О влиянии энергии электронов на характеристики излучения Вавилова - Черенкова и импульсной катодолюминесценции | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/79

О влиянии энергии электронов на характеристики излучения Вавилова - Черенкова и импульсной катодолюминесценции

Сделан обзор результатов исследований излучения Вавилова - Черенкова (ИВЧ) и импульсной катодолюминесценции при облучении различных кристаллов и полиметилметакрилата (ПММА) пучками электронов субнаносекундной и наносекундной длительности. Представлены расчеты, демонстрирующие влияние энергии электронов и показателя преломления вещества на интенсивность ИВЧ и его спектр, а также на пространственные характеристики излучения. Приведены экспериментальные результаты по наблюдению ИВЧ при энергии электронов E до 400 кэВ. Показано, что увеличение E позволяет зарегистрировать ИВЧ в алмазе, лейкосапфире и кварце КУ1 с помощью стандартного спектрометра. Установлено, что в ПММА из-за поглощения излучения в области короче 300-350 нм, а также из-за внутреннего пробоя образцов вследствие накопления в них электронов при больших плотностях тока пучка или(и) длительностях импульсов, регистрация ИВЧ затруднена, даже с помощью монохроматора и ФЭУ. Даются рекомендации по созданию датчиков пучков убегающих электронов в установках типа ТОКАМАК.

Influence of electron energy on the characteristics of Cherenkov radiation and pulse cathodoluminescence.pdf Введение Пучки электронов широко используются для определения состава различных веществ по спектрам и кинетике их изучения [1-4], в частности при идентификации алмазов [5]. Применение наносекундных и субнаносекундных ускорителей электронов с большой плотностью тока пучка позволило увеличить яркость излучения кристаллов и создать малогабаритные установки [6, 7]. Для изучения кинетики импульсной катодолюминесценции (ИКЛ) различных кристаллов в последние годы стали применять убегающие электроны (УЭ), генерируемые в газовых диодах [8-10]. При этом использовалась малая длительность пучков УЭ, которая при заполнении диода воздухом атмосферного давления составляла ~ 100 пс [11]. Также появились сообщения о создании детекторов быстрых электронов, в которых используется излучение Вавилова - Черенкова (ИВЧ) алмаза [12-14]. Детекторы ИВЧ состоят из одного или нескольких алмазных приемников (радиаторов), покрытых плёнкой металлов с различной толщиной стенки, световодов и ФЭУ [12]. Они создаются прежде всего для регистрации УЭ в установках типа ТОКАМАК [12-15], для которых проблема влияния УЭ на нагрев плазмы стоит весьма остро. При генерации УЭ теряется часть энергии, кроме того, наблюдается фокусировка пучков УЭ, приводящая к повреждению стенок рабочей камеры [16, 17]. Также известны работы, в которых изучается возможность использовать ИВЧ для диагностики пучков электронов, применяемых в медицине [18]. В качестве радиатора таких детекторов предполагается использовать полиметилметакрилат (ПММА). Общим свойством ИВЧ и ИКЛ в широком диапазоне экспериментальных условий является увеличение интенсивности излучения из облучаемых образцов при возрастании плотности тока пучка и энергии электронов. Однако имеется и ряд принципиальных отличий. Свойства ИВЧ можно прогнозировать, используя формулы из работ [19-21]. Во-первых, эффект Вавилова - Черенкова является безынерционным относительно тока пучка. Соответственно ИВЧ будет повторять форму импульса пучка электронов, что важно для определения момента времени генерации УЭ и длительности тока пучка. Во-вторых, интенсивность ИВЧ в области прозрачности вещества должна расти с уменьшением длины волны, а также при увеличении показателя преломления вещества и энергии электронов. В-третьих, ИВЧ распространяется под определённым углом к направлению движения моноэнергетического электрона и на выходе из плоской пластинки имеет форму кольца [21]. Что касается ИКЛ, то спектр излучения может состоять из большого числа линий и полос и определяется видом кристалла, а также составом примесей и дефектов в нем [1-5, 8-10, 22], причём кинетика отдельных полос при ИКЛ обычно сильно отличается. Поэтому при создании детекторов электронных пучков стоит задача предварительно определить, при каких условиях в спектре излучения образцов преобладает ИВЧ, а при каких ИКЛ, и следует также разработать методики калибровки детекторов. Как показали наши исследования [23-29], эти вопросы до настоящего времени остаются нерешёнными и требуют проведения новых исследований. Цель данной работы - проанализировать известные работы, посвященные изучению ИВЧ и ИКЛ применительно к созданию детекторов пучков высокоэнергетических электронов, а также, при энергии электронов до 400 кэВ, провести исследования спектральных и амплитудно-временных характеристик излучения кристаллов, перспективных для создания детекторов. Излучение Вавилова - Черенкова и его свойства Как известно, ИВЧ возникает при движении в веществе электрически заряженных частиц со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этом веществе. ИВЧ является универсальным излучением в том смысле, что под действием частиц с достаточной энергией «светятся» все прозрачные тела, находящиеся в жидком, газообразном и твёрдом состоянии. Для появления ИВЧ энергия электрона должна превышать величину пороговой энергии E1, которая зависит от показателя преломления кристалла. Спектральная плотность мощности ИВЧ dP(λ)/dλ определяется формулой (преобразованное выражение из [20]) , (1) где e - заряд электрона, v - его скорость; c - скорость света; n - показатель преломления вещества; λ - длина волны. Согласно данной формуле, спектральная плотность энергии ИВЧ увеличивается обратно пропорционально 3. На рис. 1, a представлена зависимость пороговой энергии электронов от показателя преломления (см. также работу [27]). Рис. 1. Зависимость пороговой энергии электронов для появления ИВЧ в полиметилметакрилате (1), CsI (2) и алмазе (3) (a) и спектральной плотности энергии ИВЧ для энергий электронов 100 (1), 200 (2) и 400 кэВ (3) (б) от показателя преломления вещества На рис. 1, а указаны пороговые энергии, при которых возникает ИВЧ для полиметилметакрилата (1), CsI (2) и алмаза (3). Для получения ИВЧ при малых энергиях электронов ( 50 кэВ и менее) нужны кристаллы с показателем преломления n ≥ 2.42. Этим объясняется использования алмаза (n = 2.42) в работах [12-15]. При n = 1.74 (CsI) пороговая энергия электронов составила 113 кэВ и при n = 1.49 в ПММА - 178 кэВ. На рис. 1, б представлены зависимости спектральной плотности энергии ИВЧ (dJ/dλ) в ПММА, CsI и алмазе от величины показателя преломления для различной энергии электронов моноэнергетических пучков. Отметим, что зависимости для интенсивности ИВЧ и его спектральной плотности энергии ввиду безынерционности ИВЧ совпадают. Увеличение показателя преломления помимо уменьшения пороговой энергии электронов для появления ИВЧ позволяет при одинаковой энергии электронов в несколько раз увеличить спектральную плотность энергии излучения. Соответственно регистрация ИВЧ при использовании кристаллов с большим n облегчается при прочих равных условиях. На рис. 2 приведены зависимости спектральной плотности энергии ИВЧ в алмазе, CsI и полиметилметакрилате от длины волны. Рис. 2. Зависимость спектральной плотности энергии ИВЧ от длины волны в полиметилметакрилате (кр. 1), CsI (кр. 2) и алмазе (кр. 3) для энергии электронов 250 кэВ (а), а также в алмазе для энергий электронов 100 (кр. 1), 200 (кр. 2) и 400 кэВ (кр. 3) (б) Специально были выбраны три образца, в которых показатели преломления сильно отличаются. Видно, что спектральная плотность ИВЧ возрастает с уменьшением длины волны независимо от показателя преломления. Для полиметилметакрилата подобные зависимости приведены в работах [24, 25, 27] при энергиях электронов 200, 250 и 300 кэВ, а на рис. 2, б - для алмаза при энергиях электронов 100, 200 и 400 кэВ. Подобные исследования в [30, 31] не проводились. Как известно [20, 21], волновой вектор ИВЧ образует угол с вектором скорости электрона и этот угол зависит от энергии электронов. Проанализируем влияние энергии электронов на угол распространения ИВЧ в случае моноэнергетического пучка электронов, который падает перпендикулярно на плоскопараллельную пластинку. Угол θ при вершине конуса, в котором распространяется ИВЧ, определяется как [20] . (2) Чем выше скорость (энергия) заряженной частицы и показатель преломления n среды, тем больше угол θ, под которым распространяется ИВЧ. Максимально возможный угол, под которым может распространяться ИВЧ в среде с показателем преломления n, можно определить из формулы (2) при β = 1. Так, например, для алмаза θmax ≈ 66. На рис. 3, а приведены зависимости угла θ от энергии электронов для алмаза, лейкосапфира и кварца. Видно, что при увеличении энергии электронов и показателя преломления углы, под которыми излучение попадает на вторую грань плоскопараллельной пластинки, становятся большими. Кроме того, показатель преломления n зависит от длины волны излучения n(λ), соответственно угол θ будет меняться в зависимости от λ. Обычно показатель преломления света в фиолетовой области спектра nф больше, чем в красной nкр. Таким образом, угол, под которым распространяется ИВЧ, будет «размыт» на величину Δθ. Поэтому излучение Вавилова - Черенкова будет распространяться между двух конических поверхностей (область на рис. 3, б, выделенная серым цветом, где внешний конус соответствует распространению ИВЧ в фиолетовой области спектра, а внутренний - в красной области спектра). Угол Δθ можно определить из уравнения (2): , (3) где n1 и n2 - показатели преломления для разных длин волн λ1 и λ2. Если рассматривать спектральный диапазон (190-1100 нм), в котором работает спектрометр HR2000+ES (OceanOptics Inc.), то угол Δθ в алмазе при энергии электрона 55 кэВ будет равен 25, при энергии электрона 100 кэВ - 11.78, при энергии 500 кэВ - 6. В видимом диапазоне спектра (380-780 нм) угол Δθ будет меньше. Например, для энергий электронов 100 кэВ он будет равен 1.62. Можно определить толщину кольца ИВЧ. Для этого необходимо знать расстояние от образца до определенной области, в которой необходимо узнать толщину кольца. Также необходимо учитывать, что из кристалла выходит излучение, которое распространяется под углом, не превышающим угол полного внутреннего отражения для данного кристалла. Например, для алмаза этот угол равен примерно 25. Кроме того, при установке оптического приёмника или световода необходимо учитывать, что из-за преломления излучения на границе раздела двух сред ИВЧ, выходящее из кристалла, будет распространяться в воздухе под бо́льшими углами к нормали к этой границе, чем оно распространялось внутри кристалла. Рис. 3. Зависимости угла θ от энергии электронов для алмаза (кр. 1), лейкосапфира (кр. 2) и кварца КУ1 (кр. 3) (а) и пространственное распределение ИВЧ (б) Следует отметить, что ряд кристаллов в экспериментах являются анизотропными средами. В таких кристаллах наблюдается двойное лучепреломление (возникает обыкновенный и необыкновенный луч). При этом луч может не раздваиваться, если он будет распространяться вдоль оптической оси кристалла. Кроме того, необыкновенный луч не лежит, как правило, в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. У двуосных кристаллов оба луча необыкновенные - показатели преломления для них зависят от направления в кристалле. Все эти особенности ИВЧ следует учитывать при создании детекторов. Установки и методики измерений Эксперименты были проведены на двух установках. Схемы систем регистрации параметров излучения приведены на рис. 4. Рис. 4. Схемы систем регистрации параметров излучения с помощью спектрометра (а), фотодиода (б) и монохроматора с ФЭУ (в): 1 - образец; 2 - вакуумный или газовый диод; 3 - оптический световод; 4 - спектрометр; 5 - фотодиод PD025; 6 - оптический фильтр; 7 - монохроматор; 8 - ФЭУ; 9 - линза В установке № 1 генератор ГИН-600 формировал импульсы напряжения с максимальной амплитудой 600 кВ, которые подавались на вакуумный диод с трубчатым катодом [26]. Длительность импульса тока электронного пучка за Al-фольгой толщиной 30 мкм на полувысоте составляла τ ≈ 12 нс, энергия электронов 50-400 кэВ и плотность тока пучка за фольгой j  100 А/см2. В установке № 2 использовался пучок электронов от ускорителей с газовым диодом, на который подавались импульсы напряжения от генераторов СЛЭП-150 и РАДАН-220. Сверхкороткий лавинный электронный пучок (СЛЭП [32]) выводился через Al-фольгу толщиной 20 мкм [10, 11]. Параметры СЛЭП зависели от генератора, а также от сорта и давления газа в диоде. При использовании генератора СЛЭП-150 энергия электронов была 50-250 кэВ, длительность импульса СЛЭП τ  100 пс и плотность тока за фольгой j  50 А/см2. При использовании генератора РАДАН-220 энергия электронов была 50-200 кэВ, τ  300 пс и j  120 А/см2. В обеих установках использовались трубчатые катоды с внешним диаметром 5 и 6 мм соответственно. Спектры излучения кристаллов, а также спектры их пропускания измерялись с помощью спектрометра OceanOptics HR2000+ES (диапазон 190-1100 нм, разрешение ~ 0.9 нм) с известной спектральной чувствительностью. Образцы обычно устанавливались на расстоянии от фольги 2.5 мм. Излучение подавалось на спектрометр по световоду (рис. 4, а). При высоком временном разрешении в области длин волн 200-800 нм амплитудно-временные характеристики излучения регистрировались с помощью фотодиода PD025 (катод LNS20, длительность переходной характеристики ~ 80 пс) с установкой оптического фильтра УФС1 и без него (рис. 4, б). Коротковолновая граница определялась поглощением образцов или воздуха, а длинноволновая уменьшением чувствительности фотодиода, начиная с 500 нм. Сигналы с фотодиода PD025 и коллектора электронов регистрировались с помощью цифрового осциллографа Agilent DSO-X6004A (6 ГГц, 20 выборок за наносекунду). Амплитудно-временные характеристики излучения определялись с помощью дифракционного монохроматора МДР-23 (решетка 1200 штрихов/мм, обратная линейная дисперсия 1.3 нм/мм) и ФЭУ-97 (рабочий диапазон длин волн 250-650 нм, длительность переходной характеристики ~ 7 нс) и осциллографа Tektronix DPO 3034 (300 МГц), связанного с компьютером. Образцы устанавливались под углом 45 к оси монохроматора и излучение фокусировалось линзой на щель монохроматора (рис. 4, в). Исследования были проведены при температуре 300 К и влажности воздуха не более 50 %. В данной работе как при проведении спектральных, так и амплитудно-временных измерений мы не учитывали изменение угла распространения ИВЧ от энергии электронов и показателя преломления по следующим причинам. Во-первых, энергетические спектры электронов пучка на обеих установках были весьма широкими. Во-вторых, углы падения электронов на поверхности образцов были различными. В-третьих, электроны при движении в кристалле меняли своё направление при столкновениях. Всё это приводило к изменению направления излучения ИВЧ и, как следствие, к угловой однородности плотности ИВЧ при выходе из кристаллов. Анализ результатов по регистрации спектров ИВЧ и ИКЛ при облучении образцов УЭ Как следует из предварительно проведённых нами исследований [28], для создания детекторов на основе ИВЧ наиболее подходят образцы, имеющие большой коэффициент преломления и обладающие малым поглощением в коротковолновой области спектра, которая прилегает к полосе фундаментального поглощения. Кроме того, в данных образцах должны отсутствовать интенсивные полосы ИКЛ в области от границы поглощения до 300-400 нм, где наиболее сильно проявляется увеличение интенсивности ИВЧ с уменьшением длины волны. Известно [13], что энергия убегающих электронов в ТОКАМАКах изменяется от десятков килоэлектрон-вольт до десятков мегаэлектрон-вольт. Для создания детекторов убегающих электронов на основе ИВЧ для установок типа ТОКАМАК в работах [12-14] в качестве радиаторов использовались кристаллы алмаза. Амплитуда сигналов с детекторов изменялась при изменении режимов работы установок, а время появления сигналов с ФЭУ совпадало с импульсами рентгеновского излучения, которые генерировались при торможении убегающих электронов. Однако в работах [12, 13] данные о спектрах излучения используемых детекторов ИВЧ и их калибровке не приводились. Не было данных об угловых, а также о временных характеристиках излучения. Соответственно однозначные доказательства регистрации ИВЧ в работах [12, 13] отсутствовали. Только в работе [14] сообщалось о калибровке детектора ИВЧ и регистрации спектра излучения при облучении детектора пучком электронов с энергией 2.3 МэВ от микротрона. Однако спектр излучения, представленный на рис. 10 в работе [14], не соответствовал ИВЧ. Наиболее интенсивная полоса с максимумом на длине волны 637 нм лежала в области 450-750 нм. Как известно [19- 21], интенсивность ИВЧ возрастает с уменьшением длины волны вплоть до границы поглощения и при энергии электронов 2.3 МэВ должна иметь максимальную интенсивность в области спектра, прилегающей к краю фундаментального поглощения алмаза (≈ 225 нм). Впервые о регистрации спектров ИВЧ сообщалось авторами в работах [27, 28]. При облучении кристаллов искусственного и природного алмаза были зарегистрированы с помощью монохроматора и ФЭУ полосы, интенсивность которых возрастала с уменьшением длины волны вплоть до начала полосы фундаментального поглощения. Кроме того, излучение в коротковолновой области спектра не имело заметной задержки относительно импульсов тока пучка убегающих электронов. Также в работе [28] подобные характеристики излучения были зарегистрированы с помощью монохроматора и ФЭУ в сапфире, ZnS, ZrO2, Ga2O3, и CsI. Однако ни в одном из 11 исследованных в [28] кристаллов, включая кристаллы из искусственного и природного алмаза, с помощью стандартного монохроматора ИВЧ зарегистрировать не удалось. Что касается ИВЧ в ПММА, то ни в одной из известных работ [18, 30, 31] достоверно ИВЧ зарегистрировать не удалось. Спектр излучения, приведённый в [18], состоит из полосы в области 350-750 нм с максимумом на длине волны ≈ 520 нм. Эта полоса примерно совпадает с полосой ИКЛ, зарегистрированной в работах [23-25] (400-600 нм, максимум на длине волны 490 нм). В [30, 31] спектры излучения при возбуждении пучком убегающих электронов не измерялись, а короткий импульс с фотоприёмника, который был принят за ИВЧ, обусловлен электромагнитной наводкой от пучка электронов поглощённого ПММА. Подробно результаты работ [30, 31] проанализированы в [24, 25], где показана ошибка в измерениях. Сложность регистрации ИВЧ в ПММА обусловлена двумя причинами. Во-первых, как мы уже отмечали, поглощение в ПММА начинается с 300-350 нм. Во-вторых, ПММА имеет малый коэффициент преломления (n = 1.49), соответственно пороговая энергия электронов εthr = 178 кэВ. Для сравнения, в алмазе n = 2.42 и εthr = 50 кэВ. Кроме того, ПММА имеет низкий порог разрушения из-за пробоя накопленными в диэлектрике электронами пучка. По этим причинам даже при энергии электронов до 400 кэВ на установке № 1 ИВЧ в ПММА не было зарегистрировано [26]. Однако, как будет показано ниже, в кварце КУ1, имеющем n = 1.46 и εthr = 190 кэВ, на установке № 1 при энергии электронов до 400 кэВ ИВЧ удалось зарегистрировать. Это было сделано благодаря более коротковолновой полосе фундаментального поглощения в кварце (~ 160 нм), отсутствию сильных полос ИКЛ в УФ-области спектра и более высокому порогу пробоя кварца за счет накопления электронов. Пробои внутри кварца не наблюдались при существенно больших плотностях тока, чем в ПММА. Из работ, посвященных исследованиям ИКЛ, отметим работу [29], в которой при возбуждении пучком убегающих электронов с энергией электронов до 100 кэВ были получены спектры излучения в 11 кристаллах и проведено сравнение спектральных плотностей энергии ИКЛ в области 200-1200 нм. Наибольшая спектральная плотность энергии ИКЛ в видимой и УФ-областях спектра была получена в ZnS. Для энергий электронов примерно до 200 кэВ ИКЛ более удобно использовать для диагностики пучков электронов, так как интенсивность ИКЛ существенно превышает интенсивность ИВЧ. Результаты экспериментальных исследований На рис. 5, а показаны спектры излучения алмазов, природного и синтетических, полученных разными способами. При проведении этих измерений возбуждение осуществлялось на установке № 1, где энергия электронов достигала 400 кэВ, а плотность тока пучка составляла ≈ 100 А/см2. Данная энергия электронов в 2 раза превышала энергию электронов ускорителя, используемого ранее в работе [28]. Как хорошо известно, спектры излучения алмазов зависят от способа их получения, а также от состава примесей в них [1, 2]. Поэтому полученные спектры излучения существенно отличаются, кроме спектров алмазов высокой чистоты (С5 и С6), полученных методом газофазного осаждения. Для образцов С5 и С6 было зарегистрировано увеличение интенсивности излучения в области спектра 250-400 нм при уменьшении длины волны излучения, что является одним из главных признаков ИВЧ. Для природного алмаза С4 существенный вклад в излучение в этой обрасти давала катодолюминесценция, а для алмаза CN3 на спектр излучения повлияло поглощение. Форма кривой поглощения кристаллов С4, С5 и С6 существенно не отличалось, но высокая интенсивность катодолюминесценции в кристалле С4 не позволяла с помощью спектрометра достоверно выделить в нем ИВЧ. Наличие в кристалле CN3 сильного поглощения (ввиду наличия дисперсно-распределенных атомов азота, замещающих атомы решетки) начиная с 500 нм объясняет отсутствие регистрируемого ИВЧ в его спектре. Рис. 5. Спектры излучения (кр. 1-4) и пропускания (кр. 5, 6) четырёх кристаллов алмаза, полученных различными способами (кр. 1 - C4; кр. 2 - С6; кр. 3 - С5; кр. 4 - CN3; кр. 5 - усреднённое пропускание для образцов С4, С5 и С6; кр. 6 - пропускание для образца CN3) (а) и спектры излучения (кр. 1, 2) и пропускания (кр. 3, 4) кристаллов лейкосапфира (кр. 1, 3) и кварца КУ1 (кр. 2, 4) (б) Кроме ИВЧ, на установке № 1, а также на установке № 2 при увеличении плотности тока пучка и длительности импульса для образцов С5 и С6 с помощью спектрометра была зарегистрирована полоса с высокой спектральной плотностью энергии излучения в области 220-350 нм. Данная полоса отсутствовала в природном алмазе (образец С4) и в образце CN3. Как показали исследования катодолюминесценции в работе [33], полоса в области 220-350 нм относится к излучению экситонов в алмазе. При уменьшении температуры образца интенсивность данной полосы возрастает. Как следует из данной работы, ИВЧ уверенно регистрировалось на установке № 1, которая имела большие энергии электронов и длительность тока пучка по сравнению с используемыми в работе [28]. Однако на установке № 2 были увеличены плотность тока пучка с 75 до 120 А/см2 и длительность импульса на полувысоте от 180 до 300 пс, что позволило с помощью стандартного спектрометра зарегистрировать увеличение интенсивности излучения в области 240-300 нм при уменьшении длины волны излучения. Это, как мы уже отмечали, является признаком регистрации черенковского излучения в этой области. Кроме того, и на этой установке при энергии электронов до 200 кэВ удалось зарегистрировать экситонную полосу в области 220-350 нм. Спектры излучения также были зарегистрированы с помощью спектрометра в лейкосапфире и кварце КУ1 (рис. 5, б). Данные кристаллы были выбраны для исследований, поскольку они имели сравнительно малую интенсивность катодолюминесценции в УФ-области спектра, а край фундаментального поглощения находится в ВУФ-области. Как видно из рис. 5, б, оба образца имеют полосу в области длин волн 220-450 нм, энергетическая интенсивность которой растет с уменьшением длины волны. Такое увеличение интенсивности можно объяснить только наличием ИВЧ. Для дополнительной проверки данного вывода было проведено измерение амплитудно-временных характеристик излучения в алмазе (образец С6), лейкосапфире и кварце КУ1. Важным признаком ИВЧ является его безынерционность относительно тока пучка. Исследования амплитудно-временных характеристик излучения были проведены на установках № 1 и 2 с помощью фотодиода PD025. Импульсы излучения сравнивались с осциллограммами тока пучка. Импульсы излучения регистрировались за светофильтром УФС1, который пропускал излучение в области, где наблюдались полосы ИВЧ (230-400 нм). Полученные импульсы излучения для лейкосапфира и алмаза приведены на рис. 6. Рис. 6. Осциллограммы импульсов тока пучка I (кр. 1) и мощности излучения P (кр. 2) за фильтром УФС1 в лейкосапфире (a) и алмазе C5 (б). Установка № 1 Для лейкосапфира (рис. 6, б) наблюдалось наилучшее соответствие между осциллограммами тока пучка и излучения. Вклад ИКЛ в лейкосапфире в длинноволновой области спектра (> 650 нм) в регистрируемый сигнал был малый. Для алмаза (рис. 6, б) форма импульса излучения до максимальной амплитуды тока пучка примерно соответствует его форме. Далее наблюдается некоторое увеличение интенсивности излучения и длительности импульса. Из этого следует, что катодолюминесценция наряду с излучением Черенкова даёт вклад в регистрируемое излучение. Однако вклад полосы экситонного излучения в области 220-350 нм в регистрируемый фотоприёмником сигнал мал из-за большой длительности импульса этой полосы, ~ 80 нс, для установки № 1. Длительность импульса экситонной полосы была определена с помощью монохроматора и ФЭУ (см. рис. 4, в). Для кварца КУ1 импульсы излучения по суммарной длительности примерно соответствовали длительности импульсов тока пучка, но состояли из трёх последовательных пиков. При этом, по три пика наблюдались как при наличии фильтра, так и без него. Мы считаем, что в эти импульсы основной вклад даёт ИВЧ, но из-за малого показателя преломления энергии половины электронов пучка не хватало для превышения порога (εthr = 190 кэВ). Данный вывод подтверждают эксперименты на установке № 2, которые были проведены при длительности импульса тока пучка на полувысоте ≈ 300 нс и энергии электронов до 200 кэВ. Фронт импульса излучения, регистрируемый фотодиодом в алмазе и лейкосапфире, совпадал с фронтом тока пучка, а в кварце КУ1 не совпадал. Это связано с тем, что только малая часть электронов на установке № 2 имеет энергию, превышающую пороговую для ИВЧ в кварце. Соответственно интенсивность ИВЧ была мала на фоне ИКЛ. Обсуждение результатов В данной работе исследования свечения различных кристаллов были проведены при длительностях импульсов тока пучка 0.1, 0.3 и 12 нс, причем при длительности импульса 12 нс энергия электронов в спектре пучка достигала 400 кэВ. Увеличение энергии электронов в пучке увеличивает долю ИВЧ в излучении кристаллов и расширяет число кристаллов, в которых ИВЧ можно зарегистрировать стандартными спектрометрами. Однако при измерениях надо учитывать появление новых полос излучения. Например, в синтетических кристаллах алмаза высокой чистоты появилась экситонная полоса с высокой спектральной плотностью энергии излучения. При субнаносекундной длительности импульса тока пучка следует учитывать влияние электромагнитных наводок, амплитуда которых увеличивается, особенно при малой толщине образцов. Также следует учитывать влияние рентгеновского излучения, которое возникает при торможении пучка электронов, на кристаллы, световоды, ФЭУ и фотоприёмники. Например, на спектрах алмаза, лейкосапфира и кварца (рис. 5) присутствует полоса с максимумом на длине волны 485 нм. Мы предполагаем, что появление этой полосы обусловлено влиянием рентгеновского излучения на световод, по которому излучение передаётся на спектрометр. Как известно, проникающая способность рентгеновского излучения при одинаковой энергии квантов и электронов пучка на порядок выше. Соответственно это может влиять на измерения с помощью детекторов ИВЧ. Спектр свечения алмаза, полученный в работе [18], отличается от спектров алмазов, полученных в данной работе. Мы считаем, что требуется продолжать работы по изучению влияния пучков убегающих электронов на характеристики излучения различных кристаллов, а также на интегральные характеристики систем регистрации, в которых присутствуют все элементы. Выводы Из проведённой работы следует, что для регистрации параметров пучков электронов, в том числе убегающих, можно использовать как ИКЛ, так и ИВЧ. Применение ИКЛ целесообразно при энергиях электронов до 200-300 кэВ, поскольку интенсивность ИКЛ в большинстве кристаллов существенно превышает интенсивность ИВЧ. Кроме того, ИКЛ излучается во всех направлениях относительно направления электронов пучка, что облегчает её регистрацию. Из исследованных образцов можно рекомендовать для создания датчиков электронов кристаллы ZnS и ZnSe, которые имеют высокую интенсивность ИКЛ, в том числе в режиме сверхизлучения, и обладают высокой лучевой прочностью. Регистрация параметров пучков электронов с помощью ИВЧ имеет преимущества при энергиях электронов ~ 400 кэВ и более. При этом, из исследованных образцов, наиболее перспективны синтетический алмаз типа IIA, полученный методом газофазного осаждения, а также, при высоких энергиях электронов, кварц КУ1. При создании детекторов ИВЧ надо принимать во внимание угловое распределение излучения и внутреннее отражение [34]. Кроме того, при высоких энергиях электронов (> 1 МэВ) надо учитывать радиационное повреждение образцов. Например, лейкосапфир имеет малое поглощения в коротковолновой области спектра и в нём отсутствуют интенсивные полосы ИКЛ в этой области. Однако при высоких энергиях электронов (> 1 МэВ) он быстро темнеет под действием тормозного рентгеновского излучения. Для использования преимущества ИВЧ, связанного с его безынерционностью, необходимы ФЭУ или другие фотоприёмники с высоким временным разрешения. Как известно, пучки убегающих электронов, генерируемые в газовых диодах, имеют субнаносекундную и пикосекундную длительность [11]. Также отметим, что для создания детекторов электронов высоких энергий следует отдавать предпочтение кристаллам не только с большим коэффициентом преломления, но и с высокой теплопроводностью и термостойкостью, а также стойкостью к появлению радиационных дефектов под действием электронов и рентгеновского излучения.

Ключевые слова

PMMA, quartz, diamond, leucosapphire, electron beam exposure, pulsed cathodoluminescence, ПММА, Cherenkov radiation, кварц, алмаз, лейкосапфир, воздействие пучком электронов, импульсная катодолюминесценция, излучение Вавилова - Черенкова

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Олешко Владимир ИвановичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.ф.-м.н., ведущ. науч. сотр.oleshko@tpu.ru
Ломаев Михаил ИвановичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.ф.-м.н., ведущ. науч. сотр.Lomaev@loi.hcei.tsc.ru
Липатов Евгений ИгоревичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., науч. сотр., eLipatov@loi.hcei.tsc.ru
Ерофеев Михаил ВладимировичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., ст. науч. сотр.Michael@loi.hcei.tsc.ru
Бураченко Александр ГеннадьевичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., мл. науч. сотр.BAG@loi.hcei.tsc.ru
Бакшт Евгений ХаимовичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.т.н., ст. науч. сотр.BEH@loi.hcei.tsc.ru
Белоплотов Дмитрий ВикторовичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., науч. сотр.rff.qep.bdim@gmail.com
Тарасенко Виктор ФедотовичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.ф.-м.н., зав. лабораториейVFT@loi.hcei.tsc.ru
Всего: 8

Ссылки

Бакшт Е.Х., Вуколов А.В., Ерофеев М.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. - 2019. - Т. 109. - Вып. 9. - С. 584-588.
Lipatov E.I., Genin D.E., Grigor'ev D.V., and Tarasenko V.F. // Luminescence - An Outlook on the Phenomena and their Applications. - Rijeka, Croatia: IntechOpen, 2016.
Тарасенко В.Ф., Орловский В.М., Шунайлов С.А. // Изв. вузов. Физика. - 2003. - Т. 45. - № 3. - С. 94-95.
Babich L.P., Loiko T.V., and Rodigin A.V. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2014. - V. 42. - No. 4. - P. 948-952.
Sorokin D.A., Burachenko A.G., Beloplotov D.V., et al. // J. Appl. Phys. - 2017. - V. 122. - No. 15. - P. 154902.
Бабич Л.П., Лойко Т.В., Родигин А.В. // Докл. АН. - 2014. - Т. 457. - № 6. - С. 646-649.
Тарасенко В.Ф., Ломаев М.И., Сорокин Д.А., Белоплотов Д.В. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 7. - С. 160-161.
Бураченко А.Г., Тарасенко В.Ф., Белоплотов Д.В., Бакшт Е.Х. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 9. - С. 66-69.
Tarasenko V.F., Baksht E.Kh., Burachenko A.G., et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2017. - V. 45. - No. 1. - P. 76-84.
Олешко В.И., Бакшт Е.Х., Бураченко А.Г., Тарасенко В.Ф. // ЖТФ. - 2017. - Т. 87. - Вып. 2. - С. 299-304.
Тарасенко В.Ф., Бакшт Е.Х., Бураченко А.Г. и др. // Докл. АН. - 2016. - Т. 471. - № 2. - С. 150-153.
Бакшт Е.Х., Бураченко А.Г., Белоплотов Д.В., Тарасенко В.Ф. // Изв. вузов. Физика. - 2016. - Т. 59. - № 4. - С. 15-19.
Зрелов В.П. Излучение Вавилова - Черенкова и его применение в физике высоких энергий. Т. 1. - М.: Атомиздат, 1968. - 274 с.
Lipatov E.I., Lisitsyn V.M., Oleshko V.I., et al. // Cathodoluminescence. - Rijeka, Croatia: IntechOpen, 2012.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. - М.: Наука, 1982. - 621 c.
Lee B., Shin S.H., Yoo W.J., and Jang K.W. // Opt. Rev. - 2016. - V. 23. - No. 5. - P. 806-810.
Jelly J.V. Cherenkov’s Radiation and its Application. - N.Y., USA: Pergamon, 1958.
Savrukhin P.V. and Shestakov E.A. // Nucl. Fusion. - 2015. - V. 55. - No. 4. - P. 043016.
Sadowski M.J. // Nukleonika. - 2011. - V. 56. - No. 2. - P. 85-98.
Spong D.A., Heidbrink W.W., Paz-Soldan C., et al. // Phys. Rev. Lett. - 2018. - V. 120. - No. 15. - P. 155002.
Bagnato F., Romano A., Buratti P., et al. // Plasma Phys. Controlled Fusion. - 2018. - V. 60. - No. 11. - P. 115010.
Zebrowski J., Jakubowski L., Rabinski M., et al. // J. Phys. Conf. Ser. - 2018. - V. 959 - No. 1. - P. 012002.
Jakubowski L., Sadowski M.J., Zebrowski J., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 2010. - V. 81. - No. 1. - 013504.
Tarasenko V.F. and Rybka D.V. // High Voltage. - 2016. - V. 1. - No. 1. - P. 43-51.
Бакшт Е.Х., Бураченко А.Г., Тарасенко В.Ф. // Письма в ЖТФ - 2010. - Т. 36. - Вып. 21. - С. 102-110.
Babich L.P., Becker K.H., and Loiko T.V. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2009. - V. 37. - No. 11. - P. 2261-2264.
Липатов Е.И., Тарасенко В.Ф., Орловский В.М. и др. // Письма в ЖТФ. - 2005. - Т. 31. - Вып. 6. - С. 29-33.
Сорокин Д.А., Бураченко А.Г., Тарасенко В.Ф. и др. // ПТЭ. - 2018. - № 2. - С. 102-107.
Афанасьев B.Н., Бычков В.Б., Ларцев В.Д. и др. // ПТЭ. - 2005. - № 5. - С. 88-92.
Липатов Е.И., Бураченко А.Г., Авдеев С.М. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 3. - С. 62-74.
Meuret S., Coenen T., Zeijlemaker H., et al. // Phys. Rev. B. - 2017. - V. 96. - No. 3. - P. 035308.
Kozlov V.A., Ochkin, V.N., Pestovskii N.V., et al. // J. Phys. Conf. Ser. - 2015. - V. 653. - No. 1. - P. 012017.
Cоломонов В.И., Михайлов С.Г. Импульсная катодолюминесценция и ее применение для анализа конденсированных веществ. - Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2003. - 182 с.
Zaitsev A.M. Optical Properties of Diamond: A Data Handbook. - Berlin: Springer Verlag, 2001.
 О влиянии энергии электронов на характеристики излучения Вавилова - Черенкова и импульсной катодолюминесценции | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/79

О влиянии энергии электронов на характеристики излучения Вавилова - Черенкова и импульсной катодолюминесценции | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/79