,
полиметилметакрилат, оксид алюминия) и геометрическими параметрами.
4. Разработать математическую модель для прогнозирования изменения
зарядового распределения на плоской диэлектрической поверхности, вызванного взаимодействием 10 кэВ электронов с поверхностью при скользящих углах взаимодействия.
Научная новизна полученных результатов
Выполнено детальное исследование механизмов взаимодействия пучков ускоренных электронов с энергией 10 кэВ с диэлектрическими поверхностями при скользящих углах падения, что впервые позволило однозначно зафиксировать изменение физических свойств диэлектрической поверхности в процессе взаимодействия с ней пучков быстрых электронов. Зафиксирован эффект управления для быстрых электронов и измерены зависимости основных характеристик рассматриваемых процессов от параметров эксперимента, дана физическая интерпретация наблюдавшихся явлений.
Практическая значимость полученных результатов
Результаты исследования, состоящие в зафиксированном изменении физических свойств диэлектрических поверхностей в процессе взаимодействия с поверхностью пучков быстрых электронов, могут стать основой для разработки новых методов управления пространственными характеристиками пучков электронов с энергией порядка 10 кэВ на основе использования диэлектрических каналов различных конфигураций. Учитывая, что рассматриваемая спектральная область достаточно распространена для решения таких задач, как генерация рентгеновского излучения, литография, облучение биологических объектов, изучение структуры вещества, то разработка новых подходов к управлению пространственными характеристиками пучков электронов и новых приборов является востребованной задачей.
Положения, выносимые на защиту:
-
При скользящем взаимодействии быстрых электронов с диэлектрической поверхностью на поверхности образуется самосогласованное зарядовое распределение.
-
В результате скользящего взаимодействия пучка быстрых электронов с диэлектрической поверхностью пространственное распределение отклонённого поверхностью пучка электронов стремится к статическому виду с течением времени и определяется балансом процессов зарядки
поверхности и скорости стекания заряда под действием пучка. Оба процесса зависят от поверхностных свойств и материала диэлектрика.
3) Зарядовое распределение, сформированное на поверхности
диэлектрической пластины в результате взаимодействия быстрых электронов с поверхностью, представляет сочетание отрицательно и положительно заряженных областей.
Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов представленных исследований обеспечивается сертифицированным оборудованием, достоверной статистической ошибкой, повторяемостью результатов и соответствием полученных результатов расчётам, выполненным на основе апробированных методов.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на 9 конференциях, в том числе 8 международных:
-
VII международной научно-практической конференции «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине», Томск, Россия, июнь 2015.
-
Международная Тулиновская конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, Россия, 2015, 2016.
-
Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Москва, Россия, 2015, 2016.
-
Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures "RREPS-15", Санкт-Петербург, Россия,сентябрь 2015.
-
50-яшкола ПИЯФ по физике конденсированного состояния, Санкт-Петербург, Россия, март 2016.
-
XXII Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых, Таганрог, Россия, апрель 2016.
-
The 7th International Conference "Charged & Neutral Particles Channeling Phenomena Channeling 2016", Sirmione-Desenzano del Garda, Italy, September 2016.
Публикации
Результаты работы стали основой для 4 статей в журналах, индексируемых базами данных SCOPUS и WoS, одна из которых опубликована в российском журнале из перечня ВАК.
Личный вклад автора
Соискатель внёс основной вклад во все этапы работ, выполненных при проведении диссертационных исследований: разработка экспериментальной установки, подготовка мишеней, постановка и проведение экспериментов, обработка полученных данных, разработка математических моделей. Автор участвовал в обсуждении результатов, представлял на конференциях полученные результаты, подготавливал публикации.
Связь работы с научными программами
По тематике диссертационных исследований соискатель являлся
исполнителем конкурсной части государственного задания № 3.2009.2014/К.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем работы - 106 страниц, включая 53 рисунка. Список литературы состоит из 119 наименований.
Экспериментальное исследование взаимодействия быстрых электронов с диэлектрическими поверхностями
Идея управления пучками заряженных частиц с помощью диэлектрических каналов появилась в 80-х годах двадцатого века. В работах Крастелева Е.Г., Коломенского А.А. и Агафонова A.B. [7] по исследованию прохождения импульсных сильноточных электронных пучков через диэлектрические каналы была экспериментально продемонстрирована возможность транспортировки электронов с энергией импульсного пучка порядка 800 кэВ и током 80 кА без существенных потерь интенсивности и энергии. Авторы объяснили данный эффект следующим образом. При входе в канал часть пучка электронов заряжает стенки канала до напряжения пробоя. В результате электрического пробоя вблизи стенок канала образуется слой плазмы. Поле пространственного заряда основной части сгустка электронов вытягивает из плазмы ионы, которые, ускорившись, по инерции проникают в центр сгустка и компенсируют силы расталкивания электронов. Таким образом, фронтальная часть каждого сгустка электронного пучка на всех участках канала обеспечивает условия прохождения остальной части электронов без непосредственного контакта со стенками.
В работе [8] продемонстрирован эффект отклонения пучка электронов с энергией 15 МэВ изогнутыми диэлектрическими трубками. Схема эксперимента представлена на Рисунке 1. В исследованиях использовались стеклянные трубки различного внутреннего диаметра и длины (диаметр 1.2 и 2.5 мм, длина 180, 330, 800 мм), а также латунные трубки диаметром 2.5 и длиной 265 мм. Упругий изгиб трубок осуществляли путем перемещения свободного торца трубки изгибающим штоком.
Первые работы по изучению прохождения многозарядных ионов через диэлектрические нанокапилляры были представлены на конференции [1]. Авторы данной работы указывали на ряд эффектов, затрудняющих исследования, и после устранения технических недостатков в постановке экспериментов, в 2002 N. Stolterfoht и др. [9] впервые наблюдали процесс прохождения положительных ионов Ne7+ без непосредственного взаимодействия со стенками капилляра. В данной работе ионы с энергией 3 кэВ пропускали через нанокапилляры диаметром 100 нм и длиной 10 мкм, полученные путем травления треков ионов в полимерных пленках ПЭТ (полиэтилентерефталат). Чтобы избежать зарядки торцевых поверхностей пленки и обеспечить стекание заряда, на них напылялся слой золота толщиной около 30 нм. Пленки поворачивались на углы до ±25 относительно оси пучка падающих ионов таким образом, чтобы падающие ионы были вынуждены взаимодействовать с поверхностью капилляров. Схема эксперимента показана на Рисунке 2. Было обнаружено, что основная часть ионов Ne7+ сохраняет свое начальное зарядовое состояние. Угловые распределения прошедших частиц указывали на распространение ионов Ne7+ вдоль оси капилляров даже при их повороте. На Рисунке 3 приведена интегральная интенсивность пиков прошедших ионов Ne7+ как функция угла наблюдения . Данные были получены при углах наклона от 0 до 25 с шагом 5. Доля прошедших ионов составляла 80% от первоначального пучка при нулевом угле наклона. Данные для ПЭТ сравнивались с результатами, полученными для капилляров, внутренняя поверхность которых была покрыта серебром (Ag). Для капилляров, покрытых серебром, угловое распределение достигло максимума при 0 с достаточно узкой шириной пика на полувысоте 1, в то время как для ПЭТ пики угловых распределений имеют ширину на полувысоте 5, и она практически не зависит от угла поворота пленки с капиллярами [10].
Также из Рисунка 3 видно, что максимум прошедших ионов сдвигается в соответствие с углом наклона каналов относительно оси пучка. Этот эффект получил название «guiding effect» (эффекта управления). Также в работе [10] экспериментально показано, что через капилляры, наклоненные вплоть до 25 по отношению к направлению оси падающего пучка, проходит значительная доля ионов, сохранивших свое начальное зарядовое и энергетическое состояние.
Для объяснения эффекта управления ионами при помощи диэлектрических капилляров авторы [10] предложили следующую модель: капилляр условно разбивают на две части (Рисунок 4), называемые областью рассеяния и областью управления. Так как угловые распределения прошедших ионов имеют примерно одинаковую ширину на полувысоте 5 для всех углов поворота, ожидается, что процессы, происходящие в области рассеяния, не зависят от тех, что происходят в области управления. В первой области падающие ионы, захватываясь поверхностью, создают участок, заряд которого может вызвать отклонение основной части ионов пучка. Это отклонение предполагает некоторый угловой разброс (усиливается за счет шероховатости поверхности), однако,
Модель эффекта управления ионами при помощи диэлектрических капилляров [9] предполагается, что ионы сохраняют некоторую «память» о первоначальном направлении в области рассеяния. После нескольких актов рассеяния ионы теряют эту «память». Затем они входят во вторую область, заряженную равномерно, и направляются к выходу капилляра с расходимостью около ±2.5 [9,10].
Экспериментальная установка
Для исследования процессов, происходящих в диэлектрическом канале при прохождении через него пучка быстрых электронов, был проведен ряд экспериментов с каналами различной геометрии и одиночными плоскими поверхностями, изготовленными из различных материалов.
На базе Лаборатории радиационной физики НИУ «БелГУ» была создана экспериментальная установка, схема которой изображена на Рисунке 17.
В качестве источника электронов используется электронная пушка (1) отрицательной полярности, которая может обеспечить пучок электронов с энергией 10-60 кэВ. Электронная пушка установлена в вакуумной камере с независимой системой откачки. Для первичного формирования пучка используется коллиматор (1 мм) и система электромагнитных линз: в непосредственной близости к ускоряющему электроду пушки расположена фокусирующая линза, а для корректного вывода пучка в камеру мишени используется пара квадрупольных линз. Характеристики получаемого пучка электронов: ток в камере мишеней может регулироваться в диапазоне 10400 нA, ширина на полувысоте распределения интенсивности профиля пучка 1.5 мм, угловая расходимость 0.25.
Далее пучок направляется в мишенную камеру, рабочее давление в мишенной камере и камере источника 10-5-10-6 торр. Необходимое давление достигается при помощи механического сухого форвакуумного насоса и пары турбомолекулярных насосов (12,13,14). вакуумметры Ориентация объекта исследований относительно оси пучка электронов контролировалась с помощью гониометра с двумя степенями свободы (линейное перемещение и поворот вокруг горизонтальной оси, поворот мишени осуществляется с точностью 0.1).
Все элементы установки изготовлены из немагнитных материалов, тщательно заземлены и не влияют на траекторию движения электронов. Диэлектрические пластины располагаются на съемной платформе гониометра. Длина платформы держателя гониометра составляет 10 см, что позволяет закрепить на нее несколько образцов. Линейное перемещение держателя осуществляется в пределах ±10 см, благодаря чему возможна смена образцов во время эксперимента, а также диагностика прямого пучка. Платформа гониометра поворачивается относительно оси пучка на углы от -7 до 7 градусов вокруг горизонтальной оси, проходящей через входной торец образца, благодаря чему возможно исследовать эффект управления пучка электронов в зависимости от углового положения образца относительно оси падающего пучка. Эскиз гониометра с двумя степенями свободы показан на Рисунке 18.
Гониометр и детектирующая часть установки располагаются в мишенной камере. Схема расположения мишени (в данном случае показана диэлектрическая пластина) и детектирующих устройств показана на Рисунке 19.
Для визуализации положения пучка в камере расположен проводящий стеклянный экран с тонким слоем сцинтилляционного порошка. Для удобства оценок угловых характеристик на экран нанесена сетка 1515 мм. След пучка на экране фиксировался с помощью веб-камеры, расположенной вне вакуумной камеры непосредственно на выходном окне.
Метод визуализации следа пучка позволяет определить угол отклонения электронов после взаимодействия с мишенью с точностью порядка 0.25.
В случае необходимости измерения тока пучка используется щелевой цилиндр Фарадея (ЦФ), установленный на подвижном вакуумном манипуляторе. Данный ЦФ позволяет восстанавливать вертикальный или горизонтальный (в зависимости от места установки на вакуумной камере) профиль пучка, а также измерять полный ток пучка путем интегрирования профиля. Размеры щели ЦФ 501 мм.
Для того, чтобы установить поверхность или ось образца (в зависимости от его типа: пластина или канал) параллельно оси пучка электронов, на платформе гониометра параллельно поверхности или оси образца устанавливается проводящая трубка длиной 30 мм и внутренним диаметром — 2 мм. «Нулевое» положение определяется из расчета среднего арифметического значения показаний на шкале микрометра гониометра для крайних положений трубки, при которых след на экране исчезает.
Цилиндрический и плоски й каналы Первые эксперименты по изучению эффекта управления пучками быстрых электронов проводились с диэлектрическим цилиндрическим каналом (полиэтилентерефталат). Образец помещался в держатель гониометра, след пучка прошедших через канал электронов отображался на экране, покрытом сцинтиллятором, и фиксировался с помощью камеры, установленной вне вакуумной камеры (использовалась схема, показанная на Рисунке 19 без цилиндра Фарадея).
Длина канала составляла 5 см, внутренний диаметр – 1.63 мм. На входе в канал устанавливалась маска (алюминиевая или медная), чтобы избежать зарядки торца трубки. Энергия падающих электронов 10 кэВ, ток на маске измерялся с помощью амперметра и составлял 150 нА, сечение пучка около 2 мм в диаметре, расходимость 0.25.
Образец последовательно отклоняли от нулевого положения (ось трубки параллельна оси падающего пучка) на углы от –4 до +4 и следили за движением следа пучка на экране, расположенном на расстоянии 32.5 см от оси вращения, проходящей через входной торец канала. Для каждого положения канала делалась фотография следа пучка на экране, затем снимки были совмещены, как показано на Рисунке 21. Крайний левый снимок – след прямого пучка (в отсутствии мишени). Как видно из Рисунка 21, след пучка на экране даже при максимальных углах наклона трубки продолжает четко наблюдаться. Диапазон углов ограничивался только техническими возможностями схемы измерений.
Результаты экспериментов
Аналогичным образом был проведен эксперимент для плоского канала, состоящего из двух стеклянных пластин длиной 5 см. Зазор между пластинами составлял 0.7 мм. Входной торец канала заземлялся. Пластины отклоняли пучок электронов на углы приблизительно от –2 до +2 относительно оси падающего пучка. На Рисунке 24 представлен график сдвига следа пучка на экране при повороте плоского канала относительно следа прямого пучка, для сравнения пунктирная линия соответствует углу поворота канала. В данном случае угол геометрического пропускания 1.6. Как и в случае для цилиндрического канала, наблюдается эффект управления и некоторое отклонение положения пучка от направления оси канала. Если сравнивать результаты экспериментов для цилиндрического канала, изготовленного из пластика, и плоского канала, изготовленного из стекла, видно, что стеклянный канал управляет электронами хуже (диапазон углов в два раза меньше), чем пластиковый, при аспектном отношении, различающемся в два раза.
Следующим шагом в исследовании эффекта управления стало проведение эксперимента для плоского канала из оргстекла с аспектным отношением, сравнимым с аспектным отношением для пластикового канала. Длина плоского канала 35 мм, зазор между пластинами 1 мм. Ток на входе около 200 нА. На Рисунке 25 показана зависимость положения следа пучка на экране от угла наклона диэлектрического плоского канала, пунктирная линия соответствует углу поворота канала. Из данных на рисунке видно, что пучок хорошо управляется каналом в пределах ±2.5.
Ввиду того, что эффект управления может зависеть от целого ряда параметров, таких как материал диэлектрика, форма и геометрические размеры канала, плотность тока падающего пучка, встала задача проведения экспериментов с более простыми объектами, а именно, с диэлектрическими поверхностями. Рисунок 25 – Зависимость положения следа пучка на экране от угла поворота диэлектрического плоского канала (оргстекло) длиной 35 мм [111]
Диэлектрическа я п ла стина Для исследования процессов, происходящих в диэлектрическом канале при прохождении через него пучка заряженных частиц, был проведен ряд экспериментов с одиночными диэлектрическими пластинами с различными длинами и изготовленными из разных материалов. Стек ля нны е п ла сти ны
Эксперимент проводился с двумя стеклянными пластинами длиной 35 и 76 мм. Толщина всех исследуемых стеклянных пластин составляла 2 мм. Пластины помещались на диэлектрической платформе, заземлялась только передняя, входная, часть мишеней. Расстояние от входного края мишени (оси вращения) до экрана – 240 мм.
Следует отметить, что заземление торцов осуществляется с частичным покрытием рабочей поверхности пластин ( 1 мм) с помощью алюминиевой фольги толщиной 50 мкм. Пучок электронов пересекает ось вращения пластины так, что около 50% электронов пучка отсекается заземленной маской, при этом минимальный прицельный параметр для взаимодействующих с поверхностью электронов, соответственно, равен 50 мкм. Нестабильностей пространственного положения пучка, размеров и угловой расходимости в рамках проводимых экспериментов замечено не было. Измерение тока рассеянного пучка показало, что доля электронов после прохождения вдоль поверхности пластины по сравнению с падающим пучком варьируется в пределах 6070% для всех образцов.
Платформу поворачивали на углы до 1.5 (Рис унки 26,27,28 и 29). Ток пучка на маске был около 150 нА. При больших углах наклона след пучка на экране исчезал на обеих пластинах из-за сильного рассеяния электронов. Из фотографий на Рисунках 26 и 28 видно, что на экране наблюдалось разделение исходного следа пучка на две части: центральное статическое пятно и ореол в форме дуги, который управлялся пластиной.
Движение следа пучка на экране при повороте пластины длинной 76 мм, слева показано положение следа прямого пучка [111] Рисунок 29 - График зависимости сдвига части следа пучка на экране от угла поворота пластины длинной 76 мм в гониометре [111]
Для проверки зависимости эффекта управления от длины стеклянных пластин был проведен еще один эксперимент с пластиной длиной 25 мм. В связи с тем, что при больших углах наклона мишени пучок достаточно сильно рассеивался в эксперименте, вместе с экраном использовался цилиндр Фарадея, установленный на подвижном манипуляторе. В данном эксперименте использовался щелевой цилиндр Фарадея (показан на Рисунке 30) с пространственным разрешением 1 мм, позволяющий восстановить вертикальный профиль рассеянного пучка электронов.
Сдвиг максимума интенсивности профиля пучка рассеянных электронов относительно оси прямого пучка при повороте пластины показан на Рисунке 31. В данном эксперименте след пучка не расщеплялся. Стеклянная пластина располагалась на диэлектрической подложке, как и в предыдущих экспериментах.
Для определения влияния подложки на взаимодействие пучка ускоренных электронов с тонкой стеклянной пластиной были проведены эксперименты с пластинами длинной 25 и 76 мм. На Рисунке 32 показан график сдвига максимума интенсивности профиля пучка рассеянных электронов относительно оси прямого пучка при повороте пластины длинной 76 мм в отсутствии диэлектрической подложки.
Модель
Необходимо отметить, что продемонстрированные выше расчеты были проведены для определенной величины тока и фиксированной величины параметра , отвечающего за поверхностную проводимость диэлектрика. При изменении плотности тока пучка электронов и неизменных остальных параметрах результаты расчетов начинают расходиться с полученными экспериментально [115], а именно, положение следа пучка на экране начинает сильно зависеть от величины тока пучка, тогда как в экспериментах для токов 0.11 мкА такой зависимости не отмечалось [23,115], Варьирование параметров модели, за исключением , дают неустойчивые результаты, т.е. даже небольшое изменение одного из них (А, G, T) приводит к нестабильности положения максимума интенсивности сечения пучка во времени.
Если предположить, что скорость стекания заряда с поверхности зависит от количества падающего заряда в единицу времени, следует изменять только параметр , связанный со скоростью стекания зарядов и имеющий размерность 1/с. Подбор данного параметра для различных токов пучка электронов производился путем сравнивания результатов расчета с экспериментальными данными [115]. В результате моделирования был получен набор данных,
Зависимость параметра от плотности тока пучка показанный точками на Рисунке 50. Расчеты проводились для пластины ПММА длиной 5 см при падении пучка электронов на поверхность под углом 1.14. Расчеты для каждой точки соответствовали времени облучения электронами пластины в течение 8 минут (типичное время в экспериментах). Как видно из Рисунка 50, параметр нелинейно зависит от плотности тока падающего пучка и полученные данные можно аппроксимировать следующей функцией: (11) где jo=0,1141 Am-2, C=-0.0169 s-1 и B=0,0175 s-1 – параметры аппроксимации. Чтобы проверить эти результаты одни и те же параметры были использованы для двух различных углов падения электронов на поверхность (Рисунок 51). Из представленного рисунка видно, что угол отклонения не зависит от плотности тока падающего пучка, что наблюдалось в экспериментах.
Таким образом, можно сделать вывод, что поверхностная проводимость диэлектрической поверхности при облучении электронами постепенно увеличивается с увеличением тока, и в какой-то момент зарядовое распределение на поверхности достигает насыщения. Осажденного заряда достаточно, чтобы отталкивать большую часть электронов пучка (в расчетах около 60%), так что дальнейшего осаждения не происходит.
Распределение заряда на поверхности находится в динамическом равновесии между стеканием и оседанием части пучка. Точка насыщения может зависеть от энергии электронов, материала и размера образца, качества обработки его поверхности. В данном направлении необходимы дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования. Рисунок 51 -Зависимость угла отклонения от тока падающего пучка Расщеп ление следа п учка
Эффект расщепления следа пучка на экране для стеклянных и ПММА пластин может быть объяснен, если предположить, что зарядовое распределение, формируемое под воздействием на поверхность пучка, неоднородно по сечению, перпендикулярному следу пучка. Поскольку в сечении пучка интенсивность распределена нормально, то в центральной части пучка плотность тока выше, чем на периферии. Предполагая, что с увеличением тока скорость передвижения зарядов по поверхности возрастает, можно считать, что в центральной части области скользящего взаимодействия электронов пучка с диэлектриком заряды стекают к краям заряженной области, двигаясь от оси пучка. В результате такого перестроения заряда на поверхности диэлектрика вдоль оси пучка образуется заряженная «дорожка» с повышенной зарядовой плотностью по ее краям. Конечно, в эксперименте протяженная вдоль траектории электронов заряженная область может быть заряжена неоднородно как по плотности, так и по знаку зарядов. Однако, если принять во внимание, что режим расщепления реализуется при определенном сочетании свойств поверхности и величины тока пучка электронов, то можно предположить для такого режима образование на поверхности зарядового распределения в форме «дорожки» с одноименно заряженными краями.
Простейшей моделью указанного распределения может служить модель поверхности, на которой расположены две равномерно и одноименно заряженные нити конечной длины. Расстояние между нитями может определяться диаметром пучка и расстоянием его оси до поверхности. Меняя линейную плотность заряда нитей можно менять форму следа пучка на экране. На Рисунке 52 изображен потенциал, создаваемый отрицательно заряженными нитями. Предположение такого распределения правомерно, исходя из характера следа пучка, оставленного пучком на поверхности пластины ПММА после взаимодействия, как это показано на Рисунке 38 (справа). На Рисунке 52 показан результат расчета потенциала, создаваемого двумя отрицательно заряженными нитями. На Рисунке 53 показан результат моделирования движения пучка в таком поле, что, как видно из рисунка, приводит к расщеплению пучка. В расчётах плотность заряда обеих нитей одинаково меняется в 10 раз с течением времени (нижняя часть следа соответствует меньшей плотности заряда нитей). Рисунок 52– Потенциал, создаваемый отрицательно заряженными нитями
Расщепление следа пучка на экране при различных линейных плотностях нитей: нижний след - , верхний - 10 Все расчеты проведены для расстояния d=3 мм между заряженными нитями. Расстояние от пластины до экрана соответствует установленному в эксперименте и равно 25 см.
Как видно из Рисунка 53 описанное распределение заряда на поверхности диэлектрика может формировать получаемый в ряде экспериментов след пучка на экране, последовательно накапливая и сбрасывая излишек заряда.
Результаты наблюдений указывают на возможность реализации такого режима в случае почти мгновенного стекания заряда на поверхности мишени, что приводит к протеканию процесса рассеяния в двух режимах – когда поверхность заряжена и при незначительном заряде на поверхности (после разряда). Таким образом, распределение заряда на поверхности диэлектрика может формировать получаемый в ряде экспериментов след пучка на экране, последовательно накапливая и сбрасывая излишек заряда.