Исследование процессов детектирования электромагнитного и корпускулярного излучения вторично-эмиссионными методами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А. Ф. ИОФФЕ

_оя_

« 2 МАИ . На правах рукописи

ПМХАЖЕВ Полад Мамед оглы

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО И КОРПУСКУЛЯРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫМИ МЕТОДАМИ

(специальность 01. 04. 04.-физическая электроника)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических на^

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Фивико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор, член-корреспондент РАН, Б. А. Мамырин.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Н. Е Петров; кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник В. Г. Киптилый.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

технический университет.

Защита диссертации состоится " " хюА_1998 г.

в " " часов на заседании специализированного ученого совета N Д 003.23.01 Физико-технического института им. А. Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Пэтербург, Политехническая ул., д. 26 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГИ им. А. Ф. Иоффе РАН .

Автореферат разослан " " пу\р?лЗ. 1998 г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета кандидат физико-математических наук

рК^сп-

\ Орбели А. Л

Актуальность работы

Поиск новых методов диагностики электромагнитного и корпускулярного излучения является одним ив приоритетных направлений в научных исследованиях. Вторично-эмиссионные методы диагностики потоков электромагнитного и корпускулярного излучения, основанные на применение вторично-эмиссионных пористых материалов, обладают рядом уникальных возможностей и широко используются в экспериментальной физике и технике. Параметры процесса детектирования при этом определяются взаимодействием первичного излучения с пористым материалом,образованием быстрых первичных электронов и вторичных электронов с низкой энергией,процессами переноса и лавинообразованием вторичных электронов .

Уникальные возможности вторично-эмиссионных методов в настоящее время не могут быть использованы для диагностики жесткого ионизирующего излучения по двум причинам. Во-первых, закономерности электронной эмиссии,индуцирванной жестким ионизирующим излучением в пористых вторично-эмиссионных материалах изучены недостаточно,что не позволяет оптимизировать параметры детекторов,а во-вторых,методы детектирования при помощи тонких пористых слоев применяемые в настоящее время для детектирования непроникающего излучения вторично-эмиссионными методами, непригодны для детектирования жесткого ионизирующего излучения, так как при этом получается низкая чувствительность .

Процессы образования и переноса вторичных электронов во вторично-эмиссионных пористых материалах сопровождаются эффектами насыщения . Эти эффекты оказывают существенное влияние на процессы вторично-электронной эмиссии и лавинообра-зования , но до настоящего времени не была удовлетворительной модели для их описания .

В поцессах взаимодействия излучения с пористым материалом, эмиссии и лавинообразования вторичных электронов наблюдается ряд явлений,механизмы которых в настоящее время не вполне ясны. Одним из них является усиленная полем самоподдерживающаяся электронная эмиссия в пористых диэлектриках,которая не может быть объяснена в рамках существующих моделей. Другим является "эффект близости" вторично-эмиссионных микроканалов пористого материала,показывающий наличие взаимосвязи между близкорасположенными порами.

Цель работы

Целью настоящей работы является изучение процессов электронной эмиссии и лавинообраэования , индуцированных рентгеновским излучением во вторично-эмиссионных пористых материалах, разработка новых и усовершенствование существующих вторично-эмиссионных методов диагностики жесткого рентгеновского излучения,моделирование процессов насыщения эмиссионного тока при регистрации излучения вторично-эмиссионными методами и разработка методов подавления влияния этого эффекта.

Научная новизна работы

- Разработана модель и проведен расчет электронной эмиссии, индуцированной рентгеновским излучением в пористых вторично-эмиссионных материалах. Показано, что для каждого значения энергии рентгеновских квантов существует наиболее оптимальная комбинация структурных и композиционных параметров пористого материала,обеспечивающая максимальную величину электронной эмиссии.

- Предложены и апробированы новые методы диагностики жесткого рентгеновского излучения на основе применения объемных вторично-эмиссионных пористых материалов. На основе пористых вторично-эмиссионных материалов предложен и апробирован новый тип детектора ионизирующего излучения - пористая камера.

- Предложен метод спектрометрии рентгеновского излучения с применением вторично-эмиссионных пористых материалов,основанный на новом принципе конверсии: энергия кванта-число возбужденных микролор .

- Разработана модель насыщения эмиссионного тока при регистрации излучения вторично-эмиссионными методами . Получена система дифференциальных уравнений , описывающая процесс развития эмиссионного тока в неоднородном самосогласованном поле эмит-тирующего слоя. Показано, что наблюдаемый "эффект близости" микропор возникает вследствие неоднородного перераспределения потенциала эмиттирующего слоя в режиме насыщения.

- Предложена модель усиленной полем самоподдерживающейся электронной эмиссии в пористых диэлектриках.

Показано, что механизмом образования первичных электронов на границе металл-пористый диэлектрик является автоэлектронная эмиссия из металла,а электрическое поле необходимой напряженности для возникновения автоэмиссии из металла образуется в результате перераспределения поля в слое пористого диэлектрика вследствие неоднородного распределения проводимости слоя .

Основные положения, выносимые па защиту

1. Моделирование и расчет электронной эмиссии, индуцированной рентгеновским излучением во вторично-эмиссионных пористых материалах.

2. Методы оптимизации структурных и композиционных параметров вторично-эмиссионных пористых материалов, используемых для детектирования жесткого рентгеновского излучения .

3. Разработка новых методов диагностики рентгеновского излучения с использованием объемных вторично-эмиссионных пористых материалов и новых вторично-эмиссионных детекторов жесткого рентгеновского излучения - пористых камер .

4. Разработка аналитической модели насыщения вторично-эмиссионного тока при детектировании электромагнитного и корпускулярного излучения вторично-эмиссионными методами.

5. Разработка методов подавления влияния эффектов насыщения на процессы детектирования .

6. Модель усиленной полем самоподдерживающейся электронной эмиссии во вторично-эмиссионных пористых диэлектриках.

7. Усовершенствование вторично-эмиссионных методов детектирования потоков корпускулярного излучения, применяемых в масс-спектрометрии.

Практическая значимость работы

Предложенные методы диагностики жесткого рентгеновского излучения с использованием объемных пористых вторично-змисси-онных материалов имеют наилучшее сочетание чувствительности, пространственного и временного разрешения и могут быть использованы в таких областях,так томография,неразрушающий контролк радиография,а также в ряде областей экспериментальной физик;; .

Предложенный метод бокового облучения микрокан&^нпй

пластины (МКП) позднее нашел применение для полупроводниковых методов диагностики излучения в работах других авторов .

Покаеано, что структурные и композиционные параметры МКП, используемых в настоящее время для регистрации рентгеновского излучения,являются не оптимальными и предложены методы их оптимизации .

Предложенная модель самоподдерживающейся электронной эмиссии во вторично-эмиссионных пористых диэлектриках позволит оптимизировать параметры этих материалов для разработки на их основе эффективных детекторов излучения , усилителей изображения , а также катодов холодной эмиссии .

Разработанная модель насыщения эмиссионного тока позволяет оптимизировать параметры вторично-эмиссионных детекторов и увеличивать их динамический диапазон.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на семинарах лаборатории масс-спектрометрии ФГИ им. А. Ф. Иоффе , физико-технической лаборатории НИИЭФА им.Д. В. Ефремова , кафедры экспериментальной ядерной физики СПбГТУ .

Результаты работы опубликованы в четырнадцати печатных работах , получены патент и два авторских свидетельства.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения , шести глав,заключения и списка литературы . Объем диссертации составляет 155 страниц печатного текста, 55 рисунков и 3 таблиц . Список литературы содержит 130 наименований .

Содержание диссертационной работы

Во введении показана актуальность темы и сформулированы основные положения , выносимые на защиту .

Первая глава посвящена обзору литературных данных и постановке задачи .

В разделе 1.1 приведены данные,показывающие развитие и эволюцию вторично-эмиссионных методов диагностики электромагнитного и корпускулярного излучений. Подробно рассмотрены роль

вторично-эмиссионных пористых материалов при детектировании электромагнитного и корпускулярного излучения вторично-эмиссионными методами,укаьан ряд уникальных возможностей этих методов.

В разделе 1.2 рассмотрены физические основы вторично-эмиссионных методов детектирования электромагнитного и корпускулярного излучения. Рассмотрены механизмы взаимодействия и конверсии энергии излучения в материалах, используемых в качестве рабочего вещества вторично-эмиссионных детекторов, механизмы эмиссии, переноса и лавинообразования вторичных электронов,индуцированных первичным излучением. Приведены данные о вторично-эмиссионных характеристиках различных материалов.

Преимущества вторично-эмиссионных методов в наибольшей степени проявляются при регистрации малопроникающего излучения (корпускулярного, ультрафиолетового , а также мягкого рентгеновского) . При этом достигаются наибольшие чувствительности, пространственное и временное разрешения по сравнению с другими методами регистрации (раздел 1.3).

При измерениях жесткого рентгеновского излучения вторично-эмиссионными методами возникают серьезные трудности, так как вероятность электронной эмиссии,индуцированной этим видом излучения в пористых вторично-эмиссионных материалах низкая (раздел 1.4). Кроме того,эта вероятность неоднозначно зависит от структурных (размеры, форма и толщина стенок поры) и композиционных (химический состав) параметров пористого материала, а также энергии квантов излучения.Для оптимизации параметров фотонно-индуцированной электронной эмиссии в пористых материалах требуется модель эмиссии,учитывающая все структурные и композиционные параметры материала и энергии квантов излучения. Такая модель до настоящего времени не была разработана; а параметры детекторов оценивались на основе упрощенных моделей,не позволяющих их оптимизировать.

На процессы детектирования излучения вторично-эмиссионны-ш методами важное влияние оказывают эффекты насыщения вторичной электронной эмиссии (раздел 1.5). Наиболее существенным является насыщение,возникающее в результате перехода значительной части тока проводимости эмиттирующего слоя в эмиссионный ток, в результате чего происходит перераспределение

напряженности электрического поля вдоль эмиттирукнцего слоя. Несмотря на то,что этот эффект известен давно и экспериментально хорошо изучен,модель для его удовлятворительного описания еще не была разработана

Процессы детектирования излучения вторично-эмиссионными методами соправождаются рядом явлений,механизмы которых были не вполне ясны. В их число входят усиленная полем самоподдержи-вяюшаяся электронная эмиссия в пористых вторично-эмиссионных диэлектриках и "эффект близости" микроканалов,наблюдаемый при регистрации излучения микроканальными пластинами .

В разделе 1.6 сформулирована задача диссертационной работы: исследование процессов детектирования электромагнитного и корпускулярного излучения вторично-эмиссионными методами,изучение физических явлений,влияюших на эти процессы,разработка новых и усовершенствование существующих вторично-эмиссионных методов детектирования излучения.

Глава 2 посвящена моделированию и расчету электронной эмиссии,индуцированной рентгеновским излучением в объеме пористых материалов .

Электронная эмиссия,индуцированная жестким рентгеновским излучением в пористых материалах определяется вероятностью взаимодействия рентгеновского кванта с материалом образца и вероятностью Ргэмиссии образованных быстрых первичных электронов из стенок поры в ее объем (раздел 2.1) . Эти вероятности зависят от структурных и композиционных параметров материала и энергии рентгеновских квантов, а произведение Р,.Р,,, определяющее вероятность фотонно-индуцированной электронной эмиссии неодназначно зависит от указанных параметров . Так, например, вероятность Р4 увеличивается при увеличении средней плотности пористого материала (путем увеличения толщины стенок пор и уменьшения их размеров) или изменения химического состава материала. Однако,в этом случае уменьшается вероятность Рьэмиссии быстрых электронов из стенок поры. Произведение Р4Рг максимизируется при наиболее оптимальной комбинации указанных параметров. Быстрые первичные электроны могут пересекать множество пор, инициируя вторичную электронную эмиссию на прострел и на отражение из стенок пор. Число образованных при этом

медленных вторичных электронов зависит от коэффициента вторичной электронной эмиссии материала и числа пересекаемых пор, которое также определяется структурными и композиционными параметрами материала и энергией первичного электрона.

В разделе 2.2 получено обобщенное выражение,устанавливающее зависимость вероятности взаимодействия рентгеновских квантов с образцом пористого материала от его структурных и композиционных параметров и энергии рентгеновского кванта. Рассмотрены материалы, имеющие поры как замкнутого, так и канального типа. В наиболее обдам случае вероятность взаимодействия

- l-expt-jKl-a/Cl+w/d)" )] , где n-З и п«2 для материала с замкнутыми и канальными порами ; jn - коэффициент линейного ослабления рентгеновского излучения для вещества образца , зависящий от энергии кванта и химического состава вещества ; L - толщина образца d и w - размер и толщина стенок пор ; а - параметр, определяемый формой поры .

В разделе 2.3 рассмотрен процесс эмиссии быстрых первичных электронов из стенок пор . Для вероятности эмиссии использовалось эмпирическое выражение , устанавливающее линейную зависимость вероятности от толщины поглотителя С13, и предполагалось, что взаимодействие квантов происходит равномерно в объеме стенок пор. Для вероятности Ргполучено выражение Рх- expE-bkcKd+w/d)" -с>] , где b и с - известные параметры, зависящие от формы и взаиморасположения пор; к - коэффициент поглощения электронов в материале , зависящий от энергии электронов и химического состава материала.

В разделе 2.4 исследован процесс эмиссии медленных вторичных электронов при пересечении пор быстрыми электронами. Для значения глубины выхода медленных вторичных электронов использовались литературные данные С 23, а потери энергии в приповерхностных слоях стенок пор вычислялись по формуле Бете-Блоха Г1]. Среднее число пересекаемых первичным электроном пор определялось как N - X/R , где X - bdi (l+w/d)" -с>3 - средняя длина траектории быстрых электронов в стенках поры,a R - экстраполированный пробег первичных электронов в материале,определяемый из уравнения Табаты [33.

В разделе 2.5 проведен краткий анализ обобщенных выражений

для вероятности эмиссии быстрых и медленных электронов, индуцированных рентгеновским излучением в пористых материалах. Из анализа этих выражений следует , что вависимости эмиссии от размеров, толвдны стенок пор, так же как и от химического состава материала и энергии квантов излучения имеют максимумы при определенных значениях этих параметров. Поэтому вероятность эмиссии должна быть исследована как функция многих переменных.

С точки зрения практического применения,наиболее перспективным видом пористых материалов в настоящее время является микроканальная пластина (ЫКП) . МКП является материалом на основе свинцовых стекол , имеет поры канального типа микронных размеров и , как будет показано ниже, является весьма перспективным материалом для диагностики жесткого ионизирующего излучения . В разделе 2.6 проведено аналитическое исследование и численный расчет фотонно-индуцированной электронной эмиссии в объеме ЫКП. Показано,что зависимости вероятности эмиссии от диаметра и толщины стенок канала имеют максимумы при фиксированных значениях энергии квантов. На рис. 1 представлены некоторые вычисленные зависимости эмиссии от структурных параметров МКП.

В диапазоне энергии квантов рентгеновского излучения 10-1000 кэВ , представляющим наибольший практический интерес, взаимодействие квантов с материалом происходит путем фотопоглощения и комптоновского рассеяния . Пэ мере увеличения энергии квантов вероятность их взаимодействия с веществом пористого материала уменьшается . Однако, при этом увеличивается энергия комптоновских и фотоэлектронов и повышается вероятность их эмиссии из стенок в объем поры. Исследование зависимости эмиссии фотонно-индуцированной электронной эмиссии в объеме пористого образца показывает (раздел 2.7) , что данная зависимость имеет два максимума: первый лежит между Ь-и К-краями поглощения свинца , а второй - после К-края поглощения . На рис. 2а показаны вычисленные нами зависимости эмиссии от энергии квантов .

В разделе 2.8 изучена зависимость фотонно-индуцированной электронной эмиссии от химического состава пористого материала. Большинство вторично-эмиссионных пористых материалов представляет собой соединение двух химических элементов (КС1

а) 0)

Рис. 1: а) Зависимость фотонно-индуцированной эмиссии быстрых (сплошные кривые) и медленных (точечные кривые) электронов от толщины V стенок пор; б) зависимость фотонно-индуцированной эмиссии быстрых электронов от диаметра с! пор при фиксированной толщине Ь образца; энергия квантов 25 - 662 кэВ .

NaI.MgO.LiF и т.д.) и параметры (эффективные значения атомного веса, заряда ядра и плотность).определяющие взаимодействие излучения с этими соединениями могут быть легко вычислены . Однако, в случае МКГГ, материал (свинцовое стекло) состоит на 95% из элементов 51,РЬ и 0, относительные доли которых могут варьироваться в широком диапазоне . Эти элементы входят в состав материала в виде соединения и РЬО, и доля одного

из них определяет долю двух других , что делает возможным однозначно определить зависимость параметров материала от содержания одного из составных элементов (например, свинца) . Результаты вычисления зависимости вероятности эмиссии от содержания свинца в материале МКП представлены на рис. 26.

В Главе 3 исследована возможность диагностики жесткого рентгеновского излучения с применением вторично-эмиссионных

а) б)

Рис. 2: а) Зависимость фотонно-индуцированной эмиссии быстрых электронов от энергии квантов без учета (А) и с учетом (В) вклада оже-электронов и характеристического излучения ; б) зависимость фотонно-индуцированной эмиссии быстрых электронов от содержания свинца в материале МКП; V и <3 - толщина стенок и диаметр пор, Ь - толщина образца

пористых материалов.

Анализ проведенных ранее исследований показал, что используемые до наших работ методы детектирования излучения с применением вторично-эмиссионных пористых материалов непригодны для детектирования жесткого рентгеновского излучения. Используемые при этом тонкие слои пористых материалов (рис.За) обеспечивают невысокую вероятность взаимодействия жесткого излучения в объеме пористого материала и низкую чувствительность [4,5]. Нами предложены новые методы детектирования жесткого ионизирующего излучения,использующие объемные пористые материалы.

В разделе 3.1 рассмотрен механизм регистрации жесткого рентгеновского излучения детектором на основе ЫКП . Показано, что регистрация рентгеновского кванта в объеме МКП является многоступенчатым процессом, вероятность которого определяется выражением Р0 - РР^ Рч , где Р-Р1 Рг. Вероятность Р исследована

'//////////////////////////л

а)

б)

\\V-.V. \\V.NW

" - ' / •'/ •' . / у //,

л\\\чл\\чЛ\ч

// / •

ч'Лч'".- " \\\. V •

в) г)

Рис.3: а) Схема традиционного метода детектирования излучения с применением вторично-эмиссионного пористого слоя; б) метод бокового облучения; в) и г) схемы пористых камер.

в Главе 2 ; Р3- вероятность генерации электронной лавины в канале после выхода в него быстрого первичного электрона; Рч- вероятность регистрации лавины электронной аппаратурой. Показано, что вероятности ?3 и Рч слабо зависят от структурных и композиционных параметров ЫКП и могут быть близкими к 1 . Таким образом эффективность регистрации рентгеновского излучения в МКП определяется вероятностью фотонно-индуцированной электронной эмиссии в ее объеме.

В разделе 3.2 предложен метод бокового облучения (рис.36),в котором регистрируемое излучение направляется перпендикулярно к боковой поверхности слоя из пористого материала. На основе МКП нами разработан и запатентован детектор бокового облучения, имеющий чувствительность на порядок выше,чем у аналогов [5] .

В разделе 3. 3 предложен метод многослойной регистрации, в котором формируется регистрирующий объем (рис. Зв) .состоящий из множества идентичных образцов пористого материала - пористая камера. Сигнальные выводы всех образцов присоединены к общей шине,где происходит интегрирование заряда от всех составных образцов .Данный метод реализован нами с применением МКП .

В разделе 3.4 показано,что наиболее совершенные результаты с использованием объемных вторично-эмиссионных методов могут быть достигнуты применением метода бокового облучения с многослойным детектором (рис.Зг).В этом случае обеспечивается двухмерная пространственно-чувствительная регистрация жесткого ионизирующего излучения с высокой эффективностью.

В разделе 3.5 показано, что с применением объемных вторично-эмиссионных пористых материалов могут быть разработаны новые методы спектрометрии жесткого рентгеновского излучения, фи обеспечении условия полного поглощения энергии рентгенов-сого кванта в объеме пористого материала,число всех пересекаемых быстрыми электронами микропор несет однозначную информацию об энергии кванта Так как сигналы от всех возбужденных микропор суммируются, то осуществляется новый принцип конверсии: энергия кванта - число возбужденных микропор. Оптимизацией структурных и композиционных параметров пористого материала может быть увеличено число возбужденных микропор на единицу поглощенной энергии и достигнут пик полного поглощения кванта . Энергия рентгеновского кванта может быть определена также объединением известного метода поглощения Г1] и метода бокового облучения, рассмотренного выше. При этом измеряются интенсивности пучка излучения в различных глубинах пористого материала и по кривой ослабления интенсивности определяется энергия кванта.

В разделе 3. 6 рассмотрена используемая методика измерения характеристик потоков жесткого рентгеновского излучения, представлена методика формирования и калибровки узких пучков жесткого рентгеновского излучения с использованием радиоактивных изотопов 5,Со (122 кэВ) и '"Сз (662 кэВ) .

В разделе 3. 7 представлены результаты экспериментов по измерению жесткого рентгеновского излучения новыми МКП-детекто-рами, разработанными на принципе объемной геометрии облучения .

При регистрации квантов энергией 122 кэВ и 662 кэВ детектором бокового облучения достигнуты эффективности 35 и 24% , что на порядок вьппе эффективности при традиционном методе использования МКП-детекторов С 5]. Соответствующие значения эффективностей для многослойного детектора равны 12 и 28% . Пространственное разрешение детектора бокового облучения равно 0,5 мм и 1,5 мм для квантов энергией 122 и 662 кэВ . Показано, что достигнутые значения эффективностей не являются предельными и могут быть увеличены оптимизацией структурных и композиционных параметров используемых МКП.

В Главе 4 разработана модель насыщения эмиссионного тока при детектировании излучения вторично-эмиссионными методами.

В разделе 4.1 рассмотрены известные механизмы насыщения эмиссионного тока: насыщение объемным зарядом, стеночным зарядом, и токовое насыщение Сб]. Первые два типа насыщения моделированы и исследованы экспериментально. Токовое насыщение изучено экспериментально, однако модель насыщения , удовлетворительно согласующаяся с результатами экспериментов, не существовала. Трудность создания такой модели заключалась в том, что электрическое поле эмиттирующего слоя в режиме насыщения неоднородно перераспределяется в результате перехода части тока проводимости в эмиссионный ток. Электронная лавина развивается в неоднородном самосогласованном поле эмиттирующего слоя , т. е. в поле , сформированном током самой лавины.

Раздел 4. 2 посвящен количественному описанию процесса насыщения . Получена система дифференциальных уравнений , устанавливающая законы развития эмиссионного тока, перераспределения потенциала и электрического поля вдоль эмиттирующего слоя:

'dj/dx - hF(dU/dx)

4

dU/dx + j - 1 + a + jc ;

где x , j и U - координата , эмиссионный ток и потенциал вдоль эмиттирующего слоя (в относительных единицах) , h и а - известные параметры , j0 = j(0) , F(y) = (BlnCy)/y - функция , характеризующая зависимость коэффициента вторичной электронной

эмиссии эмиттирующего слоя от энергии первичных электронов , В и С - известные параметры. Для укаеанного вида функции Р уравнение насыщения не имеет точного аналитического решения .

В разделе 4.3 получено точное решение уравнение насыщения в случае "идеального" эмиттера , для которого функция Г может быть линейно аппроксимирована в широком диапазоне энергий первичных электронов: Г(у)-г(у-Ь). Показано,что усиление втрично-змиссионного детектора с "идеальным" эмиттером не уменьшается при высоких эмиссионных токах. Это означает, что степень насыщения эмиссионного тока определяется не только его соотношением с током проводимости , но и зависимостью коэффициента вторичной электронной эмиссии материала эмиттера от энергии первичных электронов .

В разделе 4.4 получено решение уравнения насыщения для гиперболически-аппрокеимированной зависимости Р(у)-г(1 -Ь/у), наиболее близкой к аналогичной зависимости для "реальных" эмиттеров. Для получения значений параметров г и I использовались экспериментальные кривые зависимости усиления вторично-эмиссионных детекторов от напряжения питания. Решение уравнения насыщения с гиперболически-аппроксимированной функцией Р дает: закон развития эмиссионного тока з(х), закон перераспределения потенциала (_!(х) и электрического поля Е(Х) - (Ш(х)/с1х в режиме насыщения . Учет граничного условия :(1) - Кз0 в решении уравнения насыщения дает зависимость К( з0) усиления вторично-эмиссионного детектора от входного тока , которая чрезвычайно важна для практических применений и ранее не была известна .

В разделе 4.5 изучены вторично-эмиссионные системы с нелинейным распределением резистивности эмиттирующего слоя. Показано, что при увеличивающейся вдоль эмиттирующего слоя резистивности усиление системы оказывается в отличие от традиционных систем высоким при больших и низким при малых эмиссионных токах. На основе этого эффекта нами предложена концепция нового метода детектирования, менее подверженного влиянию эффекта насыщения. Предполагается использовать смешанную многоканальную систему,состоящую из каналов с линейным и нелинейным распределением резистивностей, которые обеспечивают высокое усиление как при низких, так и при высоких эмиссионных токах.

- 17 -

В разделе 4.6 исследован механизм самоподдерживающейся электронной эмиссии иа пористых диэлектриков . Особенностью этого вида эмиссии является то,что она возникает при облучении слоя пористого диэлектрика,внутри которого сформировано сильное электрическое поле [4,7] , пучком первичных электронов, и не прекращается после отключения этого пучка , т. е. является самоподдерживающейся . При этом оставался неясным механизм перехода электронов из металлической подложки пористого слоя в его объем при отсутствии пучка первичных электронов. Таким механизмом могла бы служить автоэлектронная эмиссия из подложки . Однако поле , необходимое для возникновения автоэмиссии из металла^должно быть на два порядка больше поля .созданного в пористом слое до его облучения . Нами показано,что при значениях поля в пористом слое выше некоторого критического оно внутри слоя перераспределяется вследствие перераспределения концентрации свободных электронов в результате лавинообразова-ния медленных вторичных электронов,индуцированных пучком первичных электронов. Электрическое поле на границе металл-пористый слой резко увеличивается и становится ЕА= аЕ0 , где Ес-= и0/1 -поле до включения пучка первичных электронов , а - (ик/и0)К0 , ик - критическая разность потенциалов, приложенная к слою,при котором в нем начинается лавинообразование электронов, и„- рабочая разность потенциалов, приложенная к слою (и0>и<), К0- усиление, характеризующее процесс лавинообразования, Ь - толщина слоя, фи типичных значениях Ко-200, и,;/ио-0,5 получаем Е1-100Е0. Таким образом , поле на границе металл - пористый слой резко увеличивается после включения пучка первичных электронов,вызывая автоэмиссию из металла . После отключения пучка первичных электронов лавинообразование инициируется автоэлектронами из металла и возникает самоподдерживающаяся эмиссия .

В Главе 5 представлены результаты экспериментальных исследований насыщения эмиссионного тока .

В разделе 5.1 описана масс-спектрометрическая установка,в которой формировались ионные пучки для исследования вторично-эмиссионных детекторов . Исследование насыщения эмиссионного тока проводились для вторично-эмиссионных детекторов с дискретным (раздел 5.2) и непрерывным (раздел 5.3) эмиттиру-

ющим слоем. В первом случае использовался вторично-электронный умножитель жалюэного типа ВЭУ-1 , а во втором - микроканальная пластина . Измеренные характеристики насыщения эмиссионного тока детекторов находятся в хорошем согласии с решением подученного в разделе 4.2 уравнения насыщения .

В разделе 5.4 описан разработанный на базе ВЭУ-1 экспериментальный образец детектора с нелинейным распределением резистивности динодной системы . Исследование образцов , имеющих различные виды распределения резистивности, показали наличие аномальности в характеристиках этого типа детекторов, вытекающей из модели насыщения: усиление в насыщенном режиме оказалось высоким,а в ненасыщенном режиме низким, фи некоторых видах распределения диапазон линейности усиления значительно расширялся , что также было предсказано моделью насыщения.

В разделе 5.5 дано объяснение "эффекту близости" каналов МКП , наблюдаемому в ряде экспериментальных работ последних лет. Показано, что механизмом этого эффекта является неоднородное перераспределение потенциала эмиттирующего слоя канала МКП в режиме насыщения,в результате чего между эмиттирующими слоями соседних каналов, работающих в насыщенном и ненасыщенном режимах,возникают сквозные токи , приводящие к взаимовлиянию этих каналов .

В Главе 6 исследованы некоторые аспекты применения вторично-эмиссионных методов детектирования потоков корпускулярного излучения в масе-спектрометрии .

В разделе 6.1 предложен способ измерения ионных токов мультиплетов масс в магнитных масс-спектрометрах . Для обеспечения высокой разрешающей способности при измерениях близких мультиплетов масс требуется уменьшение ширины входной щели вторично-эмиссионных детекторов . Это приводит к резкому уменьшению ионного тока и флуктуациям выходного тока детектора. Показано, что если измерять суммарный ток 10 мультиплетов с высокой точностью при широком входном окне, токи ù отдельных мультиплетов при узком входном окне, а искомое значение тока i - го мультиплета Ц определять из выражения Iî. -= Uiii/Èij], то погрешность определения I; окажется значительно ниже" погрешности прямого измерения i; .

- 19 -

В разделе 6.2 представлены результаты модернизации масс-спектрометра МИ-1201В для обеспечения двухлучевого режима измерений гелиевых изотопных отношений . Такой режим требовался для исключения влияния временной нестабильности параметров используемых вторично-эмиссионных дете '.торов. В результате достигнуты рекордно высокие точности измерения гелиевых изотопных отношений~0,01% .

В разделе 6.3 рассмотрена проблема увеличения разрешающей способности при время-пролетной масс-спектрометрии [8].Как известно, на разрешающую способность при время-пролетной масс-спектрометрии существенное влияние оказывает разброс глубины входа ионов во вторично-эмиссионный детектор. Глубина входа определяется структурой входного окна детектора и для увеличения разрешающей способности требуется ее уменьшение. В используемых в настоящее время МКП-детекторах глубина входа определяется диаметром и наклоном каналов : при уменьшении диаметра и увеличении наклона глубина уменьшается . Нами предложено во времяпролетных измерениях в качестве детекторов использовать специальные МКП с Л и С - образными кривыми каналами,имеющими на 1-2 порядка меньшую глубину входа ионов , чем обычные МКП с прямыми каналами . Такие МКП ранее использовались для предотвращения ионной и оптической обратной связи внутри канала , но не применялись для времяпролетных измерений .

Основные выводы

1. Разработана модель и проведен расчет электронной эмиссии, индуцированной рентгеновским излучением в пористых вторично-эмиссионных материалах. Установлено,что для каждого значения энергии кванта рентгенвского излучения существует наиболее оптимальная комбинация структурных и композиционных параметров пористого материала, обеспечивающая максимальную вероятность фотонно-индуцированной электронной эмиссии в материале.

2. Предложены и апробированы методы детектирования жесткого ионизирующего излучения с применением объемных вторично-эмиссионных пористых материалов, обеспечивающие наиболее оптимальное сочетание чувствительности и пространственного разрешения по сравнению с известными методами. Разработан и апро-

бирован новый тип детектора жесткого ионизирующего излучения - пористая камера.

3. Предложен новый метод спектрометрии жесткого рентгеновского излучения,основанный на множественности фотонно-индударованного возбуждения микропор вторично-эмиссионного пористого материала. При этом используется новый принцип конверсии: энергия кванта - число возбужденных микропор .

4. Разработана модель насыщения эмиссионного тока при регистрации электромагнитного и корпускулярного излучения вторично-эмиссионными методами. Получена система дифференциальных уравнений, решение которой впервые дает возможность предсказания параметров вторично-эмиссионных детекторов в режиме насыщения.

5. Показано , что степень насыщения эмиссионного тока определяется не только соотношением эмиссионного тока и тока проводимости , как считалось ранее , а и параметрами энергетической и угловой зависимости коэффициента вторично-электронной эмиссии материала эмиттера и утлом падения вторичных электронов на эмиттирующий слой . Установлено,что влияние эффекта насыщения может быть уменьшено при оптимальной функции распределения сопротивления эмиттирующего слоя.

6. Проведено экспериментальное исследование процесса насыщения эмиссионного тока, показавшее удовлятворительное согласие предсказания модели насыщения с результатами экспериментов. Разработаны и апробированы экспериментальные образцы вторично-эмиссионных детекторов с нелинейным распределением сопротивления эмиттирующего слоя с существенно большей областью линейности диапазона усиления.

7. Предложена модель усиленной полем самоподдерживающейся электронной эмиссии во вторично-эмиссионных пористых диэлектриках. Показано,что при этом механизмом образования первичных электронов на границе металл - пористый диэлектрик является автоэлектронная эмиссия из металла, а электрическое поле необходимой напряженности для возникновения автоэмиссии из металла образуется в результате перераспределения поля в слое пористого диэлектрика вследствие возникающего неоднородного распределения проводимости слоя.

8. Исследованы некоторые аспекты применения вторично-эмиссион-

ных методов детектирования корпускулярного излучения в масс-спектрометрии . В частности , показана возможность увеличения разрешающей способности при врсмяпролетной масс-спек-трометрии с использованием в качестве детектора ионных пакетов микроканальных пластин с изогнутыми каналами . Предложен и апробирован способ измерения ионных токов муль-типлетов масс,позваляющий значительно уменьшить влияние нестабильности усиления вторично-эмиссионных детекторов,регистрирующих ионные токи.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Шихалиев П. № , Детектор ионизирующего излучения,

Патент N2066465,приоритет от 02.07.93, Бюллетен N25,1996 .

2. Shikhaliev P.M. Hard X-ray beam detector based on microchannel plates, Nucl. Instrum. Meth. , v. A369,1996,p. 147.

3. Shikhaliev P.M. , Generalized hard X-ray detection model for microchannel plates, Rev. Sci. Instrum. , v. 68(2) ,1997,p. 3676.

4. Шихалиев П. M.,Электронная эмиссия, индуцированная рентгеновским излучением в пористых вторично-эмиссионных материалах, ЖГФ, т. 68, 1998 .

5. Акулов Ю. А., Шихалиев П. М., Устройство для регистрации заряженных частиц, Авт. свидетельство на полезную модель, приоритет от 17.11.93. .Бюллетен N9, 1995 .

6. Шихалиев Е М., Измерение загрузочной способности микроканальной пластины, ПТЭ, N2, 1997, стр.81.

7. Shikhaliev Р. М. , Saturation model for secondary electron multiplier detectors, Nucl. Instrum. Meth. ,v. A410,1998,p. 245.

8. Shikhaliev P. M. ,A new hard X-ray detector based on microchannel plates , Nucl. Instrum. Meth. , v. A379, 1996, p. 307.

9. Акулов Ю. A. , Мамырин Б. A. , Шихалиев EE, Способ измерения ионных токов мультиплетов масс в магнитных масс-спектрометрах Авт.свидетельство, заявка N93005766/10, 1993.

10. Акулов Ю. А. .Мамырин Б. А. .Шихалиев П. М. .Возможность высокоточного измерения гелиевых'изотопных отношений в масс-спектрометре МИ-1201 В, ПТЭ, N3, 1995, стр. 114.

П.Шихалиев ILE , Многослойный детектор для регистрации гамма-излучения, построенный на основе микроканальных пластин ПТЭ, N5, 199Б, стр. 97.

12. Шихалиев П. М. О механизме усиленной полем

вторичной электронной эмиссии в пористых диэлектриках, Письма в ЖТФ,т. 24,1998 .

13. Shikhäliev P.M. , Hard X-ray detector based on ШР , Rev. Sei. Instrum. ,v. 67(3) ,1996,p. 700.

Литература

1. Зигбан К., Альфа-,Бета-, и Гамма-спектроскопия , М. .Атомиэдат, 1969 .

2. Добрецов JL Е , Гомоюнова М. В. , Эмиссионная электроника, М. .Наука , 1966 .

3. Tabata Т., Ito R. , Okabe S., Nucí. Instrum. Meth. , V. 103,1971, p. 85.

4. Лорикян M. IL, У® , 1995, T.165, N11, c. 1323 .

5. Fraser G. V., Nucí. Instrum. Meth., v. 221,1984,p. 115.

6. Айнбунд М-Р. .Поленов Б. В., Вторично-электронные умножители открытого типа и их применение , М.,Энергоатомиздат,1981.

7. Яснопольский Е JL , Шабельникова А. Э., ФГТ, 1968, т. 10, N1, с. 163.

8. Mamyrin В. А., Intern. Journ. of Mass-Spectrometry and Ion Process , v. 131, 1994, p. 3 .

Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН 188350, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак.164, тир. 100, уч.-изд. л.1, 19.03.1998 г.