Jak měřit koeficient sekundární emisí elektronů a spektrum energie?

Pro získání vlastností koeficientu sekundární emisí elektronů (SEE) je nejprve nutné vzorek důkladně ošetřit, což zahrnuje jeho vystřelování a čištění pomocí železného paprsku. Tento proces odstraní přirozenou vrstvu oxidu na povrchu vzorku a odhalí čistý povrch (Obrázek 3.10). Za tímto účelem je k dispozici zařízení pro měření koeficientu sekundární emisí a energie elektronů, které obsahuje naklápěcí vzorkovou platformu. Tato platforma umožňuje měnit úhel dopadu primárního elektronového paprsku a testovat, jak se koeficient sekundární emisí mění v závislosti na úhlu dopadu elektronů.

Zařízení pro analýzu koeficientu sekundární emisí a spektra energie je vybaveno dvěma elektrony s nízkou energií, které slouží jako excitační zdroje sekundárních elektronů. Tyto elektronové pistole mají rozsahy energií 50 eV až 3 keV a 3–30 keV, přičemž využívají wolframové filamenty jako materiál pro emisi elektronů. Tento materiál je spolehlivý, stabilní v proudu paprsku a snadno se udržuje a nahrazuje. Samotná vzorková platforma je propojena s pikoampérem pro měření proudu elektronového paprsku, který prochází vzorkem. Pikoampér, konkrétně model Keithley 6487E, umožňuje široký rozsah měření, od pA do mA, a má automatické přepínání rozsahu.

Zařízení také zahrnuje sběrač sekundárních elektronů se třemi bránami, což umožňuje měřit celkový koeficient sekundární emisí, koeficient zpětně rozptýlených sekundárních elektronů a skutečný koeficient sekundární emisí. Pro analýzu spektra energie sekundárních elektronů se používá napětí na bráně G3. K neutralizaci náboje na povrchu dielektrického vzorku je k dispozici širokopásmová nízkoenergetická elektronová zbraň s energií v rozmezí 2–100 eV. V případě, že koeficient sekundární emisí je vyšší než 1, dochází k pozitivnímu náboji vzorku, což vyžaduje použití nízkoenergetické iontové zbraně pro neutralizaci elektrického náboje.

Pro analýzu spektra energie elektronů je na zařízení instalován dvoustupňový analyzátor energie typu cylindrického zrcadla (DESA150), který umožňuje dosažení vynikající energie rozlišení (0,6 %–0,05 %) a energie rozlišení lepší než 80 meV při 20 eV. Tento analyzátor funguje na principu, kdy po zachycení fotonů a jejich vyzařování X‑paprsky na vzorku, elektronový paprsek prochází několika optickými prvky a dosahuje detektoru, který převádí elektronovou informaci na elektrický signál, což umožňuje zobrazení spektra energie na softwaru.

Měření koeficientu sekundární emisí může být provedeno dvěma metodami: metodou biasového proudu a metodou sběrné elektrody. U kovových materiálů jsou obě metody aplikovatelné, zatímco u dielektrických materiálů je použita pouze metoda sběrné elektrody. Při použití metody biasového proudu je aplikován napětí na vzorek, přičemž se měří rozdíly mezi primárním vstupním proudem, zpětně rozptýleným proudem a skutečným sekundárním elektronovým proudem. Specifická metoda měření zahrnuje použití napětí +500 V na vzorku pro měření primárního proudu a postupné aplikování dalších biasů pro identifikaci různých typů sekundárních elektronů.

Při použití těchto technologií je kladeno důraz na přesnost a opakovatelnost měření, což vyžaduje pečlivé nastavení zařízení, správnou kalibraci a dodržování stanovených parametrů během testování. Pochopení základních principů sekundární emisí elektronů je nezbytné pro správnou interpretaci výsledků a pro aplikace v oblasti materiálových věd, nanotechnologií, nebo při testování elektronických komponent.

Jak optimalizovat výkon mikkanálových desek a jejich aplikace v detektorech?

Mikkanálové desky (MCP, z anglického Microchannel Plate) jsou klíčovým komponentem v mnoha vysoce citlivých detektorech, zejména v oblasti fyziky vysokých energií a astrofyziky, kde se často využívají pro detekci slabých fotonových signálů. Vývoj MCP technologií se zaměřuje na zlepšení jejich ziskových vlastností, rozlišení a celkové výkonnosti, přičemž důraz je kladen na optimalizaci jejich konstrukce a provozních podmínek.

Jedním z pokročilých přístupů je zlepšení konfigurace mikkanálových desek pomocí úpravy napětí na jednotlivých komponentách. V rámci výzkumu prováděného na Institutu vysoké energetické fyziky Čínské akademie věd byla navržena a testována zařízení pro zpracování a testování MCP komponent. Tento přístroj umožňuje nejen rutinní metrologické testy, ale i složité testy výkonnosti, degasování a doladění optimálních pracovních podmínek MCP desek. Testování zahrnuje měření zisku, odporu těla, temného proudu, temného počtu, spektra náboje pulsu a dalších klíčových parametrů.

Při zkoumání vlivu energie dopadajících elektronů na výkon MCP se ukazuje, že zisk desky roste s nárůstem energie elektronů, ale po dosažení určité hodnoty energie, přibližně 400 eV, tento nárůst zpomaluje a stabilizuje se. To naznačuje, že MCP deska vstupuje do režimu saturace. Tento efekt je důsledkem specifických vlastností materiálu kanálů desky, které mají vliv na rozlišení jednoelektronového vrcholu. Při nižších energiích je rozlišení horší, ale zvyšováním energie elektronů se rozlišení postupně zlepšuje až do určitého bodu, kdy začíná opět zhoršování.

Další důležitý parametr, který ovlivňuje výkon MCP, je mezní napětí mezi jednotlivými kanály desky, tzv. gap voltage (VG). Při záporném napětí na gapu (např. -120 V) je zisk velmi nízký, ale s rostoucím kladným napětím se zisk dramaticky zvyšuje, přičemž optimální hodnoty pro zisk a rozlišení se nacházejí kolem VG = 20 V. Zajímavé je, že při určitých hodnotách napětí VG, především v rozsahu mezi -50 V a -30 V, dochází k optimalizaci rozlišení jednoelektronového vrcholu, což zlepšuje schopnost detekce jednotlivých elektronů.

V další fázi výzkumu bylo testováno použití techniky ALD (Atomic Layer Deposition) pro nanášení tenkých vrstev na povrch MCP. Tento proces výrazně zlepšil výkon desky, zejména zisk a rozlišení jednoelektronového vrcholu, což vedlo k lepší detekci slabých signálů. Nanesení 40 cyklů tenké vrstvy oxidu hlinitého na povrch MCP desky vedlo ke zvýšení zisku na hodnotu 5.2 × 10^6 a zlepšení rozlišení na 80.6%, což podstatně zvýšilo schopnost detekce slabých elektronových signálů.

Pro dosažení optimálních pracovních podmínek pro detekci jednotlivých elektronů je klíčové správné nastavení napětí na dvou MCP deskách v detektoru. Při dosažení správného nastavení napětí, které umožňuje desce pracovat v režimu saturace, dochází k výraznému zlepšení výkonu detektoru. Takovéto ladění umožňuje zvýšení citlivosti detektorů, což je nezbytné pro úspěšnou detekci a analýzu fotonů ve vysoce citlivých aplikacích.

Mezinárodní výzkum v oblasti MCP detektorů, jak je ukázáno na příkladu spolupráce mezi americkými institucemi, jako je Argonne National Laboratory a University of California, Berkeley, se zaměřuje na vývoj velkoformátových MCP detektorů, které mají široké uplatnění v oblasti časové a prostorové rozlišovací schopnosti. Velká plocha detektoru (203 × 203 mm^2) umožňuje zlepšit účinnost a citlivost v aplikacích vyžadujících detekci slabých fotonových signálů. Tato inovace je zásadní pro pokračující vývoj detekčních technologií a pro aplikace v oblasti vysokoenergetické fyziky, kde je schopnost rychlého zachycení slabých signálů klíčová.

Jak zlepšit výkon a životnost multiplikátoru elektronů v cesiových atomových hodinách a его aplikace

V roce 1960 byly vytvořeny malé magneticky selektované cesiové atomové hodiny, které se skládají ze dvou hlavních komponent: obvodu pro generování frekvence a trubice s cesiovým paprskem. Trubice s cesiovým paprskem je klíčovou součástí cesiových atomových hodin, přičemž její technické parametry a životnost jsou zásadně určovány právě touto součástí. Délka provozní životnosti trubice s cesiovým paprskem je výrazně ovlivněna výkonem elektronového multiplikátoru, přičemž bylo zjištěno, že zisk elektronového multiplikátoru se v průběhu času snižuje, jak je trubice s cesiovým paprskem používána.

Při mezinárodních výzkumech stárnutí aktivních tenkovrstvých elektronových multiplikátorů byly prováděny urychlené testy stárnutí. Tyto testy odhalily, že hlavní příčinou snížené sekundární emisí elektronů a následného poklesu zisku je vrstva karbonové kontaminace, která se usazuje na povrchu elektrody. K optimalizaci výkonu elektronového multiplikátoru a prodloužení jeho životnosti je třeba identifikovat kořenovou příčinu tohoto procesu a provést vhodné změny v konstrukci a parametrech.

V rámci optimalizace výkonu elektronového multiplikátoru byl použit systém pro testování výkonu, který umožnil komplexní analýzu faktorů ovlivňujících jeho životnost. Analýza ukázala, že životnost elektronového multiplikátoru závisí na trvanlivosti elektrody prvního stupně multiplikátoru. Pro zajištění optimálního provozního života multiplikátoru je nezbytné nastavit rozumný počet elektrod a pracovní napětí. V čínském trhu byl vyvinut způsob, jak zvýšit napětí pro regulaci zisku elektronového multiplikátoru. Tento přístup umožňuje kvalitativní hodnocení rychlosti a pomalosti ztráty zisku na základě zvyšování pracovního napětí. Obecně platí, že čím rychleji je napětí zvýšeno, tím rychleji dochází k ztrátě zisku, zatímco pomalejší zvyšování napětí způsobuje pomalejší ztrátu zisku.

Dalším klíčovým faktorem, který ovlivňuje pokles zisku elektronového multiplikátoru, je velikost incidentního iontového proudu. Menší incidentní iontový proud může zpomalit proces ztráty zisku. Pro zvýšení dlouhodobé spolehlivosti cesiových atomových hodin je proto důležité zlepšit hodnotu δ materiálu dynody, což by vedlo k optimalizaci výkonu elektronového multiplikátoru, snížení počátečního napětí, které je potřeba pro jeho provoz, a snížení intenzity cesiových iontů, které zasahují do první dynody multiplikátoru. Tímto způsobem by bylo možné zpomalit ztrátu zisku multiplikátoru a prodloužit životnost atomových hodin.

Další vývoj MCP detektorů pro neutrony pokračoval v Číně, kde byla využita technologie atomového vrstvení (ALD) pro vývoj detektorů, které umožňují detekci termálních neutronů a rychlých neutronů. Dopováním neutronově citlivých nuklidů (například 10B nebo 155,157Gd) do skla MCP a odstraněním přirozených radioizotopů bylo možné vytvořit velké, nízkošumové a neutronově citlivé MCP detektory.

V oblasti národní obrany jsou zařízení pro noční vidění nepostradatelným vybavením pro noční boje. Klíčovou součástí těchto zařízení je intenzifikátor obrazu, jehož funkcí je zesílení obrazů, které jsou v nízkém osvětlení neviditelné pro lidské oko. Multiplikátor elektronů (MCP) je jedním z klíčových komponent v druhé generaci těchto intenzifikátorů obrazu. Jeho použití umožnilo první zesílení fotoelektronů generovaných fotokatodou a vedlo k významnému zlepšení výkonu těchto zařízení.

Jak metalické materiály ovlivňují emisi fotoelektronů na základě sekundární emisní teorie?

Fotoemise elektronů z kovů pod vlivem fotonů s energií nižší než pracovní funkce materiálu je klíčovým procesem v mnoha aplikacích, jako je například mikroskopie s elektronovými svazky nebo detekce částic. V tomto procesu je však důležité nejen pochopení teoretických modelů pro fotoemisi, ale i vliv sekundárních elektronů, které mohou hrát zásadní roli v emisi elektronů na povrchu kovu. Podíváme se na několik parametrů a rovnic, které vysvětlují tento jev.

V případě, že na kov dopadnou fotony o energii menší než kritická hranice (EF + Eg)/h, dojde k excitaci elektronů uvnitř materiálu. Tyto fotoexcité elektrony mají energii v rozmezí od $EF + Φ$ do $EF + Φ + hγ$, přičemž fotony s energií γ nižší než tento rozsah nedokážou vyvolat vyražení elektronů z materiálu do vaku. Tato rovnice (9.41) poskytuje základ pro výpočet počtu fotoemitovaných elektronů z kovu, ale je důležité vzít v úvahu také skutečný pokles počtu fotonů s rostoucí hloubkou.

Sekundární elektrony, které byly excitovány uvnitř kovu, mají omezenou schopnost opustit materiál. K tomu, aby se dostaly na povrch, musí překonat bariéru danou pracovním potenciálem a také projít přes určitou hloubku materiálu. Rovnice (9.44) a (9.45) popisují, jak se tyto elektronové expozice odrážejí v hloubce, kterou musí elektron projít, aby dosáhl povrchu, a jak závisí na různých parametrech, jako jsou hustota fotonů a materiálová konstanta K(γ).

Při zohlednění těchto parametrů, jako jsou hloubka, doba života elektronů a schopnost opustit kov, se objevuje i důležitý parametr, který se vztahuje k energetickým hladinám fotoemitovaných elektronů. Pokud jsou elektrony excitovány na úroveň nad pracovní funkcí materiálu, mohou uniknout do vakua s energií, která závisí na počáteční energii excitace a na výše uvedených rovnicích pro výpočet výstupní energie.

Sekundární emisní teorie, která se zde využívá, se neomezuje pouze na popis teoretických závislostí mezi fotony a fotoemisionními elektrony. V realitě musíme brát v úvahu faktory jako jsou difúze elektronů, jejich rekombinace a ztráty energie během transportu v materiálu, což komplikuje jednoduchý model emise. Proto je důležité, aby se modely rozšířily o další faktory, jako jsou dynamické změny v materiálu během fotonového ozařování, aby bylo možné získat přesnější výsledky.

V rámci experimentálního měření je rovněž kladeno důraz na kvantifikaci těchto parametrů, přičemž údaje z tabulek pro Au, Cu a Ni ukazují, jak se tyto materiály liší v reakcích na různé energie fotonů. To má zásadní význam pro aplikace v elektronice, mikroskopii a dalších technologiích, kde je přesné řízení elektronových emisí klíčové.

Je nezbytné, aby si čtenář uvědomil, že při provádění experimentů na photoemisi je třeba brát v úvahu specifické parametry každého materiálu. Změny v chemické struktuře, teplotní podmínky a i mikroskopické povrchové úpravy mohou výrazně ovlivnit chování sekundárních elektronů. Kromě toho, různé techniky měření, jakými jsou například kvantové detektory nebo elektronové mikroskopy, poskytují důležité nástroje pro analyzování těchto procesů v praxi.

Jak metalické povrchy ovlivňují fotoemisní procesy a kvantovou účinnost?

Fotoemise z metalických materiálů, jež je jedním z klíčových jevů v oblasti fyziky materiálů, hraje zásadní roli v mnoha technologických a vědeckých aplikacích. Tento proces, který se obvykle zkoumá v souvislosti s fotokatody, představuje mechanismus, při kterém fotony, dopadající na povrch kovu, vyvolávají emisi elektronů z materiálu. V tomto kontextu je zásadní pochopit vztah mezi různými faktory, jako je kvantová účinnost, fotoelektrická citlivost a sekundární emise elektronů.

Pokud jde o kvantovou účinnost (QE) a fotoelektrickou citlivost (PS), což jsou základní parametry pro hodnocení účinnosti fotokatod, měly by být při výpočtu těchto veličin zahrnuty faktory jako struktura energetických pásem kovu a hodnota jeho Fermiho hladiny (EF). Například, když fotony s energií hγ = 7,4 eV vstupují na povrch zlata, kde EF = 11,6 eV a práce výstupu Φ = 4,9 eV, může část elektronů získat dostatečnou energii, aby se stala vnitřně emitovanými elektrony. Tento proces je zásadní pro určení účinnosti materiálu v kontextu fotoemise.

V modelování sekundární elektronové emise je kladeno důraz na to, jak energie elektronů ovlivňuje jejich střední hloubku úniku z kovu. Sekundární emise elektronů, které jsou výsledkem excitace povrchových elektronů například fotony nebo ionty, závisí na různých faktorech, včetně energie excitovaných elektronů a jejich interakce s kovem. Tento proces je však často analyzován na základě aproximací, které berou v úvahu fyzikální mechanismy transportu a úniku elektronů, jak ukazují vztahy jako (9.53) a (9.55). I přesto, že jde o aproximace, tyto rovnice poskytují dobrý rámec pro pochopení chování elektronů na kovových površích při různých podmínkách.

V oblasti fotokatod a fotoemise je pro správné určení kvantové účinnosti a fotoelektrické citlivosti kladeno důraz na několik faktorů. Mezi ně patří jak energetické vlastnosti materiálu, tak i způsoby excitace elektronů, což jsou klíčové prvky pro určení účinnosti fotokatod v aplikacích, jako jsou urychlovače částic nebo fotonové detektory. Rovnice jako (9.53) a (9.55) ukazují na důležitost správného modelování sekundární elektronové emise a fotoemise z kovů při hodnocení těchto vlastností.

Pokud bychom se podívali na různé materiály, jako je zlato (Au), měď (Cu) nebo nikl (Ni), zjistíme, že každý z těchto materiálů vykazuje jinou úroveň kvantové účinnosti při absorpci fotonů a následné emisí elektronů. To znamená, že pro každý kov musí být spočítaná m% část elektronů, které mohou absorbovat foton a stát se vnitřně emitovanými elektrony. Tento výpočet je základem pro analýzu fotoemisních vlastností materiálů a určení jejich účinnosti v různých aplikacích.

Důležité je rovněž pochopit, že kvantová účinnost kovu může být ovlivněna jeho povrchovými vlastnostmi, strukturou a složením. Kovy, které mají vyšší Fermiho energii a nižší hodnotu práce výstupu, vykazují lepší vlastnosti pro fotoemisní aplikace. Tento vztah mezi vnitřními vlastnostmi materiálu a jeho schopností emitovat elektrony pod vlivem fotonů má zásadní význam pro vývoj nových materiálů v oblasti kvantové elektroniky a optoelektroniky.