Ускоряющее напряжение формула: Найти скорость электрона прошедшего ускоряющее напряжение 2 кВ. Нач скорость равна 0.

Глава 26. Элементы квантовой физики и специальной теории относительности. Атомная и ядерная физика

В программу ЕГЭ по физике входит достаточно большой круг вопросов по атомной и ядерной физике, фотоэлектрическому эффекту, основам специальной теории относительности. Тем не менее, эти вопросы касаются, в основном, только фактического материала, не требуют его глубокого осмысления и поэтому их достаточно легко выучить. Кратко рассмотрим этот материал.

Фотоэлектрическим эффектом (или просто фотоэффектом) называют явление испускания электронов поверхностью металла под действием света. Экспериментально было установлено, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте и не зависит от интенсивности излучения. При частоте света, меньшей некоторого значения (которое называется красной границей фотоэффекта и является характеристикой каждого металла), фотоэффект прекращается. От интенсивности излучения зависит число электронов, испускаемых поверхностью металла в единицу времени, но не их энергия.

Впервые фотоэффект изучали с помощью вакуумного фотоэлемента или вакуумного фотодиода, который представляет собой стеклянный баллон с откачанным из него воздухом и впаянными электродами. Фотодиод включается в электрическую цепь, как показано на рисунке. Естественно, в цепи нет электрического тока, поскольку в баллоне нет свободных носителей электрического заряда. Однако когда электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника (катод) освещается светом, в цепи возникает электрический ток, что свидетельствует о появлении между катодом и анодом свободных зарядов. По величине тока в цепи (фототока) можно сделать вывод о количестве вырванных с поверхности катода зарядов. Если же поменять полярность источника, то приложенное напряжение будет тормозить фотоэлектроны. Напряжение, при котором фототок в цепи прекращается, называется задерживающим (или запирающим). Очевидно, что фототок в цепи полностью прекращается, когда максимальная кинетическая энергия электронов становится меньше модуля работы электрического поля, совершаемой над электронами между катодом и анодом

(26. 1)

где — масса электрона, — элементарный заряд, — задерживающее напряжение. Таким образом, измеряя задерживающее напряжение, можно измерить максимальную кинетическую энергию электронов.

Для объяснения фотоэффекта А. Эйнштейн предположил, что свет представляет собой поток частиц — фотонов, движущихся со скоростью света. Каждый из них обладает энергией, зависящей от частоты (или длины волны) света

(26.2)

и импульсом

(26.3)

Фотон, как и любая частица, может поглощаться или излучаться только как единое целое. В формулах (26.2)-(26.3) Дж • с — постоянная, которая называется постоянной Планка, — скорость света в вакууме, — частота света, — длина волны. Поглощая один фотон, свободный электрон в металле увеличивает свою энергию на величину (26.

2) и может вылететь с поверхности металла, если его новая энергия достаточна для этого, т.е. превосходит работу , которую необходимо совершить, чтобы покинуть металл. Эта работа называется работой выхода электрона из металла и является характеристикой каждого металла. В результате закон сохранения энергии дает для кинетической энергии вылетевшего электрона

(26.4)

В формуле (26.4) пренебрегается начальной энергией электрона. Кроме того, возможны дополнительные потери энергии, связанные со столкновениями с другими электронами, поэтому формула (26.4) определяет максимальную кинетическую энергию электронов. Формула (26.4) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна (26.4) следует, что энергия фотоэлектронов зависит от частоты света, но не зависит от его интенсивности, которая определяется количеством фотонов в световом потоке. От интенсивности света зависит количество фотоэлектронов, поскольку, чем больше фотонов падает на металл, тем большее количество электронов покидает поверхность металла.

Из уравнения (26.4) также следует, что при частоте света , где

(26.5)

(или при длине волны , где ) фотоэффект не имеет место. Поскольку для большинства металлов эта частота лежит в области красного света, ее назвали красной границей фотоэффекта.

Рассмотрим теперь вопросы, связанные со строением атома. Атомы состоят из частиц трех типов: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны имеют близкие массы, и входят в состав атомного ядра — очень маленького образования, расположенного внутриатома¹. Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не заряжены. Поэтому и атомное ядро заряжено положительным электрическим зарядом. Электроны — отрицательно заряженные элементарные частицы — движутся по определенным орбитам вокруг атомного ядра. Количество электронов в атоме равно количеству протонов, а поскольку заряды этих частиц равны по величине, то атомы в целом не заряжены. Поскольку масса протона и нейтрона примерно в 2000 раз больше массы электрона, то практически вся масса атома сосредоточена в атомном ядре.

Атомы обозначаются следующим образом. Во-первых, указывается химический символ элемента, например, (водород), (гелий), (кислород), (железо), (свинец) и т.д. Во-вторых, перед символом элемента в виде нижнего индекса указывают количество электронов (или протонов) в данном атоме. Например, , , , , и т.д. Поскольку количество электронов в атоме (или количество протонов) полностью определяет его химические свойства, атомы, имеющие разное количество электронов (и протонов) — это атомы разных химических элементов. Поэтому нижний индекс и символ химического элемента однозначно связаны друг с другом. Слева вверху от символа химического элемента указывается суммарное число протонов (или электронов) и нейтронов в ядре этого атома. Например, символ

обозначает атом урана, содержащий 92 электрона и 238 протонов и нейтронов в ядре, из которых 92 протона и 146 = 238 – 92 нейтронов. Существуют атомы, которые имеют одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов. Такие атомы имеют близкие химические свойства и потому относятся к одному и тому же химическому элементу. Они называются изотопами. Например, изотопами являются атомы свинца , , , , в состав которых входят соответственно 124, 125, 126 и 127 нейтронов.

Электроны в атоме могут совершать переходы с одних орбит на другие с излучением или поглощением фотона. Такое излучение имеет место, в частности, при нагревании парóв любого химического элемента до высокой температуры. При переходе электрона из состояния с энергией в состояние с меньшей энергией , электрон излучает фотон с частотой , которая определяется соотношением

(26.6)

где — постоянная Планка. Для перехода на орбиту с большей энергией электрон должен поглотить фотон с энергией, равной разности энергий конечной и начальной орбит.

А поскольку в каждом атоме существует только небольшое количество электронных орбит с определенными энергиями, атом каждого вещества излучает свет с небольшим числом разных частот, что означает, что спектр излучения атомов является линейчатым¹. На индивидуальности спектров каждого элемента основан метод определения химического состава вещества, который называется спектральный анализ

Некоторые атомы могут самопроизвольно испускать определенные частицы (в результате чего атомы одних элементов превращаются в атомы других). Такое явление называется радиоактивностью. Существует несколько видов радиоактивности, которые получили название -, – и -радиоактивности. Альфа-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия, состоящих их двух протонов и двух нейтронов. Альфа-частицы формируются внутри ядра распадающегося атома из его «собственных» протонов и нейтронов, а затем вылетают из ядра. После этого атом теряет два внешних электрона и становится электрически нейтральным атомом элемента, у которого меньше на два нейтрона и два протона.

Этот процесс можно схематически записать в виде уравнения, которое называется уравнением ядерной реакции:

(26.7)

Здесь и — химические символы распадающегося и образовавшегося элементов (например, при -распаде уран превращается в торий ), и — число нейтронов и протонов в распадающемся атоме, — символ -частицы.

При -распаде атом излучает электрон, причем электрон вылетает из атомного ядра. А поскольку «собственных» электронов в ядре нет, то в процессе -распада происходит превращение одного из нейтронов ядра в протон и электрон, протон остается в ядре, а электрон улетает. Этот процесс можно записать в виде уравнения

(26.8)

Обратим внимание читателя на то, что в процессе -распада суммарное число нейтронов и протонов не изменяется. На самом деле в процессе -распада образуется еще одна частица — антинейтрино, которая имеет очень маленькую или вообще нулевую (это пока неизвестно) массу. Эта частица очень слабо взаимодействует с веществом и потому долгое время ее не могли обнаружить экспериментально.

При -распаде атомное ядро излучает кванты электромагнитного излучения (-частицы или -кванты), т.е. частицы той же физической природы, что и фотоны. Однако -частицы имеют очень большую частоту (и малую длину волны) по сравнению с фотонами видимого света и даже рентгеновским излучением (частота -лучей порядка 10²⁰ Гц). Из-за очень малой длины волны -излучение практически не проявляет волновых свойств, а ведет себя как поток частиц. Поскольку при -распаде из атома не вылетают электроны, протоны или нейтроны, атом остается структурно тем же самым, но с меньшей энергией, поскольку часть энергии уносит -квант.

При радиоактивных распадах зависимость количества распадающихся атомов от времени подчиняется следующему закону: количество атомов данного радиоактивного вещества уменьшается в два раза за некоторое фиксированное время независимо от их первоначального количества. Это время называется периодом (или временем) полураспада данного вещества. Например, если в некоторый момент времени имеется 1000 атомов радиоактивного вещества с периодом полураспада 1 год, то через год останется 500 атомов. А если бы в начальный момент имелось 10000 атомов этого вещества, то через год их осталось бы 5000. Такая зависимость количества распавшихся атомов от времени свидетельствует о том, что, во-первых, распад каждого атома происходит независимо от других, а во-вторых, имеет вероятностный характер. Поэтому приведенный выше закон распада выполняется приближенно, причем тем точнее, чем большее количество атомов вещества распадется.

Последней темой, которая рассматривается в школьном курсе физики, является специальная теория относительности. Надо сказать, что это рассмотрение является весьма поверхностным, и потому в программу ЕГЭ по физике входит очень небольшое количество вопросов по данной теме. Мы нашли в опубликованных вариантах раздела «А» ЕГЭ прошлых лет всего три вопроса, которые с минимальными вариациями повторяются из года в год. Можно утверждать со значительной вероятностью, что именно эти вопросы будут повторяться и в будущем. Итак, дадим краткий обзор необходимого минимума сведений по теории относительности, входящих в школьный курс физики.

Специальная теорияотносительности¹ рассматривает вопросы, связанные с механикой и электродинамикой тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света в вакууме. Оказалось, что физические законы, управляющие поведением таких тел, значительно отличаются от законов физики Ньютона, которую в этом контексте принято называть классической. Экспериментальной основой теории относительности является опыт Майкельсона, который с помощью прямых измерений доказал, что скорость света в вакууме не зависит от скорости наблюдателя или источника. Этот факт Эйнштейн взял в качестве одного изпостулатов² своей теории. Второй постулат называется принципом относительности и говорит о том, что все уравнения и законы физики имеют один и тот же вид во всех инерциальных системах отсчета, и, следовательно, все физические явления протекают во всех инерциальных системах отсчета одинаково (аналогичное утверждение, касающееся только механических явлений, называется принципом относительности Галилея). Опираясь только на эти два постулата, Эйнштейн доказал целый ряд удивительных утверждений. Оказалось, в частности, что интервалы времени и длины отрезков зависят от системы отсчета, т.е. являются, как говорят, относительными величинами. Кроме того, для тел, движущихся с большими скоростями, изменяются ряд физических законов (в частности, законы Ньютона), выражения для некоторых физических величин (энергии, импульса и др.). Эйнштейн получил и новый закон сложения скоростей, который при малых скоростях переходит в «обычный» закон сложения скоростей Галилея, а при больших скоростях тел приводит к постоянству скорости света во всех инерциальных системах отсчета.

Рассмотрим теперь приведенные в первой части книги задачи.

Как это описывалось во введении к настоящей главе, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит только от частоты падающего света, но не зависит от интенсивности излучения (задача 26.1.1 — ответ 1).

 

От интенсивности излучения зависит количество фотоэлектронов. Поэтому если уменьшить интенсивность света без изменения его частоты (задача 26.1.2), то уменьшится количество фотоэлектронов, но никак не изменится их максимальная скорость.

Электрон, поглощая фотон с энергий 1,5 эВ (задача 26.1.3), приобретает именно такую энергию и не сможет покинуть металл, если работа выхода электрона из металла составляет 2 эВ. Поэтому при данных условиях фотоэффект идти не будет (ответ 3).

Согласно формуле (26.5) работа выхода электрона из данного металла равна энергии фотона, отвечающего красной границе фотоэффекта для данного металла. Поэтому правильный ответ в задаче 26.1.4 — 3.

Максимальную энергию фотоэлектронов , которую они приобретают при освещении цезия фотонами с энергией 2,1 эВ (задача 26.1.5) найдем по уравнению Эйнштейна для фотоэффекта (26.4): эВ. Отсюда следует, что для увеличения энергии фотоэлектронов вдвое (до величины 0,4 эВ) нужно увеличить энергию фотонов до 2,3 эВ, т. е. на 0,2 эВ (ответ 2).

Из уравнения Эйнштейна следует, что максимальная кинетическая энергия электронов в задаче 26.1.6 равна 1 эВ. Величину задерживающего напряжения можно найти по формуле (26.1). Вычислительно это процедура является очень простой, если для измерения энергии электрона используется внесистемная единица «электрон-вольт» (эВ). По определению 1 электрон-вольт — это кинетическая энергия, которую приобретает электрон, пройдя ускоряющее напряжение 1 Вольт (В). И наоборот, электроны с кинетической энергией 1 эВ будут остановлены задерживающим напряжением 1 В и фотоэффект полностью прекратится. Таким образом, правильный ответ в этой задаче — 3.

Согласно правилам обозначения атомов нижний индекс указывает число протонов в ядре и электронов на орбитах. Поэтому число электронов в атоме (задача 26.1.7) равно 26 (ответ 2).

Импульс фотона связан с его энергией формулой (26.3) (задача 26.1.8 — ответ 1).

Электрон в атоме излучает фотон, совершая переход и состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. При этом по закону сохранения энергии разность начальной и конечной энергий электрона уносится фотоном. Используя формулу, связывающую энергию и частоту фотона (26.2), находим (задача 26.1.9):

(26.8)

(ответ 1).

Как указывалось во введении к настоящей главе, спектры излучения парóв химических элементов являются линейчатыми, причем характер расположения линий излучения в спектре уникален для каждого элемента. Поэтому если в образце имеется какой-то элемент, в спектре излучения парóв этого образца будут обязательно представлены спектральные линии, характерные для этого элемента. Спектр излучения неизвестного образца в задаче 26.1.10 содержит все линии спектра стронция, не содержит ни одной линии спектра кальция и содержит ряд дополнительных линий. Это значит, что неизвестный образец содержит стронций и не содержит кальция (ответ 4). Кроме того, этот образец содержит еще какой-то элемент, который и дает лишние (по сравнению с линиями стронция) линии в спектре.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (задача 26.2.1 — ответ 2).

Согласно правилам обозначения атомов нижний индекс у символа химического элемента представляет число протонов, верхний — сумму числа протонов и нейтронов. Поэтому в ядре (задача 26.2.2) содержится 30 = 56 − 26 нейтронов (ответ 2).

Из уравнения (26.7) для -распада находим, что при -распаде ядра радона (задача 26.2.3) образуется ядро полония (ответ 4).

Из уравнения (26.8) для -распада находим, что при -распаде ядра тория (задача 26.2.4) образуется ядро протактиния (ответ 3).

При поглощении нейтрона (задача 26.2.5) число нейтронов в ядре увеличивается на единицу, число протонов не изменяется. Поэтому получится ядро свинца (ответ 1).

При двух -распадах тория (задача 26.2.6) два нейтрона в ядре превращаются в два протона. Поэтому получается ядро урана . При его -распаде число нейтронов и число протонов уменьшаются на две единицы каждое. В результате образуется ядро тория, но с другим по сравнению с начальным ядром количеством нейтронов (ответ 2).

За время, равное одному периоду полураспада (задача 26.2.7), количество атомов распадающегося вещества уменьшится вдвое и станет равным . Еще за один период полураспада вдвое уменьшится и это количество атомов, поэтому останется атомов вещества. А за еще один период полураспада (т.е. за время после начала наблюдения) вдвое уменьшится и это количество. Поэтому через время после начала наблюдения останется атомов вещества (ответ 3).

Постулатами теории относительности являются (см. введение к настоящей главе): утверждение о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета и равноправность всех инерциальных систем для описания любых физических явлений (принцип относительности). Поэтому правильный ответ в задаче 26.2.8 — 2.

Скорость света во всех инерциальных системах одинакова. Поэтому скорость фотонов, излученных фарами первого автомобиля в системе отсчета, связанной со вторым автомобилем (задача 26.2.9), равна = 3 • 10⁸ м/с (ответ 3).

Как отмечалось во введении к настоящей главе, интервалы времени между событиями и длины отрезков меняются при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Как и в классической физике при переходе к другим системам отсчета меняются импульсы тел. Поэтому из перечисленных в задаче 26.2.10 величин не меняется только скорость света (ответ 4).

Динамика многомодовых процессов на фронте импульса ускоряющего напряжения в гиротроне при воздействии внешнего сигнала

2020 Известия вузов. Радиофизика Том LXIII, № 5–6

внешнего сигнала. Однако отметим, что в данном случае внешнее воздействие требуется только

на начальной стадии переходного процесса (для гиротрона с частотой генерации около 250 ГГц —

до 500 нс [11]), а после установления колебаний внешнее воздействие можно прекратить.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 19–79–30071).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Flyagin V. A., Gaponov A. V., Petelin M. I., Yulpatov V. K. // IEEE Trans. Microwave Theory

Tech. 1977. V. 25, No. 6. P. 514–521. https://doi.org/10.1109/TMTT.1977.1129149

2. Nusinovich G. S. Introduction to the Physics of Gyrotrons. Baltimore : Johns Hopkins University

Press, 2004. 335 p.

3. Nusinovich G. S., Thumm M. K. A., Petelin M. I. // J. Infr. Millim. Terahertz Waves. 2014. V. 35,

No. 4. P. 325–381. https://doi.org/10.1007/s10762-014-0050-7

4. Thumm M. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2014. V. 42, No. 3. P. 590–599.

https://doi.org/10.1109/TPS.2013.2284026

5. Thumm M. K. A., Denisov G. G., Sakamoto K., Tran M. Q. // Nucl. Fusion. 2019. V. 59, No. 7.

Art. no. 073001. https://doi.org/0.1088/1741-4326/ab2005

6. Jelonnek J., Aiello G., Alberti S., et al. // Fusion Engin. Design. 2017. V. 123. P. 241–246.

https://doi. org/10.1016/j.fusengdes.2017.01.047

7. Denisov G. G., Glyavin M. Y., Fokin A. P., et al. // Rev. Sci. Instrum. 2018. V. 89, No. 8. Art.

no. 084702. https://doi.org/10.1063/1.5040242

8. Nusinovich G. S., Sinitsyn O. V., Velikovich L., et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2004. V. 32,

No. 3. P. 841–852. https://doi.org/10.1109/TPS.2004.828854

9. Глявин М. Ю., Запевалов В. Е., Куфтин А. Н. // Изв. вузов. Радиофизика. 1998. Т. 41, № 6.

С. 803–812.

10. Zhao Q., Yu S., Zhang T. // Phys. Plasmas. 2017. V. 24, No. 9. Art. no. 093102.

https://doi.org/10.1063/1.4997910

11. Бакунин В. Л., Глявин М. Ю., Новожилова Ю. В., Седов А. С. // Электромагнитные волны и

электронные системы. 2018. Т. 23, № 6. С. 36–45.

12. Ергаков В. С., Моисеев М. А. // Изв. вузов. Радиофизика. 1975. Т. 18, № 1. С. 120–131.

13. Ергаков В. С., Моисеев М. А., Хижняк В. И. // Радиотехника и электроника. 1978. Т. 23, № 12.

С. 2 591–2 599.

14. McCurdy A. H., Armstrong C. M. // Phys. Rev. Lett. 1988. V. 61, No. 20. P.2 316–2 319.

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.61.2316

15. Бакунин В. Л., Денисов Г. Г., Новожилова Ю. В. // Изв. вузов. Радиофизика. 2015. Т. 58, № 12.

С. 999–1011.

16. Бакунин В. Л., Денисов Г. Г., Новожилова Ю. В., Фокин А. П. // Изв. вузов. Радиофизика.

2016. Т. 59, № 8–9. С. 709–720.

17. Новожилова Ю. В., Денисов Г.Г., Глявин М. Ю. и др. // Изв. вузов. Прикладная нелинейная

динамика. 2017. Т. 25, № 1. С.4–34.

18. Бакунин В. Л., Денисов Г. Г., Новожилова Ю. В. // Изв. вузов. Радиофизика. 2019. Т. 62,

№ 7–8. С. 549–565.

19. Bakunin V. L., Denisov G. G., Novozhilova Y. V. // IEEE Electron Device Lett. 2020. V. 41, No. 5.

P. 777–780. https://doi.org/10.1109/LED.2020.2980218

20. Ginzburg N. S., Sergeev A. S., Zotova I. V. // Phys. Plasmas. 2015. V. 22, No. 3. Art. no. 033101.

https://doi.org/10.1063/1.4913672

432 Н. В. Григорьева, Н. М. Рыскин, Г. Г. Денисов и др.

Исследование квантового выхода ИК-фотокатодов в импульсном режиме –

При сравнении квантового выхода в статическом режиме и импульсном режиме (рисунок 3, а), когда на управляющий электрод подается одинаковое напряжение смещения U_см = 3 В, получено отношение Y_имп/Y_стат = 0,6. То есть квантовый выход при работе в импульсном режиме оказывается меньше, чем при работе в статическом при подаче одинакового напряжения смещения, что обусловлено наличием большого времени нарастания фронта сигнала. Однако, при повышении напряжения смещения до 3,5 В, квантовый выход фотокатода в импульсном режиме Y_имп превосходит в 1,9 раз квантовый выход в статическом режиме при смещении 3 В. При этом в статическом режиме дальнейшее увеличение напряжение смещения не приводит к увеличению фототока. Это является показателем эффективности импульсного режима подачи напряжения смещения на управляющий электрод.

Таким образом, главное достоинство работы в импульсном режиме заключается в возможности подачи большего напряжения смещения на управляющий электрод U_см, (благодаря ограничению заряда, проходящего через структуру фотокатода при малой длительности импульсов).

Уменьшение времени нарастания фронта приведет к увеличению заряда, протекающего через структуру фотокатода за то же время t_см, что позволит увеличить квантовый выход в импульсном режиме работы. Этого возможно достичь путем уменьшения собственной емкости структуры фотокатода, а также использованием импульсной подачи ускоряющего напряжения U_фк между фотокатодом и ЭЧППЗ при подаче постоянного напряжения смещения на управляющий электрод. Таким образом, благодаря последовательному включению с емкостью структуры фотокатода малой емкости вакуумного промежутка, удастся снизить суммарную емкость на два порядка, что приведет к уменьшению времени нарастания фронта сигнала.

На данный момент начаты эксперименты по подаче импульсного ускоряющего напряжения (пока U_фк = -20 В) между фотокатодом и ЭЧППЗ. Первые результаты подтверждают возможность значительного уменьшения времен нарастания и спада фронтов. В дальнейшем требуется создание измерительной схемы, позволяющей подавать U_фк в импульсном режиме, а также сравнения квантового выхода с уже полученными результатами.

Список использованных источников

1. Н.И. Гусарова, Н.Ф. Кощавцев, С.В. Попов / Преимущества использования твердотельных фотоприемных устройств на область спектра 1,4–1,7 мкм в приборах ночного видения // Успехи прикладной физики. – 2014. – Том 2, №3. – С. 288 – 292.
2. М. Р. Айнбунд, И. С. Васильев, Е. Г. Вилькин [и др.] / Новые фотокатоды УФ- и ИК-диапазонов для перспективных фотоприемных устройств // Прикладная физика. – 2006. – №4. – С. 97 – 101. 

Ускорители. — 1962 — Электронная библиотека «История Росатома»

Закладок нет.

 

 

Обложка123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264265266267268269270271272273274275276277278279280281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300301302303304305306307308309310311312313314315316317318319320321322323324325326327328329330331332333334335336337338339340341342343344345346347348349350351352353354355356357358359360361362363364365366367368369370371372373374375376377378379380381382383384385386387388389390391392393394395396397398399400401402403404405406407408409410411412413414415416417418419420421422423424425426427428429430431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453454455456457458459460461462463464465466467468469470471472473474475476477478479480481482483484485486487488489490491492493494495496497498499500501502503504505506507508509510511512513514515516517518519520521522523524525526527528529530531532533534535536537538539540541542543544545546547548549550551552553554555556 пустая557558559560Обложка – 12 – 34 – 56 – 78 – 910 – 1112 – 1314 – 1516 – 1718 – 1920 – 2122 – 2324 – 2526 – 2728 – 2930 – 3132 – 3334 – 3536 – 3738 – 3940 – 4142 – 4344 – 4546 – 4748 – 4950 – 5152 – 5354 – 5556 – 5758 – 5960 – 6162 – 6364 – 6566 – 6768 – 6970 – 7172 – 7374 – 7576 – 7778 – 7980 – 8182 – 8384 – 8586 – 8788 – 8990 – 9192 – 9394 – 9596 – 9798 – 99100 – 101102 – 103104 – 105106 – 107108 – 109110 – 111112 – 113114 – 115116 – 117118 – 119120 – 121122 – 123124 – 125126 – 127128 – 129130 – 131132 – 133134 – 135136 – 137138 – 139140 – 141142 – 143144 – 145146 – 147148 – 149150 – 151152 – 153154 – 155156 – 157158 – 159160 – 161162 – 163164 – 165166 – 167168 – 169170 – 171172 – 173174 – 175176 – 177178 – 179180 – 181182 – 183184 – 185186 – 187188 – 189190 – 191192 – 193194 – 195196 – 197198 – 199200 – 201202 – 203204 – 205206 – 207208 – 209210 – 211212 – 213214 – 215216 – 217218 – 219220 – 221222 – 223224 – 225226 – 227228 – 229230 – 231232 – 233234 – 235236 – 237238 – 239240 – 241242 – 243244 – 245246 – 247248 – 249250 – 251252 – 253254 – 255256 – 257258 – 259260 – 261262 – 263264 – 265266 – 267268 – 269270 – 271272 – 273274 – 275276 – 277278 – 279280 – 281282 – 283284 – 285286 – 287288 – 289290 – 291292 – 293294 – 295296 – 297298 – 299300 – 301302 – 303304 – 305306 – 307308 – 309310 – 311312 – 313314 – 315316 – 317318 – 319320 – 321322 – 323324 – 325326 – 327328 – 329330 – 331332 – 333334 – 335336 – 337338 – 339340 – 341342 – 343344 – 345346 – 347348 – 349350 – 351352 – 353354 – 355356 – 357358 – 359360 – 361362 – 363364 – 365366 – 367368 – 369370 – 371372 – 373374 – 375376 – 377378 – 379380 – 381382 – 383384 – 385386 – 387388 – 389390 – 391392 – 393394 – 395396 – 397398 – 399400 – 401402 – 403404 – 405406 – 407408 – 409410 – 411412 – 413414 – 415416 – 417418 – 419420 – 421422 – 423424 – 425426 – 427428 – 429430 – 431432 – 433434 – 435436 – 437438 – 439440 – 441442 – 443444 – 445446 – 447448 – 449450 – 451452 – 453454 – 455456 – 457458 – 459460 – 461462 – 463464 – 465466 – 467468 – 469470 – 471472 – 473474 – 475476 – 477478 – 479480 – 481482 – 483484 – 485486 – 487488 – 489490 – 491492 – 493494 – 495496 – 497498 – 499500 – 501502 – 503504 – 505506 – 507508 – 509510 – 511512 – 513514 – 515516 – 517518 – 519520 – 521522 – 523524 – 525526 – 527528 – 529530 – 531532 – 533534 – 535536 – 537538 – 539540 – 541542 – 543544 – 545546 – 547548 – 549550 – 551552 – 553554 – 555556 пустая – 557558 – 559560

 

 

Аналитика – научно-технический журнал – Аналитика

Наблюдение и анализ образцов на полевом растровом электронном микроскопе сверхвысокого разрешения при низких ускоряющих напряжениях *
Х.  Ниими, Ю. Сакуда, Н. Асано, Ш. Асахина
EP Business Unit, JEOL LTD
[email protected]

JEOL разрабатывает и выпускает растровые электронные микроскопы (РЭМ) более 50 лет: первый – ​JSM‑1 – был представлен в 1966 году. РЭМ широко используется в науке, медицине, производстве, при проведении криминалистической и других экспертиз благодаря своей способности не только формировать изображение мелких структур, но и выдавать информацию об элементном составе образца и его кристаллических свой­ствах. В последнее время при проведении таких исследований предъявляются все более высокие требования к пространственному разрешению микроскопа, уменьшению эффекта зарядки поверхности и повреждений образца, а также локализации зоны анализа. В работе продемонстрированы решения с использованием низкого ускоряющего напряжения, реализованные в новом РЭМ FE-SEM JSM‑7900F, а также примеры их применения.

РЭМ является инструментом, который детектирует вторичные электроны (SE), обратнорассеянные электроны (BSE), характеристическое рентгеновское излучение и катодолюминесценцию от точки на поверхности образца, которая облучается электронным зондом. Эти сигналы содержат информацию о морфологии поверхности, элементном составе, кристаллической структуре и др.

Современные исследования все чаще проводят при низком ускоряющем напряжении, поскольку это позволяет уменьшить толщину облучаемого приповерхностного слоя и получить информацию о состоянии самой поверхности. Кроме того, снижается эффект зарядки поверхности и уменьшаются повреждения образца.

В работе продемонстрированы новые методики исследования с помощью растрового электронного микроскопа при низких ускоряющих напряжениях и результаты их применения.

Ускоряющее напряжение ниже 5 кВ считается низким, а ниже 1 кВ – ​сверхнизким. На рис. 1 показаны расчетные глубины проникновения электронов зонда в образец из графита для ускоряющих напряжений 15, 5, 1, 0,5 и 0,3 кВ. Расчеты показывают, что глубина проникновения при 1 кВ в 100 раз меньше, чем при 15 кВ. Соответственно, объем взаимодействия электронов зонда с образцом, из которого мы получаем сигнал, уменьшается в миллион раз! Таким образом, при низком ускоряющем напряжении толщина исследуемого слоя существенно уменьшается.

Для борьбы с эффектом зарядки поверхности обычно на образцы наносят проводящее покрытие, чтобы заряд растекался по поверхности и стекал на подложку. Однако такой способ подходит не для всех материалов: например, развитая трехмерная наноструктура поверхности может маскироваться таким покрытием [1].
Сверхнизкое ускоряющее напряжение дает возможность наблюдать непроводящие образцы с тонкой структурой без такой защиты [2], в то время как при высоком ускоряющем напряжении поверхность образца может повреждаться электронным зондом в результате нагрева, загрязнения или механического воздействия электронами зонда, что необходимо учитывать.

При всех описанных преимуществах существуют некоторые сложности наблюдений при низком ускоряющем напряжении. Одним из таких узких мест является оптимизация (минимизация) диаметра электронного зонда, который во многом определяет пространственное разрешение изображения РЭМ. Диаметр зонда d на поверхности образца может быть выражен формулой
d2 = (M · ds)2 + (0,6 λ / sin α)2 + (0,5 Cs α3)2 + (Сc α (ΔЕ / E))2, (1)

где М – ​увеличение электронно-­оптической системы, ds – ​диаметр электронного источника (кроссовера), λ – ​длина волны электрона, α – ​угол сходимости электронного пучка, Cs – коэффициент сферической аберрации, Сс – ​коэффициент хроматической аберрации, ΔЕ – ​энергетический разброс электронов зонда и Е – ​их энергия.

Первое слагаемое представляет собой диаметр гауссова источника, уменьшенного электронно-­оптической системой, в плоскости образца, второе определяет предел дифракции, третье учитывает сферическую аберрацию, а четвертое – ​хроматическую. Мы видим, что четвертое слагаемое в формуле (1), соответствующее хроматической аберрации, возрастает при уменьшении Е. Поэтому основной причиной ухудшения разрешения при низком ускоряющем напряжении является хроматическая аберрация.
Метод замедления электронов зонда путем приложения к образцу напряжения смещения Ub используется для снижения хроматической аберрации при низком ускоряющем напряжении. В работе [3] показано, что коэффициент хроматической аберрации уменьшается в соотношении Ui / Ug при уменьшении кинетической энергии электронов зонда на образце. Здесь Ug – ​это ускоряющее напряжение электронной пушки, и Ui – ​напряжение, определяющее энергию электронов зонда, и связь между ними выражается:

Ui = Ug – ​Ub. (2)

Далее под термином «ускоряющее напряжение» мы будем подразумевать Ui, если не указана Ug.

Другими словами, коэффициент хроматической аберрации уменьшается по мере возрастания Ub, если Ug остает­ся постоянной. Наблюдение с высоким разрешением становится возможным даже при низком ускоряющем напряжении (энергии электронов зонда). Теоретический расчет (рис. 2) показывает, что диаметр зонда существенно уменьшается с увеличением ускоряющего напряжения электронной пушки Ug выше 5 кВ. Таким образом, можно сохранить малый диаметр зонда даже при низком ускоряющем напряжении Ui путем подачи напряжения смещения Ub –5 кВ.

Новая модель РЭМ JSM‑7900F для исследований с высоким разрешением при низком ускоряющем напряжении содержит ряд технологических новинок – ​супергибридную электростатическую / электромагнитную линзу, электронную пушку для получения большого тока зонда, TTL – ​детекторную систему (через линзу) для высокоэффективного сбора электронов, линзу контроля угла схождения (ACL) и систему управления электронной оптикой под названием Neo Engine.

Традиционно источником электронов является термоэмиссионная электронная пушка. В ней электроны испускает изогнутая в форме буквы V вольфрамовая проволока, нагретая до 2 800 К. Однако, в РЭМ сверхвысокого разрешения используются электронные пушки с полевой эмиссией, которые испускают электроны с разбросом по энергиям примерно в шесть раз меньшим, чем термоэмиссионная пушка [1]. За счет этого и достигается высокое разрешение: снижается хроматическая аберрация, так как в четвертом слагаемом формулы (1) величина ΔЕ становится меньше. Существуют полевые электронные пушки с холодным полевым катодом (холодная полевая эмиссия, CFE) и с катодом Шоттки (горячая полевая эмиссия, TFE). В нашей работе описана TFE, которая является основной электронной пушкой современных полевых РЭМ. В TFE эмиссия электронов облегчается за счет снижения работы выхода электронов в результате нанесения покрытия из ZrO2 на острие монокристаллического вольфрамового катода. Нагрев катода до температуры 1 700–1 800 К совместно с приложенным высоким вытягивающим напряжением, так же снижающим барьер благодаря эффекту Шоттки, формирует стабильную электронную эмиссию. Нагрев предотвращает адсорбцию газа на поверхность эмиттера, поэтому пушка может излучать электроны стабильно в течение длительного времени. Кроме того, разработанная нами электронная пушка in-lens Schottky Plus позволяет получать ток зонда значительно больший, чем обычная TFE. Пушка помещена в магнитное поле линзы конденсора, которая фокусирует эмитированные электроны, более эффективно направляя их в колонну.

На рис. 3 схематически показаны обычная TFE-пушка и in-lens Schottky Plus.

Объективная линза используется для фокусировки электронного зонда на поверхности образца. В обычной конструкции – ​out-lens – ​образец располагается вне магнитного поля объективной линзы (рис. 4а), поэтому улучшить разрешение трудно из-за аберрации.
Другая объективная линза – ​semi-in-lens – ​специально разработана с целью увеличения разрешения  (рис. 4б). Магнитное поле выходит из объема линзы и попадает на поверхность образца. Кроме прочего, это способствует повышению эффективности детектирования вторичных электронов, так как благодаря ларморовскому движению поле собирает их к внутренней части объема линзы [4]. Совместно с semi-in-lens применяют TTL‑систему регистрации электронов, когда они попадают в детектор, пролетев через объем объективной линзы. Однако магнитное поле создает трудности наблюдения в РЭМ магнитных образцов. Кроме того, при анализе кристаллов методом дифракции отраженных электронов (EBSD) [1, 5] это же поле влияет на траектории движения электронов обратного рассеяния (BSE), осложняя EBSD‑анализ.

Разрешить возникшие трудности удалось наложением электростатического поля на магнитное поле объективной линзы. В этом методе на выходе из объективной линзы генерируется замедляющее электростатическое поле, которое уменьшает коэффициент хроматической аберрации [3]. Кроме того, с помощью этого же поля можно захватывать электроны, испускаемые поверхностью образца. Объективная линза, в которой применяют­ся наложенные электростатическое / магнитное поля, называет­ся супергибридной (SHL).

Схема ее работы показана на рис. 4в [6]. SHL обеспечивает высокое разрешение и незначительно влияет на траектории BSE благодаря минимальной утечке магнитного поля. Возможность совместного использования TTL‑детектора и SHL позволяет добиться малых аберраций при низких ускоряющих напряжениях.

Наиболее распространенным детектором электронов, испускаемых образцом в растровом электронном микроскопе, является классический детектор Эверхарта – Торнли (ЕТ). На конце такого детектора расположен сетчатый электрод (коллектор), на который подается положительное напряжение для сбора электронов низких энергий. Далее они ускоряются полем и попадают на сцинтиллятор, который преобразует их энергию в свет. Свет через специальный оптовод попадает на фотоумножитель, преобразующий излучение в электрический сигнал и усиливающий его. Детекторы ЕТ способны создавать изображения при высоких скоростях сканирования. Нижний детектор (LED), показанный на рис. 5, – это детектор ET.

Для детекторования обратнорассеянных электронов, которые обладают, как правило, большой энергией, и дальнейшего получения изображений из них используется полупроводниковый детектор (на рис.  5 – BED). Электроны с кинетической энергией 1 кэВ или более, попадая на полупроводниковую пластину, генерируют электронно-дырочные пары, которые затем преобразуются в электрические сигналы.

TTL-детектор, используемый совместно с супергибридной объективной линзой, эффективно захватывает вторичные электроны (SE), если поместить его на оптической оси непосредственно над этой линзой. Кроме того, TTL-детектор может увеличить эффективность захвата вторичных электронов при использовании верхнего детектора вторичных электронов (USD). Также можно выборочно захватывать обратнорассеянные электроны верхним детектором (UED) путем совместного применения энергетического фильтра, UED и USD, как это показано на рис. 5. Метод замедления электронов зонда также увеличивает эффективность детектирования вторичных электронов (SE) TTL-системой JSM-7900F. При приложении напряжения смещения (отрицательное напряжение) к поверхности образца SE ускоряются и попадают в детектор TTL с большей энергией. На рис.  6 показан диапазон, в котором детектор TTL собирает электроны, испускаемые образцом.

Диаметр зонда d определяется несколькими параметрами, входящими в формулу (1). Среди них угол сходимости α, который входит во второе, третье и четвертое слагаемые соответственно. Полагая, что ускоряющее напряжение равно 30 кВ, Cs = 1 мм, Сс = 1 мм, ΔЕ = 0,7 эВ, а гауссов диаметр электронного зонда M · ds составляет 0,6 нм, построена рассчитанная по (1) зависимость диаметра зонда d от угла сходимости (рис. 7). Минимальному диаметру зонда соответствует оптимальный угол (минимум на кривой), поэтому важно иметь возможность им управлять. Для этой цели мы расположили линзу контроля угла сходимости (ACL) сразу над объективной линзой.

На рис. 8 показан пример работы ACL: благодаря тому, что линза ACL обеспечивает оптимальный угол сходимости для разных токов зонда, полоса Ni на профиле концентрации имеет почти одинаковую ширину при токах зонда 500 пА и 5, 20, 50 нА.
На рис. 9 показан результат расчета нормализованного диаметра зонда с ACL и без ACL. Видно, что изменение нормализованного диаметра зонда для каждого тока зонда меньше с ACL, чем без ACL. В частности, нормализованный диаметр зонда при токе зонда 20 нА с ACL в семь раз меньше, чем без ACL.

При наблюдении поверхности важная задача – ​уменьшение загрязнения образца. В JSM‑7900F образец загружается и выгружается с помощью специального шлюза, поэтому в камере образцов сохраняется высокий вакуум порядка 10–4 Па. Такая система позволяет быстро заменить образец и уменьшить его загрязнение.

Исследования образцов в полевых РЭМ проводятся в широком диапазоне ускоряющего напряжения и тока зонда в зависимости от целей и объектов исследования. Важно обеспечить получение качественного изображения и проведение анализа при любых возможных условиях. JSM‑7900F проводит расчет траекторий движения электронов для каждого набора условий, результаты автоматически применяются для управления электронным зондом. Мы разработали новую систему управления электронной оптикой Neo Engine для того, чтобы сделать работу на JSM‑7900F проще, удобней и увеличить его пропускную способность. Neo Engine повышает эффективность управления электронно-­оптической системой и работы автоматических функций, таких как автофокус. В результате можно получать стабильно качественные изображения даже при низком ускоряющем напряжении.

Низкие ускоряющие напряжения, которые оптимальны для исследования поверхности, создают, однако, трудности в проведении элементного анализа и анализа ориентации кристаллов. С другой стороны, при низких ускоряющих напряжениях существенно уменьшаются повреждения образца электронным зондом.

Разработка новых методов анализа поверхности в последнее время дала возможность собирать информацию об элементном составе и ориентации кристаллов при низких ускоряющих напряжениях, которую трудно было получить ранее.

Недавно был разработан новый метод анализа образцов в РЭМ: спектроскопия мягких рентгеновских лучей (SXES) для линий с энергией переходов ниже 1 кэВ [7, 8]. Например, для обнаружения и анализа алюминия ЭДС обычно используют линию Al-­Kα (1,486 кэВ) [1], а рабочий диапазон SXES позволяет регистрировать Al-­L-линии (0,073 кэВ), которые описывают электронные переходы вблизи валентной зоны. Высокое энергетическое разрешение дает возможность проводить не только элементный анализ, но и анализ химических состояний.

Принцип набора спектра показан на рис. 10. Испускаемое образцом характеристическое рентгеновское излучение фокусируется собирающим зеркалом и направляется на дифракционную решетку, которая разлагает его в спектр и прое­цирует на рентгеновскую CCD‑камеру. Характеристическое рентгеновское излучение широкого диапазона энергий (длин волн) может быть разложено в спектр одновременно благодаря применению неоднородной дифракционной решетки [9]. Низкая энергия анализируемых линий позволяет SXES работать даже при сверхнизких ускоряющих напряжениях ниже 1 кВ. Поэтому SXES привлекает внимание как новый метод анализа поверхности.

EBSD (рус. ДОРЭ-дифракция обратнорассеянных электронов) является одним из методов анализа кристаллов в РЭМ. При облучении образца электронным зондом, часть электронов после многократного рассеивания вылетает обратно под случайными углами. Если образец – монокристалл, то для некоторых BSE-электронов выполняется условие дифракции Вульфа-Брэггов. Если спроецировать обратнорассеянные электроны на экран, то можно наблюдать результат такой дифракции: узор псевдолиний Кикучи или узор EBSD (рис. 11).

Уровень сигнала улучшается за счет наклона образца до 70⁰, а эффективность сбора электронов повышается за счет размещения экрана вблизи образца (рис. 12).

Проанализировав узор EBSD, можно узнать об ориентации и параметрах кристалла в точке, куда направлен электронный зонд. Если такой анализ выполняется по всей поверхности образца, можно построить карту ориентаций в кристаллах. Этот метод широко применяется для анализа металлов и керамики, так как он позволяет получить широкий спектр информации о кристаллах (такие как размер зерна, форма и искажение).

Сегодня доступны различные EBSD-детекторы от нескольких компаний. Для анализа при помощи обычных детекторов ускоряющее напряжение РЭМ должно превышать от 15–20 кВ, с тем чтобы получить узор EBSD с достаточной для анализа интенсивностью. Однако использование EBSD-детектора Symmetry (Oxford Instruments), построенного на базе современных CMOS-приборов, позволяет проводить адекватный EBSD-анализ даже при низком ускоряющем напряжении, приблизительно 3–5 кВ. Кроме того, что при этом образец повреждается меньше, можно получить информацию о кристаллическом строении более тонкого приповерхностного слоя.

Мезопористый диоксид кремния (SBA‑15) представляет собой типичный пористый материал, применяется в качестве адсорбента и катализатора. Он изготовлен из аморфного SiO2 с порами, характерный размер которых составляет около 10 нм. Сформировать проводящее покрытие таких образцов трудно, они имеют развитую трехмерную структуру и поэтому сложно обеспечить надежную электрическую связь между островками проводника. Таким образом, SBA‑15 – ​это один из материалов, наблюдать поверхность которых с помощью РЭМ сложно.

Образцы для исследования диспергировали в этаноле, раствор капали на графитовую подложку и нагревали в течение примерно 15 мин на горячей плитке при 200 °C. На рис. 14 показаны результаты наблюдений SBA‑15 при различных условиях. На рис. 14а представлено РЭМ‑изображение SBA‑15 при ускоряющем напряжении 0,3 кВ (напряжение смещения на образце –5 кВ) с током зонда 7 пА. Требуемая 10-нм структура мезопор отчетливо видна. Нам удалось подавить влияние эффекта зарядки совместным снижением тока зонда и ускоряющего напряжения и успешно наблюдать наноструктуры. С другой стороны, мы наблюдали характерный чрезмерно высокий контраст, вызванный зарядкой образца, при ускоряющем напряжении 1,5 кВ (напряжение смещения на образце –5кВ) (рис. 14б). Кроме того, на рис. 14(в) показано изображение, снятое при ускоряющем напряжении 0,3 кВ (смещение образца –5 кВ) сразу же после предыдущего изображения (см. рис. 14б) (при ускоряющем напряжении 1,5 кВ). Наноструктуры поверхности видны нечетко, потому что скрыты загрязнениями, образованными во время наблюдения при ускоряющем напряжении 1,5 кВ.

Качество пробоподготовки имеет большое значение для таких исследований, потому что наблюдение при низком ускоряющем напряжении чувствительно к чистоте поверхности, как показано на рис.  14в. По этой причине мы рекомендуем исследовать образец на низких ускоряющих напряжениях непосредственно сразу после его синтеза или производства без проводящего покрытия.

Объединяя исследование в РЭМ с низким ускоряющим напряжением и SXES, можно выполнить элементный анализ и анализ химических состояний поверхности образца. Для возбуждения характеристических рентгеновских лучей образец облучают электронным зондом с ускоряющим напряжением выше критического напряжения возбуждения детектируемых элементов. Однако оптимально превышение критического напряжения в 2–3 раза. Например, характеристическое рентгеновское излучение линии C-Kα может быть получено даже при низком ускоряющем напряжении около 0,5–1 кВ, потому что критическое напряжение возбуждения составляет 0,277 кВ.

Результаты анализа SXES в точке для графита и алмаза показаны на рис. 15. Видно, что спектральные формы и положения пиков отличаются в зависимости от химического состояния, даже для аллотропных модификаций одного элемента (углерода) [10].
Приведем в качестве примера псевдо­профилирование по глубине без травления образца. Можно варьировать глубину проникновения электронов в объект, изменяя ускоряющее напряжение. Образец – ​выращенная на подложке Si пленка SiO2 толщиной приблизительно 100 нм. Как и у углерода, пики кремния в спектре отличаются для Si и SiO2 из-за различного химического состояния, как показано на рис. 16. На рис. 17 приведены спектры SXES при различных уско­ряющих напряжениях. Видно, что кремний подложки являет­ся основным источником спектральной информации при 7 кВ, а пленка SiO2 – ​при 1 кВ.
С помощью SXES и растрового полевого микроскопа можно проводить неразрушающий анализ распределения химических состояний по глубине путем изменения ускоряющего напряжения.

Кроме того, как описано в последних докладах [11], благодаря применению метода замедления электронов зонда возможно получение спектра даже при ускоряющем напряжении 100 В.

РЭМ с низким ускоряющим напряжением – ​мощный инструмент для наблюдения и анализа оригинальных наноструктур без создания артефактов.

Перламутровый слой, сформированный внутри раковины жемчужницы, легко повреждается при облучении электронным зондом. Он считается сложным для EBSD‑анализа ориен­тации кристаллов, поскольку этот метод требует высокого ускоряющего напряжения 15–20 кВ. Решение подобных трудных задач возможно методом EBSD при низком ускоряющем напряжении с использованием нового детектора, построенного на современных CMOS‑приборах.

Поперечное сечение для анализа было подготовлено методом травления ионами Ar на установке IB‑19520CCP. Метод EBSD чувствителен к качеству поверхности, так как информация извлекается из тонкого приповерхностного слоя, около 50 нм глубиной, в зависимости от материала образца. Таким образом, необходимо подготовить исследуемую поверхность, чтобы она была гладкой, без повреждений.

CCP‑подготовка включает охлаждение образца жидким азотом, чтобы уменьшить его термическое повреждение при облучении пучком ионов. Мы проводили травление в CCP с поддержанием температуры образца ниже, чем –120 °С. После окончания травления на поверхность образца было нанесено покрытие Os толщиной 1 нм при помощи устройства напыления Os (OPC80 T от компании Filgen Co.).

На рис. 18 показаны полученные EBSD-карты поперечного сечения перламутрового слоя жемчужницы при обычном высоком 10 кВ (рис. 18а) и низком ускоряющих напряжениях 5 кВ (рис. 18б). Сравнивая два изображения, можно видеть, что качество заметно лучше при низком 5 кВ ускоряющем напряжении. Причина – ​повреждение образца электронным зондом при высоком ускоряющем напряжении. Таким образом, мы можем увеличить количество точек (пикселей) в четыре раза при наборе карты с низким ускоряющим напряжением, получив изображение более высокого качества.

В работе описан способ реализации наблюдения поверхности образца с высоким разрешением при уменьшенных эффекте зарядки поверхности и повреждениях образца. Приведены примеры применения и экспериментальные доказательства преимущества анализа поверхности при низком ускоряющем напряжении.

Хроматическая аберрация уменьшается, и разрешение улучшается при использовании метода замедления электронов зонда , основанного на зависимости разрешения от параметров электронно-­оптической системы. Продемонстрированы новые разработки, такие как объективная линза, электронная пушка Шоттки и система детекторов электронов. Кроме того, показано, что линза контроля угла схождения (ACL) играет важную роль для получения высокого разрешения.

Обсуждаются в качестве примера наблюдение поверхности мезопористого диоксида кремния с высоким разрешением. На этом примере показана важность пробоподготовки так же, как и параметров работы РЭМ для того, чтобы избежать зарядки поверхности образца.
Элементный анализ с использованием SXES возможен в РЭМ при ускоряющем напряжении 1 кВ или менее. Представлен пример успешного изучения кристаллографии биоминералов с уменьшенным повреждением образца с помощью метода EBSD при низком ускоряющем напряжении. Высокостабильный полевой РЭМ ультравысокого разрешения JSM‑7900F в эффективном сочетании с методом EBSD при низком ускоряющем напряжении при помощи детектора нового типа, после травления CCP, позволяет преодолеть трудность наблюдения этого сложного объекта. Показаны успешные результаты набора EBSD карты перламутрового слоя высокого качества.

Приведенные примеры позволяют сделать вывод, что полевой РЭМ ультравысокого разрешения JSM-7900F отвечает всем современным требованиям пользователей и позволяет получать стабильно качественные изображения поверхности образца, а также проводить анализ ориентации кристаллов, элементный анализ и анализ химических состояний даже при низких ускоряющих напряжениях.

Выражаем благодарность специалистам, с которыми мы проводили конструктивное обсуждение: профессору Osamu Terasaki of Shanghai Tech University за мезопористый диоксид кремния, г-ну Hirofumi Morita из Oxford Instruments за EBSD, доктору Hideyuki Takahashi и Masaru Takakura за SXES, г-ну Mr. Tetsuro Nagoshi за метод исследования при низком ускоряющем напряжении. Выражаем свою признательность всем лицам, имевшим отношение к написанию статьи.

Текст переведен инженером-консультантом Владимиром Башкирцевым (компания «ДЖЕОЛ (РУС)»).

Goldstein J. I., Newbury D. E., Echlin P., Joy D. C., Lyman C. E., Lifshin E., Sawyer L. and Michael J. R. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis // Springer Publishing. 2007. Third edition, pp. 657, p. 35, pp. 297–353.
https://www.jeol.co.jp/applications/detail/811.html 
Mullerova I., Lenc M. Some approaches to low-voltage scanning electron microscopy // Ultramicroscopy. 1992. 41. PP. 399–410. 
Chen F. F. Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, V. 1 // Plasma Physics, Plenum Press published, Second Edition. 1984. PP. 19–21. 
Reimer L. Scanning Electron Microscopy –Physics of Image Formation and Microanalysis // Springer Published, Second edition. 1998. PP. 368–370, p. 173. 
Suga M., Asahina S., Sakuda Y., Kazumori H., Nishiyama H., Nokuo T., Alfredsson, Kjellman T., Stevens SM., Cho HS., Cho M., Han L., Che S., Anderson M.W., Schuth F., Deng H. V., Yaghi O.M., Liu Z., Jeong HY., Stein A., Sakamoto K., Ryoo R., and Terasaki O. Recent progress in scanning electron microscopy for the characterization of fine structural details of nanomaterials // Progress in Solid State Chemistry, v. 42, no. 1–2. 2014. PP. 1–21. 
Terauchi M., Yamamoto H. and Tanaka M. Development of a sub-eV resolution soft-­X‑ray spectrometer for a transmission electron microscope // Journal of Electron Microscopy. 2001. 50(2), pp. 101–104. 
Asahina S., Suga M., Takahashi H., Jeong H. Y., Galeano C., Schüth F., and Terasaki O. Direct observation and analysis of york-shell materials using low-voltage high-resolution scanning electron microscopy: Nanometal-­particles encapsulated in metaloxide, carbon, and polymer //APL Materials vol. 2. 2014. P. 113317, DOI: 10.1063/1.4902435. 
Takakura M., Murano T., and Takahashi H. Newly Developed Soft X‑ray Emission Spectrometer, SS94000SXES // JEOL News, 2015. V. 50, no. 1, July. 
Sakuda Y., Asahina S., Togashi T. and Kurihara M. Kinzoku 2018. 88, (11), pp. 892–897, in Japanese. 
Takahashi H., Asashina S., Yamamoto Y., Sakuda Y., Takakura M., Murano T., Terauchi M. Soft X‑ray Depth Chemical State and Quantitative Analysis with Variable Low Incident Voltage // Proc. of 72nd Annual Meeting of the Japanese Society of Microscopy. 2016. V. 51, Supplement 1, p. 131, in Japanese.

лабораторная работа 34

Цель работы: 1. Ознакомление с принципом действия осциллографа. 2. Определение чувствительности отклоняющих пластин электронно-лучевой трубки осциллографа.

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф, вольтметр, регулируемый источник напряжения.

 

Принципиальное устройство

электронного осциллографа

 

Перед выполнением работы необходимо уяснить принцип действия и назначение электронного осциллографа. Например, с помощью осциллографа можно измерять силу тока, напряжение и их изменение во времени, сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, осциллограф при применении соответствующих преобразователей позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т.д.

Достоинствами электронно-лучевого осциллографа являются его высокая чувствительность и безынерционность действия, что позволяет исследовать процессы, длительность которых порядка 10^-8–10^-9 с.

Для ознакомления с работой осциллографа разберем назначение отдельных его частей.

Электронно-лучевая трубка. Важнейшим элементом осциллографа является электронно-лучевая трубка (рис. 1), которая внешне представляет собой стеклянную колбу специальной формы, откаченную до высокого разрежения, с расположенной внутри системой электродов.

На рис. 1 схематически представлено устройство трубки с электростатическим управлением. В торце узкой части стеклянного баллона 8 расположен катод в виде небольшого цилиндра 2, внутри которого помещена спираль для подогрева 1. Дно цилиндра с внешней стороны покрыто оксидным слоем; с его поверхности при подогреве вылетают электроны. Вблизи катода расположен полый цилиндр 3, называемый управляющим электродом или модулятором, который служит для изменения плотности потока электронов, т.е. позволяет регулировать яркость пятна на экране, 9, покрытом люминофором. Модулятор имеет отрицательный потенциал относительного катода.

 

Рис. 1

Далее по оси трубки располагаются еще два цилиндра – первый 4 и второй 5 аноды. Первый анод, находясь под положительным потенциалом в несколько сотен вольт, ускоряет движущийся от катода поток электронов. Ко второму аноду подводится напряжение, достигающее в некоторых электронно-лучевых приборах десятков киловольт, и поток электронов выходит из второго анода с  высокой скоростью. Аноды предназначены как для ускорения электронов, так и для формирования электронного луча – узкого, сходящегося у поверхности экрана пучка электронов. Изменением величины напряжения на первом аноде 4 получают необходимую фокусировку луча. Вся система вышеперечисленных электродов крепится на траверсах и образует единое устройство, называемое электронным прожектором.

Выйдя из  прожектора, электронный поток (луч) попадает в отклоняющую систему, служащую для управления положением электронного луча в пространстве. В рассматриваемой нами трубке отклоняющая система состоит из двух пар пластин 6 и 7, расположенных попарно в вертикальной (горизонтально отклоняющие пластины 7) и горизонтальной (вертикально отклоняющие пластины 6) плоскостях. Каждая пара пластин образует плоский конденсатор, и если потенциалы пластин различны, то между ними создается электрическое поле. Между пластинами электроны движутся в поперечном электрическом поле по параболической траектории, и по выходе из пластин траектория оказывается направленной по отношению к оси трубки под некоторым углом, величина которого зависит от разности потенциалов на пластинах и от размеров пластин. Следовательно, с помощью этих двух пар пластин, создающих взаимно перпендикулярные электрические поля,  можно управлять электронным потоком в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Пусть на горизонтально отклоняющие пластины 7 подано напряжение U_х, а на вертикально отклоняющие пластины – U_у, тогда под действием приложенного напряжения U_х след электронного потока смещается на величину Х в горизонтальном направлении, а под действием U_у – на величину Y в вертикальном направлении.

Отклонение Y электронного луча в вертикальном направлении можно рассмотреть на примере отклонения одного электрона (рис. 2).

Пусть на горизонтальные пластины поданы потенциалы, как показано на рис. 2. Тогда однородное электрическое поле внутри пластин направлено снизу вверх (см. рис. 2). Пусть в это электрическое поле влетает электрон с начальной скоростью ₀ (₀ – это скорость электрона, полученная в результате действия анодного напряжения U₀). На него со стороны электрического поля действует электрическая сила, равная

 ,                                      (1)

 

где е – заряд электрона; Е – напряженность электрического поля между пластинами, которая определяется так:

,                                       (2)

 

где U_у – разность потенциалов, приложенных к пластинам;
d – расстояние между пластинами.

 

 

Рис. 2

Тогда с учетом (2) и (1) получим

.                                  (3)

 

Поскольку на электрон действует только электрическая сила F (силу тяжести не учитываем, т.к. она пренебрежимо мала), то, используя второй закон Ньютона

F = mа,

 

можно найти ускорение электрона в вертикальном направлении Y, т.е.

           или        .                   (4)

 

Так как  электрон движется вдоль оси Х параллельно пластинам и одновременно на него действует сила F, в вертикальном направлении (ось Y), то траектория электрона имеет форму параболы (на рис. 2 пунктирная кривая). Отклонение электрона от прямолинейной траектории в направлении оси Y можно найти исходя из равноускоренного движения электрона вдоль оси Y (на рис. 2 указано Y₁), т.е.

.                                     (5)

 

Время t отклонения электрона равно времени прохождения электрона вдоль пластин, т.е.

,                                        (6)

 

где  – длина пластин.

С учетом (6) и (4) уравнение (5) можно представить в виде

.                            (7)

 

Приближенно формула (7) справедлива и для электронного луча. Из нее видно, что отклонение Y при , ,  зависит только от разности потенциалов , приложенных между пластинами. Соотношение

                                       (8)

 

называется чувствительностью. Такое же выражение, используя формулы (1-6), можно получить для вертикальных пластин. Для них отклонение траектории электрона будет происходить вдоль оси Х, тогда по аналогии с формулой (8)

                                     (9)

 

и                                   ,                                                 (10)

 

где  – разность потенциалов между вертикальными пластинами. В дальнейшем разность потенциалов между пластинами будем считать равной напряжению.

Величины

 ,                                             (11)

 

называются чувствительностями к напряжению соответственно в направлениях осей Х и Y. Чувствительность трубки по напряжению, при заданном напряжении 2-го анода, представляет собой величину отклонения электронного луча на экране (в мм), получающегося при изменении напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам, на 1 вольт.

При постоянном анодном напряжении величины и  для данной электронно-лучевой трубки постоянны.

Пройдя отклоняющую систему, электронный луч движется в расширенной части баллона, и электроны в конце пути попадают на экран 9 трубки. Эта часть баллона с внутренней стороны покрыта люминофором – веществом, способным светиться под воздействием бомбардирующих его электронов. При попадании электронного луча на экран люминофор возбуждается и на экране трубки появляется небольшое светящееся пятно, видимое снаружи через стекло баллона.

Если напряжения на отклоняющих пластинах изменяются, то электронный луч, а следовательно, и светящееся пятно на экране перемещаются, описывая траекторию в соответствии с законом изменения напряжения на отклоняющих пластинах. Таким образом, закон изменения напряжения на отклоняющих пластинах может визуально наблюдаться на экране электронно-лучевой трубки.

Генератор развертки. Генератор развертки представляет собой электронное устройство, позволяющее получить напряжение развертки. Если исследуемое напряжение имеет периодический характер  то для наблюдения на экране формы кривой его подводят к пластинам Y, а на пластины Х подают периодическое напряжение развертки , изменяющееся по какому-либо временному, желательно простому закону, где
Т – период развертки. Обычно напряжение развертки, используемое в осциллографах, изменяется со временем либо по линейному, либо по синусоидальному закону. На рис. 3 в качестве примера линейного развертывающего напряжения изображено так называемое пилообразное напряжение.

Пилообразным оно называется потому, что форма его кривой напоминает зубцы пилы. Это напряжение характеризуется тем, что его увеличение прямо пропорционально времени, и рост напряжения происходит в течение времени t₁.

Рис. 3

 

При линейном увеличении напряжения электронный луч с экрана осциллографа уходит из исходного положения медленно. Спад напряжения от наибольшего его значения до исходной величины происходит в течение времени t₂. Так как t₂ « t₁, то спад напряжения происходит практически мгновенно. Следовательно, электронный луч также мгновенно возвращается в исходное положение. Период развертки равен Т = t₁ + t₂.

Если периоды исследуемого напряжения и напряжения развертки кратны друг другу, то на экране мы получим неподвижное изображение. В противном случае изображение на экране осциллографа будет передвигаться.

На рис. 4 приведена блок-схема осциллографа, основными узлами которого являются электронно-лучевая трубка, усилители напряжения U_х, U_у, генератор пилообразного напряжения, блок питания. Исследуемое напряжение U_у подается непосредственно через усилитель на вертикально отклоняющие пластины. На вторую пару пластин подается напряжение от какого-либо постороннего источника или пилообразное напряжение от генератора развертки.

Регулировка яркости и фокусировки луча, а также его начальное смещение по вертикали и горизонтали осуществляются с помощью переменных сопротивлений R₁, R₂, R₃, R₄.

На лицевой панели осциллографа расположены все органы управления с соответствующими надписями.

Рис. 4

 

Ход работы

Упражнение 1. Определение чувствительности отклоняющих пластин трубки осциллографа.

1. Установить переключатели Х и Y (рис. 5) в верхнее положение.

Рис. 5

 

2. Включить генератор развертки, устанавливая рукоятку «диапазон частот» в положение «выкл». Включить осциллограф и вывести световое пятно в центр координатной сетки с помощью рукояток: «ось Y» – вверх-вниз, «ось Х» – влево-вправо.

3. Подключить к клеммам X источник напряжения и вольтметр в соответствии с рис. 5 и подать последовательно напряжение U_x= 15 В, 20 В, 25 В, 30 В. Для каждого значения измерить по координатной сетке длину горизонтальной световой линии в мм. То же самое повторить, подключая источник напряжения к клеммам Y.

4. Вычислить чувствительность горизонтальных отклоняющих пластин по формуле

                                      .                                                    (12)

 

5. Аналогично определить чувствительность вертикально отклоняющих пластин:

                                        ,                                                   (13)

 

где U_y – напряжение на пластинах «Y», определяемое по вольтметру при постоянном токе;  – длина вертикальной линии на экране, мм.

6. Результаты измерения занести в таблицы.

В случае работы с источником переменного напряжения:

                 ,                      ,                  (14)     

 

где  и  – эффективные напряжения, измеряемые вольтметром переменного тока.

Таблица

№ п/п	Напряжение, поданное на пластины		Длина линии на экране , мм	Чувстви- тельность трубки , мм/В	Средняя чувствительность трубки , мм/В
	Uхе, В	Uх, В

В данной работе, используется переменное напряжение, поэтому в рабочие формулы (12), (13), подставляем   (14).» (на лицевой панели) от источника напряжения подать переменное синусоидальное напряжение величиной 30 В.

4. Рукоятками ослабления «1:10» либо «1:100» и «усиление Y» отрегулировать удобный размер изображения по вертикали примерно 0,7 от размера экрана.

5. Переключателем «диапазон развертки» и рукояткой «частота плавно» добиться того, чтобы на экране было видно несколько периодов синусоиды. Величина изображения по горизонтали задается рукояткой «усиление Х». Окончательной стабильности изображения добиваются рукоятками «частота плавно» и «синхронизация» или «амплитуда синхронизации».

6. Полученную синусоиду зарисовать.

7. Устанавливая напряжение в 25, 20, 15 В, проследить за изменением формы кривой на экране. Синусоиды, соответствующие указанным напряжениям, зарисовать на тех же осях, что и 30 В.

 

Вопросы для допуска к работе

1.       Какова цель работы?

2.       Назовите основные узлы осциллографа и укажите их назначение.

3.       Что называется чувствительностью электронно-лучевой трубки по напряжению?

4.       Оцените погрешность метода измерений чувствительности пластин осциллографа.

 

Вопросы для защиты работы

1.       Каковы устройство и принцип действия осциллографа?

2.       Выведите формулу чувствительности  и .

3.       Объясните устройство и принцип работы электронно-лучевой трубки.

4.       Почему подается пилообразное напряжение на вертикально отклоняющие пластины?

5.       Каково практическое использование осциллографа?

 

 

Кинетическая энергия пучка электронов – Справочник химика 21

    Если движущийся электрон может находиться в ограниченном объеме, когда все три пространственные координаты могут изменяться в некоторых пределах, за которыми потенциальная энергия возрастает до бесконечности (трехмерный потенциальный ящик), то уравнение Шредингера распадается на три отдельных уравнения, соответствующих каждой пространственной координате. Кинетическая энергия электрона, обусловленная его движением вдоль каждой координатной оси, выражается соотношениями вида (1.20), в которые входят квантовые числа п , Пу и п.2. Волновая функция электрона в трехмерном потенциальном ящике определяется тремя квантовыми числами, а полная кинетическая энергия равна [c.16]
    Для проведения процессов плавки, испарения и термообработки применяют пушки со средней й большой мощностью пучков (от 5 до 1200 кВт), удельной поверхностной мощностью от нескольких десятков киловатт на квадратный сантиметр с диаметром пучков до 100 мм. По применяемым ускоряющим напряжениям различают установки низкого (20-200 кВ), среднего (от 200 до 600 кВ) и высокого (600 кВ -5 MB) напряжения. Ускоряющее напряжение технологических электронно-лучевых установок находится в пределах 10-150 кВ, а в химических электронно-лучевых процессах- 300 кВ, реже 1 MB и выше. В диапазоне ускоряющих напряжений 10-150 кВ скорость электронов составляет 0,2-0,6 скорости света. При напряжении выше 100 кВ следует учитывать релятивистские эффекты, так как кинетическая энергия электрона, ускоренного в поле напряжением U до скорости v, равна [c.103]

    Электроны, проходя через вещество, испытывают упругое и неупругое рассеяние. При упругом рассеянии часть кинетической энергии падающего электрона передается ядру, которое можно считать неподвижным. В результате многократного упругого рассеяния узкий пучок моноэнергетических электронов, проходя через толстый слой вещества, постепенно расширяется. При неупругом рассеянии электроны расходуют свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов поглотителя. Эти процессы обладают равной по порядку величины вероятностью и обычно объединяются под общим названием ионизационных потерь энергии. Согласно тео- [c.15]

    Из формулы (3.12) видно, что при заданной максимальной мощности пучка ускорителя, определяющей дозу в импульсе, а следовательно, переносимую пучком энергию, приходящуюся на единицу длины кюветы (глубина кюветы задается кинетической энергией ускоренных электронов), чувствительность оптического метода регистрации короткоживущих продуктов радиолиза зависит только от числа проходов зондирующего луча через кювету. Увеличение длины кюветы при одновременном увеличении размера пучка без изменения его мощности (например, путем развертки пучка вдоль кюветы) не повышает чувствительности метода, однако полезно с точки зрения снижения вероятности рекомбинации короткоживущих продуктов между собой вследствие снижения мощности дозы. [c.63]

    Кинетическая энергия пучка электронов, прошедших ускоряющую разность потенциалов 1/уск, выделяющаяся на бомбардируемой поверхности при попадании на нее п электронов в 1 сек, [c.235]

    В последние годы все большее распространение получает электронно-лучевая плавка тугоплавких редких металлов высокой чистоты. При соударении пучка электронов с поверхностью металла кинетическая энергия электронов переходит в тепловую, в результате чего металл нагревается и расплавляется. [c.329]

    Поглощение -у-лучей в веществе происходит по одному из трех механизмов. Если энергия у вантов составляет около 10 кэв (Я>1,5 А), то при взаимодействии фотона с атомом наблюдается фотоэлектрический эффект. Кинетическая энергия выбитого электрона равна энергии поглощенного фотона за вычетом энергии, необходимой для удаления электрона из атома. Фотон при этом полностью поглощается и, следовательно, такой процесс не меняет энергии фотонов проходящего пучка, а [c.259]

    По волновой теории с увеличением амплитуды электромагнитных колебаний интенсивность светового пучка растет. Поэтому при работе с более интенсивными пучками света энергия, переданная каждому электрону, возрастает. Кинетическая энергия вылетевших электронов должна увеличиваться. [c.21]

    Для получения особо чистого молибдена и других тугоплавких металлов применяется плавка в электронном пучке (электронно-лучевая плавка). Нагревание металла электронным пучком основано на превращении в теплоту большей части кинетической энергии электронов при их столкновении с поверхностью металла. Установка для электронно-лучевой плавки состоит из электронном пушки, создающей управляемый поток электронов, и плавильной камеры. Плавку ведут в высоком вакууме, что обеспечивает удаление примесей, испаряющихся при температуре плавки (О, N. Р, Аз, Ре, Си, N1 и др.). Кроме того, высокое разрежение необходимо для предотвращения столкновений электронов с молекулами воздуха, что приводило бы к потере электронами энергии. После электронно-лучевой плавки чистота молибдена повышается до 99,9%. [c.659]

    Для этого необходимо получить концентрированный пучок свободных электронов, обладающих за счет высокой скорости значительной кинетической энергией, которая превращается в теплоту при торможении электронов в свариваемых де- Ф талях. [c.301]

    При столкновении пучка ускоренных электронов с поверхностью металла происходят следующие процессы 1) проникновение электронов в толщу металла, торможение их и превращение кинетической энергии в тепловую 2) возникновение вторичной электронной эмиссии с бомбардируемой поверхности  [c.236]

    Вылетающие с поверхности вторичные электроны обладают низкой кинетической энергией, поэтому их следует ускорить потенциалом в несколько сотен вольт. Ускоренные вторичные электроны направляются на детектор (кристалл-сцинтиллятор) и регистрируются. Отраженные электроны, энергия которых близка к энергии первичного пучка, детектируют без ускорения, используя сцинтилляционные или полупроводниковые устройства. [c.333]

    Коэффициент полезного действия электронной пушки составляет 0,99—0,98 к. п. д. процесса превращения кинетической энергии электронного пучка в тепло, как видно из рис. 9-11,а, в зависимости от атомного номера переплавляемого [c.249]

    Второй основной тип рассеяния — это неупругое рассеяние. При неупругом рассеянии энергия передается атомам и электронам мишени и кинетическая энергия электрона пучка уменьшается. Имеется множество возможных процессов неупругого рассеяния. Мы рассмотрим лишь основные процессы, представляющие интерес в растровой электронной микроскопии и рентгеновском микроанализе (основные сведения по этому вопросу можно получить в книге Киттеля [И]). Краткое описание этих процессов будет представлено здесь. [c.25]

    Важной характеристикой вторичных электронов является их малая глубина выхода, что является прямым следствием их низкой кинетической энергии при образовании. При движении в твердом теле за счет потерь энергии из-за неупругого рассеяния, которое имеет большую вероятность для электронов с низкой энергией, вторичные электроны испытывают сильные потери энергии. Кроме того, чтобы вылететь из твердого тела, вторичные электроны должны преодолеть поверхностный потенциальный барьер (работа выхода), для чего требуется энергия в несколько электронвольт. По мере того как электрон пучка продвигается глубже в образец и создает вторичные электроны, вероятность вылета таких электронов экспоненциально убывает  [c.59]

    В результате ионизации электронных уровней генерируются электроны. Они покидают атомы в процессе столкновения последних с первичными электронами и проходят через вещество, теряя кинетическую энергию в результате описанных процессов. Электроны, образовавшиеся вблизи поверхности, испускаются в вакуум, собираются и регистрируются детектором вторичных электронов. С помощью таких электронов можно получить изображение объемных образцов с топографическим и морфологическим контрастом, если проводить развертку первичного пучка (сканирование) по поверхности образца и измерять ток вторичных электронов как функцию положения пучка электронов (рис. 10.2-5). Контраст изображения определяется главным образом углом между направлением первичного пучка и плоскостью поверхности в определенном участке. Это означает, что при сканировании неровных образцов этот угол меняется от точки к точке и также меняется интенсивность вторичной электронной эмиссии. Полученное изображение очень похоже на изображение [c.329]

    В последние годы все большее распространение получает электронно-лучевая плавка тугоплавких редких металлов высокой чистоты При соударении пучка электронов с поверхностью металла кинетическая энергия электронов переходит в тепловую, в результате чего металл нагревается и расплавляется Электронно-лучевая плавка имеет важные преимущества перед другими методами плавки В электронно-лучевых печах слитки можно получать из порошков или скрапа, что исключае- трудоемкие операции по изготовлению электродов, а также дает возможность перерабатывать отходы Электронно-лучевую плавку проводят в глубоком вакууме (Ю —10 мм рт гт) при нагреве ванны жидкого металла на несколько сот градусов выше температуры плавления, что позволяет осуществлять глубокое рафинирование металла При плавке происходит дополнительная очистка от кислорода, азота, а также от некоторых металлических примесей 5п, Ре, РЬ, которые имеют более высокое давление пара по сравнению с основным металлом [c.329]

    В рентгеновских трубках в энергию излучения преобразуется небольшая часть энергии пучка (0,15% при /а=20 кВ и 10% при Иа = 2 МВ), а основная часть кинетической энергии электронов преобразуется в тепловую на аноде, причем область, куда попадают электроны, мала по размерам, что делает режим работы мишени весьма напряженным. Величина анодного напряжения определяет интенсивность и спектральный состав рентгеновского излучения. Интенсивность излучения, кроме того, прямо пропорциональна анодному току. Главной причиной, ограничивающей интенсивность излучения, величину энергии квантов рентгеновского излучения и минимальный размер фокусного пятна (область, из которого идет излучение), является сильный локальный и общий нагрев мишени анода, что может привести к их разрушению или расплавлению. Для повышения анодного напряжения и тока трубки принимают различные конструкции анодов (полый, вращающийся и др.) [c.286]

    Электронный спектр. Воздействие пучка рентгеновского излучения (РФЭС) или электронов (ОЭС) приводит к эмиссии электронов с поверхности образца. Электронный спектр представляет собой распределение эмитируемых электронов по кинетическим энергиям. Поскольку энергия источника возбуждения составляет единицы кэВ, то эмиссия электронов происходит с внутренних электронных уровней атома. Обычно в электронном спектре присутствует небольшое число характеристических линий. Фоновый сигнал электронного спектра формируется неупруго рассеянными электронами. Пример рентгеноэлектронного спектра приведен на рис. 11.33, а. Интенсивность оже-линий крайне мала. Устройство оже-спектрометров позволяет измерять не только спектр вторичных электронов, но и его первую производную по кинетической энергии электронов. Данный прием позволяет не только значительно повысить интенсивность линий, но и линеаризовать фоновый сигнал. На рис. 11.33, б изображен обзорный оже-электронный спектр поверхности серебра в интегральном и дифференциальном вариантах. [c.258]

    Энгельман разработал метод облучения, основанный на использовании бетатрона, который дает пучок электронов с максимальной энергией 28 Мэв. Электроны бомбардируют платиновую мишень, охлаждаемую циркулирующей водой. Кинетическая энергия электронов, проходящих через платину, частично переходит в тормозное излучение, максимальная энергия которого равна максимальной энергии бомбардирующие электронов. у-Излучение имеет характер непрерывного спектра. Было показано, что оптимальная толщина платиновой мишени для электронов с энергией 28 Мэв составляет 2 мм, а для полного поглощения всех электронов пучка, исключающих чрезмерное нагревание части аппа- [c.50]

    При неупругих взаимодействиях часть кинетической энергии падающих электронов превращается в потенциальную энергию в результате возбуждения электронных или колебательных уровней атомов мишени. При низких энергиях (порядка электронвольт) доминируют неупругие процессы возбуждения колебательных уровней и плазмонов. При более высоких энергиях (килоэлектронвольты) энергетические потери электронов, проходящих через вещество, обусловлены в основном ионизацией и возбуждением плазмонов. Возбуждение колебаний и плазмонов и ионизация приводят к дискретным потерям энергии и, следовательно, к четким полосам поглощения в энергетическом спектре исходно моноэнергетического электронного пучка. Эти процессы лежат в основе спектроскопии характеристических потерь энергии прошедших электронов (СПЭПЭ). [c.328]

    Важным преимуществом источников рассматриваемого типа является то, что ионизация сложных молекул может осуществляться с диссоциацией или без нее кроме того, количество и типы осколочных ионов могут изменяться в зависимости от энергии ионизирующих электронов, и с помощью масс-спектров могут быть получены сведения относительно структурной формулы ионизируемых молекул. Ионы, образующиеся в источнике с электронной бомбардировкой, характеризуются одинаковой энергией в пределах 0,05 эв. Вследствие большой разницы в массах электрона и бомбардируемой молекулы последняя будет получать при электронном ударе незначительную кинетическую энергию. Так как пучок ионизирующих электронов узкий, ионизационная камера представляет собой область, практически свободную от полей, и ионы образуются на более или менее эквипотенциальной поверхности, то они будут получать одинаковую энергию от ускоряющих полей. Благодаря тому что образующиеся ионы имеют небольшие различия в энергиях, источники с электронной бомбардировкой особенно пригодны для масс-спектрометров с простой фокусировкой, без фокусировки по скоростям. [c.116]

    В разд. 6 приведены методы и фактические данные для решения характерных для электротермических установок задач теплообмена к таким задачам относятся нестационарный процесс нагрева изделий с внутренними источниками теплоты, теплообмен между нагревателем и изделием в печи сопротивления с учетом кoнфигypaциIi нагревателя, инфракрасный нагрев изделий с использованием темных и светлых излучателей II т. д. Особо следует выделить приведенные в разделе данные для расчета высокотемпературных процессов теплообмена при нагреве и плавке металлов в электронно-лучевых и плазменных установках, отличающихся специфическими видами теп-лопереноса (за счет кинетической энергии пучка электронов или энергии струи плазмы). [c.10]

    Первый масс-спектрометр был сконструирован Демпсте-ром Б 1920 г. [3]. В этом приборе применен источник ионов, разработанный Ниром, в котором положительные ионы возникали в результате бомбардировки молекул электронами. Этот тип источника обеспечивал образование ионов с примерно одинаковой небольшой кинетической энергией. Ускорение ионов происходило за счет большой разности потенциалов ионы проходили через щель. Таким образом, получался пучок, в котором все ионы обладали близкой по величине кинетической энергией. Пучок ионов отклонялся на 180° магнитным полем, расположенным перпендикулярно направлению движения ионов, и отклоненные ионы фокусировались на щель, через которую могли проходить только ионы с определенным отношением массы к заряду. Масс-спектрометры с таким разделением ионов относят к приборам статического типа (рис. 1). [c.6]

    В ЭТУ, использующих электронно-лучевой нагрев, электрическая энергия преобразуется сначала в кинетическую энергию электронного пучка, бомбардирующего нагреваемую поверхность, а затем, при столкновении пучка с поверхностью нагрева, в тепловую. Ускоренные электроны пучка, достигнув поверхности нагрева, внедряются в нее на определенную глубину. Г1ри пробеге в веществе электроны взаимодействуют с его кристаллической рещеткой, в результате чего возникают возмущения электрических полей микрочастиц, образующих эту решетку. Внешне эти возмущения проявляются как увеличение амплитуды колебаний микрочастиц вещества, т, е. как рост его температуры. Таким образом, основная доля кинетической энергии пучка бомбардирующих электронов превращается в теплоту, разогревающую вещество в области падения на него пучка. Далее теплота распространяется в веществе либо за счет его теплопроводности при нагреве твердого тела, либо за счет теплопроводности и конвекции при нагреве жидких [c.329]

    НИИ колебательных энергетических уровней по кинетической энергии медленных электронов (с энергией порядка нескольких электронвольт) после неупругого рассеяния на исследуемой поверхности. Общая схема установки СХПЭЭ показана на рис. 3.22. Колебательная энергия молекул обычно составляет 0,1-1 эВ, поэтому аппаратура, предназначенная для получения колебательного спектра, должна иметь очень высокую разрешающую способность, а электроны пучка – строго определенную энергию. Электроны проходят через монохр9матор и после рассеяния на поверхности попадают, в анализатор, определяющий их кинетическую энергию. Разрешающая способность таких анализаторов составляет около 10 мэВ (80 см ). [c.62]

    Поглощение у-лучей в веществе происходит по одному из трех механизмов. Если энергия уквантов составляет около ЮкэВ (А, > 0,15 нм), то при взаимодействии фотона с атомом наблюдается фотоэлектрический эффект. Кинетическая энергия выбитого электрона равна энергии падающего фотона за вычетом энергии, необходимой для удаления электрона из атома. Фотон при этом полностью поглощается, и, следовательно, такой процесс не изменяет энергии фотонов проходящего пучка, а уменьшает только их общее число. С увеличением энергии падающих фотонов существенную роль начинает играть эффект Комптона. Фотон сталкивается с атомным электроном и претерпевает упругое рассеяние, при этом энергия падающего кванта распределяется между электроном отдачи и фотоном рассеяния. Возникающий электрон отдачи в свою очередь вызывает ионизацию вещества. [c.320]

    Поглощение улучей в веществе происходит по одному из трех механизмов. Если энергия уквантов составляет около 10 кэв (X > 1,5 А), то при взаимодействии фотона с атомом наблюдается фотоэлектрический эффект. Кинетическая энергия выбитого электрона равна энергии поглощенного фотона за вычетом энергии, необходимой для удаления электрона из атома. Фотон при этом полностью поглощается и, следовательно, такой процесс не изменяет энергию фотонов проходящего пучка, а лишь уменьшает общее число фотонов. По мере увеличения энергии падающих фотонов существенную роль начинает играть эффект Комптона. Фотон сталкивается с атомным электроном и претерпевает упругое рассеяние, при этом энергия падающего кванта распределяется между электроном отдачи и фотоном рассеяния. Возникающий электрон отдачи, в свою очередь, вызывает ионизацию вещества. В случае эффекта Комптона общее число фотонов остается неизменным, хотя энергия их уменьшается (увеличивается длина волны Я) и, кроме того, изменяется направление их движения. Эти рассеянные фотоны также могут вызывать ионизацию вещества. Вероятность комптоновского взаимодействия зависит от числа электронов, приходящихся на единицу площади поперечного сечения вещества. Если энергия у-квантов больше 1,02 Мэе (Япару электрон — позитрон. Так же, как и при фото- [c.244]

    Когда свет падает на металл, из металла могут быть вырваны электроны. Это не удивительно, поскольку свет представляет собой электромагнитное излучение. Но особенности этого фотоэлектрического эффекта нельзя понять, исходя только из волновой природы света. Оказывается, что электроны совершенно не испускаются, если частота л, вета не превышает некоторого минимального значения Г эсли же частота света достаточно высока, то число испу- – скаемых электронов пропорционально интенсивности света однако энергия их зависит только от частоты падающе-О го света. Эйнштейн показал, что эти факты можно понять, ч если предположить, что свет ведет себя как пучок частиц, ч аждая с энергией /гу. Он предсказал, что кинетическая Энергия выбитых электронов должна определяться соотношением [c.17]

    Рассмотрим взаимодействие ионизирующих электронов с веществом и формирование масс-спектра. Исследуемое вещество находится в иоиизационной камере в газообразном состоянии при давлении 10- мм, что означает фактическое отсутствие столкновений между частицами. Молекулы вещества облучаются пучком электронов, имеющих энергию 50—100 эВ. Для ионизации одной из самых стойких органических молекул СН4 необходима энергия 13 эВ, для ионизации других требуется меньшая энергия. Поэтому при бомбардировке электронами с энергией 50—100 эВ ионизируется любое вещество. Ударяющий электрон с энергией 50 эВ движется со скоростью 4,2-10 см/с и, сталкиваясь с молекулой диаметром 10 А (средний размер молекул), пересекает ее за время i =s/y = 10 74,2-10 = = 2,4-10- в с. Эта величина представляет собой лишь 0,025 периода самых быстрых колебаний в молекуле (валентных колебаний С—Н), следовательно, за время взаимодействия электрона с веществом положение атомов в молекуле не изменится. Ввиду огромного различия в массах электронов и ядер кинетическая энергия, переданная электроном ядру, по закону сохранения количества движения будет ничтожна, тогда как энергия, переданная ионизирующим электроном электрону молекулы, будет велика. При прохождении ионизирующего электрона вблизи валентного электрона молекулы последний выбивается, молекула заряжается положительно и образуется молекулярный ион. Электрон удаляется с любой молекулярной орбитали, энергия которой по абсолютной величине меньше энергии ионизирующих электронов. Энергия, необходимая для удаления электрона с верхней занятой молекулярной орбитали, называется первым потенциалом ионизации (ПИ) молекулы, а с орбиталей, лежащих ниже, — вторым, третьим и т. д. потенциалами ионизации. [c.6]

    Наиболее распространенным методом получения метастабильных атомов благородных газов является бомбардировка атомного пучка коаксиальными пучками электронов. В качестве примера может быть рассмотрено устройство, описанное в работе [147] и использованное для исследования взаимодействия Не, Ке и Аг с различными благородными газами. Газ при давлении торможения от 20 до 100 ат расширяется в вакууме через небольшое сопло 12—100 мкм. Температура торможения варьировалась от 80 до 1600 К, что соответствовало кинетической энергии пучка от 16 до 350 мэВ. Образованный при помощи скиммера молекулярный пучок проходил через катод с косвенным разогревом, эмитирующая поверхность которого имела сферическую поверхность. Полусферическая сетка, расположенная концентрически с катодом, ускоряла электроны до энергии 150—200 эВ, и полученный пучок электронов взаимодействовал с атомными пучками на длине 4 см в области, ограниченной магнитным полем, создаваемым электромагнитом, служащим для компенсации дивергирующего эффекта пространственного заряда электронов. Устройство включало также тушащую лампу для оптической дезактивации синглетных состояний, например Не( 5о), и отклоняющие пластины для удаления заряженных частиц из пучка. Интенсивность получаемого пучка Не, коллимированного до полуширины на половине мак- [c.173]

    Вращение вертущки, изображенной на рис. 4.2, на самом деле представляет собой вторичный эффект воздействия пучка электронов при их попадании на лопасти. Из-за чрезвычайно небольшой массы электронов их механический импульс слишком мал, чтобы передать лопастям вертушки импульс, достаточный для ее вращения. Правильное объяснение этого опыта заключается в том, что в трубке имеется небольшое количество газа, а поток электронов разогревает обращенную к нему сторону лопастей, которая в свою очередь нагревает находящиеся поблизости молекулы газа. Сталкиваясь с лопастью вертушки, молекулы нагретого газа воздействуют на нее сильнее, чем молекулы, находящиеся с обратной стороны лопасти, где газ не нагрет. Таким образом, за вращение вертушки ответственно повышение кинетической энергии молекул разогретого газа. Такой же принцип лежит в основе действия радиометра, вертушка которого начинает вращаты я при попадании на нее солнечного света в этом случае для облегчения вращения вертушки ее укрепляют на вертикальной оси. [c.57]

    Из этого уравнения видно что энергия электрона дискретна, т е существует ряд допустимых значений энергии отличающихся друг от друга на определенные интервалы кванты энергии Проме жуточные значения энергии невозможны так как величина п долж на быть обязательно целой В соответствии с различными значе ниями квантового числа п электрон обладает энергией отвечаю щей определенному уровню энергии (рис 1 1) Исключение значе ния п = 0 соответствует невозможности обращения энергии элект рона в нуль Этот результат является общим и для более сложных квантовых систем, энергия которых даже при абсолютном нуле температуры не обращается в нуль, а имеет некоторое нулевое значение Существование нулевой энергии частиц находящихся в ограниченной области пространства согласуется с корпускуляр но волновой природой микрочастиц и соотношениями (1 3) При к = О обращается в нуль импульс частиц а следовательно, и его неопределенность Поэтому условия (1 3) для частиц локализо ванных в ограниченном пространстве, становятся невыполнимы Если движущийся электрон может находиться в ограниченном объеме когда все три пространственные координаты могут изме няться в некоторых пределах, за которыми потенциальная энергия возрастает до бесконечности (трехмерный потенциальный ящик), то уравнение Шредингера распадается на три отдельных уравне ния, соответствующих каждой пространственной координате Ки нетическая энергия электрона, обусловленная его движением вдоль каждой координатной оси выражается соотношениями вида (1 20) в которые входят квантовые числа п, Пу и п.2 Вол новая функция электрона в трехмерном потенциальном ящике определяется тремя квантовыми числами а полная кинетическая энергия равна [c.16]

    Рассеяние электронов делится на два типа упругое и неупругое рассеяние, что иллюстрируется на рис. 3.1. Если имеет место упругое рассеяние, то изменяется направление вектора скорости электрона V, а ее величина у1 остается фактически постоянной, так что кинетическая энергия E = 2meV , где — масса электрона, не меняется. От электрона пучка передается образцу лишь энергия менее 1 эВ, которая пренебрежимо мала по сравнению с его первоначальной энергией, которая обычно составляет 10 кэВ или более. Электрон отклоняется от направления падения на угол фу, где индекс у означает упругое . Угол сру может принимать значения в пределах от О вплоть до 180 , но его типичное значение составляет по порядку величины 5°. Упругое рассеяние происходит в результате столкновений электронов высокой энергии с ядрами атомов, частично экранированных связанными электронами. Сечение упругого рассеяния описывается с помощью модели Резерфорда [10] [c.23]

    Ионизация электронным ударом. В ионизации электронным ударом (ЭУ) молекулы пробы, попадающие в источник ионов из газохроматографической колонки, ионизируются потоком тепловых электронов, эммитируемых из вольфрамовой или рениевой нити накала (катод) и ускоряемых в сторону анода. Столкновение электронов с молекулами пробы, во время которых часть кинетической энергии электронов передается молекулам, приводит к их возбуждению, фрагментации и ионизации. Поскольку распределение внутренней энергии непосредственно влияет на вид масс-спектра и сильно зависит от энергии электронного пучка Е и последняя обычно устанавливается на стандартном уровне е1 = 70 эВ. [c.601]

    В последние годы все более широкое распространение приобретает масс-спектрометрте-ский метод определения термохимических величин. Описание этого метода можно найти, например, в монографиях Бернарда [90] и Коттрелла [255]. В результате масс-спектромет-рических исследований измеряются потенциалы появления и ионизации, а также интенсивности токов образующихся ионов. Если в результате электронного удара происходит разрыв связи в молекуле, то найденные экспериментально потенциалы появления и ионизации позволяют вычислить энергию диссоциации этой связи. При этом необходимо знать энергию электронного возбуждения и кинетическую энергию осколков молекулы. Во многих случаях, однако, отнесение измеренного потенциала появления иона к конкретному процессу вызывает затруднения. Для вычисления энергии диссоциации связи необходимо также знать температуру, при которой происходит диссоциативная ионизация. Как показали Тальрозе и Франкевич [407], в ионизационной камере масс-спектрометра с источником типа Нира между стенками камеры и газом достигается температурное равновесие. Учитывая это обстоятельство, при пересчете результатов масс-спектрометрических работ, в которых температура молекулярного пучка специально не оговорена, в Справочнике принималось, что процессы диссоциативной ионизации протекали при температуре ионного источника. Температура стенок ионного источника приближенно принималась равной 500° К- [c.157]

    Из выражения (У1.9) видно, что константа скорости реакции непосредственно выражается через поперечное сечение. Подчеркнем еще раз, что соотношение (У1.7) справедливо и в том случае, когда функция распределения / (г) не является равновесной. Для вычисления скорости химических реакций в неравновесных условиях необходимо составить и решить кинетические уравнения для определения функций распределения X (Яве) и / (г). При этом, разумеется, мы должны располагать данными о всех поперечных сечениях реакций в зависимости от кинетической энергии для различных квантовых состояний реагирующих молекул. Изучение неравновесных процессов в химии высоких энергий привело к тому, что все большее внимание стало уделяться изучению сечений различных реакций. Исследование реакций в молекулярных пучках проводится обычно при тепловых энергиях (см., нанример, работу [6]), тогда как ионномолекулярные реакции обычно исследуются нри энергиях вплоть до десятков и даже сотен электрон-вольт. [c.168]

---

Определение э / м для электрона

Введение

В этом эксперименте вы измеряете e / m , отношение заряда электрона к массе электрон. В настоящее время принятое значение для e / m составляет 1,758820 × 10 ¹¹ C / кг. Когда электрон входит в область, в которой есть однородное магнитное поле, B , перпендикулярное скорость электрона v (Внимание: заглавная буква V будет использоваться ниже для обозначения напряжения.Не путайте v с V !), На электрон действует сила F , величина которой определяется следующим уравнением. Сила перпендикулярна как v , так и B , и ее направление можно определить, используя правую правило. Сила заставит электрон двигаться по круговой орбите с радиусом r (однородная круговая орбита). движение). Приравнивая эту силу к массе, умноженной на центростремительное ускорение, мы получаем уравнение ниже.Решение уравнения. 2 для e / m , получаем следующее уравнение. Если измерить радиус циклотронной орбиты, мы можем вычислить e / m по формуле. 3. Все, что нам нужно, это скорость электрона. В нашем эксперименте электрон ускоряется набором пластин с разность потенциалов В между ними. Следовательно, скорость электрона может быть получена из сохранение энергии. Решение уравнения. 4 для скорости, мы получаем следующее уравнение.

(5)

v =

Наконец, подстановкой скорости из уравнения. 5v =

в уравнение. 3 и решая для e / m , мы получаем уравнение. 6

, связывающая e / m с разностью потенциалов, магнитным полем и радиусом круговой окружности электрона. орбита.

Аппарат

Рисунок 1

Схема оборудования, использованного в этом эксперименте, показана на рис.1. Основными элементами блока e / m являются трехэлементная электронная лампа и катушки Гельмгольца. Электронная лампа, катушки Гельмгольца и источники питания для нити накала трубки и ускоряющего напряжения смонтированы в Единая база называется агрегатом e / m . Органы управления и разъемы на передней панели этого устройства (слева направо Правильно):

• •

  Разъем катушки Гельмгольца : пара клемм для подключения к внешнему источнику питания. и амперметр, чтобы ток мог подаваться на катушки.

• •

  Выключатель и индикатор питания : Включает и отключает питание нити накала и ускоряющего напряжения.

• •

  Управление фокусировкой : Настройте лучшую фокусировку электронного луча.

• •

  Управление ускоряющим напряжением и кнопка : Эта ручка управления устанавливает ускоряющее напряжение на любое значение от 45 до 135 вольт. Кнопка позволяет мгновенно подать ускоряющее напряжение для наблюдения за электронным пучком.

• •

  Accelerating Voltage / 100 : Пара клемм, на которых подается 1/100 от ускоряющего напряжения. присутствует – подключите цифровой измеритель 0–2 В для считывания этой 1/100 от ускоряющего напряжения.

Ток на катушки Гельмгольца подается от внешнего источника постоянного тока. Мультиметр – это используется для измерения тока катушек Гельмгольца. Электронная лампа и катушки Гельмгольца – это подробно описано ниже.

Электронная трубка

Внутри электронной трубки установлена ​​«электронная пушка», центральная линия которой совпадает с вертикальная ось трубки. Электронная пушка состоит из трех элементов:

• a

  катод с косвенным нагревом, который питает электроны.

• б

  сетка, заряженная до положительного потенциала по отношению к катоду, которая служит для фокусировки электронный луч.

• c

  круглый диск, который удерживается под высоким положительным потенциалом по отношению к катоду, который служит для ускорения электронов.

Рисунок 2 : Электронная пушка (вид в разрезе)

Электронный пучок проецируется вертикально через небольшое отверстие в центре диска. Диск есть установлен горизонтально на верхнем торце электронной пушки. На верхней грани диска нанесены четыре круга с центрами, совпадающими с отверстием, радиусами 0,50, 1,0, 1,5 и 2,0 см. Лампочка и Диск покрыт материалом, который флуоресцирует при ударе электронов.Трубка содержит следы инертный газ, который помогает фокусировать электронный луч, а также заставляет луч делать видимые след.

Катушка Гельмгольца

Магнитное поле создается парой одинаковых круглых катушек, расположенных так, чтобы расстояние между витками равен радиусу витков. Такое устройство, называемое катушками Гельмгольца, обеспечивает очень однородное магнитное поле в области и около центра пары катушек.

Рисунок 3 : Катушки Гельмогольца

Магнитное поле, создаваемое катушками Гельмгольца, пропорционально электрическому току, I , в катушки.В точном центре катушек Гельмгольца значение Дж теоретически определяется следующим образом: куда:

• μ ₀ = постоянная = 1,256 × 10 ^–6 Тесла · метр / Ампер.
• N = количество витков провода на катушке (отмечено на катушках).
• R = радиус витков.

Значения Н и R для катушек Гельмгольца, используемых в этой лаборатории, составляют: Н = 196 витков и R = 0.105 метров. Подстановка этих значений в формулу. 8

дает: j = 1,678 × 10 ^–3 Т / А, или 1,678 мТ / А. Уравнение 7

B = jI

, с вычисленным выше значением Дж , будет использоваться для определения магнитного поля из измеренных значения тока.

Процедура

Подключите прибор согласно схеме, показанной на рис.1, и начните сбор данных. следуя шагам, описанным ниже:

• 1

  Для измерения тока катушки используйте шкалу 10A на мультиметре (при использовании подключения 300 мА перегорает предохранитель!).Чтобы включить питание катушек Гельмгольца, установите регулятор напряжения на внешнем источнике постоянного тока на минимальное значение. Включите питание и осторожно и медленно продвиньте регулятор напряжения, наблюдая за амперметром. Если глюкометр дает положительные показания, все в порядке. хорошо; если нет, значит, вы подключили глюкометр в обратном направлении. Выключите питание и переверните амперметр. соединения. Не допускайте превышения тока катушки Гельмгольца 5А!

• 2

  Включите выключатель питания e / m и подождите 2 минуты , пока нить трубки не нагреется.Наблюдения за электронным пучком в вакуумной лампе необходимо проводить при выключенном свете в помещении. Обратите внимание, что есть кнопка, которая позволяет мгновенно подавать на трубку ускоряющее напряжение; эта особенность необходима, потому что у трубки довольно короткий срок службы. Сменные лампы дороги, поэтому подавайте ускоряющее напряжение только на время, достаточное для ваших наблюдений.

• 3

  С другой стороны, нить накала трубки лучше оставить включенной; оставьте выключатель питания включенным, пока столько, сколько необходимо для выполнения ваших измерений, и выключайте его только после того, как закончите.

• 4

  Когда трубка достигнет рабочей температуры, установите ускоряющее напряжение на относительно низкое значение (около 50 вольт). Примечание: клеммы, обеспечивающие масштабированное ускоряющее напряжение ( В, _{согласно} /100) активны только тогда, когда кнопка нажата. Опять не допускайте Гельмгольца ток катушки превышает 5А!

• 5

  Подавая на трубку ускоряющее напряжение (кнопка нажата), увеличьте катушку Гельмгольца. ток до тех пор, пока электронный луч не изогнется и не попадет на самое удаленное кольцо мишени; отрегулируйте ФОКУС управления, чтобы получить как можно более точный луч, а затем отрегулируйте ток катушки Гельмгольца направить электронный луч точно на кольцо мишени.Невозможность определить, когда электронный луч именно на кольце – один источник неуверенности. Поскольку фокусирующее действие сетки и инертного газа вызывает потерю кинетической энергии некоторыми электронами, лучше всего использовать крайний край пучка в качестве он ударяет по кольцу. Выполнение нескольких измерений силы тока может уменьшить ошибки. Запишите ускоряющее напряжение, ток катушки Гельмгольца (проводить измерения вверх и вниз по шкале) и диаметр, d , пути электронного луча, указанного в вашем техническом паспорте.

• 6

  Повторите шаг 5, сохраняя фиксированное ускоряющее напряжение, но увеличивая ток катушек Гельмгольца до тех пор, пока путь луча не станет диаметром 1,75, 1,5, 1,25 и 1,0 см, как показано на рисунке 4. Измерьте и запишите ток, соответствующий каждому из диаметров. . Для диаметров 1,75 и 1,25 см Электронный луч должен попасть в середину между двумя кольцами мишеней.

Рисунок 4

Луч может не достичь 2.Линия диаметром 0 см.

• 7

  Измените ускоряющее напряжение (которое на самом деле в 100 раз выше значений шкалы) на несколько более высокое значение (около 80-90 вольт) и повторите шаги 5 и 6.
• После сбора данных попробуйте использовать стержневой магнит, чтобы «направить» пучок заряженных частиц. Какие происходит, когда вы подносите северный конец магнита к лучу? Что происходит, когда ты поменять ориентацию магнита? Подтвердите свое понимание направления Сила Лоренца и правило правой руки с помощью компаса для определения направления магнитного поле, создаваемое катушками Гельмгольца.(Помните, что N – это сокращение от северного полюса магнит, что означает, что географический северный полюс Земли действует как южный магнитный полюс). эскиз катушек Гельмгольца и отклоненного луча, чтобы показать направление тока в катушках и результирующее магнитное поле.

• 8

  Отключите блоки питания и мультиметры. Отсоедините все провода и верните их в бункер для хранения.

Убедитесь, что вы и ваш технический специалист инициализируете свои паспорта данных, и что вы передаете копию своего данные перед тем, как покинуть лабораторию.

Анализ

Важная модификация должна быть внесена в формулу. 6

, прежде чем его можно будет использовать для расчета e / m . В модификация необходима, потому что катод, откуда исходит электронный пучок, расположен на расстоянии a = 3,2 ± 0,5 мм ниже выходного отверстия.

Рисунок 5

Как показано на рисунке выше, измеренный диаметр d не является фактическим диаметром d ‘ для орбита электрона.Фактический диаметр может быть получен с помощью уравнения Пифагора, показанного ниже.

(9)

d ‘=

d 2 + a 2

Замена r = d ‘/2 и уравнение. 9d ‘=

d 2 + a 2

в уравнение. 6

, получаем следующее уравнение.

(10)

B ² =

Примечание: буква « V » в этом уравнении используется для обозначения переменной для напряжения.Это НЕ означает, что вы рассчитываете B , используя 8 вольт, но используя в 8 раз больше измеренного напряжения!

1

Используя электронную таблицу, вычислите таблицу d , 1 / ( d ² + a ² ), среднее значение I , u _I , B , u _B , B ² и u _{B ²} из данных для нижнего ускоряющего напряжения (≈50 В).

2

Постройте график B ² против 1 / ( d ² + a ² ) и выполните аппроксимацию методом наименьших квадратов. Определите наклон и точку пересечения подобранная кривая.

3

По наклону определите значение для e / м в C / кг, используя уравнение. 10B ² =

. Обязательно используйте соответствующие единицы для переменных B и d .Неопределенность в e / m может быть рассчитана с использованием метода верхней-нижней границы.

4

Повторите шаги 1, 2 и 3 для данных, полученных при более высоком ускоряющем напряжении.

5

Возьмите средневзвешенное значение двух значений e / m , полученных по формуле:

e / m = w ₁ (e / m) ₁ + w ₂ (e / m) ₂ .

Веса w ₁ и w ₂ считаются пропорциональными обратной величине квадрат неопределенности каждой e / m соответственно.Таким образом, значение e / m с меньшим неопределенности будет уделяться больше внимания. Таким образом, где константа пропорциональности k выбрана для нормализации весов так, чтобы w ₁ + w ₂ = 1. значение k определяется уравнением ниже. Вычислите значения w ₁ и w ₂ и проверьте, если w ₁ + w ₂ = 1.Рассчитайте средневзвешенное значение e / m .

Обсуждение

Сравните свое экспериментальное значение e / m с принятым значением. Обсудите количественно возможные источники ошибки.

Не забудьте заложить свою работу.

Ускоряющее напряжение и изображение для сканирующего электронного микроскопа

| Tech

В случае сканирующего электронного микроскопа (SEM) электронный луч направляется на образец через фокусирующую катушку, сканирующую катушку и линзу объектива.За счет максимального сужения электронного луча и сканирования поверхности вторичный электрон, генерируемый в соответствии с формой образца, на который попадает электронный луч, регистрируется детектором для получения изображения.
Как увеличить разрешение электронного микроскопа? В отличие от оптического микроскопа, для электронного микроскопа (ТЕМ) используется следующая формула разрешения.

d = 0,65 (C _с λ ³ ) ^1/4

d – разрешение, C _s – коэффициент сферической аберрации, а λ – длина волны электронного луча.По этой формуле, чтобы увеличить разрешение, другими словами, чтобы уменьшить значение d, либо уменьшите C _s , либо уменьшите λ. Однако, поскольку сложно улучшить C _s с помощью электронной линзы, такой как фокусирующая линза, используемая в электронном микроскопе, разрешение обычно увеличивается за счет уменьшения длины волны λ.
Связь между длиной волны λ электронного луча и ускоряющим напряжением V выражается следующим уравнением.

λ = 1.23 / В ¹ / ² (нм)

Например, если напряжение ускорения электронов составляет 100 кВ, длина волны составляет 3,9 x 10-3 нм. Если C _s = 0,5 мм, разрешение d будет следующим.

• d = 0,65 {0,5 x 10 ⁶ x (3,9 x 10 ^-3 ) ³ } ^1/4
• = 0,65 {2,97 x 10 ^-2 } ^1/4
• = 0,27

Следовательно, если ускоряющее напряжение увеличивается до 400 кВ, разрешение будет меньше 0.1 нм. Хотя формула расчета отличается в SEM, разрешение в основном улучшается за счет увеличения напряжения ускорения.
Однако есть проблемы с повышением напряжения ускорения. Во-первых, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, увеличение ускоряющего напряжения увеличивает массу электронов. По этой причине увеличение энергии ускорения не увеличивает скорость, а длина волны не укорачивается.
Это повлияет и на разрешение.Например, в случае SEM вторичные электроны из-за отраженных электронов генерируются в дополнение к вторичным электронам из-за падающих электронов. Когда ускоряющее напряжение увеличивается, электроны отражаются после достижения более глубокого положения на образце, а отраженные электроны уходят из места падения, что делает невозможным исследование тонкой структуры поверхности.

Кроме того, поскольку энергия электронов увеличивается при высоком ускоряющем напряжении, когда образец является изолятором, возникают такие проблемы, как зарядка поверхности.Чтобы избежать этого в SEM, при использовании изоляционного материала в качестве образца требуется предварительная обработка для нанесения покрытия путем нанесения проводника.
Эти проблемы являются результатом усилий по сокращению длины волны электронных лучей с целью повышения разрешения в Японии. С другой стороны, в Германии были предприняты попытки улучшить коэффициент сферической аберрации. В результате разрешение может быть улучшено даже при том же ускоряющем напряжении.
Кроме того, SEM также использует метод, в котором ускоряющее напряжение снижается, чтобы предотвратить заряд поверхности изолятора.

Эффективность вторичной электронной эмиссии снижается, когда ускоряющее напряжение превышает 1 кВ. Часть, в которой снижена эффективность эмиссии, используется для зарядки изолятора, но заряд не возникает, когда эффективность эмиссии вторичных электронов составляет всего около 1. Таким образом, SEM устраняет необходимость в нанесении покрытия в качестве предварительной обработки, если используется ускоряющее напряжение.

Однако простого снижения ускоряющего напряжения недостаточно. Понижение ускоряющего напряжения означает увеличение длины волны электронного луча, поэтому разрешение неизбежно снизится.В частности, разрешение быстро падает ниже нескольких кВ. Это связано с тем, что аберрация возникает из-за изменений энергии электронов, испускаемых электронной пушкой.

Но есть способ обойти эту проблему. Это «замедляющий метод». Электроны с небольшими вариациями испускаются из электронной пушки с большим ускорением, а электрическое поле для замедления электронов на линзе объектива создается непосредственно перед попаданием в образец. Этот метод снижает ускоряющее напряжение, которое сталкивается с образцом, сохраняя при этом небольшую аберрацию.
В этом случае, поскольку аберрации уменьшаются, есть преимущество, заключающееся в том, что можно поддерживать более высокое разрешение, чем при наблюдении при нормальном низком ускоряющем напряжении. Конечно, необходимо будет добавить схему к линзе объектива, поэтому сама конструкция будет немного сложной.
В настоящее время метод, в котором к линзе объектива добавляется цепь для замедления электронов при прохождении через линзу объектива, называется «методом иммерсионных линз». С другой стороны, метод, при котором электрон замедляется до столкновения с образцом после прохождения через линзу объектива, называется «методом катодной линзы».

а) иммерсионно-линзовый метод б) метод катодной линзы

В методе иммерсионных линз электрическое поле рядом с образцом ослабляется, поэтому форма поверхности образца не влияет на характеристики линзы. С другой стороны, метод катодной линзы имеет то преимущество, что более высокое разрешение может быть получено за счет увеличения тормозящего электрического поля.
Тогда, как нам установить оптимальное ускоряющее напряжение в зависимости от материала образца на его основе? В случае ПЭМ правильным ответом является рассмотрение того, насколько хорошо вы хотите видеть структуру, и приложение ускоряющего напряжения для получения желаемого разрешения.
С другой стороны, в случае SEM правильный ответ – изменить его в зависимости от элементов, содержащихся в образце. Другими словами, при исследовании структуры поверхности необходимо учитывать элемент, содержащийся на поверхности, и электронную орбиту элемента, возбуждаемую электронным пучком.

Например, в случае Fe, Kα (6,40 кэВ) и Kβ1 (7,06 кэВ) будут возбуждены, если ускоряющее напряжение составляет 7,11 кВ или выше. С другой стороны, Lα (0,70 кэВ) возбуждаются при 0.71 кВ или выше, поэтому высокое ускоряющее напряжение не требуется. Чтобы проводить измерения с хорошей чувствительностью при увеличении пространственного разрешения, необходимо только выбрать в образце измеряемые элементы с низкой минимальной энергией возбуждения и приложить ускоряющее напряжение, которое возбуждает их с достаточной интенсивностью.

В следующий раз, в серии технических объяснений электронного микроскопа (SEM) (2), мы представим линзу электронного микроскопа.

7.3: Электрический потенциал и разность потенциалов

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определение электрического потенциала, напряжения и разности потенциалов
• Определите электрон-вольт
• Вычислить электрический потенциал и разность потенциалов на основе потенциальной энергии и электрического поля
• Опишите системы, в которых электрон-вольт является полезной единицей.
• Применить энергосбережение в электрических системах

Напомним, что ранее мы определили электрическое поле как величину, не зависящую от тестового заряда в данной системе, что, тем не менее, позволило бы нам вычислить силу, которая возникнет при произвольном тестовом заряде.(При отсутствии другой информации по умолчанию предполагается, что тестовый заряд положительный.) Мы кратко определили поле для гравитации, но гравитация всегда притягивает, тогда как электрическая сила может быть либо притягивающей, либо отталкивающей. Следовательно, хотя потенциальная энергия вполне достаточна в гравитационной системе, удобно определить величину, которая позволяет нам вычислить работу над зарядом независимо от величины заряда. Непосредственный расчет работы может быть затруднен, поскольку \ (W = \ vec {F} \ cdot \ vec {d} \), а направление и величина \ (\ vec {F} \) могут быть сложными для нескольких зарядов, например предметы необычной формы и по произвольным путям.Но мы знаем, что, поскольку \ (\ vec {F} \), работа и, следовательно, \ (\ Delta U \) пропорциональны испытательному заряду \ (q \). Чтобы получить физическую величину, не зависящую от пробного заряда, мы определяем электрический потенциал \ (V \) (или просто потенциал, поскольку понимается электрический) как потенциальную энергию на единицу заряда:

Электрический потенциал

Потенциальная электрическая энергия на единицу заряда

\ [V = \ dfrac {U} {q}. \ label {eq-1} \]

Поскольку U пропорционален q , зависимость от q отменяется.Таким образом, V не зависит от q . Изменение потенциальной энергии \ (\ Delta U \) имеет решающее значение, поэтому нас интересует разность потенциалов или разность потенциалов \ (\ Delta V \) между двумя точками, где

Разница электрических потенциалов

Разность электрических потенциалов между точками A, и B , \ (V_B – V_A \) определяется как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещенного с A на B , разделенное по заряду.Единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, получившие название вольт (В) в честь Алессандро Вольта.

\ [1 \, V = 1 \, J / C \ label {eq0} \]

Знакомый термин напряжение – это общее название разности электрических потенциалов. Имейте в виду, что всякий раз, когда указывается напряжение, под ним понимается разность потенциалов между двумя точками. Например, каждая батарея имеет две клеммы, а ее напряжение – это разность потенциалов между ними. По сути, точка, которую вы выбираете как ноль вольт, произвольна.Это аналогично тому факту, что гравитационная потенциальная энергия имеет произвольный ноль, например уровень моря или, возможно, пол лекционного зала. Стоит подчеркнуть различие между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией.

Разница потенциалов и электрическая потенциальная энергия

Связь между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется по

\ [\ Delta V = \ dfrac {\ Delta U} {q} \ label {eq1} \]

или

\ [\ Delta U = q \ Delta V.\ label {eq2} \]

Напряжение – это не то же самое, что энергия. Напряжение – это энергия на единицу заряда. Таким образом, аккумулятор мотоцикла и автомобильный аккумулятор могут иметь одинаковое напряжение (точнее, одинаковую разность потенциалов между клеммами аккумулятора), но один хранит гораздо больше энергии, чем другой, потому что \ (\ Delta U = q \ Delta V \) . Автомобильный аккумулятор может заряжать больше, чем аккумулятор мотоцикла, хотя оба аккумулятора – 12 В.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): расчет энергии

У вас есть 12.0-В мотоциклетный аккумулятор, способный переносить заряд 5000 C, и автомобильный аккумулятор на 12 В, способный переносить 60 000 C. Сколько энергии дает каждый? (Предположим, что числовое значение каждого заряда соответствует трем значащим цифрам.)

Стратегия

Сказать, что у нас батарея на 12,0 В, означает, что на ее выводах разность потенциалов составляет 12,0 В. Когда такая батарея перемещает заряд, она пропускает заряд через разность потенциалов 12,0 В, и заряд получает изменение потенциальной энергии, равное \ (\ Delta U = q \ Delta V \).5 \, J. \ nonumber \]

Значение

Напряжение и энергия связаны, но это не одно и то же. Напряжения батарей одинаковы, но энергия, подаваемая каждым из них, совершенно разная. Автомобильный аккумулятор требует запуска гораздо более мощного двигателя, чем мотоцикл. Также обратите внимание, что когда аккумулятор разряжен, часть его энергии используется внутри, а напряжение на его клеммах падает, например, когда фары тускнеют из-за разряда автомобильного аккумулятора. Энергия, подаваемая батареей, по-прежнему рассчитывается, как в этом примере, но не вся энергия доступна для внешнего использования.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Сколько энергии имеет батарея AAA на 1,5 В, способная нагреться до 100 градусов Цельсия?

Ответ

\ (\ Delta U = q \ Delta V = (100 \, C) (1.5 \, V) = 150 \, J \)

Обратите внимание, что энергии, вычисленные в предыдущем примере, являются абсолютными значениями. Изменение потенциальной энергии для аккумулятора отрицательное, так как он теряет энергию. Эти батареи, как и многие другие электрические системы, действительно перемещают отрицательный заряд – в частности, электроны.Батареи отталкивают электроны от своих отрицательных выводов ( A ) через любую задействованную схему и притягивают их к своим положительным выводам ( B ), как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Изменение потенциала равно \ (\ Delta V = V_B – V_A = +12 \, V \), а заряд q отрицательный, так что \ (\ Delta U = q \ Delta V \) отрицательный, что означает потенциальная энергия батареи уменьшилась, когда q переместилась с A на B .

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Аккумулятор перемещает отрицательный заряд от отрицательного вывода через фару к положительному выводу. Соответствующие комбинации химических веществ в батарее разделяют заряды, так что отрицательный вывод имеет избыток отрицательного заряда, который отталкивается им и притягивается к избыточному положительному заряду на другом выводе. С точки зрения потенциала положительный вывод имеет более высокое напряжение, чем отрицательный. Внутри аккумулятора движутся как положительные, так и отрицательные заряды.

Пример \ (\ PageIndex {2} \): Сколько электронов проходит через фару каждую секунду?

Когда автомобильный аккумулятор на 12,0 В питает одну фару мощностью 30,0 Вт, сколько электронов проходит через нее каждую секунду?

Стратегия

Чтобы узнать количество электронов, мы должны сначала найти заряд, который перемещается за 1,00 с. Перемещаемый заряд связан с напряжением и энергией посредством уравнений \ (\ Delta U = q \ Delta V \). Лампа мощностью 30,0 Вт потребляет 30,0 джоулей в секунду. Поскольку батарея теряет энергию, мы имеем \ (\ Delta U = – 30 \, J \) и, поскольку электроны переходят от отрицательной клеммы к положительной, мы видим, что \ (\ Delta V = +12.0 \, V \).

Решение

Чтобы найти перемещенный заряд q , решаем уравнение \ (\ Delta U = q \ Delta V \):

\ [q = \ dfrac {\ Delta U} {\ Delta V}. \]

Вводя значения для \ (\ Delta U \) и \ (\ Delta V \), получаем

\ [q = \ dfrac {-30.0 \, J} {+ 12.0 \, V} = \ dfrac {-30.0 \, J} {+ 12.0 \, J / C} = -2,50 \, C. \]

Число электронов \ (n_e \) – это общий заряд, деленный на заряд одного электрона. То есть

\ [n_e = \ dfrac {-2.{19} \, электрон. \]

Значение

Это очень большое число. Неудивительно, что мы обычно не наблюдаем отдельные электроны, так много которых присутствует в обычных системах. Фактически, электричество использовалось в течение многих десятилетий, прежде чем было установлено, что движущиеся заряды во многих обстоятельствах были отрицательными. Положительный заряд, движущийся в направлении, противоположном отрицательному, часто производит идентичные эффекты; это затрудняет определение того, что движется или оба движутся.{19} \, электроны \)

Электрон-вольт

Энергия, приходящаяся на один электрон, очень мала в макроскопических ситуациях, подобных тому, что было в предыдущем примере – крошечная доля джоуля. Но в субмикроскопическом масштабе такая энергия, приходящаяся на частицу (электрон, протон или ион), может иметь большое значение. Например, даже крошечной доли джоуля может быть достаточно, чтобы эти частицы разрушили органические молекулы и повредили живые ткани. Частица может нанести ущерб при прямом столкновении или может создать опасные рентгеновские лучи, которые также могут нанести ущерб.Полезно иметь единицу энергии, относящуюся к субмикроскопическим эффектам.

На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показана ситуация, связанная с определением такой единицы энергии. Электрон ускоряется между двумя заряженными металлическими пластинами, как это могло бы быть в телевизионной лампе или осциллографе старой модели. Электрон приобретает кинетическую энергию, которая позже преобразуется в другую форму – например, в свет в телевизионной трубке. (Обратите внимание, что с точки зрения энергии «спуск» для электрона означает «подъем» для положительного заряда.) Поскольку энергия связана с напряжением соотношением \ (\ Delta U = q \ Delta V \), мы можем рассматривать джоуль как кулон-вольт.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Типичная электронная пушка ускоряет электроны, используя разность потенциалов между двумя отдельными металлическими пластинами. По закону сохранения энергии кинетическая энергия должна равняться изменению потенциальной энергии, так что \ (KE = qV \). Энергия электрона в электрон-вольтах численно равна напряжению между пластинами. Например, разность потенциалов 5000 В производит электроны с энергией 5000 эВ.{-19} \, J. \]

Электрону, ускоренному через разность потенциалов 1 В, придается энергия 1 эВ. Отсюда следует, что электрон, ускоренный до 50 В, приобретает 50 эВ. Разность потенциалов 100 000 В (100 кВ) дает электрону энергию 100 000 эВ (100 кэВ) и так далее. Точно так же ион с двойным положительным зарядом, ускоренный до 100 В, получает 200 эВ энергии. Эти простые соотношения между ускоряющим напряжением и зарядами частиц делают электрон-вольт простой и удобной единицей энергии в таких обстоятельствах.

Электрон-вольт обычно используется в субмикроскопических процессах – химические валентные энергии, молекулярные и ядерные энергии связи входят в число величин, часто выражаемых в электрон-вольтах. Например, для разрушения некоторых органических молекул требуется около 5 эВ энергии. Если протон ускоряется из состояния покоя через разность потенциалов 30 кВ, он приобретает энергию 30 кэВ (30 000 эВ) и может разрушить до 6000 таких молекул \ ((30 000 \, эВ \,: \, 5 \, эВ \, на \, молекула = 6000 \, молекул) \).Энергия ядерного распада составляет порядка 1 МэВ (1000000 эВ) на событие и, таким образом, может нанести значительный биологический ущерб.

Сохранение энергии

Полная энергия системы сохраняется, если нет чистого прибавления (или вычитания) из-за работы или теплопередачи. Для консервативных сил, таких как электростатическая сила, закон сохранения энергии утверждает, что механическая энергия постоянна.

Механическая энергия – это сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы; то есть \ (K + U = константа \).Потеря U для заряженной частицы становится увеличением ее K . Сохранение энергии выражается в форме уравнения как

\ [K + U = константа \] или \ [K_i + U_i = K_f + U_f \]

, где i и f обозначают начальные и конечные условия. Как мы уже много раз выясняли ранее, учет энергии может дать нам понимание и облегчить решение проблем.

Пример \ (\ PageIndex {3} \): электрическая потенциальная энергия преобразована в кинетическую энергию

Рассчитайте конечную скорость свободного электрона, ускоряемого из состояния покоя через разность потенциалов 100 В.6 \, м / с \]

Значение

Обратите внимание, что и заряд, и начальное напряжение отрицательны, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Из обсуждения электрического заряда и электрического поля мы знаем, что электростатические силы, действующие на мелкие частицы, обычно очень велики по сравнению с силой тяжести. Большая конечная скорость подтверждает, что гравитационная сила здесь действительно незначительна. Большая скорость также указывает на то, насколько легко ускорить электроны с помощью малых напряжений из-за их очень малой массы.В электронных пушках обычно используются напряжения, намного превышающие 100 В. Эти более высокие напряжения вызывают настолько большие скорости электронов, что необходимо учитывать эффекты специальной теории относительности, которые будут обсуждаться в другом месте. Вот почему в этом примере мы рассматриваем низкое напряжение (точно).

Упражнение \ (\ PageIndex {3} \)

Как этот пример изменится с позитроном? Позитрон идентичен электрону, за исключением того, что заряд положительный. 2 } \ hat {r} \).2} dr = \ dfrac {kq} {r} – \ dfrac {kq} {\ infty} = \ dfrac {kq} {r}. \]

Этот результат,

\ [V_r = \ dfrac {kq} {r} \]

– это стандартная форма потенциала точечного заряда. Это будет подробнее рассмотрено в следующем разделе.

Чтобы изучить еще один интересный частный случай, предположим, что однородное электрическое поле \ (\ vec {E} \) создается путем размещения разности потенциалов (или напряжения) \ (\ Delta V \) на двух параллельных металлических пластинах, обозначенных A и B (Рисунок \ (\ PageIndex {3} \)).Изучение этой ситуации покажет нам, какое напряжение необходимо для создания определенного электрического поля. Это также покажет более фундаментальную взаимосвязь между электрическим потенциалом и электрическим полем.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): соотношение между V и E для параллельных проводящих пластин равно \ (E = V / d \). (Обратите внимание, что по величине \ (\ Delta V = V_ {AB} \). Для заряда, который перемещается от пластины A при более высоком потенциале к пластине B при более низком потенциале, необходимо включить знак минус следующим образом : \ (- \ Delta V = V_A – V_B = V_ {AB} \).)

С точки зрения физика, \ (\ Delta V \) или \ (\ vec {E} \) можно использовать для описания любого взаимодействия между зарядами. Однако \ (\ Delta V \) является скалярной величиной и не имеет направления, тогда как \ (\ vec {E} \) является векторной величиной, имеющей как величину, так и направление. (Обратите внимание, что величина электрического поля, скалярная величина, представлена ​​как E .) Связь между \ (\ Delta V \) и \ (\ vec {E} \) выявляется путем вычисления работы, выполняемой электрическая сила при перемещении заряда из точки A в точку B .Но, как отмечалось ранее, произвольное распределение заряда требует расчетов. Поэтому мы рассматриваем однородное электрическое поле как интересный частный случай.

Работа, совершаемая электрическим полем на рисунке \ (\ PageIndex {3} \) по перемещению положительного заряда q от A , положительная пластина, более высокий потенциал, к B , отрицательная пластина, более низкий потенциал. , это

\ [W = – \ Delta U = – q \ Delta V. \]

Разность потенциалов между точками A и B составляет

\ [- \ Delta V = – (V_B – V_A) = V_A – V_B = V_ {AB}.\]

Если ввести это в выражение для работы, получаем

\ [W = qV_ {AB}. \]

Работа равна \ (W = \ vec {F} \ cdot \ vec {d} = Fd \, cos \, \ theta \): здесь \ (cos \, \ theta = 1 \), поскольку путь параллелен поле. Таким образом, \ (W = Fd \). Поскольку \ (F = qE \), мы видим, что \ (W = qEd \).

Подстановка этого выражения для работы в предыдущее уравнение дает

\ [qEd = qV_ {AB}. \]

Заряд отменяется, поэтому для напряжения между точками мы получаем A и B .

Только в однородном E-поле: \ [V_ {AB} = Ed \] \ [E = \ dfrac {V_ {AB}} {d} \], где d – это расстояние от A до B , или расстояние между пластинами на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). Обратите внимание, что это уравнение подразумевает, что единицы измерения электрического поля – вольты на метр. Мы уже знаем, что единицы измерения электрического поля – ньютоны на кулон; таким образом, верно следующее соотношение между единицами:

\ [1 \, N / C = 1 \, В / м. \]

Кроме того, мы можем расширить это до интегральной формы.B \ vec {E} \ cdot d \ vec {l}. \]

В качестве демонстрации из этого мы можем вычислить разность потенциалов между двумя точками ( A, и B ), равноудаленными от точечного заряда q в начале координат, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {4} \) .

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Дуга для вычисления разности потенциалов между двумя точками, которые находятся на одинаковом расстоянии от точечного заряда в начале координат. 2} \ hat {r} \).6 В / м \). Выше этого значения поле создает достаточную ионизацию в воздухе, чтобы сделать воздух проводником. Это допускает разряд или искру, которые уменьшают поле. Каково же максимальное напряжение между двумя параллельными проводящими пластинами, разделенными 2,5 см сухого воздуха?

Стратегия

Нам дано максимальное электрическое поле E между пластинами и расстояние d между ними. Мы можем использовать уравнение \ (V_ {AB} = Ed \) для вычисления максимального напряжения.4 \, V \] или \ [V_ {AB} = 75 \, кВ. \]

(Ответ состоит только из двух цифр, поскольку максимальная напряженность поля является приблизительной.)

Значение

Одним из следствий этого результата является то, что требуется около 75 кВ, чтобы совершить скачок искры через зазор размером 2,5 см (1 дюйм), или 150 кВ для искры 5 см. Это ограничивает напряжения, которые могут существовать между проводниками, возможно, на линии электропередачи. Меньшее напряжение может вызвать искру, если на поверхности есть шипы, поскольку острые точки имеют большую напряженность поля, чем гладкие поверхности.Влажный воздух разрушается при более низкой напряженности поля, а это означает, что меньшее напряжение заставит искру проскочить через влажный воздух. Наибольшие напряжения могут создаваться статическим электричеством в засушливые дни (рис. \ (\ PageIndex {5} \)).

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Искровая камера используется для отслеживания траекторий частиц высоких энергий. Ионизация, создаваемая частицами при прохождении через газ между пластинами, позволяет искре прыгнуть. Искры расположены перпендикулярно пластинам, следуя силовым линиям электрического поля между ними.Разность потенциалов между соседними пластинами недостаточно высока, чтобы вызвать искры без ионизации, производимой частицами из экспериментов с ускорителем (или космическими лучами). Эта форма детектора сейчас устарела и больше не используется, кроме как в демонстрационных целях. (кредит b: модификация работы Джека Коллинза)

Пример \ (\ PageIndex {1B} \): Поле и сила внутри электронной пушки

Электронная пушка (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)) имеет параллельные пластины, разделенные расстоянием 4,00 см, и дает 25 электронов.0 кэВ энергии. а) Какова напряженность электрического поля между пластинами? б) Какую силу это поле окажет на кусок пластика с зарядом \ (0,500- \ мкКл), который проходит между пластинами?

Стратегия

Поскольку напряжение и расстояние между пластинами указаны, напряженность электрического поля может быть рассчитана непосредственно из выражения \ (E = \ frac {V_ {AB}} {d} \). Как только мы узнаем напряженность электрического поля, мы можем найти силу, действующую на заряд, используя \ (\ vec {F} = q \ vec {E} \).Поскольку электрическое поле имеет только одно направление, мы можем записать это уравнение в терминах величин, \ (F = qE \).

Решение

а. Выражение для величины электрического поля между двумя однородными металлическими пластинами равно

.

\ [E = \ dfrac {V_ {AB}} {d}. \] Поскольку электрон является однозарядным и ему дается энергия 25,0 кэВ, разность потенциалов должна составлять 25,0 кВ. Вводя это значение для \ (V_ {AB} \) и расстояния между плитами 0,0400 м, получаем \ [E = \ frac {25.5 В / м) = 0,313 \, Н. \]

Значение Обратите внимание, что единицы измерения – ньютоны, поскольку \ (1 \, V / m = 1 \, N / C \). Поскольку электрическое поле между пластинами однородно, сила, действующая на заряд, одинакова независимо от того, где находится заряд между пластинами.

Пример \ (\ PageIndex {4C} \): расчет потенциала точечного заряда

Учитывая точечный заряд \ (q = + 2,0-n C \) в начале координат, вычислите разность потенциалов между точкой \ (P_1 \) на расстоянии \ (a = 4,0 \, см \) от q и \ (P_2 \) расстояние \ (b = 12.2} \ hat {r} \ cdot r \ hat {\ varphi} d \ varphi \), но \ (\ hat {r} \ cdot \ hat {\ varphi} = 0 \) и, следовательно, \ (\ Delta V = 0 \). Складывая две части вместе, получаем 300 В.

Значение

Мы продемонстрировали использование интегральной формы разности потенциалов для получения численного результата. Обратите внимание, что в этой конкретной системе мы могли бы также использовать формулу для потенциала из-за точечного заряда в двух точках и просто взять разницу.

Упражнение \ (\ PageIndex {4} \)

Из примеров, как энергия удара молнии зависит от высоты облаков над землей? Считайте систему облако-земля двумя параллельными пластинами.

Ответ

При фиксированной максимальной напряженности электрического поля потенциал, при котором происходит удар, увеличивается с увеличением высоты над землей. Следовательно, каждый электрон будет переносить больше энергии. Определение влияния на общее количество электронов – дело будущего.

Прежде чем описывать проблемы, связанные с электростатикой, мы предлагаем стратегию решения проблем, которой следует придерживаться для этой темы.

Стратегия решения проблем: электростатика

1. Изучите ситуацию, чтобы определить, присутствует ли статическое электричество; это может касаться отдельных стационарных зарядов, сил между ними и создаваемых ими электрических полей.
2. Определите интересующую систему. Это включает в себя указание количества, местоположения и типов взимаемых сборов.
3. Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные). Письменный список полезен. Определите, следует ли рассматривать кулоновскую силу напрямую – если да, может быть полезно нарисовать диаграмму свободного тела, используя силовые линии электрического поля.
4. Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (укажите известные).Например, важно отличать кулоновскую силу F от электрического поля E .
5. Решите соответствующее уравнение для определяемой величины (неизвестное значение) или проведите линии поля, как требуется.
6. Изучите ответ, чтобы увидеть, разумен ли он: имеет ли он смысл? Правильны ли единицы и разумны ли числа?

Авторы и авторство

• Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами.Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

Отклонение в электрических полях | IOPSpark

Электрон

Квантовая и ядерная

Отклонение в электрических полях

Методические указания для 14-16

Большинство отклоняющих трубок работают аналогичным образом.Электроны испаряются с горячего катода (отрицательного). Они ускоряются к аноду (положительному положению) с помощью высокого напряжения. Они выходят из отверстия в аноде с довольно равномерной скоростью, которая остается постоянной, когда они пересекают трубку, из которой откачивается воздух. См. Инструкцию:

Электронные пушки

При отсутствии напряжения между отклоняющими пластинами электронный луч следует за световым лучом (свет, создаваемый горячей нитью накала) по прямой. Под напряжением, подключенным к пластинам, электроны испытывают вертикальную силу.Постоянная вертикальная сила заставляет луч двигаться по параболической траектории. Он будет все больше изгибаться по мере увеличения отклоняющего напряжения.

Показывает параболический путь

После того, как электроны прошли через анод, на них не действует ускоряющая сила, поэтому в горизонтальном направлении пройденное расстояние, x , составляет

x = v t (1)

, где v – скорость электронов, а t – время, за которое они проходят расстояние x .

В вертикальном направлении электроны изначально не имеют скорости, но испытывают силу, F .

F = e E

, где E – напряженность электрического поля.

У них масса, м, , поэтому они ускоряются с ускорением, a .

a = F m = e E m

При равномерном ускорении вы можете найти вертикальное расстояние y , которое проходят электроны, используя

y = ½ a t ² = ½ × e E м x t ² (2)

Из уравнений (1) и (2), затем

y = e E x ² 2 m v ² (3)

Для фиксированного ускоряющего напряжения В, постоянно.Таким образом, все в уравнении постоянно, кроме x и y . Таким образом, y изменяется в зависимости от квадрата x . Это уравнение параболы.

Если пойти дальше, энергия, передаваемая электронам, равна e V _a , где V _a – ускоряющее напряжение. В результате электроны приобретают кинетическую энергию, которая равна ½ m v ² .Итак, мы можем сказать, что:

½ м v ² = e V _a

v ² = 2 e V _a m

Подставляем в уравнение (3) ,

y = E x ² 4 V _a (4)

Напряженность электрического поля между отклоняющими пластинами составляет E = В _d d , где В _d – отклоняющее напряжение, а d – расстояние между пластинами.

Подставляем в уравнение (4) .

y = V _d x ² 4d V _a

Два момента, на которые следует обратить внимание из этого уравнения:

1. Отклонение не зависит от массы и заряда, поэтому этот эксперимент нельзя использовать для измерения e / m . Причина, по которой он не зависит от этих значений, заключается в том, что при увеличении заряда ускоряющая сила увеличивается на такую ​​же величину в электронных пушках и между отклоняющими пластинами.Аналогичный аргумент применим к любым изменениям массы.
2. Если В _d и В _a одинаковы (т.е. ускоряющее напряжение используется также для отклоняющих пластин), то форма кривой не зависит от этого напряжения. Это будет постоянная форма, которая зависит только от расстояния между пластинами.

свойств электрона

Дуализм волна / частица количественно описывается Уравнение Де Бройля:

λ = ч / р = ч / мв

λ: длина волны; h: постоянная Планка; p: импульс

Энергия ускоренного электронов равна их кинетической энергии:

E = eU = m ₀ v ² /2

U: ускоряющее напряжение
э / м ₀ / v: заряд / масса покоя / скорость электрона

Эти уравнения могут быть объединены для расчета длины волны электрон с определенной энергией:

p = m ₀ v = (2m ₀ eU) ^1/2

λ = ч / (2 м ₀ eU) ^1/2 (≈ 1.22 / U ^1/2 нм)

На напряжения ускорения, используемые в ПЭМ, релятивистские эффекты имеют принять во внимание (см. таблицу):

λ = h / [2 м ₀ eU (1 + eU / 2 м ₀ c ² )] ^1/2

	Релятивистский длина волны / вечера	Масса х м 0	Скорость x 10 8 м / с
100	3.70	1,20	1,64
200	2,51	1,39	2,09
300	1,97	1.59	2,33
400	1,64	1,78	2,48
1000	0,87	2,96	2.82

Масса покоя электрона: m ₀ = 9,109 x 10 ^-31 кг
Скорость света в вакууме: c = 2,998 x 10 ⁸ м / с

Генерация рентгеновских лучей

Генерация рентгеновских лучей

---

Генерация рентгеновских лучей

---

Указатель материалов курса Указатель раздела Предыдущая страница Следующая Страница

---

Генерация рентгеновских лучей

Лабораторные источники рентгеновского излучения можно разделить на два типа: герметичные трубки и источники рентгеновского излучения. вращающийся анод.Оба могут использоваться для генерации монохроматического рентгеновского излучения и в основном они различаются только интенсивностью производимого излучения.

Белое излучение

Рентгеновские лучи образуются, когда вещество облучается пучком заряженных частиц высокой энергии. частицы, такие как электроны. В лаборатории нить нагревают до производят электроны, которые затем ускоряются в вакууме сильным электрическим полем в диапазоне 20-60 кВ по направлению к металлической мишени, которая положительный называется анодом.Соответствующий электрический ток находится в диапазоне 5-100 мА. Процесс крайне неэффективен, так как 99% энергия луча рассеивается в виде тепла в мишени. Типичный Спектр рентгеновского излучения от медной мишени показан ниже:

Потеря энергии электронов при столкновении с атомами обычно происходит через несколько событий. Результатом является производство непрерывного Спектр рентгеновских лучей известен как белое излучение .Максимальная потеря энергии, E (макс.), определяет самую короткую длину волны, λ (min), что можно получить согласно уравнению

E = e V = h c / λ где e – заряд на электрон, В – ускоряющее напряжение, ч – планковское константа, а c – скорость света. Более практичная форма этого уравнения: дано λ = 12.398/ В где В, – в киловольтах, а λ – в Ангстремса (1 & Aring = 0,1 нм). Таким образом, чем выше ускоряющее напряжение генератора рентгеновских лучей, тем короче минимальная длина волны, которую можно получить. Максимум интенсивности белого излучения приходится на длина волны примерно 1,5 × λ (мин). Более длинные волны получаются за счет процессов многократных столкновений.

Полная интенсивность белого излучения I (w) приблизительно равна пропорциональный току накала, i , атомный номер анодная мишень Z и квадрат ускоряющего напряжения В .

Характеристическое излучение

Когда энергия ускоренных электронов выше, чем определенное пороговое значение (который зависит от металлического анода), получается второй тип спектра поверх накладывается белое излучение. Это называется характеристикой . излучения и состоит из дискретных пиков. Энергия (и длина волны) пиков зависит исключительно от металла. используется для цели и происходит из-за выброс электрона из одной из внутренних электронных оболочек атом металла.Это приводит к тому, что электрон с более высокого атомного уровня опускается на вакантный уровень с испусканием рентгеновского фотона, характеризуемого разница в энергии между двумя уровнями. Схема ниже покажите уровни энергии электронов для атома меди:

Характерные линии в этом типе спектра называются K, L, M, … и они соответствуют переходам на орбитали с главной квантовой числа 1, 2, 3, … Когда две орбитали, участвующие в переходе, смежны (е.грамм. 2 → 1), прямая называется α. Когда две орбитали разделены другой оболочкой (например, 3 → 1), линия называется β. Поскольку переход для β больше, чем для α, т. е. Δ E _β > Δ E _α , тогда λ _β <λ _α . Об этом свидетельствуют значения Kα и Kα длины волн в таблице ниже для двух распространенных анодных материалов:

Анод	Kα	Кβ
Cu	1.54184 Å	1,39222 Å
Пн	0,71073 Å	0,63229 Å

В рентгеновском спектре меди видны только 2 характерные линии при низких энергиях. разрешение и полоса ( ^– ) часто используется над α до указывают, что это средневзвешенное значение. (Этот эффект трудно достичь на языке HTML, поэтому полоса опущена.) Однако при более высоком разрешении Kα ₁ линия легко рассматривается как дублет, который помечен как Kα ₁ и Kα ₂ где Δ E α ₁ > Δ E α ₂ .Расщепление 2p-орбиталей в меди, т.е. расщепление уровней энергии L _II и L _III , очень мала (0,020 кэВ), поэтому две длины волны Kα ₁ (= 1,54056 Å) и Kα ₂ (= 1,54439 Å) очень похожи.

Вы можете задаться вопросом, почему на рисунке показано так мало переходов: разрешенные переходы определяются набором правил выбора, в которых говорится, что внешний s- или d-электрон не может заполнить дырку, оставленную выброшенным 1s-электроном, но этот p электроны могут.

Форма спектральной линии

Картинка выше на самом деле является упрощенной версией реальности, так как анализ спектральных линий с высоким разрешением, например, Cu Kα показывает, что как α ₁ и α ₂ пиков явно асимметричны. Объяснение происхождения этого асимметрия важна для понимания так называемого метод фундаментальных параметров к профилированию пиков порошковой дифракции.

Процесс снятия возбуждения, при котором внешний 2 p электрон заполняет внутреннюю 1 с электронную оболочку быстро (≈ 10 ^-12 с), но недостаточно быстро, чтобы остановить события двойной ионизации. Особенно, за выбросом начального 1s-электрона может последовать потеря одного из 2s или 2p электронов с уровней энергии L _I , L _II или L _III . Воздействие повышенной ионизации на атом немного изменится. энергетический зазор между уровнями K и L, в результате чего в немного разных длинах волн для испускаемого рентгеновского фотона.Результирующая асимметрия пиков в спектральном распределении Kα линии меди показаны на красный на схеме ниже:

Пунктирные цветные линии представляют отдельные спектральные вклады. к сумме (взято из статьи Х. Бергера в X-ray Spectrometry , 1986, 15, , 241-243).

Спектральная интенсивность

На приведенном выше рисунке легко видеть, что интенсивность Kα ₁ пик почти равен ровно вдвое больше интенсивности Kα ₂ пик.Вы можете спросить, как это соотносится с Kβ радиация или даже белое излучение. Интенсивность линии К приблизительно определяется формулой

I _K = c i ( V – V _K ) ⁿ где i – ток электронного пучка, ( c – постоянная,) и V _K – потенциал возбуждения линии K (как было указано ранее В _К = 12.398 [кВ / Å] / λ). Показатель n составляет примерно 1,5, но падает в сторону 1.0, если V > 2 V _K . Соотношение I _K : I _белый является максимальным при ускоряющем напряжении В примерно 4 × потенциал возбуждения В _К . Для анода Cu Kα, где В _K составляет 8,0 кВ, работает с типичным рабочим напряжением 40 кВ, линия Kα примерно в 90 раз интенсивнее, чем белое излучение аналогичная длина волны.Таким образом, белое излучение от медного анода равно слишком слаб, чтобы иметь какое-либо практическое применение для порошковой дифракции в лаборатории.

А как насчет интенсивности Kβ-излучение? Снова рассматривая медный анод, интенсивность Kα линий примерно в 5 раз больше, чем Kβ. Следовательно, все инструментальные установки оптимизированы для Kα-излучение, и предпочтительно около Kα ₁ , когда Монохроматоры высокого разрешения используются в составе рентгеновской оптики.

---

Указатель материалов курса Указатель раздела Предыдущая страница Следующая Страница

---

Просвечивающая электронная микроскопия | Центральный исследовательский центр микроскопии

Просвечивающий электронный микроскоп (ТЕМ) работает по многим из тех же оптических принципов, что и световой микроскоп. ТЕМ имеет дополнительное преимущество в виде более высокого разрешения. Это повышенное разрешение позволяет нам изучать ультраструктуру органелл, вирусов и макромолекул.Специально подготовленные образцы материалов также можно просмотреть в ТЕА. Световой микроскоп и ПЭМ обычно используются в сочетании друг с другом для дополнения исследовательского проекта.

Поскольку электроны очень малы и легко отклоняются молекулами углеводородов или газа, необходимо использовать электронный пучок в вакууме. Для создания необходимого вакуума для этой цели используется серия насосов. Роторные насосы – первые в этой серии. Их также называют «форвакуумными насосами», поскольку они используются для первоначального понижения давления в колонне, через которое электрон должен пройти, до диапазона 10 -3 мм рт. Ст.Диффузионные насосы могут обеспечивать более высокий вакуум (в диапазоне 10-5 мм рт. Ст.), Но они должны поддерживаться ротационным насосом. Диффузионный насос также поддерживает давление. Кроме того, турбо-, ионные или криогенные насосы, поддерживаемые предыдущими насосами, могут использоваться, когда требуется еще больший вакуум.

Просвечивающий электронный микроскоп (ТЕМ) устроен так же, как световой микроскоп.

Источник освещения (или электронная пушка) в термоионно-эмиссионном ПЭМ работает так же, как электрическая лампочка.Нить накала (катод) – источник электронов. Обычно это вольфрамовая проволока в форме шпильки. Ускоряющее напряжение (фиксированная величина отрицательного высокого напряжения) прикладывается к окружающей катодной крышке. Затем к нити применяется небольшой ток эмиссии для высвобождения электронов. Точка, в которой пистолет обеспечивает хорошее тепловыделение, а также приемлемый срок службы нити накала, называется точкой насыщения. Катодный колпачок (также называемый цилиндром Венельта) должен быть немного более отрицательным, чем нить накала.Сопротивление находится в узле пистолета и управляется ручкой с надписью «bias». Это создает разницу отрицательного напряжения между нитью накала и катодным колпачком. Это позволяет электронам собираться внутри крышки, образуя электронное «облако». Анод, расположенный ниже узла пушки, электрически заземлен, создавая положительное притяжение для отрицательно заряженных электронов, которые преодолевают отрицательное отталкивание катодной крышки и ускоряются через небольшое отверстие в аноде.

Стеклянные линзы, конечно, будут препятствовать проникновению электронов, поэтому линзы электронного микроскопа (ЭМ) являются электромагнитными собирающими линзами. Плотно намотанная медная проволока создает магнитное поле, которое составляет основу линзы. Эти катушки окружает металлический кожух, который не удерживает магнитный заряд, когда линза выключена. Электрон движется через центральное отверстие в этом соленоиде. Путь электронов дополнительно ограничен латунной накладкой внутри этого пространства, известной как полюсный наконечник.В полюсном наконечнике есть небольшой зазор, в котором луч больше всего подвержен влиянию электромагнитного тока. Это уместно называется зазором полюсного наконечника.

Пути электронов обычно представлены прямыми линиями, проходящими через выпуклую линзу. Точнее, однако, пути электронов образуют тугую спираль, поскольку они ускоряются через линзы. На путь и траекторию электронов влияет ток линзы, когда они проходят через небольшое отверстие в линзе.

Кроссовер – это точка, в которой электроны сходятся. Это определяет локальную длину линзы.

Линзы конденсора в ПЭМ выполняют почти ту же функцию, что и линзы конденсора в световом микроскопе. Они собирают электроны первого кроссоверного изображения и фокусируют их на образце, чтобы осветить только исследуемую область. Апертура конденсатора используется для уменьшения сферической аберрации. Объектив используется в основном для фокусировки и первоначального увеличения изображения.Столик для образца вставляется в линзу объектива для визуализации. Холодный палец или антиконтаминатор также находится рядом с линзой объектива. Он состоит из тонкого медного стержня при температуре жидкого азота, так что загрязнения притягиваются к нему. Резервуар для холодного пальца должен быть заполнен жидким азотом перед использованием микроскопа. Загрязняющие вещества иногда вызывают явление, известное как дрейф. Дрейф – это очевидное «движение» образца по экрану. Это вызвано плохим контактом между сеткой и держателем образца, вызывающим накопление тепла и статических зарядов.Апертура объектива используется для увеличения контраста образца. Промежуточные линзы увеличивают изображение, исходящее от линзы объектива. Наконец, линзы проектора дополнительно увеличивают изображение, исходящее от промежуточной линзы, и проецируют его на фосфоресцентный экран.

Для оптимизации изображения в ПЭМ перед использованием необходимо выполнить юстировку луча. Инструмент для этого выравнивания – дырявая сетка. Дырчатая сетка – это опора сетки ТЕМ, покрытая тонкой пластиковой пленкой и стабилизирующим углеродным слоем.Он изготовлен с небольшими круглыми отверстиями, которые можно использовать для юстировки ПЭМ. Отверстия в сетке создают полосы Френеля, когда электронный луч дифрагирует по краям, когда электроны объединяются при перефокусировке. По краю отверстия видны полосы или бахрома.

Окончательное изображение просматривается путем проецирования на фосфоресцирующий экран, который испускает фотоны при облучении электронным лучом. Пленочная камера расположена под фосфоресцирующим экраном. Экран приподнят, чтобы экспонировать специальную фотопленку с более толстым слоем эмульсии, чем на светлой пленке.Альтернативой фотопленке является цифровой захват с помощью компьютерной камеры для оцифровки и архивирования (CCD).

Оператор отвечает за регулировку переменного смещения, распознавание аберраций, дрейф изображения, фотографирование, контраст образца, разрешение, равномерное освещение и заполнение антиконтаминаторов жидким азотом перед использованием ПЭМ.

Обслуживание прибора, требующее ремонта персонала или компании, включает насыщение нити накала, замену нити накала, чистку или замену апертуры, чистку держателя образца, обслуживание вакуумного насоса и смотрового экрана.

Теоретическое разрешение светового микроскопа, описанное Аббе, может быть изменено и применено к ПЭМ с помощью формулы ДеБрогли. ДеБроли заявил, что длина волны электронного луча зависит от используемого ускоряющего напряжения. Увеличивая ускоряющее напряжение, получается более короткая длина волны. Более короткая длина волны применяется к уравнению Аббе, и может быть вычислено увеличенное разрешение. Типичные ускоряющие напряжения для биологического ПЭМ составляют до 125 000 вольт.

Уравнение Аббе: d = 0,753 / aV ^{1 /2}

грех

d = разрешение в нм

a = половина угла апертуры

V = ускоряющая скорость

Разрешение определяется как расстояние, на котором можно различить две точки или объекты. Поэтому, когда r приближается к нулю, мы говорим, что разрешение увеличивается.

Формула ДеБрогли:

л = ч / мв

h = постоянная Планка

(6.626 x 10–23 эрг / сек)

m = масса электрона

v = скорость электронов

Формула

ДеБрогли гласит, что при увеличении ускоряющего напряжения скорость электронов увеличится, как и разрешение.

Как и в световом микроскопе, несколько факторов умаляют это число. Сферическая аберрация также присутствует в ПЭМ, поскольку электроны, проходящие через периферию линзы, преломляются сильнее, чем электроны, проходящие вдоль оси. Следовательно, все электроны не достигнут общей точки фокуса.Чтобы уменьшить сферическую аберрацию, используется отверстие для удаления некоторых периферийных электронов.

а. б.

Обычно не следует ожидать, что хроматическая аберрация будет проблемой для электронного микроскопа, но электромагнитное излучение разной энергии сходится в разных фокальных плоскостях. По сути, это та же проблема, что и хроматическая аберрация, наблюдаемая в световом микроскопе.Чтобы скорректировать хроматическую аберрацию, увеличить ускоряющее напряжение, улучшить вакуум и / или использовать более тонкий образец.

Астигмация возникает, когда линзовое поле не симметрично по силе, но слабее в одной плоскости, чем в другой. Астигмация может быть вызвана несовершенным отверстием полюсного наконечника, неоднородным смешиванием материалов полюсного наконечника или загрязнением полюсных наконечников, отверстий и / или держателей образцов. С помощью стигматора можно наложить корректирующее поле соответствующей силы в нужном направлении, чтобы противодействовать асимметрии.Стигматоры расположены в линзах объектива и конденсора.

Хотя дифракция может быть полезной, дифракция электронных волн вокруг отверстий диафрагмы может мешать начальному волновому фронту. В результате получается нечеткое или расфокусированное изображение. Важно установить баланс между уменьшением сферической аберрации и дифракции путем выбора апертуры подходящего размера.

Формирование изображения в электронном микроскопе достигается за счет рассеяния электронов.Взаимодействие между первичным электронным пучком и образцом приводит к изменению энергии и / или траектории без изменения его кинетической энергии. Обратно рассеянные электроны являются примером упругого рассеяния. Неупругое рассеяние возникает, когда электрон передает некоторую кинетическую энергию атомам образца. Примерами неупругого рассеяния являются вторичные электроны, свернутые электроны и прошедшие электроны.

Определения

Ускоряющее напряжение -Фиксированная величина высокого напряжения, приложенного к катодной крышке просвечивающего электронного микроскопа.

Анод – Расположенный под узлом пушки, анод находится на земле с небольшим отверстием для прохождения электронов. Эта апертура служит первой линзой, с которой сталкивается электрон.

Астигмация – Аберрация, вызванная неравномерными электрическими полями, окружающими линзу.

Катод -Нить накала или источник первичного электронного пучка. Катодный колпачок (также называемый цилиндром Венельта) окружает узел пистолета. Здесь подается высокое напряжение.

Холодный палец – Длинный медный стержень, идущий вдоль внутренней части электронного столба. Когда резервуар заполнен жидким азотом, стержень притягивает загрязнения, которые в противном случае могли бы ухудшить вакуум в камере.

Диафрагма конденсора – Небольшое отверстие, просверленное лазером в плоской полоске молибдена, расположенное рядом с линзой конденсора, которое помогает ограничить сферическую аберрацию.

Конденсаторная линза – Первая электромагнитная линза, на которую попадает электронный луч.Фокусирует электроны на образце.

Хроматическая аберрация -Электромагнитное излучение разной энергии, сходящееся в разных фокальных плоскостях.

Кроссовер -Точка, в которой сходятся электроны. Наименьшее визуальное изображение луча на фосфорном экране.

Формула ДеБрогли – Длина волны электрона является функцией используемого ускоряющего напряжения.

Диффузионный насос – Второй насос в серии откачивающих колонку ТЕМ.

Drift – Явное «движение» образца в поле зрения.

Упругое рассеяние – Рассеяние электронов, при котором теряется небольшая кинетическая энергия, но траектория электрона существенно изменяется.

Рассеяние электронов -Смещение электронного луча образцом, вызывающее формирование изображения.

Эмиссионный ток -Небольшое количество тепла, добавляемого к источнику электронов, чтобы высвободить электроны через колонку.

Бахрома Френеля – Дифракционная картина, образующаяся вокруг небольшого отверстия, когда луч чрезмерно сфокусирован на нем.

Решетка с отверстиями – Тонкая поддерживающая пленка, в которой есть отверстия, чтобы ее можно было использовать для выравнивания ПЭМ.

Неупругое рассеяние -Рассеяние электронов, при котором электрон теряет кинетическую энергию, но лишь минимально изменяет траекторию.

Промежуточная линза -Помогите линзам объектива увеличить образец.

Апертура объектива – Небольшое отверстие, просверленное лазером в плоской полоске молибдена, расположенной рядом с линзой объектива. Регулировка этой полосы диафрагмы может помочь в настройке контрастности изображения.

Линза объектива -Основная увеличительная линза.

Фосфоресцентный экран -Экран в нижней части электронной колонки, где просматривается образец.

Полюс – латунный фитинг внутри электромагнитной линзы для сужения первичного электронного луча.

Объектив проектора -Последний объектив в ТЕМ. Используется для увеличения изображения и проецирования увеличенного изображения на фосфорный экран.

Роторный насос -Также называется черновым насосом. Первый насос в серии вакуумных насосов.

Точка насыщения – точка, в которой достигается хорошая эмиссия электронов из пушки без значительного сокращения срока службы нити накала.

Кожух – Корпус из мягкого железа, окружающий электромагнитные линзы ТЕМ.Соленоид – электромагнитная линза, состоящая из медных обмоток, через которые проходит постоянный ток.

Столик для образца – Платформа, на которой находится образец во время получения изображения.

Сферическая аберрация -Электроны, проходящие через периферию линзы, преломляются сильнее, чем электроны, проходящие через центр линзы. Таким образом, электроны не достигают общей точки фокусировки. Улучшено с добавлением диафрагмы.

.