Zařízení pro detekci plynů - Gaseous detection device

Tento článek má několik problémů. Prosím pomozte vylepši to nebo diskutovat o těchto otázkách na internetu diskusní stránka. (Zjistěte, jak a kdy tyto zprávy ze šablony odebrat) tento článek příliš spoléhá na Reference na primární zdroje. Vylepšete to přidáním sekundární nebo terciární zdroje. (Červenec 2020) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

The plynové detekční zařízení (GDD) je metoda a zařízení pro detekci signálů v plynném prostředí environmentální rastrovací elektronový mikroskop (ESEM) a všechny přístroje se skenovaným paprskem, které umožňují minimální tlak plynu pro činnost detektoru.

Dějiny

V průběhu vývoje ESEM, detektory dříve používané ve vakuu a rastrovací elektronový mikroskop (SEM) musely být upraveny pro provoz v plynných podmínkách. Detektor zpětně rozptýlených elektronů (BSE) byl upraven vhodnou geometrií v souladu s požadavky na optimální přenos elektronového paprsku, distribuci BSE a přenos světlovodu.^[1] Odpovídající detektor sekundárních elektronů (SE) (Detektor Everhart-Thornley ) nebylo možné přizpůsobit, protože vysoký požadovaný potenciál by způsobil katastrofický rozpad i při mírném zvýšení tlaku, jako je nízké vakuum. Danilatos (1983)^[2][3] překonal tento problém použitím samotného plynného prostředí jako detektoru na základě ionizujícího působení různých signálů. S vhodnou kontrolou konfigurace elektrod a zkreslení bylo dosaženo detekce SE. Byl publikován komplexní průzkum zabývající se teorií a fungováním GDD,^[4] z nichž byla použita většina níže uvedeného materiálu.

Zásady a popis

Princip GDD

GDD je v zásadě adaptací technik pro detekci částic používaných v jaderné fyzice a astronomii. Adaptace zahrnuje parametry potřebné pro tvorbu obrazů v podmínkách elektronového mikroskopu a v přítomnosti plynu uvnitř komory pro vzorky. Signály vycházející z interakce vzorku paprsku zase interagují s okolním plynem ve formě plynné ionizace a excitace. Typ, intenzita a distribuce interakcí signál-plyn se liší. Je štěstí, že časová konstanta těchto interakcí je obecně kompatibilní s časovou konstantou potřebnou pro tvorbu obrazů v ESEM. Stanovení této kompatibility představuje základ vynálezu GDD a skoku z částicové fyziky k elektronové mikroskopii. Dominantní interakce signál-plyn jsou interakce BSE a SE, jak jsou uvedeny níže.

Ve své nejjednodušší formě zahrnuje GDD jednu nebo více elektrod předpjatých s obecně nízkým napětím (např. Až 20 V), které je dostatečné pro sběr ionizačního proudu vytvářeného jakýmikoli zdroji. To je téměř stejné jako ionizační komora ve fyzice částic. Velikost a umístění těchto elektrod určují detekční objem v plynu, a tedy i typ detekovaného signálu. Energetická BSE prochází velkou vzdálenost, zatímco SE cestuje mnohem kratší boční vzdáleností hlavně prostřednictvím difúze v plynu. Odpovídajícím způsobem bude mít elektroda umístěná dále od osy paprsku převážně složku BSE ve srovnání s převládající SE složkou shromážděnou elektrodou umístěnou blízko k ose. Přesný poměr směsi a intenzity signálu závisí na dalších parametrech povahy a tlaku plynu ve spojení s konfiguracemi a zkreslením elektrod, přičemž je třeba mít na paměti, že neexistuje žádný náhlý fyzický rozdíl mezi SE a BSE, kromě konvenční definice 50 eV hranice mezi nimi.

V jiné formě zahrnuje GDD jednu nebo více elektrod, jak je uvedeno výše, ale předpjaté obecně vysokým napětím (např. 20–500 V). Zahrnuté procesy jsou stejné jako v případě nízkého napětí s přidáním zesílení signálu podle principu proporcionálního zesilovače, jak se používá ve fyzice částic. To znamená, že všechny pomalé elektrony v plynu vycházející z ionizující BSE nebo přímo ze vzorku (tj. SE) se množí ve formě laviny. Energie přenášená na pohybující se pomalé elektrony vnějším elektrodovým polem je dostatečná k ionizaci molekul plynu postupnými (kaskádovými) srážkami. Výboj je řízen úměrně předpětí aplikované elektrody pod bodem rozpadu. Tato forma detekce se označuje jako ionizační GDD.^[4]

Souběžně s ionizací dochází v obou případech také k excitaci plynu. Plynné fotony jsou produkovány jak BSE, tak SE jak přímo, tak kaskádovou lavinou s ionizačními elektrony. Tyto fotony jsou detekovány vhodnými prostředky, jako jsou fotonásobiče. Polohováním Světelné trubice strategicky, pomocí filtrů a jiných světelných optických prostředků, lze SE znovu oddělit od BSE a vytvořit odpovídající obrazy. Tato forma detekce se označuje jako scintilace-GDD.^[4]

Distribuce a separace SE

Charakteristiky účinnosti plynového detekčního zařízení v ESEM

Principy uvedené výše lze nejlépe popsat zvážením rovinných elektrod předpjatých tak, aby vytvářely jednotné elektrické pole, jak je znázorněno v přiloženém schéma principu GDD. Elektronový paprsek dopadající na vzorek na katodě účinně vytváří bodový zdroj SE a BSE. Distribuce pomalých elektronů emitovaných z bodového zdroje uvnitř plynu působeného rovnoměrným polem je dána z rovnic (nízké pole):^[5]

${displaystyle R = {frac {I (r, d)} {delta I_ {b}}} = 1- {frac {1} {Q}} exp left [{frac {eV} {2kTepsilon}} (1-Q ) ight]}$  s   ${displaystyle Q = left (1+ {frac {r ^ {2}} {d ^ {2}}} ight) ^ {1/2}}$

kde R je zlomek JV, který dorazí k anodě uvnitř poloměru r, PROTI rozdíl potenciálů mezi elektrodami umístěnými ve vzdálenosti d, k je Boltzmannova konstanta, T absolutní teplota plynu, E elektronový náboj a ε je poměr tepelné (míchací a kinetické) energie elektronů dělený tepelnou energií hostitelského plynu; Já je odpovídající proud odebíraný anodou uvnitř r, δ je koeficient výtěžku SE a Já_b dopadající proud elektronového paprsku. To poskytuje prostorové rozdělení počátečních elektronů SE, protože na ně působí rovnoměrné elektrické pole, které je pohybuje z katody na anodu, zatímco elektrony také difundují v důsledku tepelných kolizí s molekulami plynu. Pozemky jsou uvedeny v doprovodném materiálu charakteristiky účinnosti GDD, pro soubor provozních podmínek tlaku p a vzdálenost d. Všimli jsme si, že 100% účinnost sběru se rychle přibližuje v malém poloměru i při střední intenzitě pole. Při vysokém zkreslení je dosaženo téměř úplné kolekce ve velmi malém poloměru, což má příznivé konstrukční důsledky.

Výše uvedené radiální rozdělení platí také za přítomnosti tvorby elektronových lavin ve vysokém elektrickém poli, ale musí být vynásobeno příslušným faktorem zisku. Ve své nejjednodušší formě pro paralelní elektrody^[6] faktor zisku je exponenciál v aktuální rovnici:

${displaystyle I (r, d) = delta I_ {b} Rexp (alfa d)}$

kde α je první Townsendův koeficient. To dává celkové zesílení signálu v důsledku elektronů i iontů. Faktor prostorového rozložení a zesílení se mění podle konfigurace a geometrie elektrod a podle dalších výbojových procesů popsaných v referenční teorii GDD.

GDD SE charakteristiky zisku

Distribuce BSE

Implementace GDD

BSE obvykle mají energie v rozsahu kV, takže mnohem nižší předpětí elektrod má na jejich trajektorii pouze sekundární účinek. Ze stejného důvodu vede konečný počet srážek s plynem k vychýlení druhého řádu od jejich trajektorie, kterou by měli ve vakuu. Proto je jejich distribuce prakticky stejná, jak ji vypracovali pracovníci SEM, jejíž variace závisí na vlastnostech povrchu vzorku (geometrie a složení materiálu). U leštěného povrchu vzorku předpokládá distribuce BSE téměř kosinovou funkci, ale u drsného povrchu jej můžeme považovat za sférický (tj. Rovnoměrný ve všech směrech).^[7] Pro stručnost jsou níže uvedeny pouze rovnice druhého případu. Ve vakuu je distribuce proudu z BSE na elektrodě dána vztahem

${displaystyle I (r, d) = eta I_ {b} vlevo (1- {frac {1} {Q}} vpravo)}$

kde η je výnosový koeficient BSE.

V přítomnosti plynu při nízkém elektrickém poli se odpovídající rovnice stanou:

${displaystyle I (r, d) = eta I_ {b} pdSleft [{frac {r} {d}} an ^ {- 1} vlevo ({frac {r} {d}} ight) + ln Qight]}$

kde S je ionizační koeficient plynu a p jeho tlak

Nakonec získáme vysoké elektrické pole

${displaystyle I (r, d) = {frac {1} {2}} eta I_ {b} limity pSint _ {0} ^ {d} ln left [1 + left ({frac {r} {h}} ight ) ^ {2} ight] exp {alpha (dh)}, dh}$

Z praktických důvodů BSE převážně spadá mimo objem působený převážně SE, zatímco existuje střední objem srovnatelného podílu obou signálů. Souhra různých zahrnutých parametrů byla studována hlavně, ale také představuje nové pole pro další výzkum a vývoj, zejména když se pohybujeme mimo geometrii rovinné elektrody.

Elektronová a iontová indukce

Před praktickými implementacemi je užitečné zvážit esoteričtější aspekt (princip), jmenovitě základní fyzický proces probíhající v GDD. Signál ve vnějším obvodu je posunovací proud i vytvořený indukcí náboje na elektrodách pohyblivým nábojem E s rychlostí υ v prostoru mezi nimi:

${displaystyle i = {frac {eupsilon} {d}}}$

V okamžiku, kdy náboj dorazí na elektrodu, od té doby v obvodu neprotéká žádný proud υ = 0, pouze když je náboj v pohybu mezi elektrodami, máme signální proud. To je důležité například v případě, že se v kterémkoli místě v prostoru mezi anodou-katodou, například v X vzdálenost od anody. Pak jen zlomek ex / d náboj je indukován elektronem během jeho přechodu na anodu, zatímco zbytek zlomku e (d – x) / d náboj je indukován iontem během jeho přechodu na katodu. Přidáním těchto dvou frakcí získáme náboj rovnající se náboji jednoho elektronu. Počítáním elektronů přicházejících k anodě nebo iontů na katodě tedy odvodíme stejný údaj při měření proudu. Jelikož však elektrony mají rychlost driftu asi o tři řády větší (v rozsahu nanosekund) než ionty, může být indukovaný signál rozdělen na dvě složky různého významu, když se doba přechodu iontů může stát větší než čas pixelu na naskenovaný obrázek. GDD má tedy dvě vlastní časové konstanty, velmi krátkou kvůli elektronům a delší kvůli iontům. Když je doba přechodu iontů větší než doba prodlevy pixelu, užitečná intenzita signálu klesá společně se zvýšením šumu pozadí signálu nebo rozmazáním okrajů obrazu v důsledku zaostávání iontů. V důsledku toho musí být výše uvedené derivace, které zahrnují celkový příspěvek elektronů a iontů, odpovídajícím způsobem upraveny novými rovnicemi pro případ vysokých rychlostí skenování.^[7] Geometrii elektrody lze změnit za účelem snížení doby přechodu iontů, což lze provést pomocí jehlové nebo válcové geometrie.

Tento základní přístup také pomáhá pochopit tzv. „absorbovaný proud vzorku „Režim detekce ve vakuovém SEM, který je omezen pouze na vodivé vzorky. Tvorba obrazu nevodivých vzorků nyní možná v ESEM lze chápat jako indukovaný posuvný proud ve vnějším obvodu prostřednictvím akce podobné kondenzátoru, přičemž vzorkem je dielektrikum mezi jeho povrchem a základní elektrodou.^[4] Proto „nesprávný pojmenovaný“ „vzorek absorbovaný proud“ jako takový nehraje žádnou roli při tvorbě žádného užitečného obrazu kromě rozptýlení náboje (ve vodičích), bez něhož nelze izolátory obecně zobrazovat ve vakuu (kromě výjimečných případů, kdy dopadající paprsek proud se rovná celkovému emitovanému proudu).

Zisk detektoru SE

Použitím derivace pro Townsendův koeficient daný von Engelem,^[6] faktor zisku G, v případě SE s celkovým odběrem proudu Já_tot (tj. pro R = 1), je nalezen:

${displaystyle G = {frac {I_ {tot}} {delta I_ {b}}} = exp left [Apdexp left (-B {frac {pd} {V}} ight) ight]}$

kde A a B jsou tabulkové konstanty pro různé plyny. V dodaném diagramu zakreslíme získat charakteristiky pro dusík s A = 9,0 a B = 256,5 platí pro poměr 75–450 V / (Pa · m) E / str. Měli bychom si uvědomit, že v ESEM práci produkt pd <3 Pa · m, protože při vyšších hodnotách se přes vrstvu plynu na povrch vzorku nepřenáší žádný užitečný paprsek.^[8] Šedě zbarvená oblast ukazuje oblast GDD operace za předpokladu, že γ procesy jsou velmi nízké a nespouští rozpad proporcionálního zesílení.^[4] Tato oblast obsahuje maxima křivek zisku, což dále posiluje úspěšnou aplikaci této technologie na ESEM. Křivky mimo stínovanou oblast lze použít s energií paprsku vyšší než 30 kV a při budoucím vývoji environmentálních nebo atmosférických transmisních rastrovacích elektronových mikroskopů využívajících velmi vysokou energii paprsku.

Obecné implementace

Variace kontrastu podle GDD při vysokém poli

Variace kontrastu podle GDD při nízkém poli

Schéma ukazující princip GDD představuje univerzální implementaci, která zahrnuje nejen režim SE, ale také BSE a jejich kombinaci. I když je žádoucí použít pouze signál SE samostatně, doporučuje se použít alespoň jednu další koncentrickou elektrodu, aby se napomohlo oddělení od rušení BSE a také od jiných zdrojů hluku, jako jsou elektrony pláště rozptýlené z primárního paprsku plynem. Toto přidání může fungovat jako „ochranná“ elektroda a změnou jejího předpětí nezávisle na SE elektrodě lze kontrast obrazu záměrně řídit. Používají se alternativní řídicí elektrody, jako je síť mezi anodou a katodou.^[4] Jinde bylo také popsáno víceúčelové pole elektrod pod a nad vzorkem a nad otvorem ESEM omezujícím tlak.^[9]

Vývoj tohoto detektoru vyžadoval vyhrazené obvody elektroniky, zvláště když je signál zachycen anodou při vysokém zkreslení, protože zesílený plovoucí proud musí být připojen v plné šířce pásma k zemním zesilovačům a obrazovým zobrazovacím obvodům (vyvinutý společností ElectroScan).^[9] Alternativou je zkreslení katody záporným potenciálem a snímání signálu z anody na plovoucí zemi bez nutnosti vazby mezi stupni zesilovače. To by však vyžadovalo zvláštní opatření k ochraně uživatelů před vystavením vysokému potenciálu ve fázi vzorku.

Další alternativou, která byla implementována v laboratorní fázi, je použití vysokého předpětí na anodě, ale snímáním signálů z katody na plovoucí zemi, jak je znázorněno na doprovodný diagram.^[10] Soustředné elektrody (E2, E3, E4) se vyrábějí na skleněných vláknech potažených mědí tištěný spoj (PCB) a měděný vodič (E1) je přidán do středu disku. Anoda je vyrobena znovu ze stejného PCB s kónickým otvorem (400 mikrometrů), který působí jako otvor omezující tlak v ESEM. Obnažený materiál ze skleněných vláken uvnitř kuželu clony spolu s jeho povrchem nahoře jsou potaženy stříbrnou barvou kontinuálně s měděným materiálem anodové elektrody (E0), který je udržován na vysokém potenciálu. Katodové elektrody jsou nezávisle připojeny k uzemňovacím zesilovačům, které ve skutečnosti mohou být předpjaty nízkým napětím přímo z napájecích zdrojů zesilovače v rozsahu ± 15 voltů bez nutnosti dalšího propojení. Kvůli indukčnímu mechanismu fungujícímu za GDD je tato konfigurace ekvivalentní předchozímu diagramu, s výjimkou invertovaného signálu, který je elektronicky obnovován. Zatímco je elektroda E0 udržována na 250 V, provádí se smysluplné zobrazování, jak ukazuje a série obrázků se složením signálů z různých elektrod při dvou tlacích přiváděného vzduchu. Všechny obrázky zobrazují část centrálního měděného drátu (E1), exponované skleněné vlákno (FG, střední) a měď (část E2) s trochou stříbrné barvy použité k připevnění drátu. Blízká podobnost (a) s (b) při nízkém tlaku a (c) s (d) při vysokém tlaku je projevem principu rovnocennosti indukcí. Nejčistší snímek SE je (e) a nejčistší BSE je (h). Obrázek (f) má převládající charakteristiky SE, zatímco (g) má srovnatelný příspěvek jak SE, tak BSE. Na obrázcích (a) a (b) dominují SE s určitým příspěvkem BSE, zatímco (c) a (d) mají srovnatelný příspěvek jak SE, tak BSE.

Velmi světlé oblasti na materiálu FG jsou výsledkem skutečně vysokého výtěžku signálu vzorku a nikoli nepravidelného nabíjení nebo jiných artefaktů známých s plasty ve vakuu SEM. Vysoký výnos hran, šikmý dopad atd. Lze poprvé studovat ze skutečných povrchů bez překážek v ESEM. Mírný náboj, pokud je přítomen, může vytvářet stabilní kontrastní vlastnosti vlastností materiálu a může být použit jako prostředek pro studium fyziky povrchů.^[10] Obrázky prezentované v této sérii jsou reprodukce z fotografického papíru s omezenou šířkou pásma, u nichž pokus o získání detailů v tmavých oblastech vede k nasycení světlých oblastí a naopak, zatímco na negativním filmu je obvykle obsaženo mnohem více informací. Elektronická manipulace se signálem spolu s moderní počítačovou grafikou může překonat některá stará zobrazovací omezení.

Příklad GDD pracujícího při nízkém napětí je zobrazen s čtyři obrázky stejného pole pohledu na leštěný minerál obsahující hliník, železo, křemík a některé neznámé povrchové nečistoty. Anodová elektroda je jediný tenký drát umístěný na boku a pod povrchem vzorku, několik mm od něj.^[11] Obrázek (a) zobrazuje převážně SE kontrast při nízkém tlaku, zatímco (b) ukazuje kontrast materiálu BSE při vyšším tlaku. Obrázek (c) ukazuje katodoluminiscence (CL) z povrchu vzorku pomocí vodní páry (která scintiluje), zatímco (d) ukazuje další fotonový signál změnou plynu na vzduch, který scintiluje signálními elektrony pocházejícími ze vzorku. Zdá se, že se jedná o směs CL s SE, ale může také obsahovat další informace z povrchového znečištění v různé míře s tlakem plynu.

GDD při vysokém napětí má oproti nízkonapěťovému režimu jasné výhody, ale lze jej snadno použít se speciálními aplikacemi, například při velmi vysokých tlacích, kdy BSE produkuje vysoký ionizační zisk z vlastní vysoké energie, nebo v případech, kdy elektrický pole vyžaduje tvarování k účelným cílům. Obecně by měl být detektor navržen tak, aby pracoval při vysoké i nízké úrovni předpětí, včetně variabilního předpětí (zpomalení elektronů)^[7] s důležitým generováním kontrastu.

Předpokládá se další vylepšení, například použití speciálních elektrodových materiálů, složení plynu a tvarování trajektorie detekčních elektronů pomocí speciálních elektrických a magnetických polí (strana 91).^[4]

Komerční implementace

První komerční implementaci GDD provedla společnost ElectroScan Corporation^[12] používající zkratku ESD pro „environmentální sekundární detektor“, po které následovala vylepšená verze s názvem „plynný detektor sekundárních elektronů“ (GSED). Použití magnetického pole čočky objektivu mikroskopu bylo začleněno do jiného komerčního patentu.^[13] Společnost LEO (nyní Carl Zeiss SMT^[14]) použil režim scintilace a režim ionizace (jehla) GDD na svých environmentálních SEM při nízkém a také rozšířeném rozsahu tlaku.

Reference