Введение к работе
Актуальность
Методы электронной спектроскопии широко используются при исследовании поверхности и приповерхностных слоев твердого тела. Наиболее распространенными из них являются метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и метод оже-злектронной спектроскопии. Метод фотоэлектронной спектроскопии позволяет получать уникальную информацию о свойствах поверхности, осуществлять исследования электронной структуры, производить качественный и количественный химический анализ в поверхностных слоях материала глубиной от нескольких десятков ангстрем до долей атомного слоя.
В нашей стране и за рубежом выпускаются электронные спектрометры с различными типами энергоанализаторов: электростатическими (ЭС-2401, ЭС-2402, ЭС-2403, ЭС-3201, "Кратос" XSAM 800 и Axis Ultra, PHI-5300, PHI-5800 и др.), реже - магнитными (электронные спектрометры ИФМ и ФТИ УрО РАН, университетов г. Уппсала и г. Токио и Чок-Риверской лаборатории в Канаде). В современных типах электронных спектрометров время регистрации спектров сокращается до секунд и миллисекунд, что исключительно важно при изучении быстропротекающих процессов. Фотоэлектронные спектрометры не позволяют производить регистрацию электронных спектров с высокой скоростью и временным разрешением выше 10*3 сек. Их традиционные системы регистрации и детекторы электронов не рассчитаны на регистрацию быстропротекающих процессов на уровне электронной структуры исследуемых объектов. В то же время известен метод электронно-оптической спектрохронографии, используя который достигнуто временное разрешение ~10"5 сек. при регистрации оптических спектров гелиевой плазмы.
В связи с этим, является актуальным развитие методов регистрации электронных спектров с временным разрешением и высокими скоростями регистрации (на порядки превышающими традиционные). Создание высокоскоростной системы регистрации электронных спектров требует ее предварительного исследования, выявления основных закономерностей высокоскоростной регистрации, учета и анализа большого количества факторов. При этом актуальным становится моделирование, как инструмент для исследования сложных научных приборов и систем, оптимизации их характеристик и параметров.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является развитие метода высокоскоростной параллельной регистрации фотоэлектронных спектров и разработка реализующей этот метод системы параллельной регистрации электронных спектров (СПР ЭС) с временным разрешением. Для достижения этой цели решались следующие задачи:
применение метода электронно-оптической спектрохронографии для высокоскоростной параллельной регистрации фотоэлектронных спектров с временным разрешением.
разработка системы высокоскоростной параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением для фотоэлектронного магнитного спектрометра с двойной фокусировкой (ФЭМС);
разработка математической модели процессов движения электронов в аксиально-симметричных магнитных и локальных электрических полях и разработка пакета программ, имитирующих функционирование СПР ЭС с временным разрешением;
проведение имитационного моделирования и анализ его результатов;
создание экспериментальной установки-макета СПР ЭС, исследование ее электрофизических параметров, проведение экспериментов по скоростной регистрации электронно-оптических изображений и их обработки;
анализ результатов моделирования и экспериментальных исследований и разработка на его основе опытной установки-прототипа СПР ЭС с временным разрешением.
На защиту выносятся:
опытная система высокоскоростной параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением для фотоэлектронного магнитного спектрометра с двойной фокусировкой;
имитационная модель системы параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением;
результаты математического и имитационного моделирования СПР ЭС с временным разрешением;
экспериментальная установка-макет СПР ЭС и результаты экспериментальных исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые для фотоэлектронного магнитного спектрометра с двойной фо-
кусировкой разработана опытная система высокоскоростной параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением;
впервые создана имитационная модель системы параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением в виде пакета прикладных программ;
на основании имитационного моделирования и расчетов впервые получены результаты, описывающие основные закономерности функционирования СПР ЭС с временным разрешением;
создана установка-макет СПР ЭС и проведены эксперименты по скоростной регистрации и обработка на ЭВМ электронно-оптических изображений, созданных нестационарными электронными пучками за милли- и микросекундные интервалы времени.
Практическая ценность
развиваемый метод высокоскоростной параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением может быть использован в действующих и разрабатываемых фотоэлектронных магнитных спектрометрах для регистрации быстропротекающих процессов на уровне электронной структуры исследуемых объектов;
имитационная модель и результаты экспериментальных исследований использовались для разработки опытной СПР ЭС с временным разрешением 100-см электронного магнитного спектрометра УдГУ, изготовления камеры параллельной регистрации и внутрикамерного оборудования.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 1997), ECASIA-97 (Goteborg, Sweden, 1997), XVI научной школе-семинаре "Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь" (Ижевск, 1998), IV Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 1999), семинаре "Настоящее и будущее Интернет-сетей Удмуртии" (Ижевск, 2000), объединенном семинаре УдГУ и ФТИ (Ижевск, 2000).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка использованной литературы, включающего 94 источника. Работа изложена на 165 страницах, содержит 5 таблиц и 46 рисунков.
