Устройство обнаружения газов - Gaseous detection device

В газоанализатор (GDD) представляет собой способ и устройство для обнаружения сигналов в газовой среде сканирующий электронный микроскоп для окружающей среды (ESEM) и все типы приборов со сканированным лучом, которые обеспечивают минимальное давление газа для работы детектора.

История

В процессе разработки ESEM, детекторы, ранее использовавшиеся в вакууме растровый электронный микроскоп (РЭМ) пришлось приспособить для работы в газовых условиях. Детектор обратно рассеянных электронов (BSE) был адаптирован соответствующей геометрией в соответствии с требованиями для оптимального пропускания электронного луча, распределения BSE и пропускания световода.^[1] Однако соответствующий детектор вторичных электронов (ВЭ) (Детектор Эверхарта-Торнли ) нельзя было адаптировать, потому что требуемый высокий потенциал вызвал бы катастрофическую поломку даже при умеренном повышении давления, например при низком вакууме. Данилатос (1983)^[2]^[3] Эта проблема была решена за счет использования самого газа окружающей среды в качестве детектора благодаря ионизирующему действию различных сигналов. При соответствующем контроле конфигурации электродов и смещения было достигнуто обнаружение SE. Был опубликован подробный обзор теории и работы GDD.^[4] из которых была использована большая часть представленного ниже материала.

Принципы и описание

Принцип GDD

GDD в принципе представляет собой адаптацию методов обнаружения частиц, используемых в ядерной физике и астрономии. Адаптация включает параметры, необходимые для формирования изображения в условиях электронного микроскопа и при наличии газа внутри камеры для образца. Сигналы, исходящие от взаимодействия пучка с образцом, в свою очередь, взаимодействуют с окружающим газом в форме газовой ионизации и возбуждения. Тип, интенсивность и распределение взаимодействий сигнал-газ различаются. К счастью, обычно постоянная времени этих взаимодействий совместима с постоянной времени, необходимой для формирования изображений в ESEM. Установление этой совместимости составляет основу изобретения GDD и перехода от физики элементарных частиц к электронной микроскопии. Доминирующими взаимодействиями сигнального газа являются взаимодействия BSE и SE, как они описаны ниже.

В своей простейшей форме GDD включает в себя один или несколько электродов, смещенных обычно низким напряжением (например, до 20 В), которого достаточно для сбора ионизационного тока, создаваемого любыми источниками. Это очень похоже на ионизационную камеру в физике элементарных частиц. Размер и расположение этих электродов определяют объем обнаружения в газе и, следовательно, тип обнаруживаемого сигнала. Энергичные BSE проходят большое расстояние, тогда как SE проходят гораздо меньшее поперечное расстояние, в основном за счет диффузии в газе. Соответственно, электрод, расположенный дальше от оси луча, будет иметь преимущественно компонент BSE по сравнению с преобладающим компонентом SE, собранным электродом, расположенным близко к оси. Точная пропорция смеси сигналов и их интенсивности зависит от дополнительных параметров природы газа и давления в сочетании с конфигурацией электродов и смещением, учитывая, что нет резкого физического различия между SE и BSE, кроме традиционного определения 50 эВ. граница между ними.

В другом варианте GDD включает в себя один или несколько электродов, как указано выше, но смещенных под высоким напряжением (например, 20–500 В). Используемые процессы такие же, как и в случае низкого напряжения, с добавлением усиления сигнала по принципу пропорционального усилителя, который используется в физике элементарных частиц. То есть все медленные электроны в газе, исходящие либо от ионизирующего BSE, либо непосредственно от образца (то есть SE), размножаются лавинообразно. Энергии, передаваемой бегущим медленным электронам полем внешнего электрода, достаточно для ионизации молекул газа посредством последовательных (каскадных) столкновений. Разряд регулируется пропорционально приложенному смещению электрода ниже точки пробоя. Эта форма обнаружения называется ионизационной GDD.^[4]

Параллельно с ионизацией в обоих случаях, описанных выше, также происходит возбуждение газа. Газообразные фотоны производятся как BSE, так и SE, как напрямую, так и каскадными лавинами с ионизационными электронами. Эти фотоны обнаруживаются соответствующими средствами, такими как фотоумножители. Позиционируя Световые трубки стратегически, используя фильтры и другие средства световой оптики, SE снова может быть отделен от BSE и сформированы соответствующие изображения. Эта форма обнаружения называется сцинтилляционной GDD.^[4]

Распределение и разделение SE

Характеристики эффективности газоанализатора в ESEM

Принципы, изложенные выше, лучше всего описать, рассматривая плоские электроды, смещенные для образования однородного электрического поля, как показано в прилагаемой схема GDD-принципа. Электронный луч, падающий на образец у катода, эффективно создает точечный источник SE и BSE. Распределение медленных электронов, испускаемых точечным источником внутри газа, на который действует однородное поле, задается уравнениями (слабое поле):^[5]

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

куда р - доля ПЭ, попадающая на внутренний радиус анода р, V разность потенциалов между электродами, расположенными на расстоянии d, k постоянная Больцмана, Т абсолютная температура газа, е заряд электрона и ε - отношение тепловой (перемешиваемой и кинетической) энергии электронов к тепловой энергии основного газа; я соответствующий ток, собираемый анодом внутри р, δ - коэффициент доходности SE и я_б ток падающего электронного пучка. Это обеспечивает пространственное распределение исходных электронов SE, поскольку на них действует однородное электрическое поле, которое перемещает их от катода к аноду, в то время как электроны также диффундируют прочь из-за тепловых столкновений с молекулами газа. Сюжеты представлены в сопроводительных КПД ГДД, для набора условий эксплуатации давления п и расстояние d. Заметим, что 100% эффективность сбора быстро достигается в пределах небольшого радиуса даже при умеренной напряженности поля. При большом смещении почти полная коллекция достигается в пределах очень небольшого радиуса, что имеет благоприятные последствия для дизайна.

Вышеупомянутое радиальное распределение справедливо также при образовании электронных лавин в сильном электрическом поле, но оно должно быть умножено на соответствующий коэффициент усиления. В простейшей форме для параллельных электродов^[6] коэффициент усиления является экспонентой в текущем уравнении:

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

куда α это первый Коэффициент Таунсенда. Это дает полное усиление сигнала за счет как электронов, так и ионов. Распределение пространственного заряда и коэффициент усиления зависят от конфигурации и геометрии электродов, а также от дополнительных процессов разряда, описанных в упомянутой теории GDD.

Характеристики усиления GDD SE

Распространение BSE

Реализация GDD

BSE обычно имеют энергию в диапазоне кВ, так что гораздо более низкое смещение электрода оказывает лишь вторичное влияние на их траекторию. По той же причине конечное число столкновений с газом также приводит к отклонению второго порядка от их траектории, которую они имели бы в вакууме. Поэтому их распределение практически такое же, как было разработано специалистами СЭМ, вариация которого зависит от свойств поверхности образца (геометрии и состава материала). Для полированной поверхности образца распределение BSE принимает почти косинусную функцию, но для шероховатой поверхности мы можем принять его сферическим (т.е. однородным во всех направлениях).^[7] Ниже для краткости приведены уравнения только второго случая. В вакууме распределение тока от BSE на электроде определяется выражением

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

куда η - коэффициент доходности BSE.

В присутствии газа при слабом электрическом поле соответствующие уравнения принимают вид:

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

куда S - коэффициент ионизации газа и п его давление

Наконец, для сильного электрического поля получаем

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

Для практических целей BSE преимущественно выходит за пределы объема, на который действует преимущественно SE, в то время как существует промежуточный объем сопоставимой доли двух сигналов. Взаимодействие различных задействованных параметров было в основном изучено, но оно также представляет собой новую область для дальнейших исследований и разработок, особенно когда мы выходим за пределы плоской геометрии электрода.

Электронная и ионная индукция

Перед практической реализацией полезно рассмотреть более эзотерический аспект (принцип), а именно фундаментальный физический процесс, происходящий в GDD. Сигналом во внешней цепи является ток смещения. я создается за счет индукции заряда на электродах движущимся зарядом е со скоростью υ в пространстве между ними:

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

В момент, когда заряд достигает электрода, в цепи нет тока, так как υ = 0, только тогда, когда заряд движется между электродами, мы имеем сигнальный ток. Это важно в том случае, например, когда новая электрон-ионная пара генерируется в любой точке пространства между анодом и катодом, скажем, в точке. Икс расстояние от анода. Тогда только часть ex / d заряда индуцируется электроном во время его перехода к аноду, в то время как остальная часть e (d – x) / d заряд индуцируется ионом во время его перехода к катоду. Сложение этих двух долей дает заряд, равный заряду одного электрона. Таким образом, подсчитывая количество электронов, приходящих на анод, или ионов на катод, мы получаем ту же цифру при измерении тока. Однако, поскольку скорость дрейфа электронов примерно на три порядка больше (в наносекундном диапазоне), чем у ионов, индуцированный сигнал может быть разделен на две составляющие разной значимости, когда время пролета иона может стать больше, чем время пикселя на отсканированное изображение. Таким образом, GDD имеет две собственные постоянные времени: очень короткую из-за электронов и более длинную из-за ионов. Когда время прохождения ионов больше, чем время пребывания пикселя, интенсивность полезного сигнала уменьшается вместе с увеличением фонового шума сигнала или размытием краев изображения из-за запаздывания ионов. Как следствие, приведенные выше выводы, которые включают полный вклад электронов и ионов, должны быть модифицированы в соответствии с новыми уравнениями для случая высоких скоростей сканирования.^[7] Геометрию электрода можно изменить с целью уменьшения времени прохождения ионов, как это можно сделать с иглой или цилиндрической геометрией.

Этот фундаментальный подход помогает также понять так называемое «ток, поглощаемый образцом ”Режим обнаружения в вакуумном SEM, который ограничен только проводящими образцами. Формирование изображения непроводящих образцов, которое теперь возможно в ESEM, можно понять с точки зрения индуцированного тока смещения во внешней цепи через конденсатороподобное действие, при этом образец является диэлектриком между его поверхностью и нижележащим электродом.^[4] Следовательно, (неправильное название) «ток, поглощаемый образцом» сам по себе не играет никакой роли в формировании какого-либо полезного изображения, кроме рассеивания заряда (в проводниках), без чего изоляторы, как правило, невозможно отобразить в вакууме (за исключением редких случаев, когда падающий луч ток равен общему излучаемому току).

Усиление детектора SE

Используя вывод для коэффициента Таунсенда, данный фон Энгелем,^[6] коэффициент усиления грамм, в случае SE с полным текущим сбором я_малыш (т.е. для R = 1), находят:

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

куда А и B представлены в таблице постоянные для различных газов. На прилагаемой диаграмме мы наносим характеристики усиления для азота с А = 9,0 и В = 256,5 действительно в диапазоне 75–450 В / (Па · м) для отношения E / p. Отметим, что в ESEM работает продукт pd <3 Па · м, так как при более высоких значениях полезный луч не передается через слой газа к поверхности образца.^[8] Заштрихованная область показывает область работы GDD при условии, что γ-процессы очень низкие и не вызывают нарушения пропорционального усиления.^[4] Эта область содержит максимумы кривых усиления, что еще раз подтверждает успешное применение этой технологии в ESEM. Кривые за пределами заштрихованной области можно использовать с энергией луча более 30 кВ, а также в будущем развитии сканирующих электронных микроскопов на просвет для окружающей среды или атмосферы, использующих очень высокую энергию луча.

Общие реализации

Изменение контраста с помощью GDD при высоком поле

Изменение контраста с помощью GDD в низком поле

Схема, показывающая принцип GDD представляет собой универсальную реализацию, которая включает не только режим SE, но также BSE и их комбинацию. Даже если желательно использовать только сигнал SE, рекомендуется использовать по крайней мере один дополнительный концентрический электрод, чтобы помочь в отделении от помех BSE, а также от других источников шума, таких как ограничивающие электроны, рассеянные из первичного луча. по газу. Эта добавка может действовать как «защитный» электрод, и, изменяя его смещение независимо от электрода SE, можно целенаправленно управлять контрастом изображения. Используются альтернативные управляющие электроды, такие как сетка между анодом и катодом.^[4] Многоцелевой набор электродов под и над образцом и над отверстием для ограничения давления ESEM также был описан в другом месте.^[9]

Разработка этого детектора потребовала специальной электронной схемы, особенно когда сигнал улавливается анодом при высоком смещении, потому что усиленный плавающий ток должен быть связан с полной полосой пропускания с усилителем заземления и схемами видеодисплея (разработанными ElectroScan).^[9] Альтернативой является смещение катода с отрицательным потенциалом и снятие сигнала с анода на плавающей земле без необходимости соединения между каскадами усилителя. Однако это потребует дополнительных мер предосторожности для защиты пользователей от воздействия высокого потенциала на стадии образца.

Еще одна альтернатива, которая была реализована на лабораторном этапе, заключается в приложении высокого напряжения смещения на аноде, но путем захвата сигналов с катода на плавающем заземлении, как показано на сопроводительная диаграмма.^[10] Концентрические электроды (E2, E3, E4) изготовлены из стекловолокна с медным покрытием. печатная плата (PCB) и медный провод (E1) добавлен в центр диска. Анод снова сделан из той же самой печатной платы с коническим отверстием (400 микрометров), которое действует как отверстие для ограничения давления в ESEM. Открытый стекловолоконный материал внутри конуса апертуры вместе с его поверхностью сверху покрыт серебряной краской в непрерывности с медным материалом анодного электрода (E0), который удерживается под высоким потенциалом. Катодные электроды независимо подключены к усилителям заземления, которые, по сути, могут быть смещены низким напряжением непосредственно от источников питания усилителя в диапазоне ± 15 В без какой-либо дополнительной связи. Благодаря индукционному механизму, работающему за GDD, эта конфигурация эквивалентна предыдущей схеме, за исключением инвертированного сигнала, который восстанавливается электронным способом. Пока электрод E0 удерживается при 250 В, создается достоверное изображение, как показано серия изображений с составлением сигналов от различных электродов при двух давлениях подаваемого воздуха. На всех изображениях показана часть центрального медного провода (E1), оголенное стекловолокно (FG, середина) и медь (часть E2) с серебряной краской, использованной для прикрепления провода. Близкое сходство (а) с (б) при низком давлении и (в) с (г) при высоком давлении является проявлением принципа эквивалентности по индукции. Самое чистое изображение SE - (e), а самое чистое изображение BSE - (h). Изображение (f) имеет преобладающие характеристики SE, в то время как (g) имеет сопоставимый вклад как SE, так и BSE. На изображениях (a) и (b) преобладает SE с некоторым вкладом BSE, в то время как (c) и (d) имеют сопоставимый вклад как SE, так и BSE.

Очень яркие области на материале FG являются результатом действительно высокого выхода сигнала образца, а не из-за беспорядочной зарядки или других артефактов, характерных для пластмасс в вакуумном SEM. Высокий выход кромок, наклонное падение и т. Д. Впервые могут быть изучены с истинных поверхностей без препятствий в ESEM. Слабый заряд, если он присутствует, может давать стабильную контрастную характеристику свойств материала и может использоваться в качестве средства для изучения физики поверхностей.^[10] Изображения, представленные в этой серии, являются репродукциями с фотобумаги с ограниченной полосой пропускания, на которой попытка выделить детали в темных областях приводит к насыщению ярких областей и наоборот, тогда как на негативной пленке обычно содержится гораздо больше информации. Электронная обработка сигнала вместе с современной компьютерной графикой может преодолеть некоторые старые ограничения изображения.

Пример работы GDD при низком напряжении показан с помощью четыре изображения одного поля зрения на полированный минерал, содержащий алюминий, железо, кремний и некоторые неизвестные поверхностные примеси. Анодный электрод представляет собой одиночную тонкую проволоку, размещенную сбоку и ниже поверхности образца, на расстоянии нескольких мм от нее.^[11] Изображение (a) показывает преимущественно контраст SE при низком давлении, а изображение (b) показывает контраст материала BSE при более высоком давлении. Изображение (c) показывает катодолюминесценция (CL) от поверхности образца с использованием водяного пара (который не сцинтиллирует), в то время как (d) показывает дополнительный фотонный сигнал за счет превращения газа в воздух, который мерцает сигнальными электронами, исходящими от образца. Последний, по-видимому, представляет собой смесь CL с SE, но может также содержать дополнительную информацию о поверхностном загрязнении, заряжающемся в той или иной степени под давлением газа.

GDD при высоком напряжении имеет явные преимущества по сравнению с режимом низкого напряжения, но последний может легко использоваться в специальных приложениях, например, при очень высоких давлениях, когда BSE обеспечивает высокий коэффициент ионизации за счет собственной высокой энергии, или в случаях, когда электрическая поле требует формирования целенаправленных целей. В общем, детектор должен быть спроектирован для работы как при высоком, так и при низком уровне смещения, включая переменное отрицательное (замедляющее электроны) смещение.^[7] с генерацией важного контраста.

Предусмотрены дальнейшие улучшения, такие как использование специальных электродных материалов, состава газа и формирование траектории детектируемых электронов с помощью специальных электрических и магнитных полей (стр. 91).^[4]

Коммерческие реализации

Первое коммерческое внедрение GDD было выполнено корпорацией ElectroScan.^[12] с использованием аббревиатуры ESD для «вторичного детектора окружающей среды», за которой последовала улучшенная версия, названная «детектор вторичных газообразных электронов» (GSED). Использование магнитного поля линзы объектива микроскопа включено в другой коммерческий патент.^[13] Компания LEO (сейчас Carl Zeiss SMT^[14]) использовал сцинтилляционный режим и режим ионизации (игла) GDD на своих SEM окружающей среды в низком, а также в расширенном диапазоне давления.