Взаимодействие электронного пучка с твердым телом

Оглавление
Введение.
Взаимодействие электронного пучка с твердым телом.
Атомная модель Бора
Упругое рассеивание
Неупрогое рассеивание
Область взаимодействия электронного пучка с образцом
Рентгеноспектральный микроанализ с использованием энергодисперсионного спектрометра
Характеристические спектры
Механизм возникновения рентгеновских серий
Конструкция энергодисперсионного спектрометра
Принцип детектирования
РСМА с использованием ЭДС
Сравнение ЭДС и ВДС
Закон Мозли
Практическая часть



























Введение

Большой класс экспериментальных методов основан на регистрации сигналов, возникающих в процессе облучения исследуемого объекта электронным пучком. Эти методы называют электронно-зондовыми. К ним относятся такие методы, как растровая электронная микроскопия (РЭМ), рентгеноспектральный микроанализ (РСМА), катодолюминесценция (КЛ), оже-спектроскопия и др. Для корректной интерпретации получаемых данных необходимо понимание процессов взаимодействия электронов с исследуемыми объектами.

Взаимодействие электронного пучка с твердым телом

Характерная энергия электронов в пучке составляет 1 ÷ 50 кэВ. Это означает, что электроны с такой энергией могут возбудить большое количество разнообразных процессов в объекте. Однако, за исключением специальных редких случаев (таких, как органические материалы) энергии налетающих электронов недостаточно для разрыва атомной связи или смещения атома. Поэтому электронно-зондовые методы относятся к неразрушающим методам анализа.

При взаимодействии с образцом электроны пучка претерпевают взаимодействия, которые можно разделить на упругие и неупругие. Для высокоэнергетических электронов выше вероятность рассеяться упруго, для низкоэнергетических электронов – неупруго. Данные взаимодействия электрона с образцом основаны на Боровской модели атома.

Атомная модель Бора

Рис. 1. Атомная модель Бора
Представьте, что электроны в атоме движутся по определенным электронным орбитам. Каждыйэлектрон вращается по своей орбите вокруг ядра атома. Каждая такая орбита для электрона получила название "уровень энергии". Энергия электронов в атоме может изменяться только скачкообразно. Т.е. электрон может перескакивать с одной орбиты на другую и обратно (но не может занимать положение между орбитами). Говорят, что энергетические состояния электронов в атоме квантованы.
Энергия электрона зависит от радиуса его орбиты. Минимальная энергия у электрона, который находится на ближайшей к ядру орбите. При поглощении кванта энергии электрон переходит на орбиту с более высокой энергией (возбужденное состояние). И наоборот, при переходе с высокого энергетического уровня на более низкий - электрон отдает (излучает) квант энергии(Рис.1).


Упругое рассеяние

При упругом рассеянии изменяется направление вектора скорости электрона, а ее величина и, следовательно, величина кинетической энергии фактически остается постоянной. Образцу при каждом акте упругого рассеяния передается энергия порядка 1 эВ, что пренебрежимо мало по сравнению с первоначальной энергией электронов в пучке (~ 1 кэВ). Угол отклонения от направления падения может принимать значения в переделах от 0° вплоть до 180°, но его наиболее вероятное значение составляет по порядку величины единицы градусов. Упругое рассеяние происходит в результате столкновений электронов высокой энергии с ядрами атомов, частично экранированных связанными электронами. В результате упругих взаимодействий электрон может покинуть образец. Такой электрон называется отражённым.Экспериментально установлено, что доляотраженных электронов может достигать 30% от изначальногоколичества электронов пучка. Электроны пучка, которые вылетают споверхности образца в качестве отражённых электронов, имеютменьшую энергию, чем до взаимодействия, так как проходятнекоторое расстояние внутри твёрдого тела и теряют энергию.Контраст изображения, полученный в режиме отражённых электроновв растровой электронной микроскопии позволяет извлекать полезнуюинформацию о различии среднего атомного номера исследуемогообъекта. Коэффициент отражения электронов прямопропорционален атомному номеру матрицы, поэтому более светлыеобласти на изображении соответствуют фазам с большим средниматомным номером.

Неупругое рассеяние
При неупругих взаимодействиях траектория электрона изменяется мало, при этом происходит передача энергии твёрдому телу. Неупругие взаимодействия происходят, в основном, между электронами пучка и электронами образца.



Благодаря неупругимвзаимодействиям возникают: