Введение к работе
Актуальность работы; Прохождение заряженных частиц через твердотельные мишени изучается с 30-х годов. Можно выделить несколько направлений, в которых используется взаимодействие быстрых электронов со слоистыми мишенями: электронная микроскопия, электронная толпшнометрия, дефектоскопия электронными пучками, создание радиационных дефектов в интегральных микросхемах, структурах металл - диэлектрик - полупроводник и полупроводниковых детекторах, использование слоистых мишеней в качестве конверторов электронного излучения, защита от электронного и гамма-излучений. Во всех этих случаях необходима информация о характеристиках прохождения электронов через исследуемые структуры.
В последнее время с помощью метода Монте-Карло интенсивно исследуются процессы, сопровождающие прохождение электронов средних энергий (единицы-десятки кэВ) через различные мишени [1,2], что связано с потребностями электронной микроскопии. В настоящее время существуют электронные микроскопы, использующие электроны с энергией до нескольких МэВ. Это обстоятельство стимулирует проведение исследований в указанном энергетическом диапазоне. Анализ существующей литературы показал, что взаимодействию электронов с энергиями от 0.5 до 10 МэВ со слоистыми мишенями уделяется недостаточно внимания. Поэтому исследование прохождения быстрых электронов через слоистые мишени является интересным с точки зрения применения в электронной микроскопии для диагностики и модификации объектов, созданных на основе слоистых структур.
Таким образом исследования характеристик прохождения быстрых электронов через слоистые мишени с помощью метода Монте-Карло является актуальными.
Цель работы: Исследование характеристик прохождения быстрых электронов через слоистые мишени, а также оценка влияния на исследуемые характеристики начальной энергии и угла падения электронов, атомных номеров материалов слоев и последовательности расположения слоев з слоистой мишени.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Реализация алгоритма моделирования прохождения электронов с энергией от 10 кэВ до 20 МэВ через слоистые мишени [3].
-
Получение и анализ результатов расчетов следующих характеристик прохождения электронов через слоистые мишеїш: пространственного распределения поглощенной энергии, пространственного и энергетического распределения первично - смещенных атомов, интегральных и спектрально-угловых характеристик как прошедших, так и обратнорассеянных электронов, интегральных и спектральных характеристик тормозного излучения, генерируемого электронами.
3. Исследование зависимости вышеуказанных характеристик от начальной энергии и утла падения электронов, атомных номеров материалов слоев и последовательности расположения слоев в мишени.
Положения, выносимые па защиту:
1. Для мишени "тяжелая пленка на легкой подложке" зависимость
коэффициента обратного рассеяния от толщины пленки имеет немонотонный
характер при толщине подложки, соответствующей насыщению. На характер
данной зависимости оказывают влияние начальная энергия электронов, угол
падения и атомные номера материала слоев. При увеличении начальной энергии
электронов минимум кривой исчезает (для структуры Au-Al это происходит при
энергии 1.85 МэВ). Толщина пленки, соответствующая минимуму на рис.4.1
увеличивается с ростом начальной энергии электронов в диапазоне от 0.5 до 10
МэВ. Во всех рассмотренных случаях это значение толщины в пределах
погрешности равняется половине глубины полной диффузии в материале
rrmitrvT* ТТптт чги^тлирихїт* ато**ЧОт^л urvn*Ar\ci л^ат^Атлиатто тттт*аитгтт гуг 11 rrf\ СО гчпгйтїтта
минимума увеличивается по экспоненциальному закону. При увеличении атомного номера материала подложки от 4 до 79 глубина минимума также увеличивается. Положение минимума (в единицах половинного экстраполированного пробега электронов) не зависит от атомных номеров материалов слоев.
-
Для мишени "легкая пленка на тяжелой подложке" зависимость коэффициента обратного рассеяния от толщины пленки имеет немонотонный характер при толщине подложки, соответствующей насыщению. На характер данной зависимости также оказывают влияние начальная энергия электронов, угол падения и атомные номера материала слоев. При увеличении начальной энергии электронов немонотонность исчезает (для мишени Cu-Au это происходит при начальной энергии электронов 1.5 МэВ), при уменьшении энергии высота максимума увеличивается. Толщина пленки, соответствующая положению максимума на рис.4.2 линейно увеличивается с ростом начальной энергии электронов в диапазоне от 0.5 до 10 МэВ. Во всех рассмотренных случаях это значение толщины в пределах погрешности равняется транспортной длине электронов в материате пленки. При увеличении атомного номера материала пленки от 4 до 79 высота максимума увеличивается, а при увеличении атомного номера материала подложки от 13 до 82 уменьшается по линейному закону. С увеличением атомных номеров материалов слоев положеіше максимума линейно увеличивается.
-
При толщине двухслойной мишени, равной половине экстраполированного пробега электронов коэффициент прохождения электронов не зависит от последовательности расположения слоев для начальных энергий электронов в диапазоне от 1 до 10 МэВ.
-
Зависимость выхода тормозных гамма - квантов от толщины пленки в двухслойной мишени при Zi
подложки на генерацию тормозного излучения при данной толщине пленки (для мшпепи Al-Au и при начальной энергии электронов 1 МэВ данная толщина приблизительно равна 0.55Ляат), т. е. нанесением пленки из легкого материала на подложку из тяжелого материала можно добиться снижения выхода тормозного излучения (для рассмотренного случая более чем на 50%) по сравнению с однослойной мишенью, составленной как из легких, так и из тяжелых атомов.
Научная новизна:
-
Для двух типов двухслойных мишеней (тяжелая пленка на легкой подложке и легкая пленка на тяжелой подложке) получены зависимости коэффициента обратного рассеяния от толщины пленки для начальных энергий электронов в диапазоне от 0.5 до 10 МэВ (рис.4.1, 4.2). Выбраны параметры, описывающие данную зависимость и выявлена их зависимость от начальной энергии и угла падения электронов, атомных номеров материалов пленки и
-
Получены пространственные и энергетические распределения первично - смещенных атомов в МДП - структурах и полупроводниковых детекторах. Полученные данные использованы для объяснения зксперіїментальньїх результатов по влиянию электронного излучения на свойства рассматриваемых объектов.
-
Анализ результатов вычислений показал, что последовательность расположения слоев из различных материалов в двухслойных мишенях практически не оказывает влияния на коэффициент прохождения электронов с энергией от 1 до 10 МэВ (в пределах 6% погрешности) при одинаковой общей толщине мишени, равной половине экстраполированного пробега.
Практическая иенность работы;
-
Получены зависимости коэффициента обратного рассеяния от толщины пленки в двухслойных мишенях типа "легкая пленка на тяжелой подложке" и "тяжелая пленка на легкой подложке". Объяснены данные зависимости, исходя из расчетов вкладов потоков электронов рассеянных отдельно из пленки и подложки в полный коэффициент обратного рассеяния.
-
На основании проведенных расчетов зависимости коэффициента обратного рассеяния электронов от толщины первого слоя двухслойной мишени типа "тяжелая пленка на легкой подложки" показана возможность определения толщины пленки по зависимостям выбранных параметров от начальной энергии и угла падения электронов, атомных номеров пленки и подложки с большей точностью по сравнению с методами, используемыми в электронной толщинометрии.
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на XXIX научно-технической конференции Ульяновского государственного технического университета (Ульяновск, 1995), Третьей всероссийской научной конференции студентов-физиков (Екатеринбург, 1995), IV ежегодной научно-практической конференции студентов и аспирантов Ульяновского
государственного университета (Ульяновск, 1995), Третьем всероссийском ( участием стран СНГ) совещание - семинаре "Применение средст вычислительной техники в учебном процессе кафедр физики и математики (Ульяновск, 1995), ХХХЗ научно-технической конференции Ульяновског государственного технического университета, (Ульяновск, 1997), VI ежегодно научно-практической конференции студентов и аспирантов Ульяновског государственного университета (Ульяновск, 1997), XXXII научно-техническо конференции Ульяновского государственного технического университет; (Ульяновск, 1998), VII ежегодной научно-практической конференции студенто и аспирантов Ульяновского государственного университета (Ульяновск, 1998).
Достоверность результатов. Достоверность результатов обуславливаете использованием неоднократно проверенных данных по сечениям процессе взаимодействия электронов с веществом, а также хорошим согласием тестевы; расчетов с экспериментальными данными и расчетами других авторов.
Личное участие автора. Основные теоретические положена разработаны совместно с научным, руководителем Шипатовым Э.Т. і Балашовым А.П. Решение конкретных задач, анализ результатов вычислений і выводы из них выполнены автором самостоятельно.
Публикации: Основные результаты исследований отражены в К печатных работах.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяті оригинальных глав и заключения и содержит 140 страниц текста, включает 4! рисунков, 22 таблицы. Список используемой литературы содержит 12' наименований.
Похожие диссертации на Взаимодействие быстрых электронов со слоистыми мишенями
