Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 3, стр. 60-65

ВВЕДЕНИЕ

Эффект управления пучками электронов с энергией до 10 кэВ с помощью диэлектрических каналов активно исследуют, начиная с 2007 г. [1, 2]. В настоящее время существует большое количество экспериментальных данных об исследовании скользящего взаимодействия электронов с энергией до 20 кэВ с диэлектрическими поверхностями [3–10]. Однако до сих пор нет однозначного ответа на вопрос о механизме такого взаимодействия: является ли эффект управления следствием рассеяния электронов на атомах поверхности или определяющим фактором выступает динамическое самосогласованное зарядовое распределение на поверхности диэлектрического образца, как в случае с ионами [11–13]. Очевидно, что для формирования поверхностного распределения на внутренних стенках канала при попадании в него пучка электронов необходимо некоторое время. Сформированное самосогласованное распределение способно обеспечить бесконтактное прохождение части электронов пучка через канал, о чем свидетельствуют, например, результаты [1, 3, 6] измерения временны́х зависимостей пропускания изучаемых каналов. В то же время в [2, 4, 5] было показано, что пропускание исследуемых каналов начиналось мгновенно, что приводило авторов к выводу о рассеянии электронов на атомах поверхностного слоя диэлектрика как основного механизма эффекта управления.

Другим важным вопросом при изучении эффекта управления электронами с помощью диэлектрических поверхностей является характер зависимости пропускания диэлектрических каналов от величины силы падающего тока. Данная проблема важна для описания поверхностной проводимости диэлектрика при воздействии на него скользящего пучка электронов. В [14] было продемонстрировано отсутствие явной зависимости угла отклонения электронов с энергией 10 кэВ от диэлектрической одиночной пластины от величины силы тока падающего пучка, однако для диэлектрического канала такое исследование не проводили.

Комплексное исследование процесса прохождения электронов с энергией 10 кэВ через керамический (оксид циркония) макрокапилляр было выполнено ранее [15]. Измерены зависимости пропускания канала от времени и величины силы падающего тока в геометрии, когда ось канала параллельна оси падающего пучка. Настоящая работа является продолжением выполненного эксперимента [15], в ней исследовано наличие эффекта управления для канала, подвергшегося многочасовому облучению пучком электронов с энергией 10 кэВ с обоих торцов.

ЭКСПЕРИМЕНТ

В работе использовали опытно-экспериментальную установку по исследованию процессов взаимодействия ионизирующего излучения с веществом, детальное описание которой приведено в [16]. Схема эксперимента показана на рис. 1. Первоначально был проведен эксперимент по исследованию временнóй зависимости пропускания пучка электронов диэлектрическим каналом [15] (рис. 1a). Пучок электронов генерируется электронной пушкой 1, проходит через систему электромагнитных линз 2 и коллиматор 3 диаметром 1 мм. Сформированный пучок 4 с угловой расходимостью не более 0.35° попадает на вход исследуемого канала 6, закрепленного в держателе 5. Длина канала 20 мм, внутренний диаметр 1.5 мм. Вход канала закрыт металлической заземленной маской с миллиметровым отверстием на входе образца. Маска позволяет экранировать торец канала от облучения электронами пучка и предотвращает запирание канала. Для измерения тока первичного пучка, падающего в канал, в маске было предусмотрено дополнительное сквозное отверстие диаметром 1 мм. В эксперименте было важно определить энергетическое состояние электронов, прошедших через канал, а именно оценить долю электронов, энергетические потери которых не превышают 1 кэВ, т.е. 10% от первоначальной энергии электронов пучка. Оценку выполняли с помощью предложенного авторами метода, детально описанного в [17]. Суть метода заключается в сравнении спектров излучения, генерируемого в металлической мишени при попадании на нее падающего и прошедшего пучка электронов 7, генерируемого в металлической (медной) пластине 10 при попадании на нее электронов. Спектр состоит из плавной кривой тормозного излучения и квазимонохроматических характеристических рентгеновских пиков, наиболее важными из которых являются линии при энергии 8.04 (CuK_α) и 8.9 кэВ (CuK_β). Следует отметить, что обе K-линии меди могут генерироваться при падении на медную мишень электронов с энергией более 8.99 кэВ. Это свойство позволяет определить долю электронов, энергетические потери которых не превышают 1.01 кэВ от первоначальной энергии 10 кэВ. Оценку делали на основе сравнения отношения событий, касающихся характеристических пиков K-линий меди, к общему числу событий. В случае монохроматического пучка это отношение остается константой с хорошим приближением. Однако если часть электронов теряет энергию, то число событий, касающихся характеристических линий меди, уменьшается, что приводит к уменьшению соответствующего отношения. Спектр генерируемого в пластине излучения измеряли с использованием полупроводникового твердотельного детектора XR-100SDD 8. Одновременно измеряли силу тока, прошедшего или прямого пучка с помощью пикоамперметра Keithley 6482 11. Для подавления выхода вторичных электронов из медной пластины непосредственно перед ней устанавливали латунную сетку 12, на которую подавали напряжение 400 В. Давление в камере ~10^–6 Торр.

Рис. 1.

Схема эксперимента: а – измерение временнóй и токовой зависимости падающего в канал пучка [15]: 1 – электронная пушка, 2 – система электромагнитных линз, 3 – коллиматор диаметром 1 мм, 4 – пучок ускоренных электронов, 5 – держатель с заземленной маской, 6 – исследуемый образец, 7 – пучок электронов, прошедших через образец, 8 – детектор рентгеновского излучения, 9 – излучение, сгенерированное при попадании электронов на медную пластину, 10 – медная пластина, 11 – амперметр, 12 – латунная сетка под напряжением 400 В; б – исследование эффекта управления пучком электронов.

Типичный спектр, генерируемый в медной пластине при падении на нее электронов с энергией 10 кэВ, приведен на рис. 2. Важен алгоритм проведения эксперимента [15], при котором канал подвергается облучению пучком электронов: измерение силы тока пучка, проходящего через сквозное отверстие в маске, одновременный набор спектра излучения, генерируемого в медной пластине, в течение 5 мин; с помощью линейного транслятора под пучок устанавливали образец – керамический канал, который облучали в течение 2 мин, после чего падающий пучок перекрывали для разрядки образца в течение 2–5 мин. Такую зарядку канала с перерывами повторяли шесть–восемь раз в зависимости от динамики прохождения электронов через канал. Во время облучения керамического канала измеряли силу тока прошедших электронов и соответствующий спектр для оценки их энергетических потерь.

Рис. 2.

Типичный спектр, генерируемый при попадании на медную пластину электронов первичного пучка (энергия 10 кэВ). Заштрихованная область спектра содержит события, соответствующие линиям CuK_α и CuK_β.

Измерения по описанному выше алгоритму были проведены для разных токов падающего пучка – от ~50 до ~250 нA. Общее время облучения составило более 5 ч. Результаты экспериментов, выполненных по описанной схеме, приведены в [15]. Основные выводы, сделанные при анализе полученных данных, следующие. Канал “запирается” в течение нескольких минут, причем при увеличении силы тока пучка, попадающего в канал, доля прошедших через канал электронов уменьшается.

Однако в приведенной работе особенно интересен технический результат, а именно образование на внутренней поверхности канала вблизи его входа темного налета. Методами электронной микроскопии было подтверждено наличие на внутренней поверхности канала неоднородно распределенных пятен (рис. 3б) и установлено, что концентрация углерода в пятнах более чем в три раза превышает концентрацию в произвольной точке внутренней поверхности. Налет мог образоваться из остаточных газов, углеродсодержащих элементов крепления образца и любых возможных жировых или иных органических загрязнений поверхности. Возник вопрос, можно ли оказать существенное влияние на пропускание канала, создав аналогичный слой также вблизи его выходного торца. Канал был развернут таким образом, чтобы выходной необлученный торец оказался входным, а облученный торец (со следами углеродной пленки) оказался выходным. Канал разряжался почти в течение суток (19 ч) вследствие проведения необходимых технических работ, затем, так же, как и в исходном случае, облучали прямым пучком в течение 5 ч. Для развернутого положения канала были проведены аналогичные, как и для прямого положения, измерения при нескольких значениях силы падающего тока.

Рис. 3.

График временнóй зависимости пропускания канала в прямом (1) и развернутом (2) положениях (а): сплошные квадраты и треугольники – доля прошедших электронов; звездочки и ромбы – доля электронов, энергетические потери которых не превышают 1 кэВ. Расчет проводился по отношению к падающему в канал току ~50 нА. Фотография входной части канала (внутренняя часть вблизи торца) (б): 1 – произвольная область канала, где не наблюдался нагар; 2 – область пятна (нагар).

Результаты эксперимента показали, что с увеличением силы тока прямого пучка прохождение увеличивается до определенного максимума и затем начинает уменьшаться. Максимум достигается в диапазоне 50–120 нА. Причем при токе около 50 нА развернутый канал не “запирался” в отличие от первоначального положения, когда облучению подвергалась только входная часть канала (рис. 3a). Явная зависимость пропускания канала от времени свидетельствует в пользу предположения о том, что на внутренних стенках канала формируется зарядовое распределение, чем может быть обусловлен эффект управления.

Если предположить, что пятна налета – это пятна нагара, подобные саже, то их проводимость превышает поверхностную проводимость керамики. Следует отметить, что измерения проводили в геометрии, когда ось канала была параллельна оси падающего пучка, и после многочасового облучения канала с обоих торцов пропускание канала существенно улучшилось.

Таким образом, возникает необходимость уточнения наличия эффекта управления пучком электронов с помощью облученного керамического канала. Для подтверждения управляющей способности облученного канала был выполнен эксперимент по визуализации гайдинг-эффекта при изменении угла наклона канала по отношению к оси падающего пучка. Схема эксперимента приведена на рис. 1б. Пучок электронов (ток около 50 нА) падал в канал и облучал его в течение нескольких минут, необходимых для стабилизации его пропускания. Прошедшие через канал электроны попадали на стеклянный экран с нанесенной на него масштабной разметкой 10 × 10 мм. Стекло было покрыто полупрозрачным слоем серебра и заземлено. На металлизированную поверхность также был нанесен порошок сцинтиллятора, что позволило визуализировать изменение положения следа пучка на экране при повороте канала. След пучка на экране фиксировали с помощью вебкамеры, установленной на вакуумном окне вне камеры (рис. 1б). Затем канал поворачивали относительно оси падающего пучка на некоторые углы вокруг горизонтальной или вертикальной осей (оси проходят через неподвижный вход канала) и снова делали снимки. Далее полученные изображения совмещали в единую серию (рис. 4а) и положение следа прошедшего пучка сравнивали с положением следа прямого пучка, прошедшего через сквозное отверстие.

Рис. 4.

Серия фотографий (цвет инвертирован), демонстрирующих сдвиг следа пучка прошедших электронов относительно следа прямого пучка в зависимости от угла поворота канала вокруг вертикальной оси (a) и графики соответствующих зависимостей (б): полые кружки – вокруг вертикальной оси, сплошные квадраты – вокруг горизонтальной оси. Черная вертикальная линия на фотографиях показывает положение следа прямого пучка, которое используется в качестве точки отсчета.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты эксперимента по визуализации эффекта управления приведены на рис. 3. Видно, что канал управляет пучком электронов как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении в пределах геометрического угла пропускания канала (±3.6°). Угол геометрического пропускания был рассчитан исходя из следующих параметров: входное отверстие 1 мм, выходное отверстие 1.5 мм, длина канала 20 мм.

На фотографиях видно, что положение следа прямого пучка не совпадает с “нулевым” положением следа. Это можно объяснить тем, что пятна нагара вблизи выходного отверстия канала распределены таким образом, что неравномерно заряженный выход канала дополнительно отклоняет пучок как единое целое. Поэтому “нулевое” положение канала выбрали условно после построения графика, ориентируясь на симметричность углового сдвига следа прошедшего пучка. Аналогичная картина имеет место и в случае поворота канала вокруг горизонтальной оси (фотография не показана).

В целом из рис. 4 видно, что пучок следует за поворотом канала в соотношении практически один к одному, т.е. имеет место эффект гайдинга [11], несмотря на то, что канал подвергался многочасовому облучения с обоих торцов. Данный факт важен как с практической, так и с теоретической стороны, поскольку в настоящее время особо привлекает внимание возможность управления пучками заряженных частиц с помощью капилляров, изготовленных из материалов, содержащих в своем составе углерод (полисульфоновые биосовместимые волокна [10], мембраны ПЭТ [18–20]). Также следует учесть наличие возможных углеродсодержащих загрязнений в вакуумных камерах при проведении подобных экспериментов. Образование нагара может являться фактором, способствующим изменению поверхностной проводимости капилляров, и тем самым объяснять нестабильность пропускания пучков заряженных частиц через диэлектрические каналы.