Экспериментальное исследование прохождения 10кэВ электронов через нанокапилляры в PET
|
ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1. Обзор литературы 6
§1.1. Формирование капилляров в плёнках ПЭТ 6
§1.2. Управление электронами с помощью нанокапилляров 10
Глава 2. Основная часть 17
§ 2.1 Постановка задачи 17
§ 2.2 Результаты эксперимента 22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25
Список литературы 27
Глава 1. Обзор литературы 6
§1.1. Формирование капилляров в плёнках ПЭТ 6
§1.2. Управление электронами с помощью нанокапилляров 10
Глава 2. Основная часть 17
§ 2.1 Постановка задачи 17
§ 2.2 Результаты эксперимента 22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25
Список литературы 27
В последнее десятилетие, в рамках исследований гайдинг-эффекта, активно проводится работа по изучению процессов, возникающих при взаимодействии электронов с диэлектрическими поверхностями. Гайдингом (Guiding) называют способность управления пучками ионов или электронов с помощью диэлектрических каналов. В 2002 N. Stolterfoht и др. впервые наблюдали процесс прохождения положительных ионов Ne7+без непосредственного взаимодействия со стенками капилляра [1]. В указанной работе ионы с энергией 3 кэВ пропускали через нанокапилляры диаметром 100 нм и длиной 10 мкм, полученные путем травления треков ионов в полимерных пленках ПЭТ (полиэтилентерефталат, англ. PET). Чтобы избежать зарядки поверхности на входе в каналы и обеспечить стекание излишков заряда, на пленку с капиллярами напылялся слой золота толщиной около 30 нм.
В ходе эксперимента пленку (а, следовательно, оси наноканалов) поворачивали на углы до ±25° по отношению к направлению оси падающего пучка. Результат эксперимента показал, что значительная доля ионов, сохраняет свое начальное зарядовое и энергетическое состояние даже при крайних углах поворота. Данный эффект авторы работ объяснили формированием заряженных областей на диэлектрических стенках капилляров. Электрические поля этих областей удерживают основную часть пучка электронов от непосредственного контакта со стенками.
Результаты работы [1] положили начало серии экспериментов с проведением различных положительных ионов через диэлектрические каналы, а также дали толчок к проведению подобных работ с пучками электронов низких энергий [2,3,4]. Эксперименты по управлению пучками электронов с помощью нанокапилляров в ПЭТ проводились с использованием электронных источников, обеспечивающих энергии электронов от 0.5 кэВ до 1.5. Нанокапилляры в ПЭТ-фольгах, использованные в экспериментах, имеют следующие типичные размеры: диаметр порядка 100 нм, длина 12 мкм. В спектрах пучков электронов, прошедших через каналы, в основной массе работ наблюдались значительные потери энергии. Такие результаты сильно отличаются от результатов для медленных положительных ионов, для которых практически не наблюдалось потерь энергии. Наблюдение неупругих потерь энергии электронов позволило предположить, что значительная часть электронов «погружается» в поверхность или объем диэлектрической стенки капилляра. Прошедшие электроны претерпевают значительные потери энергии, которые преобладают в энергетических спектрах, причем потери увеличиваются с углом наклона капилляра, что не наблюдается для медленных положительных ионов или для электронов с более низкой энергией.
Кроме предположения об образовании заряженных областей на поверхности диэлектрика еще одним предположением, объясняющим наличие упругой составляющей в спектре прошедших через канал электронов, является идея, что прохождение электронов происходит в основном за счет малоуглового рассеяния на атомах, расположенных внутри поверхностного слоя. Этот механизм предполагает немедленное начало передачи электронов после введения пучка. Однако последующие измерения показали, что передача электронов происходила с задержкой по времени, что свидетельствовало о том, что участок отрицательного заряда играет определенную роль в управлении электронами. Начало прохождения электронов происходило после введения значительного заряда в капилляр, и оно росло намного быстрее, чем наблюдалось для ионов. [3]
Все упомянутые модели и предположения строились для электронов с энергией не больше 1.5 кэВ. Однако неисследованной областью остается область более высоких энергий, т.е. изучение прохождения пучка электронов с энергией порядка 10 кэВ через нанокапилляры в пленке ПЭТ, чем и определяется актуальность данной работы.
Цель работы: проведение экспериментального исследования возможности управления пучком электронов с энергией 10 кэВ с помощью нанокапилляров в пленке ПЭТ.
В ходе эксперимента пленку (а, следовательно, оси наноканалов) поворачивали на углы до ±25° по отношению к направлению оси падающего пучка. Результат эксперимента показал, что значительная доля ионов, сохраняет свое начальное зарядовое и энергетическое состояние даже при крайних углах поворота. Данный эффект авторы работ объяснили формированием заряженных областей на диэлектрических стенках капилляров. Электрические поля этих областей удерживают основную часть пучка электронов от непосредственного контакта со стенками.
Результаты работы [1] положили начало серии экспериментов с проведением различных положительных ионов через диэлектрические каналы, а также дали толчок к проведению подобных работ с пучками электронов низких энергий [2,3,4]. Эксперименты по управлению пучками электронов с помощью нанокапилляров в ПЭТ проводились с использованием электронных источников, обеспечивающих энергии электронов от 0.5 кэВ до 1.5. Нанокапилляры в ПЭТ-фольгах, использованные в экспериментах, имеют следующие типичные размеры: диаметр порядка 100 нм, длина 12 мкм. В спектрах пучков электронов, прошедших через каналы, в основной массе работ наблюдались значительные потери энергии. Такие результаты сильно отличаются от результатов для медленных положительных ионов, для которых практически не наблюдалось потерь энергии. Наблюдение неупругих потерь энергии электронов позволило предположить, что значительная часть электронов «погружается» в поверхность или объем диэлектрической стенки капилляра. Прошедшие электроны претерпевают значительные потери энергии, которые преобладают в энергетических спектрах, причем потери увеличиваются с углом наклона капилляра, что не наблюдается для медленных положительных ионов или для электронов с более низкой энергией.
Кроме предположения об образовании заряженных областей на поверхности диэлектрика еще одним предположением, объясняющим наличие упругой составляющей в спектре прошедших через канал электронов, является идея, что прохождение электронов происходит в основном за счет малоуглового рассеяния на атомах, расположенных внутри поверхностного слоя. Этот механизм предполагает немедленное начало передачи электронов после введения пучка. Однако последующие измерения показали, что передача электронов происходила с задержкой по времени, что свидетельствовало о том, что участок отрицательного заряда играет определенную роль в управлении электронами. Начало прохождения электронов происходило после введения значительного заряда в капилляр, и оно росло намного быстрее, чем наблюдалось для ионов. [3]
Все упомянутые модели и предположения строились для электронов с энергией не больше 1.5 кэВ. Однако неисследованной областью остается область более высоких энергий, т.е. изучение прохождения пучка электронов с энергией порядка 10 кэВ через нанокапилляры в пленке ПЭТ, чем и определяется актуальность данной работы.
Цель работы: проведение экспериментального исследования возможности управления пучком электронов с энергией 10 кэВ с помощью нанокапилляров в пленке ПЭТ.
Целью дипломной работы было проведение экспериментального исследования возможности управления пучком электронов с энергией 10 кэВ с помощью нанокапилляров в пленке ПЭТ.
Для выяснения данной возможности был предоставлен образец пленки (университет Ланьчжоу) с нанокапиллярами, имеющими следующие параметры: длина - 100 мкм, диаметр 200 нм. Пленка была покрыта тонким слоем золота для предотвращения зарядки области входных отверстий нанокапилляров электронами падающего пучка.
Перед выполнением поставленной задачи были проанализированы научные публикации по теме исследования. Анализ показал, что результаты экспериментов различных научных групп указывают на то, что управление электронами осуществляется за счет образования на внутренних стенках каналов самосогласованного зарядового распределения. Подобно ионам, электроны движутся вдоль оси капилляров. Тем не менее, способность капилляров управлять электронами, как правило, меньше, чем подобная способность по отношению к положительно заряженным ионам. При ненулевых углах поворота капилляров относительно оси первичного пучка спектры прошедших электронов демонстрируют, что часть электронов испытывает неупругие потери в каналах. Тем не менее, энергетические спектры также содержат упругую часть, которая показывает, что некоторая доля электронов не теряет энергию во время прохождения через капилляр. «Упругая» часть в спектре, предположительно, указывает на отклонение электронов отрицательно заряженными областями поверхности. Данное предположение может быть подтверждено тем фактом, что прохождение электронов начинается не мгновенно, как это было бы в случае упругого рассеяния электронов на атомах стенки каналов, а постепенно увеличивается с течением времени. Однако некоторая часть этих электронов все же может образовываться и из-за упругого рассеяния на атомах, расположенных вблизи поверхности капилляров.
Результаты ранее проведенных исследований, описанных в литературном обзоре, ясно указывают на наличие эффекта зарядки и существование эффекта гайдинга для электронов. Важно отметить, что на настоящий момент все результаты были получены для пучков электронов с энергиями, не превышающими 1.5 кэВ.
В рамках выполнения дипломного проекта было выполнено исследование эффекта гайдинга для электронов с энергией 10 кэВ. Согласно существующим экспериментальным данным было предположено, что с увеличением энергии первичного пучка прошедшие через наноканалы электроны должны сохранить свое первоначальное энергетическое состояние при нормальном падении на пленку. Однако при повороте осей наноканалов относительно оси падающего пучка интенсивность прошедшего пучка должна падать довольно быстро, и основная часть пучка должна испытать существенные энергетические потери.
При выполнении экспериментального исследования с предоставленным образцом не было явно зафиксировано прохождения электронов с энергией 10 кэВ через наноканалы. Предположительные причины такого результата заключаются в следующем:
1. низкая «прозрачность» предоставленного образца, порядка 7% для открытых каналов;
2. высокая степень непараллельности осей нанокапилляров, а, следовательно, сильная расходимость и высокий уровень энергетических потерь электронов, прошедших через нанокапилляры.
Таким образом можно заключить, что гайдинг-эффект для 10 кэВ электронов требует дальнейших исследований с новыми, более совершенными образцами.
Для выяснения данной возможности был предоставлен образец пленки (университет Ланьчжоу) с нанокапиллярами, имеющими следующие параметры: длина - 100 мкм, диаметр 200 нм. Пленка была покрыта тонким слоем золота для предотвращения зарядки области входных отверстий нанокапилляров электронами падающего пучка.
Перед выполнением поставленной задачи были проанализированы научные публикации по теме исследования. Анализ показал, что результаты экспериментов различных научных групп указывают на то, что управление электронами осуществляется за счет образования на внутренних стенках каналов самосогласованного зарядового распределения. Подобно ионам, электроны движутся вдоль оси капилляров. Тем не менее, способность капилляров управлять электронами, как правило, меньше, чем подобная способность по отношению к положительно заряженным ионам. При ненулевых углах поворота капилляров относительно оси первичного пучка спектры прошедших электронов демонстрируют, что часть электронов испытывает неупругие потери в каналах. Тем не менее, энергетические спектры также содержат упругую часть, которая показывает, что некоторая доля электронов не теряет энергию во время прохождения через капилляр. «Упругая» часть в спектре, предположительно, указывает на отклонение электронов отрицательно заряженными областями поверхности. Данное предположение может быть подтверждено тем фактом, что прохождение электронов начинается не мгновенно, как это было бы в случае упругого рассеяния электронов на атомах стенки каналов, а постепенно увеличивается с течением времени. Однако некоторая часть этих электронов все же может образовываться и из-за упругого рассеяния на атомах, расположенных вблизи поверхности капилляров.
Результаты ранее проведенных исследований, описанных в литературном обзоре, ясно указывают на наличие эффекта зарядки и существование эффекта гайдинга для электронов. Важно отметить, что на настоящий момент все результаты были получены для пучков электронов с энергиями, не превышающими 1.5 кэВ.
В рамках выполнения дипломного проекта было выполнено исследование эффекта гайдинга для электронов с энергией 10 кэВ. Согласно существующим экспериментальным данным было предположено, что с увеличением энергии первичного пучка прошедшие через наноканалы электроны должны сохранить свое первоначальное энергетическое состояние при нормальном падении на пленку. Однако при повороте осей наноканалов относительно оси падающего пучка интенсивность прошедшего пучка должна падать довольно быстро, и основная часть пучка должна испытать существенные энергетические потери.
При выполнении экспериментального исследования с предоставленным образцом не было явно зафиксировано прохождения электронов с энергией 10 кэВ через наноканалы. Предположительные причины такого результата заключаются в следующем:
1. низкая «прозрачность» предоставленного образца, порядка 7% для открытых каналов;
2. высокая степень непараллельности осей нанокапилляров, а, следовательно, сильная расходимость и высокий уровень энергетических потерь электронов, прошедших через нанокапилляры.
Таким образом можно заключить, что гайдинг-эффект для 10 кэВ электронов требует дальнейших исследований с новыми, более совершенными образцами.