ИССЛЕДОВАНИЯ ВТОРИЧНОЙ ЭМИССИИ ИЗ ТОНКИХ

Журнал экспериментальной и теоретической физики
_____________________________________________________________________________
Т.89
Вып 3(9)
ИССЛЕДОВАНИЯ ВТОРИЧНОЙ ЭМИССИИ ИЗ ТОНКИХ
ПЛЕНОК Al, Cu, Be, ИНДУЦИРОВАННОЙ ПУЧКОМ
ПРОТОНОВ 1 МэВ
Е.Н.Батракин, И.И. Залюбовский, В.И. Карась,
С.И. Кононенко, В.Н. Мельник,
С.С. Моисеев, В.И. Муратов
Экспериментально показано, что энергетический спектр электронов вторичной эмиссии
для различных углов их вылета из мишеней Al, Cu, Be является кусочно-степенной функцией
энергии. Показатели степени для этих материалов практически совпадают для энергий свыше
10 эВ вне зависимости от угла. Экспериментально доказана зависимость коэффициента вторичной
эмиссии от потенциала возбуждения, предложена модификация формулы Штернгласса для
коэффициента вторичной электронной эмиссии.
В настоящее время для описания кинетической электронной эмиссии,
индуцированной ионами, используются теории, являющиеся модификациями теорий,
предложенных в для низкоэнергетичных 2 для высокоэнергетичных ионов. Теории,
являющиеся
усовершенствованием
теории
Штернгласса
хорошо
объясняют
наблюдающуюся в экспериментах (см., например 3-8) пропорциональность
коэффициента вторичной эмиссии  потерям энергии быстрой частицы dE dx . Однако в
настоящее время отсутствует как теория, позволяющая описать энергетическое
распределение эмиттируемых электронов, так и экспериментальные исследования
истинного, а не интегрального энергетического спектра вторичных эжлектронов в
широком интервале энергий (до сотен электонвольт), индуцированного пучком быстрых
ионов. Так, в 3 энергетический спектр изучен в узком интервале энергий (0 – 10 эВ) и
лишь указано, что он имеет нетерметическую приролду, а в 4, 5 проведены измерения в
широком интервале энергий электронов (0 – 100 эВ), но не специфическим анализатором,
и о виде функции распределения вторичных электронов можно судить только лишь по
интегральной характеристике. В более ранней работе нами был исследован спектр
вторичных электронов, возникающих при прохождении  - частиц от радиоизотопного
источника черех тонкие 6 пленки И хотя в 4 доказано, что в широком интервале
изменения энергии протонов (20 – 250 кэВ) интегральный энергетический спектр
вторичных электронов на прострел для мишени из алюминия является степенной
функцией, не зависящей от энергии быстрых частиц, мы считали недостатком
исследований, приведенных в 6, усреднение энергетического спектра по энергии
бомбардирующих  - частиц и углу вылета вторичных электронов.
Целью данной работы является экспериментальное исследование энергетического
спектра вторичных электронов, вызываемых бомбардировкой мишени пучком протонов
при различных углах вылета для Al, Cu, Be, а также изучение зависимости коэффициента
вторичной эмиссии на прострел от потерь энергии протонов в веществе, но и от других
макроскопических характеристик мишени.
Схема эксперимента приведена на рис. 1. Пучок протонов с энергией 1 МэВ,
полученный на электростатическом ускорителе, пронизывал мишень 1 и регистрировался
цилиндром Фарадея 3. Вторичные электроны, выбитые из мишени, собирались
коллектором 4. Для анализа их по энергиям методом задерживающего потенциала
использовался малоапертурный ( 4 104 стер) трехсеточный анализатор 2. Анализатор
устанавливался под различными углами (300, 450, 750) к направлению пучка. На
двухкоординатном самописце 5 записывалось отношение тока электронов I e к току
протонов I  в зависимости от анализирующего напряжения U . Коэффициент вторичной
эмиссии определялся по отношению полного тока вторичных электронов с коллектора 4 к
току протонов. Эксперименты проводились на мишенях из алюминия толщиной 5,6 мкм,
бериллия – 9,7 мкм, меди – 1,2 мкм.6
Рис. 1. Схема эксперимента (см.
объяснения в тексте)
Рис.2.Экспериментальные
зависимости
e 
d I
Ir
4
3
1
dU от U для Al (а), Be (б), Cu
(в) мишеней, полученные под различными
углами.  -300,  - 450,  - 750. Для
участков 1, 2, 3 показательстепени s
соответственно равен: для Al - 3,5; - 3,05;
– 1,92. для Be – 4,5; - 3,14; 1,72, для Cu –
4,66; - 2,95; - 1,60.
2
Ie / Ip
U
5
Рис. 1.
Рис. 2.
Полученные экспериментальные зависимости для I e I  от U позволяют найти
показатель степени s функции распределения электронов по энергиям с помощью
однократного дифференцирования этих зависимостей, так как в данном случае для
области, где функция распределения степенная, имеем
d
dU
 Ie

 I

s 1
  A  EF    eU  ,

где EF - энергия Ферми,  - работа выхода, A - константа. Следовательно, в
логарифмическом масштабе (1) представляет собой прямую с тангенсом угла наклона,
равным s  1. На рис. 2 в этом масштабе показаны зависимости d  I e I   dU от U для
алюминиевой (а), бериллиевой (б) и медной (в) мишеней при трех углах вылета. Видно,
что экспериментальные точки для этих углов хорошо укладываются на три прямые,
соответствующие различным показателям степени в интервалах 0 – 10 эВ, 10 – 40 эВ, 40 –
100 эВ, причем эти показатели степени с хорошей точностью (~ 10 %) совпадают с
показателями степени, полученными нами помощью сферического анализаторапри
облучении -частицами тех же мишеней 6. Установлено, что показатели степени s для
разных мишеней различаются лишь в области малых энергий 0 – 10 эВ.
Наряду с изучением энергетического спектра были получены значения
интегральной характеристики – коэффициента вторичной эмиссии  для мишеней из
алюминия, меди и бериллия, которые составили соответственно 2,5; 1,6; 4,6. Как уже
отмечалось выше,  пропорционально потерям энергии быстрой частицы dE dx :
  kdE dx,
где k - коэффициент пропорциональности, изменяющийся в несколько раз при переходе
от одного материала к другому.
В соответствии с полученными нами экспериментальными результатами для трех
мишеней, экспериментальными данными, полученными нами ранее 6 для алюминия и
бериллия, и данными 7 для графита коэффициенты  для различных мишеней
соотносятся как обратные величины потенциала возбуждения , умноженного на N 1 3
( N - плотность атомов в веществе), поэтому мы предлагаем следующее выражение для :

где
 dE
dx  
12Zeff2  dE 

 ,
N 1 3  dx  
- потери энергии протоном, имеющим скорость, равную скорости
бомбардирующего иона, Z eff - эффективный заряд иона в мишени. Эта формула является
модификацией выражения для , приведенного в 2, 8. Она дает значения коэффициентов
вторичной эмиссии, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными
результатами для мишеней из алюминия, бериллия, углерода. Достаточно большое
расхождение для мишеней из меди, но, возможно, это обусловлено несовершенством
поверхностного слоя используемой медной пленки.
В заключение авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность
В.Ф. Зеленскому и Я.Б. Файнбергу за полезные обсуждения и советы.
Литература
1. Парилис Э.С., Кишиневский Л.М. ФТТ, 1961, 3, 1219.
2. Sternglass E.J. Phys. Rev., 1957, 108, 1.
3. Агранович В.М., Даукеев Д.К., Конобеев Ю.В., Лебедев С.Я. ЖЭТФ, 1969, 57, 401.
4. Meckbach W., Braunstein G., Arista N.J. Phys. B, 1975, 8, 344.
5. Бабенко В.А., Галушко Н.П., Залюбовский И.И., Карась В.И., Кононенко С.И., Моисеев С.С.,
Муратов В.И. ЖТФ, 1980, 50, 848.
6. Батракин Е.Н., Залюбовский И.И., Карась В.И., Кононенко С.И., Мельник В.Н., Моисеев С.С.,
Муратов В.И. Тезисы докладов Всесоюзного семинара “Плазменна электрпоника”, Харьков,
1983, 144.
7. Garnir H.P., Dumont P.D., Baudinet-Robinet Y. Nucl. Instrum. and Meth., 1982, 202, 187.
8. Koyama A., Yagi E., Sakairi H. Jap. J. Appl. Phys., 1981, 20,65.
Физико-технический институт Академии наук
Украинской ССР
Институт космических исследований Академии
наук СССР
Харьковский государственный университет
им. А.М. Горького
Поступила в редакцию
13.03.1985