Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Характеристика синхротронного излучения синхротрона «Сириус» 23
1.1. Некоторые сведения о теории синхротронного излучения моноэнергетического электрона 23
1.2. Влияние технических параметров ускорителя на характеристики синхротронного излучения 27
1.3. Спектральные, угловые и поляризационные характеристики синхротронного излучения синхротрона «Сириус» 31
Глава 2 Оборудование и аппаратура для экспериментов синхротронним излучением 45
2.1. Каналы синхротронного излучения ускорителя «Сириус» 45
2.2. Использование монохроматора ВМР-2 на каналах синхротронного излучения 53
2.3. Монохроматор нормального падения для работ с синхротронным излучением 61
2.4. Автоматизированная система для экспериментов с синхротронным излучением 75
2.5. Программное обеспечение автоматизированной системы для экспериментов с синхротронным излучением 84
Глава 3 Исследование оптических свойств твёрдых тел в вакуумной ультрафиолетовой области спектра с использованием синхротронного излучения 90
3.1. Методы определения оптических постоянных твёрдых тел из спектров отражения 90
3.2. Исследование оптических свойств ниобия области энергий от 5 доЗОЭв 100
3.3. Исследование спектров возбуждения люминесценции кальцийвольфраматных и кальцийсульфидных люминофоров в области энергий 12 - 30 эВ 108
Глава 4 Исследование электронной структуры и процессов размножения электронных возбуждений в диэлектрических кристаллах методами фотоэлектронной спектроскопии с синхротронным излучением 133
4.1. Методы и устройства для измерения фотоэлектронных спектров и спектров квантового выхода фотоэмиссии кристаллов диэлектриков с возбуждением синхротронным излучением 133
4.2. Исследование электронной структуры и процессов размножения электронных возбуждений в кристалле окиси магния методами отражательной и фотоэлектронной спектроскопии 143
4.3. Исследование размножения электронных возбуждений в кристаллах окиси бериллия 153
4.4. Спектры отражения и квантового выхода фотоэмиссии нитратов и хлоратов ряда щелочных металлов в области энергий 10-30 эВ 158
Глава 5 Экспериментальные исследования по рентгеновской литографии с синхротронным излучением 165
Введение 165
5.1. Канал синхротронного излучения ускорителя «Сириус» для рентгеновской литографии 167
5.2. Экспериментальные результаты по исследованию резистов и шаблонов для рентгеновской литографии 177
3. Изготовление опытных образцов регулярных трековых мембран методом глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением 184
4. Шаблоны для глубокой рентгеновской литографии из металлического тантала 192
5. Использование периодических микроструктур с большим аспектным отношением в кристалле арсенида галлия для генерации монохроматического рентгеновского излучения релятивистками электронами. 208
Заключение 217
Литература 221
- Влияние технических параметров ускорителя на характеристики синхротронного излучения
- Использование монохроматора ВМР-2 на каналах синхротронного излучения
- Программное обеспечение автоматизированной системы для экспериментов с синхротронным излучением
- Исследование электронной структуры и процессов размножения электронных возбуждений в кристалле окиси магния методами отражательной и фотоэлектронной спектроскопии
Введение к работе
Физическое явление, возникающее при движении релятивистских заряженных частиц по криволинейным траекториям в магнитных полях и называемое в настоящее время «синхротронное излучение», известно с начала XX века.
Наличие излучения заряда движущегося по окружности следовало из уравнений классической электродинамики Максвелла - Лоренца и впервые было исследовано А.Льенаром (1898г.) и Г.Шоттом (1907г.).
В этих работах были получены формулы для мощности излучения релятивистского заряда, движущегося по окружности, и для её спектрально - углового распределения.
Однако эти формулы долгое время представляли лишь академический интерес и были востребованы только спустя 40 лет, когда возник вопрос о влиянии излучения релятивистских заряженных частиц на их движение по макроскопическим траекториям в магнитных полях циклических ускорителей. Первым циклическим ускорителем, в котором был прёодолён релятивистский барьер {у = —г 1) был бетатрон, и электроны, ускоренные тс в бетатроне до энергии 100 МэВ, приобретали скорость V практически неотличимую от скрости света V=0.99999 С.
В 1944 году Д.Д.Иваненко и И.Я.Померанчук установили, что вследствие сильных радиационных потерь существует предельное значение энергии электронов, ускоряемых в бетатроне, которое составляет 5.108 эВ [1].
Затем в 1945 году И.Я.Померанчуком в работе, выполненной совместно с Л.А.Арцимовичем [2], было показано, что вся энергия излучения релятивистских электронов, движущихся по круговым орбитам в магнитном поле, сосредоточена в плоскости орбиты (радиуса R) в области углов ц/ тс2 IE = \ly, а максимум спектрального распределения лежит в области длин волн A = R//\ В этой работе был также впервые рассмотрен вопрос об интерференции излучения отдельных электронов и показано, что при нескоррелированых относительных положениях излучающих электронов, излучение ускоряемого сгустка из N электронов некогерентно и потоки энергий, излучаемые отдельными электронами І! просто складываются, то есть I f=NIi. Такая ситуация выполняется и для всех современных синхротронов и накопителей, где относительные положения электронов можно считать скоррелированными с точностью до длины сгустков, в которые собраны ускоряемые электроны, величина которой порядка 0.1 метра, то есть существенно больше значения длин волн излучаемого коротковолнового излучения. Поэтому о когерентности излучения в синхротронах и накопителях можно говорить только в диапазоне коротких радиоволн.
Таким образом, в работах [1, 2] предсказывалось, что при энергиях в несколько десятков МэВ электронный пучок в ускорителе должен излучать в видимой области, а интенсивность этого свечения пропорциональна ускоряемому току.
Это, теоретическое предсказанное, физическое явление и было экспериментально зарегистрировано в 1947 Д.Поллоком с сотрудниками на синхротроне компании «Дженерал Электрик» с энергией 80 МэВ в виде яркого голубоватого света [3]. Поскольку впервые предсказанное излучение наблюдалось в синхротроне, то оно получило название синхротронного (СИ).
В последующих теоретических работах были получены, а затем экспериментально подтверждены, формулы для практических расчетов количественных спектрально - угловых и поляризационных характеристик СИ, исследовано его влияние на параметры ускоряемых электронных сгустков [4 - 13].
Было выяснено влияние квантовых поправок на свойства синхротронного излучения и разработаны методы учёта влияния квантовой природы излучения на динамику движения электронов в ускорителях, а затем построена законченная квантовая теория явления с учётом роли спина электронов [9].
Результаты, полученные в указанных работах, показали, что синхротронное излучение обладает уникальными свойствами, которые, как это было показано, например, в работе [12], позволяют считать синхротрон эффективным источником света в вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Главными особенностями такого источника являются следующие:
1. Спектральное распределение излучения представляет собой континиум, простирающийся от инфракрасной до рентгеновской области спектра.
2. Интенсивность синхротронного излучения современных ускорителей в вакуумной ультрафиолетовой и мягкой рентгеновской областях спектра превышает на несколько порядков интенсивность используемых в этих спектральных областях газоразрядных источников излучения и рентгеновских трубок.
3. Излучение обладает острой направленностью. Расходимость излучения в вертикальной плоскости в направлении распространения составляет несколько миллирадиан, уменьшаясь в рентгеновской области до десятых долей миллирадиана.
4. Синхротронное излучение в плоскости орбиты обладает практически 100% степенью линейной поляризации. Если наблюдать излучение вне плоскости орбиты, поляризация излучения становится эллиптической. По разные стороны плоскости орбиты излучение имеет левую и правую эллиптическую поляризацию. В настоящее время это единственный доступный источник поляризованного излучения в вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра.
5. Характеристики синхротронного излучения могут быть с заданной точностью определены расчётным путём.
6. Синхротронное излучение обладает уникальной временной структурой, определяемой параметрами ускоряемых сгустков электронов и высокочастотной системы ускорителя.
7. Синхротронный источник является чистым, так как испускание излучения происходит в высоком или сверхвысоком вакууме.
Перечисленные свойства и определили широкое использование синхротронного излучения в самых различных отраслях науки. В настоящее время излучение от синхротронов и накопительных колец используется в качестве инструмента в спектральных исследованиях по физике твёрдого тела и физике поверхности, кристаллографии, биофизике и биохимии, фотохимии и катализе, биологии и медицине [13-18]. Важное значение имеет также использование синхротронного излучения в технологиях микроэлектроники, микромеханики [184-186] и в качестве радиометрического стандарта в широкой области спектра [19].
Применение синхротронного излучения во всех указанных областях с использованием как известных методик исследования строения вещества, так и вновь созданных, с учётом уникальных свойств СИ, позволило получить ряд результатов, которые не могли быть получены с использованием источников излучения, традиционных для данных областей и в настоящее время определяет уровень экспериментальных исследований в области естественных наук.
Здесь следует сказать, что практическая реализация преимуществ синхротронного излучения оказалась непростой задачей. Эксперименты с СИ существенно сложнее аналогичных экспериментов с использованием газоразрядных ламп или рентгеновских трубок. Эти исследования требуют создания специализированного оборудования, спектральной и измерительной аппаратуры. Возникла необходимость в разработке новых экспериментальных методик и алгоритмов обработки получаемых результатов с учётом особенностей работы ускорителя. Однако возможности синхротронного излучения оказались столь широки и его использование столь перспективно, что на всех синхротронах и накопительных кольцах, как в нашей стране, так и за рубежом, в конце 60-х в начале 70-х годов начали оборудовать каналы для работ с СИ, а затем разрабатывать и строить специализированные источники СИ.
В настоящее время в мире существует 53 лаборатории в 19 странах, в которых работают 38 специализированных источников синхротронного излучения с энергиями от сотен МэВ до 8 ГэВ, и ещё 35 находятся на разных стадиях строительства и проектирования.
Специализированные источники синхротронного излучения, третьего поколения, имеющие эмиттанс излучающих частиц -x 10"9m-rad, оснащённые встроенными ондуляторами и сильнополевыми виглерами, способны генерировать излучение непрерывно, в широчайшей области спектра со спектральной яркостью превышающей яркость «старых» синхротронов на несколько порядков, однако использование последних как для научных исследований, так и в образовательных целях актуальности не потеряло. Подтверждением этого является многолетняя успешная работа как нашего синхротрона, так и работа синхротрона С - 60 ФИ РАН[20].
Экспериментальные исследования по изучению свойств синхротронного излучения в видимой области спектра и по изучению влияния этого излучения на динамику движения ускоряемых электронов начали проводиться на синхротроне «Сириус» с момента его физического пуска в 1965 году [21, 22]. В этих работах были исследованы спектральные, угловые и поляризационные характеристики синхротронного излучения в видимой области спектра при различных энергиях ускоренных частиц и изучено влияние на эти характеристики динамики и параметров электронного пучка. Были также разработаны методики определения размеров ускоряемого сгустка, амплитуд когерентных и некогерентных колебаний электронов в сгустке по синхротронному излучению и исследовано явление фазовой неустойчивости сгустков, возникающее при взаимодействии ускоряемых пучков с ускоряющей системой синхротрона [23-26,217].
Результаты данных исследований и явились основой при решении задач настоящей работы, первоначальной целью которой было создание на синхротроне «Сириус» экспериментальной базы, позволившей использовать данный ускоритель в качестве мощного источника поляризованного излучения в вакуумной ультрафиолетовой и мягкой рентгеновской областях спектра и исследование возможностей такого источника при экспериментальном изучении процессов взаимодействия излучения с веществом в этой спектральной области. Для достижения этой начальной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. С учетом особенностей в конструкции и режимах работы рассчитать спектральные, угловые и поляризационные характеристики СИ ускорителя «Сириус» на 1,5 ГэВ. Проанализировать и оценить возможности данного ускорителя при использовании его в качестве источника вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена.
2. Создать на синхротроне «Сириус» комплекс специализированного оборудования и аппаратуры с автоматизированной системой управления для вывода, транспортировки, монохроматизации и измерения параметров пучка синхротронного излучения, дающий возможность проводить эксперименты с СИ параллельно и независимо от других экспериментальных исследований, ведущихся на ускорителе.
3. Разработать и изготовить высоковакуумные и сверхвысоковакуумные измерительные камеры для исследования оптических и фотоэмиссионных свойств твёрдых тел, оснащённые детекторами, рефлектометрами и электронными спектрометрами, позволяющими исследовать различные характеристики процессов взаимодействия излучения с веществом.
4. С учётом импульсного характера работы синхротрона разработать экспериментальные методики и алгоритмы обработки получаемых результатов измерений при исследовании спектров отражения, спектральной зависимости квантового выхода фотоэмиссии, спектров возбуждения люминесценции и фотоэлектронных спектров твёрдых тел.
5. Создать экспериментальный рентгенолитографический канал с камерой экспонирования и рентгеновским спектрометром.
После завершения решения вышеперечисленных задач по созданию на синхротроне «Сириус» инструментальной базы для использования синхротронного излучения нами был проведен ряд экспериментальных работ целями которых были:
1. Исследовать оптические свойства ниобия в области энергий 5-30 эВ и установить их зависимость от режима высоковакуумного высокотемпературного отжига образцов.
2. Исследовать влияние примесей и условий синтеза на эффективность возбуждения люминесценции кальцийвольфраматных и кальцийсульфидных кристаллофосфоров в области энергий 10-30 эВ.
3. Установить закономерности спектров квантового выхода фотоэмиссии ряда широкозонных кристаллов в области фундаментального поглощения. Выяснить роль в формировании этих спектров электронных состояний кристалла и катиона, а также процессов релаксации электронных возбуждений.
4. Методами фотоэлектронной спектроскопии исследовать механизмы размножения электронных возбуждений и установить пороговые значения энергий, при которых эти процессы в кристаллах MgO и ВеО начинают проявляться.
5. Провести исследования эффективности и разрешающей способности ряда отечественных электронных резистов при использовании их в качестве рентгенорезистов. Измерить пропускание кремневых и полимерных мембран в спектральной области 0,5 -5 нм.
6. Разработать плазменные технологии изготовления рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением (ГРЛ СИ). Методами ГРЛ СИ изготовить опытные образцы микроструктур с аспектным отношением до 100.
7. Исследовать свойства и возможные применения изготовленных микроструктур.
Методы исследования.
В работе использованы спектроскопические методы исследования оптических и фотоэмиссионных свойств кристаллов, а также фотохимических процессов в материалах при литографии с использованием СИ. Для этого на синхротроне «Сириус» были созданы два вакуумных канала СИ, оборудованные монохроматорами нормального и скользящего падения, охватывающими волновой диапазон 0,5 - 200 нм. Монохроматоры оснащены высоковакуумными и сверхвысоковакуумными измерительными камерами с рефлектометрами и электронными спектрометрами. Разработана автоматизированная система измерений спектров фотонов и электронов, реализующая разработанные методики проведения экспериментов с СИ от импульсных источников, и позволяющая проводить измерения фотоэмиссионных спектров диэлектриков с компенсацией заряда поверхности образца.
Научные положения выносимые на защиту. 1. Отражательная способность монокристаллов ниобия в области энергий 5-30 эВ обусловлена межзонными переходами, возбуждением плазмонов и уменьшается в среднем на 20% при образовании в процессе высокотемпературного высоковакуумного отжига при температуре t = 2000°C и остаточном давлении р = 10"6 Па на поверхности образцов слоя окисла.
2. Эффективность собственной люминесценции кальцийвольфраматных и кальцийсульфидных кристаллофосфоров при их возбуждении в области 12-30 эВ определяется видом примеси, ее концентрацией и условиями синтеза:
- примеси d - элементов (V, Cr, Mn, Fe) в концентрации 10" г - атом/моль уменьшают выход люминесценции CaWC 4 более, чем на 50%, примеси же Со, Ni, Nb в этой же концентрации приводят к усилению люминесценции CaW04, которое для Ni при энергиях 20 - 22 эВ достигает 70%;
- усиление собственной люминесценции CaWC 4 происходит и при введении в исследуемый люминофор элементов V группы в концентрации 10 г-атом/моль, достигая для As более 100%;
- примеси редкоземельных элементов в концентрации 10 2 - 10"3 г-атом/моль образуют центры тушения, уменьшая выход люминесценции CaW04 на 50%, а в малой концентрации 10 5 - 10"6 г-атом/моль вызывают усиление собственной люминесценции CaWC 4;
- наибольшая эффективность процессов размножения электронных возбуждений наблюдается в образцах CaW04 с примесями Ni, Sb, As;
- интенсивность люминесценции CaS - люминофоров, активированных церием максимальна при концентрации церия 0.05 - 0.06 моль% и зависит от условий препарирования, так внедрение С1 в CaS: Се или прокалка CaS: PbS в атмосфере серы увеличивает выход люминесценции на 80%.
3. Размножение электронных возбуждений в кристаллах MgO начинается при энергиях возбуждающих фотонов -19 эВ, а в кристаллах ВеО при -23 эВ и происходит вследствие неупругого рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.
4,Особенности в спектрах отражения и спектрах квантового выхода фотоэмиссии кристаллов CsN03 и КСЮз в области энергий 10 - 30 эВ обусловлены межзонными переходами, катионными электронными состояниями и процессами размножения электронно-дырочных пар, а в спектрах кристаллов NaN03 и NaClCb только межзонными переходами.
5. Изготовленные методом глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением регулярные трековые мембраны обладают абсолютной селективностью для частиц и бактерий с размерами большими размеров пор.
6. Эффективность генерации квазимонохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами в кристаллической мишени в геометрии Брегга может быть увеличена на порядок с помощью мишени в виде периодической микроструктуры, сформированной в монокристаллической пластине.
Достоверность защищаемых положений и результатов. Достоверность полученных результатов достигается:
— выбором оптимальных режимов работы детекторов (ФЭУ, ВЭУ, КЭУ и др.), обеспечивающих их линейный отклик на изменение измеряемой интенсивности фотонных и электронных потоков;
— применением двулучевых схем регистрации измеряемых спектров;
— применением схем синхронизации и стробирования измеряемых сигналов относительно начала цикла ускорения;
— калибровкой спектральных приборов с помощью табулированных ВУФ-спектров излучения или поглощения газов и применением двойной ионизационной камеры в качестве абсолютного детектора;
— использованием автоматизированной системы для измерения, накопления и статистической обработки спектрометрической информации, обеспечивающей точность относительных измерений не хуже 5%;
— использованием при фотоэмиссионных исследованиях диэлектрических кристаллов техники компенсации заряда поверхности образца управляемым потоком низкоэнергетических электронов и учетом разности потенциалов образца и энергоанализатора с точностью 0.1 В;
— проведением измерений в условиях высокого и сверхвысокого вакуума;
— использованием для измерения параметров микроструктур современных оптических и электронных микроскопов;
Достоверность положений, выносимых на защиту, и результатов подтверждается их многократной воспроизводимостью, проведенными контрольными измерениями ранее изученных объектов, а также согласием полученных результатов и выводов:
— с результатами исследований оптических свойств и электронных характеристик ниобия в видимой (Лексина И.Е., Мотулевич Г.П.) и в вакуумной ультрафиолетовой (Weaver J., Lynch D.) областях спектра (защищаемое положение 1);
— с представлениями о принципах формирования спектров возбуждения люминесценции широкощелевых кристаллов в области фундаментального поглощения (Васильев А.Н., Михайлин В.В.) и механизмами «фотонного умножения» (Ильмас Э.Р., Лущик Ч.Б.), базирующимися на обширном экспериментальном материале (защищаемые положения 2,3,4);
— с широко используемой трёхступенчатой моделью фотоэмиссии (Spicer W.E.) (защищаемые положения 3,4);
— с теоретическими моделями излучения релятивистских электронов в периодических средах и структурах (Тер-Микаэлян М.Л., Амусья М.Я. и др.), а также с результатами измерений характеристик рентгеновского излучения, генерируемого релятивистскими электронами в монокристаллических и составных кристаллических мишенях (Потылицын А.П., Забаев В.Н. и др.) (защищаемое положение 6)
Научная новизна защищаемых положений и результатов.
1. Использование СИ позволило впервые провести экспериментальные исследования оптических свойств ниобия в области энергий 5-30 эВ в зависимости от технологии обработки его поверхности.
2. В области энергий 12-30 эВ впервые измерены спектры возбуждения кальцийсульфидных и кальцийвольфраматных кристаллофосфоров с широким классом примесей. Показано, что в данной энергетической области эффективность этих люминофоров определяется видом примеси, ее концентрацией и условиями синтеза. Обнаружена зависимость размножения электронных возбуждений CaWC 4 от вида примеси. В CaS -фосфорах в области энергий 24-25 эВ выявлена структура, обусловленная возбуждением катионного экситона.
3. В области энергий 10-30 эВ впервые исследованы фотоэмиссионные характеристики кристаллов MgO и ВеО. Определены энергетические пороги и механизмы размножения электронных возбуждений в этих кристаллах. Измерения проводились с использованием оригинальной техники компенсации заряда, возникающего на поверхности диэлектрического образца при фотоэлектронной эмиссии, пучком низкоэнергетических электронов, защищенной авторским свидетельством.
4. Впервые в области энергий 10-30 эВ впервые измерены спектры отражения и спектры квантового выхода фотоэмиссии кристаллов CSNO3, NaN03, NaC103, KCIO3, выяснены механизмы формирования этих спектров.
5. Выработаны новые подходы к изготовлению высококонтрастных рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с СИ. Получены и исследованы опытные образцы регулярных трековых мембран с размерами пор от 0,3 мкм, имеющие прозрачность более 20%.
6. В монокристаллических пластинах арсенида галлия изготовлены периодические микроструктуры с аспектным отношением -10.
Применение таких структур для генерации монохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами позволило существенно увеличить выход рентгеновских фотонов по сравнению с выходом фотонов рентгеновского излучения, генерируемого аналогичным электронным пучком в монокристаллической мишени. Научная ценность.
1. Разработаны методики проведения измерений и алгоритмы обработки результатов при экспериментальных исследованиях оптических и фотоэмиссионных свойств твердых тел в вакуумной ультрафиолетовой области спектра с СИ от импульсных источников, учитывающие влияние постепенного нарастания энергии электронов в процессе цикла ускорения и разброс числа ускоряемых частиц.
2. Создана оригинальная техника компенсации заряда поверхности диэлектрических образцов при фотоэмиссии, позволяющая проводить фотоэмиссионные исследования не только тонких напыленных пленок, но и реальных диэлектрических кристаллов.
3. Методами фотоэлектронной спектроскопии с СИ экспериментально подтверждены значения пороговых энергий начала проявления эффекта «фотонного умножения» в спектрах возбуждения люминесценции кристаллов MgO и ВеО, а также показано что этот эффект обусловлен процессами рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.
4. Выработаны новые подходы к изготовлению рентгеношаблонов с субмикронными размерами топологического рисунка для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением. С использованием этой технологии изготовлены первые опытные образцы микроструктур с аспектным отношением до 100.
5. Экспериментально подтверждена возможность увеличения эффективности генерации квазимонохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами в кристаллах с помощью мишеней в виде периодических микроструктур, сформированных в монокристаллической пластине. Практическая значимость.
1. Создание комплекса специализированного оборудования и аппаратуры для экспериментов с СИ на ускорителе «Сириус» обеспечивает новые возможности в технике спектроскопии вакуумного ультрафиолета с синхротронными источниками и расширяет круг задач, решаемых с помощью фотонных пучков этой уникальной ускорительной установки.
2. Полученные экспериментальные результаты углубляют знания о процессах взаимодействия вакуумного ультрафиолетового излучения с веществом и могут быть использованы в технологиях изготовления сверхпроводящих резонаторов, эффективных люминофоров для рентгеновских экранов в рентгенографии, катодолюминофоров для электронно-лучевых приборов, а также при разработке новых сцинтилляционных материалов.
3. Результаты исследования полученных опытных образцов регулярных трековых мембран определяют широкий спектр их практического использования от микрофильтрации и низкотемпературной стерилизации до создания эффективных одноразовых систем для плазмафереза, гемосорбции, гемодиализа и др. Такие микромембраны могут быть использованы для калибровки и сертификации мембран других типов.
4. Результаты исследования применения периодических микроструктур, сформированных в монокристаллических пластинах GaAs для генерации рентгеновского излучения релятивистскими электронами открывают практические перспективы получения интенсивных потоков монохроматического рентгеновского излучения с энергией квантов в несколько десятков кэВ, используя недорогие ускорители малых и средних энергий.
Использование результатов работы.
Представленные в работе исследования выполнялись в рамках плана научных исследований АН СССР на 1976 - 1980 г.г. по теме «Создание источников и использование синхротронного излучения для решения различных научных и прикладных задач», а также по теме «Создание оборудования, устройств и аппаратуры для проведения экспериментов с синхротронным излучением ускорителя на энергию 1,5 ГэВ», выполняемой по постановлению правительства РФ и заказам Минобразования РФ в 1980-2004 гг.
Исследования по применению микроструктур для генерации рентгеновского излучения поддержаны грантом РФФИ №99-02-16920, а работы по регулярным трековым мембранам грантом РФФИ №01-02-17988.
Результаты работы были использованы в НИИ ядерной физики при ТПУ (Акт внедрения от 17.04.1984 года, утвержденный директором института), в МГУ, ИК РАН (г. Москва), ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск), НИИ ПП (г. Томск), а также могут быть использованы в НПО «Вирион», СГМУ, ТПУ (г.Томск), ФИ РАН, КИСИ (г. Москва), ДЭЛСИ (ОИЯИ г. Дубна) и в других заинтересованных организациях.
Личный вклад автора в работу.
Диссертация является итогом более чем 25- летней работы автора по тематике, связанной с использованием СИ в физических исследованиях и технологиях.
Работа была инициирована и на начальном этапе проводилась под руководством директора НИИЯФ при ТПИ чл.-корр. РАН Диденко А.Н. и зав. лаб. 14 Кожевникова А.В. Автором был проведен расчет и анализ характеристик СИ синхротрона «Сириус», разработаны конструкции вакуумных каналов, монохроматоров, сверхвысоковакуумных измерительных камер, электронных спектрометров, а также другого оборудования и аппаратуры для работ с синхротронным излучением. Сформулированы требования к автоматизированной системе для экспериментов с СИ, разработана ее функциональная схема. Развиты методики измерений и алгоритмы обработки результатов экспериментов.
Изготовление узлов и устройств, их монтаж, наладка и запуск в эксплуатацию всех систем созданного вакуумного спектрометрического комплекса были осуществлены совместно с Кузнецовым Ю.В., Скрипниковым А.А., Шевцовым А.А. и др. сотрудниками лаборатории 14 НИИЯФ при ТПУ.
Эксперименты на больших ускорителях не могут быть выполнены отдельными исследователями. Поэтому работы, результаты которых приведены и обсуждаются в диссертации выполнены коллективами, объединяющими сотрудников как НИИЯФ при ТПУ, так и других институтов и организаций. Все участники этих работ являются соавторами публикаций по теме диссертации.
Автору принадлежит ведущая роль в организации постановки этих работ. Он непосредственно участвовал в проведении всех измерений, обработке, обсуждении и интерпретации полученных результатов.
Апробация работы.
Материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в 64 работах, основные из которых приведены в списке литературы [24, 27, 28, 52, 58, 61, 76, 81-83, 106-108, 123, 124, 166, 167, 169, 175, 178, 187-189, 194, 195, 197-199, 205-208, 212-217] и обсуждались на Всесоюзных конференциях «Разработка и практическое применение электронных ускорителей» (Томск, 1972 и 1975 г.г.), на Всесоюзных конференциях по спектроскопии вакуумного ультрафиолета и взаимодействию излучения с веществом (Ужгород, 1975 г., Ленинград, 1978 г., Москва, 1982 г., Эзерниеки,
Латвийский университет 1986 г., Иркутск, 1989 г., Томск, 1991 г.), на Всесоюзном симпозиуме по активной поверхности твёрдых тел (Тарту, 1977 г.), на Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1978 г.), на научном семинаре, посвященном 10-летию Ереванского ускорителя (Ереван, 1978 г.), на Всесоюзных совещаниях и Национальных конференциях по синхротронному излучению (Новосибирск, 1975, 1977, 1978, 1980, 1984, 1986, 1988, 1992, 1994, 1996, щ 1998, 2000, 2002 г.г.), на Всесоюзных семинарах Комиссии по синхротронному излучению при Президиуме АН СССР (Москва, 1975, 1976, 1978 г.г.), на Всесоюзном семинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях (Новосибирск, 1982 г.), на Всесоюзном симпозиуме «Экзоэлектронная эмиссия и её применение» (Тбилиси, 1985 г.), на Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ташкент, 1984 г., Киев, 1987 г., Ленинград, 1990г.), на Всесоюзной конференции «Локальные рентгеноспектральные исследования и их применение» (Устинов, 1985 г.), на Всесоюзной конференции «Физические процессы в светочувствительных системах на основе солей серебра» (Кемерово, 1986 г.), на Международной конференции по использованию синхротронного излучения (Новосибирск, 1988 г.), на Всесоюзном симпозиуме «Эмиссия с поверхности полупроводников, в том числе экзоэмиссия» (Львов, 1989 г.), на Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучении, нейтронов и электронов для исследования материалов РСНЭ (Дубна, 1999, Москва 2001 г.), на SPIE s 24th Annual Intern. Symposium Microlithography. (Santa - Clara, California, USA, 1999), на 4th Intern. Conf. of SR Sources and 2th Asian Forum on SR (Pohang, Korea, 1995), на IV Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск , 1998 г.), на Международном симпозиуме «Излучение электронов в периодических структурах REPS - 2000» (Иркутск, 2000 г.).
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 218 наименований. Содержание диссертации изложено на 248 страницах, включающих 73 рисунка и две таблицы.
В первой главе приводится расчёт спектральных, угловых и поляризационных характеристик СИ синхротрона «Сириус». Проанализировано изменение этих характеристик в зависимости от режимов работы ускорителя. Проведено сравнение их с аналогичными характеристиками других источников синхротронного излучения в нашей стране. Из результатов проведённых исследований сделан вывод, что синхротрон «Сириус» является достаточно мощным источником непрерывного спектра вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения со степенью линейной поляризации в плоскости равновесной орбиты электронов, достигающей 98%. Спектральная плотность мощности этого излучения составляет величину 1-10 Дж/сек нм, в зависимости от длины волны, и сосредоточена в угле меньшем 3 мрад, отсчитываемым от плоскости орбиты.
Вторая глава посвящена описанию специализированного оборудования и аппаратуры, разработанных для работ с синхротронным излучением.
Здесь описываются конструкции вакуумных каналов СИ, дан анализ особенностей оптической схемы установки на каналы СИ серийного вакуумного монохроматора ВМР-2, приводится расчёт и описание конструкции монохроматора нормального падения с вертикальной носкостью дисперсии, разработанного специально для работ с синхротронным излучением, а также излагаются результаты экспериментальных исследований по определению эффективности, волнового разрешения и калибровке этих спектральных приборов.
В этой же главе описана автоматизированная система, для экспериментов с СИ, построенная на базе мини-ЭВМ, модель которой с течением времени заменялась на более современную («Электронники-100» — «Саратов-2» — «Электронника-60» и ДВК-3). Автоматизированная система имеет магистральную организацию подключения внешних устройств. С помощью этой системы производится управление измерениями спектров, первичная обработка полученных результатов, их документирование в виде таблиц и графиков или вывод на магнитную ленту внешнего кассетного накопителя.
Программное обеспечение этой системы реализует предложенные методики и алгоритмы измерения спектров взаимодействия излучения с веществом, уменьшающие влияние на результаты измерений нестабильности ускоренного тока, деформации и смещений электронного пучка и изменения энергии в процессе цикла ускорения.
В третьей главе описываются методики измерений и расчётов оптических констант, излагаются экспериментальные результаты, полученные с использованием синхротронного излучения по исследованию спектров отражения ниобия и расчёта по данным измерений оптических функций в области энергий 5-30 эВ. Эти исследования позволили определить оптимальные условия высокотемпературного высоковакуумного отжига при изготовлении из ниобия сверхпроводящих резонаторов, проверить состояние поверхности ниобия после электрохимической полировки.
Далее излагаются и обсуждаются результаты по изучению спектров возбуждения люминесценции кальцийвольфроматных и кальцийсульфидных люминофоров в области энергий 12-30 эВ. Были измерены спектры возбуждения люминесценции кристаллофосфоров на основе вольфрамата кальция, активированного переходными d-элементами (О, Mn, Fe, Со, Ni), элементами V-группы с концентрацией 10 2 г-атом/моль и редкоземельными элементами с концентрацией в пределах от 10"6 г-атом/моль до 10" г-атом/моль. Полученные результаты показали существенное влияние вида примесей и их концентраций на эффективность собственной люминесценции CaWC 4 и могут быть рекомендованы для внедрения в технологию изготовления рентгеновских медицинских экранов и экранов электронно-лучевых приборов с большой разрешающей способностью и повышенной чувствительностью.
Исследования спектров возбуждения кальцийсульфидных люминофоров показали зависимость эффективности таких кристаллофосфоров от условий препарирования и от концентрации активатора, которая имеет оптимальное значение.
В четвёртой главе описывается аппаратура и методики измерения спектров квантового выхода и фотоэлектронных спектров диэлектрических кристаллов с компенсацией зарядки образца управляемым потоком низкоэнергетических электронов.
С помощью разработанных оригинальных методик были измерены оптические и фотоэмиссионные характеристики кристаллов MgO и ВеО, а также впервые измерены фотоэлектронные спектры этих кристаллов в области энергий 10 - 30 эВ.
Анализ результатов фотоэмиссионных исследований приводит к выводу, что размножение электронных возбуждений в исследованных кристаллах происходит вследствие неупругого рассеяния первичных высокоэнергетичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.
В последнем параграфе четвёртой главы излагаются результаты измерений спектров отражения и спектров квантового выхода фотоэмиссии кристаллов CsN03, NaNCb, KC103 в области энергий 10-30 эВ и сопоставления особенностей в этих спектрах с электронной энергетической структурой, а также с процессами создания электронных возбуждений и процессами их преобразования и размножения.
В пятой главе описан рентгенолитографический канал и изложены экспериментальные результаты полученные на этом канале по экспонированию и исследованию ряда отечественных электронных резистов с целью выяснения разрешения и эффективности при использовании их в качестве рентгенорезистов, а также приводится описание разработанной технологии изготовления микроструктур, в том числе микроструктур с высоким аспектным отношением.
Полученные микроструктуры из тантала использовались в качестве рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением. С использованием таких технологий были получены опытные образцы регулярных трековых полимерных миромембран с размерами пор от 0,3 мкм. Проведены экспериментальные исследования таких мембран.
Показано что мембраны обладают абсолютной селективностью для частиц с размерами больших размера пор.
Периодические микроструктуры с аспектным отношением от 10, сформированные в монокристаллических пластинах арсенида галлия были использованы в качестве мишеней для генерации монохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами.
Эксперименты проводились на внутреннем электронном пучке синхротрона «Сириус» с энергией 500-800 МэВ.
Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют, что использование периодических структур позволяет существенно увеличить интенсивность генерируемого монохроматического рентгеновского излучения с энергией в несколько десятков кэВ по сравнению с использованием простых монокристаллических мишеней.
В разделе «Заключение» сформулированы выводы по работе.
Диссертация выполнена в научно - исследовательском институте ядерной физики при Томском политехническом университете по открытому плану.
Влияние технических параметров ускорителя на характеристики синхротронного излучения
Приведенные в предыдущем параграфе выражения позволяют рассчитать спектральное, угловое распределения и степень поляризации излучения, испускаемого моноэнергетическим электроном, движущимся по круговой орбите. В реальных ускорителях эти условия движения не выполняются. Каждый ускоритель или накопительное кольцо имеют свои особенности конструкции и режимов работы, которые находят свое отражение в характеристиках синхротронного излучения конкретной машины. Наиболее существенна эта зависимость в синхротронах, поскольку энергия электронов в них меняется в процессе цикла ускорения. Кроме того, каждый синхротрон имеет свою конструкцию магнита, состоящую из ряда магнитных секторов, между которыми расположены прямолинейные промежутки без поля, и электроны движутся не по круговой орбите, а совершают относительно нее когерентные и некогерентные (бетатронные) колебания. Это приводит к тому, что электронный пучок в синхротроне имеет определенные конечные размеры и расходимость, а это ведет, в свою очередь, к расширению углового распределения излучения. Наличие аксиальных бетатронных колебаний электронов приводит к тому, что интенсивность тс - компоненты в плоскости орбиты не равна нулю, и поэтому степень поляризации синхротронного излучения в плоскости орбиты не равна единице, а составляет величину 0,95 для видимой области спектра [23]. С уменьшением длины волны степень поляризации в плоскости орбиты увеличивается. Таким образом, рассматривая каждый конкретный ускоритель как источник света, необходимо, прежде всего, проанализировать свойства синхротронного излучения этого ускорителя с учетом особенностей его конструкции и режимов работы, а затем, учтя результаты проведенного анализа, рассчитать количественные характеристики излучения. Такие задачи и были решены нами для синхротрона «Сириус» [27-28]. Синхротрон «Сириус» является слабофокусирующим ускорителем электронов с магнитом типа «Рейстрек», который состоит из четырех 90 магнитных секторов (квадрантов), соединенных четырьмя прямолинейными промежутками и имеет следующие основные технические параметры [29]: Максимальная энергия электронов: проектная Е = 1,5 ГэВ; достигнутая Е = 1,36 ГэВ; Число ускоренных электронов в импульсе N = 5-Ю10 эл/имп; Частота повторения циклов ускорения fu = (1:12) гц; Показатель спадания магнитного поля n = 0,6;
Средний радиус магнитных секторов R = 4,23 м; Напряженность магнитного поля в конце цикла Н = 11800 Э; Длина прямолинейного промежутка L = 1,57 м; Частота ускоряющего напряжения f = 36,5 МГц; Кратность частоты q = 4; Длительность цикла ускорения Тц = 44-10"3 сек; Длительность плато магнитного поля Тп = (10-20)-10"3 сек. Кроме приведённых, еще одним параметром, важным для рассмотрения ускорителя, как источника синхротронного излучения, является размер поперечного сечения электронного пучка. Для синхротрона «Сириус» этот размер был определен экспериментальным путем [25]. Результаты этих измерений показали, что при достижении конечной энергии 600 МэВ размер электронного пучка в горизонтальной плоскости не превышает 10 мм, а в вертикальной - 2,5 мм. Поскольку энергия электронов в ускорителе непостоянна, а нарастает в течение цикла по определенному закону, средняя интенсивность синхротронного излучения за цикл будет отличаться от интенсивности, рассчитанной по формуле (1.1) для моноэнергетического электрона. В синхротроне «Сириус» изменение энергии электронов за время цикла ускорения происходит по синусоидальному закону: 1 1 ч Тогда среднюю за цикл ускорения мощность можно определить исходя из формулы (1.1) следующим образом: Это выражение справедливо, если электрон излучает в течение всего цикла ускорения Тц. Но, поскольку за время ускорения электроны пролетают и прямолинейные участки, на которых излучение отсутствует, то чистое время, в течение которого электроны излучают, будет равно: Следовательно, при определении средней за цикл интенсивности излучения, необходимо учитывать этот коэффициент, который для «Сириуса» равен 0,8087 Тц.
С учетом вышесказанного, средняя за цикл ускорения мощность синхротронного излучения определится следующим выражением: Аналогичным образом из формулы (1.5а) можно получить формулу для усредненного спектрального распределения мощности СИ: КУшРіУт) Приведенные в предыдущих параграфах формулы для средней мощности синхротронного излучения, излучаемой в течение цикла ускорения (1.13), усредненного спектрального распределения (1.14), мгновенного спектрального и углового распределения (1.5а) и (1.4), а также формула для степени линейной поляризации (1.3) были положены в основу разработанной нами программы для расчета характеристик синхротронного излучения ускорителя «Сириус». Программа предусматривает вычисление угловых и спектральных распределений, а также степени поляризации излучения для энергий ускоренных электронов от 600 до 1200 МэВ с шагом 100 МэВ. Основу программы составляет подпрограмма вычисления универсальной кривой спектрального распределения. Функции Макдональда, входящие в выражение (1.5а) и (1.4) и определяющие эту универсальную кривую, для аргументов г\ 6 рассчитывались по формуле [30]:
Использование монохроматора ВМР-2 на каналах синхротронного излучения
Для эффективного использования синхротронного излучения в спектроскопии вакуумного ультрафиолета большое значение имеет выбор оптимальной системы для монохроматизации и фокусировки пучка СИ. Однако, выпускаемые отечественной промышленностью спектральные приборы, работающие в этой области спектра, плохо согласуются с источниками синхротронного излучения [53-57]. Поэтому, принимая решение оборудовать один из каналов синхротронного излучения на ускорителе «Сириус» серийным монохроматором нормального падения типа ВМР-2, рассчитанным на область спектра 50-250 нм, нами был проведен анализ его оптической схемы при освещении входной щели синхротронным излучением [58]. Малая угловая расходимость синхротронного излучения и значительная удаленность источника от спектрального прибора выводит прибор из расчетного режима работы вследствие нарушения фокусировки. Поэтому, при работе с СИ необходимо либо убирать в серийном приборе входную щель и заменить стандартную сферическую дифракционную решетку на решетку с удвоенным радиусом сферы, либо использовать конденсорное зеркало, переносящее изображение источника на входную щель, что обеспечивает работу прибора в расчетных условиях.
При работе ВМР-2 без входной щели с дифракционной решёткой радиусом 2м значительно ухудшается разрешение монохроматора. В этом случае предельное разрешение где S - горизонтальный размер изображения источника в плоскости выходной щели, СІЛ, / dl — обратная линейная дисперсия, которая для ВМР-2 равна 1,66 нм/мм. Горизонтальный размер пучка электронов, являющегося в данном случае источником излучения, в синхротроне «Сириус» равен 10 мм. Монохроматор может быть установлен на расстоянии 10-20 метров от точки излучения. Поэтому, для случая работы без входной щели горизонтальный размер изображения источника излучения в плоскости выходной щели не может быть менее 0,5 мм и предельное разрешение АА-пр будет не лучше, чем 0,83 нм. Таким образом, из-за большого горизонтального размера электронного пучка в синхротроне «Сириус», являющимся источником излучения, использование монохроматора ВМР-2 без входной щели с дифракционной решеткой удвоенного радиуса на канале синхротронного излучения нецелесообразно, из-за низкого волнового разрешения. Поэтому, в данной работе был реализован вариант установки на канале СИ вакуумного монохроматора ВМР-2 с предварительной фокусировкой излучения на входную щель конденсорным зеркалом. ВМР-2 На рис. 2.5 приведена оптическая схема установки. Синхротронное о излучение падет под углом 60 на сферическое вогнутое зеркало с золотым покрытием и радиусом кривизны 2 метра, которое переносит на входную щель монохроматора, расположенную в меридиональном фокусе зеркала, изображение источника в виде вертикальной полосы шириной 0,4 мм. Это изображение служит для прибора виртуальным источником света. В такой схеме обеспечиваться работа монохроматора ВМР-2 в расчетных условиях и достигается предельное разрешение не хуже 0,1 нм при ширине входной и выходной щелей 0,06 мм. Кроме того, вследствие зависимости коэффициента отражения от угла падения [59], конденсорное зеркало играет роль фильтра коротковолновой части синхротронного излучения, что увеличивает срок службы дифракционной решетки и исключает наложение высших порядков в области спектра от 50 до 100 нм.
В спектральной области 100-200 нм коротковолновая часть излучения отрезается LIF-фильтром, а для длин волн больших 200 нм кварцевой пластинкой. Таким образом, во всем рабочем диапазоне длин волн на выходе прибора можно получать квазимонохроматическое излучение, свободное от наложения высоких порядков. Входное фокусирующее зеркало установлено в вакуумной камере, в конструкции которой предусмотрены необходимые котировочные механизмы для выставления зеркала на оптическую ось канала синхротронного излучения. Корпус вакуумной камеры соединяется со световодом и монохроматором сильфонными переходами. Конструкция измерительной камеры, которой комплектуется серийный вакуумный монохроматор ВМР-2, не отвечает требованиям большинства экспериментов с синхротронным излучением, поэтому она была заменена изготовленным нами рефлектометров, позволяющим измерять спектры отражения и спектральные зависимости квантового о о выхода фотоэмиссии при углах падения излучения на образец от 5 до 85 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации. Принцип работы рефлектометра такой же, как и рефлектометра, описанного в работе [60], однако, в его конструкцию внесены изменения, в частности, связанные с установкой двух детекторов, что позволяет проводить измерения по двухлучевой схеме, а это очень важно для синхротронов, поскольку в этих машинах интенсивность излучения меняется от цикла к циклу вследствие нестабильности числа ускоряемых электронов.
Согласно двухлучевой схеме часть входящего в рефлектометр пучка излучения поступает на вход вторичного электронного умножителя типа ВЭУ-4 и служит для формирования опорного сигнала, пропорционально падающей на образец интенсивности. Другая часть пучка излучения проходит на исследуемый образец. В качестве детектора, отраженного от образца излучения или выбитых из него электронов, используется второй электронный умножитель такого же типа, как и первый. Конструкция рефлектометра (без вакуумной камеры, в которой он устанавливается) показана на рис. 2.6. Существенным недостатком серийного вакуумного монохроматора ВМР-2 является также то обстоятельство, что для создания в его рабочем объеме вакуума используются паромасляные насосы. В вакуумной ультрафиолетовой области спектра коэффициенты отражения материалов существенно зависят от чистоты поверхности. Пары масла, осаждаясь на поверхностях оптических элементов, разлагаются под действием излучения и образуют на них сильно поглощающую пленку, что приводит к резкому уменьшению эффективности прибора. Поэтому, монохроматор был переведен на откачку магниторазрядным насосом НМДО-025-1 (НОРД-250). Это позволило устранить загрязнение оптических элементов углеводородами.
Программное обеспечение автоматизированной системы для экспериментов с синхротронным излучением
Программное обеспечение, разработанное для экспериментов с синхротронным обучением, состоит из трех программ. Одна программа предназначена для обеспечения автоматического измерения спектров отражения, квантового выхода фотоэмиссии и спектров возбуждения люминесценции в режиме измерения токов, вторая - для этих же целей, но в режиме счета отдельных фотонов или электронов [82]. Третья программа реализует автоматизированный эксперимент по фотоэлектронной спектроскопии [83]. Все программы работают в диалоговом режиме. Программы для измерения спектров в режиме измерения токов и в режиме счета отдельных фотонов отличаются лишь блоком считывания, в первом случае информация считывается с амплитудо-цифрового преобразователя, а во втором - со счетчиков. Поэтому приведем лишь описание программы для измерения спектров в режиме измерения токов. Эта программа, как и остальные, имеет блочную структуру. По своему назначению блоки подпрограмм можно разбить на три уровня: 1. Руководящий - состоит из подпрограммы-диспетчер, которая организует работу всех функциональных блоков. 2. Функциональный - состоит из следующих блоков: - блок диалога оператора с ЭВМ через клавиатуру для считывания и расшифровки приказов оператора; - блок считывания информации с детекторов и управления шаговым приводом, предназначенный для измерения, усреднения за заданное число циклов ускорения, и нормировки спектров отражения и квантового выхода фотоэмиссии, отражения и люминесценции, люминесценции и квантового выхода фотоэмиссии одновременно, либо, по приказу оператора, раздельно, а также для сканирования по спектру в заданном оператором спектральном диапазоне с определенным шагом; - блок вывода информации об измеряемых спектрах, предназначенный для пересчета долины волны излучения на выходе монохроматора в энергию фотонов Е = hco, где ю = 2%с1Х, распечатки измеряемых спектров в виде таблицы и графика на принтере и подготовки для вывода спектров на графопостроитель; - блок вывода информации, предназначенный для отображения информации об измеряемых спектрах на экране монитора; - блок формирования и запоминания массивов кодов измеренных спектров, предназначенный для вывода на графопостроитель измеренных спектров в зависимости от длины волны или энергии фотонов, падающих на образец. Отметим, что код графопостроителя занимает восемь двоичных разрядов, а значит на графике по оси X можно выводить 256 значений.
Поскольку, число шагов при измерении спектра может значительно превышать эту величину, постольку в рабочих массивах запоминаются только значимо различные коды, то есть, если сформированный код для длины волны X или соответствующей ей энергии фотона Е (код X) совпадает с предыдущим кодом, то коды Y не формируются, а происходит их накопление для совпадающих кодов X. Как только очередной сформированный код X отличается от предыдущего, то накопление прекращается и производится усреднение накопленных сумм по числу совпадающих кодов X: Полученные таким образом средние значения переводятся в коды графопостроителя и запоминаются в рабочих массивах отдельно в зависимости от длины волны X и отдельно в зависимости от энергии фотона Е. После окончания измерения спектра запоминается две информационные группы, в которых содержатся коды графопостроителя, задающие ритм движения пера по оси X, и две информационные группы, в которых содержатся коды графопостроителя по оси Y. Таким образом, на графопостроитель могут быть выведены четыре графика после одного эксперимента - Fi(E) и Fi(A,); F2(E) и F2(A,), где Fi HF2 - коэффициенты измеряемых спектров. - блок вывода информации на графопостроитель, предназначен для построения на графопостроителе указанного оператором спектра. 3. Вспомогательный - в него включен комплекс стандартных и нестандартных программ, обеспечивающих обработку 24-х разрядных слов, прием и выдачу информации по командам оператора, распознавание символов и приказов, преобразование кодов и т.д.
Программа для экспериментов по фотоэлектронной спектроскопии разработана также и для измерений распределения фотоэлектронов по энергиям с помощью анализатора с тормозящим полем. Особенностью анализатора такого типа является то, что ток детектора, установленного на выходе анализатора, определяется количеством фотоэлектронов, имеющих кинетическую энергию Ek eV, где V - тормозящий потенциал, то есть [84] Поэтому для получения распределения фотоэлектронов по энергиям N(E{c), что является задачей фотоэлектронной спектроскопии, необходимо дифференцировать получаемые в эксперименте вольтамперные характеристики анализатора при заданной энергии возбуждения Ев = Йсо. Поскольку импульсный характер работы синхротрона не позволяет выполнить такое дифференцирование аппаратно, как это делается при использовании традиционных источников [85], эти функции были возложены на программу для измерения фотоэлектронных спектров, которая обеспечивает: а) установку заданной энергии возбуждения Ев = пш, определяемой длиной волны излучения на выходной щели монохроматора; б) считывание информации с детекторов излучения и анализатора в Ф режиме измерения тока или в режиме счета отдельных фотонов и фотоэлектронов;
Исследование электронной структуры и процессов размножения электронных возбуждений в кристалле окиси магния методами отражательной и фотоэлектронной спектроскопии
В течение последних лет различными методами широко изучались электронные и оптические свойства кристаллов окиси магния, которые, обладая гранецентрированной кристаллической решеткой типа NaCl, являются модельной системой диэлектрика с широкой запрещенной зоной. Для таких кристаллов были сделаны расчеты энергетической зоной структуры и оптических констант [127-132], исследованы в широкой области спектры отражения, поглощения, а также рентгеновские эмиссионные спектры [133-136]. Проводились работы по изучению собственной и примесной люминесценции [137-139]. Результаты указанных исследований прояснили многие детали электронной энергетической структуры и оптических свойств окиси магния, определили основные механизмы передачи энергии элементарных возбуждений к центрам люминесценции с помощью экситонов, электронов и дырок. Однако, пока не получено достаточно надежных данных о размножении электронных возбуждений в кристаллах этого окисла при энергиях возбуждающих фотонов Ев 15 эВ. Получение информации о процессах распада первичных высокоэнергетических возбуждений # особенно актуально в настоящее время в связи с появившейся возможностью получить на кристаллах MgO лазерную генерацию в вакуумной ультрафиолетовой области спектра при накачке мощным пучком рентгеновского синхротронного излучения [140,141]. Использование монокристаллов окиси магния в качестве активной среды таких лазеров обусловлено тем, что такие кристаллы, обладая интенсивной люминесценцией в вакуумной ультрафиолетовой области спектра (полосы при 5,4эВ и 6,8эВ [140]), прозрачны для этого излучения вплоть до энергий 7,7эВ, обладают очень высокой радиационной стойкостью и могут быть выращены больших размеров с повышенной степенью чистоты [142].
Исследование размножения электронных возбуждений в кристалле окиси магния методом измерения спектров возбуждения собственной люминесценции с использованием синхротронного излучения было проведено в работе [139]. В настоящей работе это явление исследовалось методами фотоэлектронной спектроскопии, основанными на измерении спектров квантового выхода фотоэлектронов и распределений эмиттированных кристаллом электронов по энергиям, при различных энергиях возбуждающих эту эмиссию фотонов. Данное энергетическое распределение, согласно трехступенчатой модели фотоэмиссии [143-145], определяется комбинированной межзонной плотностью состояний, процессами рассеяния первичных фотоэлектронов на фотонах, электронах, экситонах и плазмонах при движении их к поверхности, и величиной преодолеваемого # поверхностного потенциального барьера. Следуя цитированным работам, экспериментально измеренное энергетическое распределение фотоэлектронов можно представить следующей формулой: где P(E, hoo) - вероятность возбуждения фотоэлектронов в состояние с энергией Е и его выхода в вакуум без потери этой энергии, a S(E, nco)dE -энергетическое распределение неупруго рассеянных электронов. Поскольку Р(Е, по) определяется межзонной плотностью состояний g(co) s2(co), то до энергий возбуждающих фотонов Et, при которых возможно неупругое рассеяние первичных фотоэлектронов на валентных электронах и электронах проводимости или на экситонах и плазмонах, энергетическое распределение фотоэлектронов и спектры квантового выхода фотоэмиссии определяются структурой энергетических зон твердого тела и величиной поверхностного потенциального барьера. Рассеяние на фононах можно не учитывать, поскольку этот процесс дает изменение энергии первичного электрона меньшее, чем 0,01 эВ. При энергиях возбуждающих фотонов больших Еъ значение которой для электрон-электронного рассеяния определяется шириной запрещенной зоны Eg, а для электрон-плазмонного рассеяния - энергией плазмона Ер = псОр [147,148], в энергетических спектрах фотоэлектронов, вышедших из твердого тела в вакуум, должны проявляться особенности, связанные с размножением первичных возбуждений. Рассматриваются два механизма такого размножения [148]: 1. Образование нескольких фотоэлектронов или экситонов на один поглощенный фотон в результате релаксации высокоэнергетического возбужденного состояния. 2. Размножение электронно-дырочных пар, связанное с ударной ионизацией вещества высокоэнергетическими первичными фотоэлектронами. Как показали экспериментальные исследования, вероятность первого из названных процессов для кристаллов диэлектрика мала [149], второй же процесс играет важную роль и определяет величину квантового выхода фотоэмиссии, фотопроводимости и люминесценции [150]. Причем, при фотоэмиссии процессы размножения электронных возбуждений # вследствие электрон-электронного рассеяния проявляются не только в спектральных характеристиках фотовыхода, но и в энергетическом распределении вылетающих фотоэлектронов, создавая широкий безструктурный пик в низкоэнергетической области [151-152]. Существенный вклад в фотоэмиссию при возбуждении фотонами с энергиями hco 12-15 эВ могут дать также высокоэнергетичные экситоны и плазмоны путем создания электронно-дырочных пар при релаксации их на дефектах кристаллической решетки или поверхностных неоднородностях [148,153].
При повышении энергии возбуждающих фотонов до нескольких сотен электрон-вольт, процессы размножения электронно-дырочных пар в результате ионизации вещества первичными фотоэлектронами позволяют получать до десяти вышедших фотоэлектронами на один поглощенный фотон [154,155]. При возбуждении такими фотонами в спектрах энергетического распределения проявляется не только структура валентной зоны, но и уровней остова. Интерпретация спектров квантового выхода и распределений фотоэлектронов по энергиям из-за процессов рассеяния неоднозначна. Поэтому, чтобы было проще связать особенности фотоэлектронных спектров с оптическими постоянными, которые для MgO, как уже отмечалось, хорошо известны, нами был измерен также спектр отражения исследуемого кристалла [166]. Полученные результаты, приведенные на рис. 4.4., показывают, что измеренный нами спектр отражения кристалла окиси магния совпадает как по характеру особенностей, так и по их энергетическому положению с данными, полученными с использованием ф синхротронного излучения другими авторами [133,135,139]. Поэтому расчет оптических констант нами не проводился, а при анализе спектров
