DE3743353C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Detektor zum Nachweis niederenergetischer Elektronen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Detektoren werden auf dem Gebiet der Elektronenspektroskopie von dünnen Schichten, von Festkörper-Oberflächen und oberflächennahen Grenzflächen in Festkörpern benötigt.

Eine bekannte Spektroskopiemethode ist beispielsweise die Conversions-Elektronen-Mössbauer-Spektroskopie (CEMS). Bei diesem bekannten Spektroskopie-Verfahren (fortan CEMS genannt) wird eine radioaktive Substanz (z. B. ⁵⁷CO) benötigt, die eine geeignete Gamma-Strahlung (z. B. 14,4 keV) emittiert. Die zu untersuchende Probe (dünne Schicht, Festkörperoberfläche) muß ein geeignetes nichtradioaktives Isotop (z. B. ⁵⁷Fe) enthalten, das in der Lage ist diese Gamma-Strahlung resonant zu absorbieren. Der absorbierende Atomkern (z. B. ⁵⁷Fe) geht dabei in einen angeregten Zustand über und zerfällt nach einer bestimmten Lebensdauer (typischerweise 10^-7-10^-8s) wieder in den Grundzustand. Dieser Zerfallsprozeß kann durch Emission eines Gamma-Quants (z. B. 14,4 keV Energie für ⁵⁷Fe) aus dem Kern oder aber alternativ durch Emission eines sog. Konversions-Elektrons aus der K- oder L-Schale der Elektronenhülle des betreffenden Atoms erfolgen. Die relative Häufigkeit der beiden konkurrierenden Zerfallskanäle wird durch den Konversionsfaktor beschrieben. Im Falle des häufig verwendeten Isotops ⁵⁷Fe beträgt α=9, d. h. von 10 angeregten ⁵⁷Fe-Kernen zerfallen 9 durch Emission eines Konversionselektrons und nur 1 Kern durch Gamma-Emission. Die bevorzugt auftretenden K-Konversionselektronen besitzen bei ⁵⁷Fe eine relativ niedrige Energie von 7,3 keV und können daher nur aus einer Oberflächenzone von etwa 100 nm Dicke der zu untersuchenden Probe austreten. Bei der CEMS-Methode werden diese Konversionselektronen vom Detektor registriert und ergeben das für die Analyse der Probe erforderliche Mössbauer-Spektrum.

Für die Untersuchung von dünnen Schichten und Festkörperoberflächen ist es erforderlich, im Ultrahochvakuum (UHV) zu arbeiten, um eine Kontamination der Probe mit Gasatomen zu vermeiden. Ein wesentliches Problem vor allem der CEMS-Methode, aber auch anderer Elektronenspektroskopie-Verfahren ist die geringe Elektronenintensität, die in vielen Fällen zu sehr langen Meßzeiten von mehreren Tagen führt. Während derartig langer Meßzeiten wird die Probeoberfläche aber selbst im UHV in unzuverlässiger Weise kontaminiert und dadurch in ihren physikalischen Eigenschaften verändert. Weiterhin tritt bei derartigen Experimenten in der UHV-Apparatur ein hoher Untergrund von Röntgenstrahlung und meist niederenergetischen Sekundärelektronen auf. Dieser Strahlungsuntergrund kann das Signal-/Rausch-Verhältnis erheblich verschlechtern und somit ebenfalls zu einer Verlängerung der Meßzeit beitragen.

Ein für CEMS und andere Elektronenspektroskopie-Verfahren geeigneter Elektronendetektor sollte daher folgende Eigenschaften aufweisen:

• (1) UHV-Tauglichkeit.
• (2) Hohe Effizienz, d. h. Nachweiswahrscheinlichkeit für Elektronen im Energiebereich 2-20 keV.
• (3) Geringe Nachweiswahrscheinlichkeit für Röntgenstrahlung und/oder die Möglichkeit der Energiediskriminierung, um die unerwünschte Untergrund-Strahlung weitgehend auszublenden.

Ein Detektor der eingangs bezeichneten Art ist aus J. B. Birks, The theory and practice of scintillation counting, Pergamon Press, Oxford, 1964, S. 355-369, und G. F. Knoll, Radiation detection and measurement, John Wiley & Sons, New York, 1979, S. 240 ff., bekannt. Er wird für den Nachweis von höherenergetischen Elektronen oberhalb von 20 keV oder von Gamma-Strahlen eingesetzt. Die Szintillationsschicht weist eine Dicke von 0,01-10 cm auf. Weiterhin wird die empfindliche Szintillationsschicht meist mit einer Schutzschicht (z. B. Al oder MqO, 25-250 µm Dicke) abgedeckt, die gleichzeitig als Reflexionsschicht zur Erhöhung der Lichtausbeute dient. Zum Nachweis der Lichtimpulse wird an die Szintillatorschicht üblicherweise eine Fotomultiplierröhre optisch angekoppelt. Elektronen mit einer Energie <20 keV erzeugen trotz aller auftretenden Lichtverluste stets hinreichend viele Photonen (d. h. mehr als 1 Photon) in der Szintillationsschicht. Dadurch ist der im Fotomultiplier als Folge ausgelöste Ladungsimpuls ausreichend groß, um von dem elektronischen Eigenrauschen des Fotomultipliers getrennt werden zu können.

Für Elektronenenergien kleiner als 10 keV ist der bekannte Detektor jedoch aus folgenden Gründen nicht einsetzbar. (i) Elektronen dieser Energie können die Schutz-/Reflexionsschicht nicht durchdringen. (ii) Die störende Röntgen-Untergrund-Strahlung wird durch eine 100 µm dicke Szintillatorschicht dagegen mit hoher Effizienz nachgewiesen. (iii) Aufgrund ihrer niedrigen Energie erzeugen die primären Elektronen nur eine geringe Anzahl von Photonen in der Szintillatorschicht, die durch nachfolgende, unvermeidliche Lichtverluste weiter bis auf 1 Photon reduziert werden kann. Eine Auflösung dieses sog. Ein-Photonen-Impulses und des Fotomultiplier-Rauschens ist jedoch schwierig. Teilweise wurde bisher versucht, diese Probleme durch den Notbehelf einer zusätzlichen Beschleunigungsspannung zur Energieerhöhung der Elektronen oder durch direkten Einbau der Elektronenquelle in den Szinillator zu lösen. Beide Lösungswege führen jedoch zu einer erheblichen Erhöhung der Untergrund-Zählrate.

Aus Nuclear Instruments and Methods, Vol. A 238, 1985, S. 187-190, ist zudem ein Detektor bekannt, der eine Szintillationsschicht von 0,3 mm und anschließend an diese noch eine relativ dicke Szintillationsschicht aufweist. Auch dieser Detektor kommt aus den o. a. Gründen für den Nachweis von Eletronen im niederen Energiebereich nicht in Frage.

Als Elektronendetektoren für viele Elektronenspektroskopie-Verfahren, insbesondere auch CEMS, werden bisher überwiegend Channeltron-Elektronen-Vervielfacher oder die auf dem gleichen Prinzip beruhenden, flächenhaften Elektronen-Vielkanal-Platten (Multi-Channel-Plates) eingesetzt. Channeltron-Detektoren sind UHV-tauglich und weisen als Vorteil eine geringe Ansprechwahrscheinlichkeit für Röntgenstrahlung auf. Dem stehen jedoch verschiedene Nachteile gegenüber:

• (1) Die Nachweiswahrscheinlichkeit für Elektronen ist maximal im Energiebereich um 200 eV, beträgt dagegen nur noch etwa 15% bei 7,3 keV. Entsprechend werden die zum störenden Untergrund gehörenden niederenergetischen Sekundärelektronen wesentlich effektiver nachgewiesen als die für das Meßsignal erforderlichen 7,3 keV Konversionselektronen. Besonders ungünstig wirkt sich diese reduzierte Effizienz bei CEMS-Messungen an anderen Isotopen wie z. B. ¹¹⁹Sn (L-Konversionselektronen 19,6 keV) oder ¹⁵¹Eu (L-Konversionselektronen 13,6 keV) aus.
• (2) Die Nachweiswahrscheinlichkeit hängt vom Einfallswinkel der zu registrierenden Elektronen ab.
• (3) Die Dunkelzählrate des Channeltrons, d. h. das Eigenrauschen, ist zeitlich nicht stabil. Insbesondere nach einem Belüften der UHV-Apparatur wächst diese Dunkelzählrate stark an und sinkt erst nach mehreren Tagen wieder auf den Normalwert ab. Ebenso sinkt der Verstärkungsfaktor nach längerer Betriebsdauer irreversibel. Dieser Effekt wird durch Belüften der UHV-Apparatur zusätzlich beschleunigt.
• (4) Da das Channeltron nahezu keine Energieauflösung aufweist, ist eine Energiediskriminierung nur sehr beschränkt möglich.

Neben Channeltron-Detektoren finden auch offene Fotomultiplier-Röhren Verwendung, die ebenfalls in eine UHV-Apparatur eingebaut werden können. Diese weisen jedoch meist unerwünscht große Abmessungen auf und sind daher infolge des beschränkten Raumes in einer UHV-Apparatur häufig nicht verwendbar. Darüber hinaus zeigen sie dieselben Stabilitätsprobleme wie Channeltron-Detektoren.

Aus J. L. W. Petersen, Nucl. Instrum. Meth., 221 (1984) 582 bzw. S. C. Pancholi, H. de Waard, J. L. W. Peterson, A. van der Wÿk und J. van Klinken, Nucl. Instrum. Meth., 221 (1984) 577 ist ein weiterer Detektor für den Nachweis niederenergetischer Elektronen bekannt. Eine 2-3 mm dicke Si-Scheibe wurde mit ca. 10 nm Gold als Elektrode bedampft. Diese Au-Elektrode mußte so extrem dünn sein, um eine ausreichende Transmission für die 7,3 keV Konversionselektronen von ⁵⁷Fe zu ermöglichen. Um das Rauschsignal zu reduzieren, mußten der Si-Kristall und die FET-Eingangsverstärkerstufe mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Mit diesem Detektor wurde eine hohe Energieauflösung von 660 eV FWHM (Full Width Half Maximum) für die 7,3 keV Konversionselektronen von ⁵⁷Fe erreicht. Allerdings weist diese Anordnung auch erhebliche Nachteile auf:

• (1) Hohe Rückstreurate für niederenergetische Elektronen von 20-30% durch die Au-Elektrode und hierdurch bedingt eine reduzierte Effizienz.
• (2) Hohe Nachweiswahrscheinlichkeit für Röntgen- und Compton-Untergrund-Strahlung. Insbesondere die im ⁵⁷Fe-Spektrum mit hoher Intensität auftretende 6,4 keV K-Röntgenstrahlung wird mit nahezu 100% Effizienz nachgewiesen. Die Energieauflösung des Detektors reicht jedoch nicht aus, um die 7,3 keV Konversionselektronen energetisch zu separieren. Hierdurch wird das Signal-/Untergrund-Verhältnis des CEMS-Spektrums sehr stark verschlechtert.
• (3) Gekühlte Halbleiterdetektoren sind erfahrungsgemäß im Experimentierbetrieb relativ störanfällig.

Schließlich wurden für CEMS-Untersuchungen teilweise auch Durchfluß-Proportionalzählrohre als Elektronendetektoren verwendet (M. J. Tricker, A. G. Freeman, A. P. Winterbottom und J. M. Thomas, Nucl. Instrum. Meth., 135 (1976) 117 und Y. Isozumi, M. Kurakado and R. Katano, Rev. Sci. Instrum. 52 (1981) 413). Hierbei wird die zu untersuchende Probe direkt in das Gasvolumen eines Proportionalzählrohres eingebracht. Die aus der Probe austretenden Konversionselektronen werden direkt in dem die Probe umspülenden Zählgas nachgewiesen, während Röntgenstrahlung kaum registriert wird. Nachteile dieses Verfahrens sind einmal, daß sich die Probentemperatur nur in einem begrenzten Bereich variieren läßt, und zum anderen, daß die Probenoberfläche mit dem Zählgas kontaminiert wird. Messungen an reinen Festkörperoberflächen sind daher nicht möglich.

Keiner der vorgenannten bekannten Detektoren ist somit in der Lage, die wesentlichen Forderungen gleichzeitig zu erfüllen, nämlich (i) hohe Nachweiswahrscheinlichkeit für Elektronen im Energiebereich 2-20 keV, (ii) geringe Nachweiswahrscheinlichkeit für Röntgen-Strahlung, (iii) Anwendbarkeit im UHV und (iiii) Variation der Probentemperatur in weiten Grenzen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Detektor der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, der die genannten Forderungen erfüllt.

Gelöst wird diese Aufgabe von einem Detektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Sintillationsschicht des Detektors gemäß der Erfindung ist sehr dünn, vorzugsweise 0,2-2 µm, sie kann jedoch für den Nachweis von Elektronenenergien bis 20 keV auch bis zu 10 µm dick sein. Dies hat zur Folge, daß niederenergetische Elektronen von z. B. 7,3 keV Energie mit nahezu hundertprozentiger Wahrscheinlichkeit in der Szintillatorschicht absorbiert und damit nachgewiesen werden. Wie auch aus Nuclear Instruments and Methods, Vol. 64, 1968, Seiten 35-39, bekannt ist, beträgt bei einem Detektor der eingangs bezeichneten Art der Energieverlust der Betastrahlen im Szintillationsmaterial "Anthracen" 200 keV/mm.

Röntgenstrahlen mit 6,4 keV Energie werden dagegen infolge der erheblich geringeren Absorption von einer 1 µm dicken Szintillatorschicht je nach deren Beschaffenheit nur mit etwa ein- bis zehnprozentiger Wahrscheinlichkeit nachgewiesen. Ebenso werden höherenergetische Elektronen (z. B. Fotoelektronen, Compton-Streu-Elektronen), die bei ⁵⁷Fe-CEMS Messungen sehr intensiv auftreten können, nur mit geringer Effizienz registiert. Durch diese geringe Schichtdicke wirkt die Szintillatorschicht daher wie ein Low Pass Filter.

Als Szintillator-Materialien kommen alle bekannten Szintillatoren in Frage, also z. B. Plastik-Szintillatoren, Anthracen, ZnS und die davon abgeleiteten Phosphore, Selten-Erd-Phosphore, NaJ(Tl), CsJ(Tl/Na), CaF₂(Eu) u. dgl. Bevorzugt sollte die Szintillationsschicht jedoch nur Elemente mit niedriger Ordnungszahl Z beinhalten, um die zu Effizienzverlusten führende Elektronenrückstreuung an der Szintillatoroberfläche gering zu halten. Dies sind vor allem Plastikszintillatoren, dotiertes ZnS, Y₂SiO₅ : Ce (P47) u. dgl. Es gibt jedoch auch Anwendungen, bei denen Szintillatoren von Vorteil sind, die zwar Elemente mit größererer Ordnungszahl Z enthalten, dafür aber eine hohe Lichtausbeute aufweisen, wie NaJ oder CsJ (rein oder mit verschiedenen Dotierungen). Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn der Detektor im Hinblick auf gute Energieauflösung (ca. 40% FWHM theoretisch erreichbar) ausgelegt werden soll.

Dünne Schichten im Bereich von 1 µm lassen sich mit verschiedenen Techniken herstellen. Für Plastik-Szintillatoren sind dies z. B.: Auflösen des Szintillatormaterials mit einem geeigneten Lösungsmittel (z. B. Aceton, Essigsäure-Äthylester) und anschließend (i) Aufschwimmen der Lösung auf Wasser (Floatation Technik), oder (ii) Aufsprühen der Lösung mittels Spray-Vorrichtung auf einen Träger (Glas-, Quarz-Plättchen) oder (iii) homogenes Verstreichen der Lösung auf einem Trägerplättchen. Andere Szintillatoren, wie NaJ, CsJ, ZnS u. dgl., lassen sich durch Aufdampfen im Vakuum als dünne Filme auf optisch transparente Trägerplättchen (z. B. Glas, Quarz) aufbringen. Die meist in Pulverform erhältlichen Phosphore wie z. B. dotiertes ZnS lassen sich vorteilhaft durch Sedimentier- oder Spray-Techniken, wie sie von der Herstellung von Leuchtschirmen her bekannt sind, als dünne Schichten niederschlagen. Hierbei ist darauf zu achten, daß die Korngröße des Ausgangspulvers kleiner oder höchstens gleich der gewünschten Schichtdicke ist.

Als Einrichtung zur Registrierung der Lichtimpulse und deren Umwandlung in elektrische Ladungsimplse werden beispielsweise Fotomultiplier mit extrem niedrigem Eigenrauschen verwendet (siehe hierzu J. B. Birks, The Theory and Practice of Scintillation Counting, Pergamon Press, Oxford, 1964, Seiten 366-369), deren Dunkelzählrate vorzugsweise kleiner als 10 Impulse/sec betragen. Weiterhin ist ein Verstärkungsfaktor größer als 1×10⁶ von Vorteil. Der Grund hierfür ist, daß infolge der niedrigen Energie der Primärelektronen in der Szintillatorschicht nur wenige Photonen erzeugt werden. Deren Anzahl wird durch den begrenzten Raumwinkel bezüglich der Fotokathode des Fotomultipliers sowie durch Reflexionsverluste weiter reduziert, so daß je nach Szintillatortyp pro registriertes Primärelektron nur wenige Photonen, u. U. nur noch 1 Photon auf die Fotokathode treffen. Der in einem solchen Fall resultierende Ein-Photonen-Impuls läßt sich nur bei hinreichend hoher Verstärkung des Photomultipliers von dem elektronischen Rauschen trennen. Außerdem fallen die von der Fotokathode des Photomultipliers thermisch ausgelösten Dunkel-Impulse in diesen Einphotonen-Puls. Photomultiplier mit einer Dunkelzählrate kleiner als 30 Pulse/s sind durch Selektion aus einer größeren Serie erhältlich. Durch Kühlung auf 0 bis -30°C läßt sich die Dunkelzählrate auf weniger als 2 Pulse/s reduzieren. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Anordnungen zum Nachweis von Röntgenstrahlung mit Szintillationsdetektoren ist es mit dem der Erfindung zugrundeliegenden Verfahren daher auch möglich, einzelne niederenergetische Elektronen im Ein-Photonen-Bereich nachzuweisen.

Der Fotomultiplier kann sich innerhalb oder außerhalb der UHV-Kammer befinden und direkt oder mittels Lichtleiter, Linsen- oder Spiegeloptik an den Szintillator-Träger optisch angekoppelt werden.

Die Szintillationsschicht ist auf der den einfallenden Elektronen zugewandten Seite mit einer weiteren dünnen Schicht aus einem Material bedeckt, das überwiegend aus Elementen mit niedriger Ordnungszahl besteht. Die Dicke dieser Schicht beträgt 20-60 nm, vorzugsweise 30-40 nm, und besteht beispielsweise aus Aluminium. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Szintillationsdetektoren für Röntgenstrahlung besitzt diese Al-Schicht aufgrund ihrer geringen Dicke nur schwache Schutz- und Lichtreflexions-Eigenschaften. Ihr Zweck ist vielmehr, den immer vorhandenen Untergrund an sehr niederenergetischen Sekundärelektronen zu absorbieren, während die 7,3 keV Konversionselektronen diese Schicht nahezu ungeschwächt passieren können. Diese Al-Schicht wirkt somit wie ein High Pass Filter und verbessert das Signal-/Untergrund-Verhältnis des CEMS-Spektrums.

Bei Szintillatoren mit hoher Ordnungszahl Z (z. B. NaJ, CsJ) reduziert diese Al-Deckschicht als nützlicher Zusatzeffekt die Rückstreurate für 7,3 keV Elektronen auf etwa 10-20%. Durch Aufbringen einer dünnen Kohlenstoffschicht (10-20 nm Dicke) auf die Al-Schicht kann diese Rückstreurate noch weiter reduziert werden. Die Kohlenstoff-Schicht kann z. B. durch Aufdampfen oder Sputtern hergestellt werden. Die Al-Deckschicht sollte auf Massepotential gelegt werden, um eine elektrostatische Aufladung der elektrisch meist nichtleitenden Szintillatorschicht durch die auftreffenden Elektronen zu vermeiden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des Detektors ist eine Einrichtung zum Kühlen eines Fotomultipliers bzw. einer ggf. verwendeten anderen Einrichtung zur Registrierung der Lichtimpulse und deren Umwandlung in elektrische Ladungsimpulse vorgesehen. Die Kühleinrichtung kann darin bestehen, daß der Fotomultiplier in einem Behälter sitzt, der mit Wasser oder einer anderen Kühlflüssigkeit gekühlt werden kann. Als Kühlung kommen selbstverständlich auch Peltier-Elemente in Frage. Die Kühlung ist neben der Rausch-Verminderung auch wichtig, um den Fotomultiplier während des notwendigen Ausheiz-Prozesses der UHV-Apparatur zu schützen.

Das Verfahren bietet somit gegenüber den herkömmlichen Verfahren den Vorteil, daß es selbst bei kleinen Zählraten von einigen Impulsen/sec, wie sie bei CEMS-Messungen auftreten können, den Nachweis einzelner niederenergetischer Elektronen mit etwa 70-80% Effizienz gestattet. Der Untergrundpegel wird dabei durch die geringe Dicke der Szintillatorschicht, die Al-Deckschicht, sowie durch die Rauscharmut der Fotovervielfacher-Röhre in der vorstehend beschriebenen Weise reduziert.

Als Anwendungen für den Detektor kommen vor allem die Konversions-Elektronen-Mössbauer-Spektroskopie (CEMS), aber auch alle anderen Elektronenspektroskopie-Verfahren in Frage, die auf dem Nachweis niederenergetischer Elektronen im Bereich 2-20 keV beruhen. Dies sind z. B. Auger-Spektroskopie oder die spinpolarisierte Niederenergie-Mott-Streuung. Dabei können um eine Elektronenquelle mehrere Detektoren angeordnet werden, so daß bei deren gleichzeitigem Betrieb eine ortsaufgelöste Messung möglich ist.

Der Detektor gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Detektor in Arbeitsstellung;

Fig. 2 Ausschnitt aus Fig. 1; Teilquerschnitt des Detektors.

Fig. 1 zeigt den Detektor, eingebaut in eine UHV-CEMS-Anlage, von der nur ein Teil der Vakuumapparatur 1 dargestellt ist. Die Einrichtung zum Registrieren der Lichtimpulse und deren Umwandlung in elektrische Ladungsimpulse besteht aus einer Photovervielfacher-Röhre 3 mit Fotokathode 2 und vakuumdichtem Gehäuse 4, Spannungsteiler 5 und Vorverstärker 6. Die Photovervielfacher-Röhre 3 ist umgeben mit einem Kühlmantel 7 für die Umwälzkühlung mit einem geeigneten Kühlmittel. Als Szintillator 8 wurde eine auf ein Quarzscheibchen 9 sedimentierte, 1-1,5 µm dicke Szintillationsschicht aus P47-Phosphor (Y₂SiO₅ : Ce) verwendet, die mit 40 nm Aluminium (Schicht 10) bedampft war. Die verwendete Photovervielfacher-Röhre hatte 10 mm Durchmesser und zeigte bei Zimmertemperatur eine Dunkelzählrate von ca. 40 Impulsen/s, bei -30°C dagegen nur noch 1-2 Impulse/s.

Der Detektor ist über das Gehäuse 4 des Photovervielfachers mittels eines Vakuumflanschs 11 an die Vakuumapparatur angeflanscht.

Die von der Mössbauer-Absorption in einer ⁵⁷Fe-Metallfolie als Absorber herrührenden 7,3 keV Konversionselektronen wurden durch einen Cylindrical-Mirror-Analyzer (CMA) aus dem weitgehend kontinuierlichen Elektronen-Untergrund-Spektrum ausgeblendet und in einem Fokus-Punkt fokussiert. Der Detektor war so angeordnet, daß die Szintillator-Schicht 8 mit 10 mm Durchmesser in diesem Fokus-Punkt lag. Die mit diesem Detektor registrierte Zählrate im Resonanz-Peak (Untergrund + 7,3 keV Konversionselektronen) betrug 47,5 Impulse/s, das Signal-/Untergrund-Verhältnis des gemessenen CEMS-Spektrums 435%.

Zum Vergleich wurde mit derselben experimentellen Anordnung ein ⁵⁷Fe-CEMS Spektrum gemessen, wobei der erfindungsgemäße Szintillationsdetektor durch ein Channeltron mit 10 mm Durchmesser Eingangsöffnung im Fokuspunkt des CMA ersetzt war. Die mit dem Channeltron registrierte Zählrate im Resonanz-Peak betrug nur 10 Impulse/s, das Signal-/Untergrund-Verhältnis des CEMS-Spektrums 100%.

Entsprechend der von J. A. Sawicki und B. D. Sawicka in Hyperfine Interactions, 13 (1983) 199 angegebenen Beziehung wird durch den Einsatz des Szintillations-Detektors die gleiche statistische Signifikanz des CEMS Spektrums in einer um den Faktor 15,5 reduzierten Meßzeit erzielt. Aufgrund des Gewinns an Meßzeit erlaubt, der Detektor daher CEMS-Untersuchungen an Festkörperoberflächen im UHV mit einer erheblich geringeren Restgas-Kontamination, als sie mit den bisher gekannten Elektronen-Detektoren möglich waren. Denselben Meßzeit-Gewinn hätte man bisher nur durch Verwendung radioaktiver ⁵⁷Co-Quellen mit entsprechend höherer Aktivität erreichen können, was jedoch mit wesentlich höheren Kosten und Strahlenschutzproblemen verbunden wäre.

Claims (5)

1. Detektor zum Nachweis niederenergetischer Elektronen der Energie 2 keV bis 20 keV in Vakuumapparaturen, bestehend aus einer Schicht eines szintillationsfähigen Materials, das beim Auftreffen eines Elektrons einen Lichtimpuls emittiert, einer an die Szintillationsschicht optisch angekoppelten Einrichtung zur Registrierung der Lichtimpulse und deren Umwandlung in elektrische Ladungsimpulse und einer weiteren, die Szintillationsschicht (8) auf der den einfallenden Elektronen zugewandten Seite bedeckenden, dünnen Schicht (10) aus einem Material, das überwiegend aus Elementen mit niedriger Ordnungszahl besteht, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Szintillationsschicht (8) mit einer Dicke von 0,2 bis 10 µm vorgesehen ist, daß die Dicke der weiteren Schicht (10) 20-60 nm, vorzugsweise 30-40 nm, beträgt, und daß die Einrichtung (2-6) zur Registrierung der Lichtimpulse und deren Umwandlung in elektrische Ladungsimpulse eine Dunkelzählrate von höchstens 50 Impulsen/s aufweist.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Szintillationsschicht (8) bevorzugt Elemente mit niedriger Ordnungszahl enthält.

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der weiteren dünnen Schicht (10) Aluminium ist.

4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Kohlenstoffschicht von einer Dicke von 10-20 nm auf die weitere dünne Schicht (10) aufgebracht ist.

5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (7) zum Kühlen der Einrichtung (2-6) zum Registrieren der Lichtimpulse und deren Umwandlung in elektrische Ladungsimpulse vorgesehen ist.