CS211536B1 - Scintilátor pro detekci elektronů - Google Patents

Description

(54) Scintilátor pro detekci elektronů

Vynález se týká scintilátoru pro detekci elektronů v rastrovacím elektronovém mikroskopu. Scintilátor je uzpůsoben k přenosu světelné energie do světlovodu směrem k fotokatodě foťoelektrického násobiče.

Pro detekci zpětně odražených a sekundárních elektronů v rastrovacím elektronovém mikroskopu (EEM) se nejčastěji používá scintilačně fotonásobičový systém. Je založen na zdvojené transformaci energie typu elektron - foton - elektron pomocí scintilátoru a fotoelektrického násobiče. Elektrony fokusované do malé stopy rastrují povrch vzorku a výsledkem této interakce je mimo jiné i vznik elektronů s energií do 2.10^ eV, které se podle energie dělí na elektrony zpětně odražené a sekundární. Zpětně odrážené elektrony jsou monoenergetické (»10^ eV), část jich dopadá na čelo scintilátoru a jejich počet je detekován. Sekundární elektrony musí být před detekci*urychleny, takže opět dopadají na čelo scintilátoru s konstantní energií a jejich počet je detekován.

Vhodnou kombinaci napětí na kolektoru a povrchu scintilátoru lze zvolit pro detekci jednu či druhou skupinu elektronů. Podmínkou dobré funkce scintilačniho detektoru je nejen vysoká luminiscenční účinnost a dlouhá životnost scintilační hmoty, velká šíře pásma a velký dynamický rozsah, ale i dokonalé optické spojení jeho jednotlivých částí - scintilátoru, světlovodu, fotoelektrického násobiče. Fotony emitované luminiscenčními centry scintilátoru je nutné svést s minimálními ztrátami k fotoemisním centrům fotokatody fotoelektrického násobiče.

Je známá celá řada scintilačních průhledných blokových hmot, např. pasty, skla, monokrystaly, které jsou používány ve tvaru kruhové desky buď na věech stranách vyleštěné, nebo matované (hrubované) na vstupním čele, popřípadě na bočních stěnách a se zbývajícím povrchem vyleštěným. V obou případech jsou scintilátory připojeny na světlovod pomooí kanadského balzámu nebo jiného imerzního pojidla.

Nevýhodou provedení se všemi stranami vyleštěnými je nutnost použití imerzního pojidla, což je v některých podmínkách, například při aplikaci v ultravakuu, vyloučené. Bez použití imerzního pojidla je účinnost přenosu světelné energie do objemu světlovodu podstatně nižší.

V tomto případě dopadá světlo, které je vybuzeno ve scintilátoru a šíří se všemi směry, na výstupní rozhraní typu scintilátor-vakuum (vzduch). Vzhledem k nerovnostem povrchů scintilátoru a světlovodu nelze uvažovat výstupní rozhraní scintilátor-světlovod. Přitom dobře vyleštěným rozhraním výstupního čela scintilátoru může projít jen svazek světla vymezený úhlovou aperturou rovnou kritickému úhlu dopadu světla na rozhraní sointilátor-vakuum (vzduch). Zbytek světla se odráží zpět do objemu scintilátoru, opouští ho bočními stěnami nebo je po opakovaných odrazech absorbován. Propustnost světla nedosahuje například u scintilátoru s indexem lomu n = 1,84, ve tvaru kruhové desky s leštěným rozhraním výstupního čela ani 33 %, což je hodnota velmi nízká a je příčinou světelných ztrát, které snižují celkovou citlivost sointilačního detektoru.

Provedení se všemi stranami vyleštěnými má své nevýhody rovněž při použiti imerzního pojidla, dokonce i při rovnosti indexů lomu všech zúčastněných materiálů. V tomto případě dopadá světlo emitované ze scintilátoru na vnitřní boční stěny světlovodu pod libovolnými úhly. Podmínkám totálního odrazu na uvedených stěnách světlovodu však vyhovuje pouze část světla vymezená úhlovou aperturou

kde n^ je index lomu scintilátoru a n₂ index lomu světlovodu. Např. pro sointilátor s indexem lomu 1,84 ve tvaru kruhové desky s leštěným rozhraním výstupního čela a při použití světlovodu s indexem lomu 1,5 a imerzního pojidla s indexem lomu 1,5 až 1,84 nedosahuje přenos světla ze scintilátoru na výstupní čelo světlovodu ani 40 %, takže i při aplikaci imerzního pojidla jsou světelné ztráty výrazné. Zrcadlové pokrytí bočních stěn světlovodu nepřináší celkové zlepšení z důvodů nižšího koeficientu odrazivosti nanesené vrstvy vůči totálnímu odrazu.

Nevýhodou provedení s matovaným vstupním čelem je jeho nepoužitelnost k detekci nízkoenergetických elektronů. Při této aplikacu musí být vstupní čelo scintilátoru pokoveno elektricky vodivou vrstvou, například hliníkem, z důvodů zachování žádoucího elektrického potenciálu na povrchu scintilátoru. Tlouštka kovové vrstvy musí být velmi tenká, protožeje limitována přípustnými energetickými ztrátami procházejících detekovaných elektronů. Na matovém povrchu se však při napařováni velmi tenké kovové vrstvy vytváří nespojitá struktura, která nezabezpečuje podmínku dokonalé elektrické vodivosti. Pokrytí matovaného povrchu tenkou organickou blanou před pokovením hliníkem značně snižuje mechanickou odolnost scintilátoru a je nevhodné pro ultravakuové podmínkyi Z uvedených·důvodů je provedení s matovaným vstupním čelem scintilátoru pro detekci nízkoenergetiokých elektronů v rastrovacím elektronovém mikroskopu bezpředmětné.

Uvedené nedostatky odstraňuje sointilátor pro detekci elektronů uzpůsobený k přenosu světelné energie do světlovodu směrem k fotokatodě fotoelektrického násobiče, který sestává z plastické, skleněné, případně monokrystalibké kruhové desky o průměru 8 až 30 mm a tloušlce 0,1. až 5,0 mm'se vstupním čelem vyleštěným do'vysokého, lesku a opatřeným tenkou vrstvou hliníku, jehož -podstatou vynálezu u scintilátoru je to, že.výstupní čelo kruhové desky směřující ke světlovodu je zabroušeno do matového povrchu o střední, aritmetické odchylce profilu .0 ,j 10 až· 0,35 juni. .

Sointilátor se napojuje na světlovod bez imerzního pojidla. Při detekci nízkoenergetických elektronů přináší sointilátor podle tohoto vynálezu konkrétní zvýšení účinnosti scintilačního efektu blokové scintilační hmoty,- z nichž nejvýhodnější je zejména hmota mono3 krystalická, která ve srovnání s blokovou hmotou plastickou a skleněnou má vyěěí luminiscenční účinnost a je odolná proti poškození zářením. Nejlepší parametry vhodné pro zhotoveni blokového scintilátoru ve tvaru kruhové zabroušené desky dosahuje monokrystal ytrium hliníkového granátu aktivovaný trojmocným cárem, ktepý je oproti většině monokrystalických blokových hmot stálý na vzduchu a vyhovuje, ultravakuovým podmínkám.

Optické poměry ve srovnání dosavadního stavu techniky pro detekci nízkoenergetických elektronů s předmětem podle vynálezu objasní přiložený výkres, kde na obr. 1 a obr. 2 je v osovém řezu znázorněna kruhové deska scintilátoru s oběma čely-vyleštěnými, zatímoo na obr. 3 s jedním čelem vyleštěným a druhým zabroušeným.

Scintilátor na obr. 1, '2 a 3 sestává z kruhové desky 1_ z organického, skleněného,případně monokrystalického materiálu. Vstupní čelo 2 je vyleštěno do vysokého lesku a opatřeno tenkou vrstvou hliníku 2· Výstupní Selo J ^na °br. 1 a 2 je rovněž vyleštěno, zatímco na obr.

je výstupní čelo £ zabroušeno do matového povrchu 2· Uvnitř kruhové desky _1_ je vyznačeno luminiscenční centrum 6., luminiscenční světelný tok 2 ^a okrajové paprsky 8. Na obří 1 je kruhová deska 2 scintilátoru napojena na světlovod 10' pomocí imerzního pojidla 11. Na obr. 2 a obr. 3 je kruhová deska 2 scintilátoru napojena na světlovod 10 bez použití imerzního pojidla, takže vzniká vakuová (vzduchová) mezera 2Dokonalý svod světla závisí na optické propustnosti vyleštěného výstupního čela popřípadě matového povrchu 2> ^na vnitřní odrazivosti vstupního čela 2 pokrytého vrstvou hliníku 2, dále pak na pohltivosti světla v objemu kruhové desky J_ scintilátoru a na směru šíření světla navázaného do světlovodu 1 0. V případě uvedeném na obr. 1 se světlo vyházené luminiscenčními centry 6 šíří všemi směry a pomocí imerzního pojidla 11 je jeho značná část navázána přes výstupní čelo J áo světlovodu 1 0. Pro další přenos k fotokatodě fotoelektrického násobiče je však zužitkován jen luminiscenční světelný tok 2, který vyhovuje podmínkám totálního odrazu na bočních vnitřních stěnách světlovodu 10. Okrajové paprsky 8 unikají bočními stěnami světlovodu 10 a kruhové desky 2 scintilátoru, nebo jsou absorbovány. V případě uvedeném na obr. 2 může být do světlovodu 10 navázána mnohem menší část světla než při použití imerzního pojidla 11. Tento využitelný světelný tok 2 je Zde limitován kritickým úhlem dopadu na leštěné výstupní čelo J kruhové desky 2 scintilátoru.

Okrajové paprsky 8 se odráží zpět do objemu kruhové desky 2 scintilátoru a-opouští ji bočními stěnami nebo jsou absorbovány. Naproti tomu u provedení na obr. 3 podle vynálezu, kde výstupní čelo J je opatřeno matovým povrchem 2, 3® propustnost pro světelný tok 7 i okrajové paprsky 8 téměř beze ztrát a přitom se nepoužívá’imerzního pojidla 11.

Při výrobě scintilátoru z blokové plastické, skleněné nebo monokrystalické hmoty uzpůsobeného k vysoce účinnému přenosu světelné energie do světlovodu směrem k fotokatodě fotoelektrického násobiče se postupuje následovně. Plastická nebo skleněná, nejlépe však monokrystalická hmota ytrium hliníkového granátu'dotovaná 0,01 až 0,8 % trojmocného eéru je opracována na kruhové destičky 2 ⁰ síle 0,2 až 0,5 mm o průměru 20 mm tak, že jedno vstupní čelo 2 3® vyleštěno do vysokého lesku (střední aritmetická odchylka profilu je menší než 0,01 <um) a pokoveno hliníkem J o tloušlce vrstvy 40 až 60 nm. Druhé výstupní čelo 2 3® zabroušeno do matového povrchu 2 na střední aritmetickou odchylku profilu Q,0 až 0,35/tm.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Scintilátor pro detekci elektronů v rastrovacím elektronovém mikroskopu uzpůsobený k přenGsu světelné energie z jeho objemu do objemu světlovodu směrem k fotokatodě fotoelektriokého násobiče, který sestává z plastické, skleněné, případně monokrystalické kruhové desky o tloušlce 0,1 až 5,0 mm a průměru 8 6ž 30 mm, napojené na světlovod bez imerzního pojidla, se vstupním čelem vyleštěným do vysokého lesku a opatřeným tenkou vrstvou hliníku, vyznačený tím, že výstupní čelo (4) kruhové desky (1) směřující ke světlovodu (10) je zabroušeno do matového povrchu (5) o střední aritmetické odchylce profilu 0,10 až 0,35/u®·