Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

Ионный микроскоп

Ионный микроскоп – прибор, в котором для получения изображений используется пучок ионов, создающийся газоразрядным или термоионным ионным источником. По принципу действия ионный микроскоп подобен электронному микроскопу. Проходя сквозь объект и рассеиваясь и поглощаясь в различных его участках, ионный пучок собирается системой магнитных или электростатических линз и дает на фотослое или экране увеличенное изображение объекта.

Изготовлено только несколько опытных образцов ионных микроскопов. Работы по его модернизации обусловлены тем, что он должен иметь более высокую разрешающую способность в сравнении с электронным микроскопом. Для ионов длина волны де Бройля гораздо меньше, чем для электронов (при равном ускоряющем напряжении), из-за чего в ионных микроскопах очень мало проявляются эффекты дифракции, которые в электронном микроскопе не позволяют увеличить его разрешающую способность. Другими преимуществами ионного микроскопа являются лучшая контрастность изображения и меньшее влияние перемены массы ионов при больших ускоряющих напряжениях. Расчеты показывают, что контрастность изображения органических пленок, имеющих толщину 50 A, обусловленную рассеянием протонов, в несколько раз должна быть выше контрастности, которая вызвана рассеянием электронов.

К недостаткам ионных микроскопов можно отнести заметную потерю энергии ионов даже при прохождении сквозь самые тонкие объекты, что вызывает распад объектов, большую хроматическую аберрацию, слабое фотографическое действие и распад люминофора экрана под воздействием ионов. Эти недостатки послужили причиной того, что, несмотря на изложенные выше преимущества, ионный микроскоп по сравнению с электронным на практике не используется. Гораздо более эффективным оказался ионный микроскоп, не имеющий линз, – ионный проектор.

Ионный проектор

Ионный проектор – не имеющий линз ионно-оптический прибор, автоионный микроскоп, предназначенный для получения изображения поверхности твердого тела, увеличенного в несколько миллионов раз. С помощью ионного проектора можно увидеть детали поверхности, которые разделены расстояниями порядка 2—3 А, что позволяет наблюдать в кристаллической решетке расположение отдельных атомов. Ионный проектор изобретен немецким ученым Э. Мюллером в 1951 г.

Положительным электродом и одновременно объектом, поверхность которого отображается на экране, является острие тонкой иглы. Атомы (либо молекулы) газа, который заполняет внутренний объем устройства, ионизуются в сильном электрическом поле около поверхности острия, отдавая ему при этом свои электроны. Образовавшиеся положительные ионы приобретают под воздействием поля радиальное ускорение, перпендикулярное поверхности острия, устремляются к флуоресцирующему экрану, имеющему отрицательный потенциал, и бомбардируют его. Свечение отдельного элемента экрана пропорционально плотности ионного тока, приходящегося на него. В связи с этим распределение свечения на экране показывает в увеличенном масштабе, как расположены плотности возникновения ионов около острия. Масштаб увеличения можно найти как отношение радиуса экрана к радиусу кривизны острия (чем меньше острие, тем больше увеличение).

В электрическом поле вероятность прямой ионизации газа весьма значительна, если на расстояниях, сопоставимых с размерами атома (молекулы) газа, возникает падение потенциала, сопоставимого с ионизационным потенциалом данной частицы. Напряженность этого поля очень велика. Такое сильное поле можно легко образовать у поверхности острия при довольно малом радиусе кривизны поверхности – от 100 до 1000 A Именно этим объясняется применение в ионных проекторах образца, имеющего вид тонкого острия. Происходящий в сильном поле острия в ионном проекторе процесс ионизации газа получил название автоионизации.

Около острия электрическое поле неоднородно, потому что над отдельными выступающими атомами, либо над ступеньками кристаллической решетки его локальная напряженность увеличивается: на данных участках вероятность автоионизации значительно выше и число ионов, которые образуются в единицу времени, соответственно больше.

На экране подобные участки показаны в виде ярких точек. Другими словами, появление контрастного изображения поверхности обуславливается существованием у нее локального микрорельефа. Ионный ток, а вместе с ним контрастность и яркость изображения увеличиваются с увеличением давления газа, которое в ионных проекторах, как правило, не превышает приблизительно 0,001 мм рт. ст.; при более высоком давлении начинает появляться газовый разряд.

Разрешающая способность ионных проекторов, как правило, зависит от касательных, проведенных относительно поверхности острия, которые составляют тепловые скорости ионов и зависят от напряженности у острия ноля. В отличие от электронного проектора в ионном проекторе воздействие дифракции на разрешающую способность сравнительно невелико вследствие гораздо большей массы ионов (по сравнению с электронами). Разрешение ионных проекторов в значительной степени зависит от поляризуемости атомов (или молекул) рабочего газа; наиболее подходящие для использования в ионных проекторах газы с малой автоионизацией (водород, гелий). Большинство частиц газа доходит до поверхности острия неионизированными. При стандартных температурах они в дальнейшем покидают ее, имея большие касательные составляющие скорости. При охлаждении острия до температуры жидкого азота или водорода (20—78 К) неионизированные молекулы на некоторое количество времени «прилипают» к нему, теряя при этом свою кинетическую энергию. Их ионизация осуществляется после испарения с острия.

Ионные проекторы широко используются для исследования различных дефектов в кристаллах, в частности повреждений и дислокаций, которые вызваны радиоактивным облучением; атомной структуры чистых металлов и сплавов и связи ее с их механическими свойствами; воздействия методов обработки на свойства материалов. С его помощью изучают свойства тонких пленок, осажденных на поверхности металлов, процессы адсорбции, коррозии и десорбции. Сравнение результатов исследований в ионном проекторе и в электронном проекторе позволяет получить существенную информацию об электронных свойствах металлов, пленочных систем и сплавов, очень важную в современной электронике. Проводятся работы, ставящие перед собой цель изучить с помощью ионных проекторов структуры биологических молекул.

Квантовый усилитель

Квантовый усилитель – устройство, предназначенное для усиления электромагнитных волн с помощью вынужденного излучения возбужденных ионов, молекул или атомов. Эффект усиления в квантовых усилителях связан с переменой энергии внутриатомных электронов, перемещение которых описывается квантовой механикой. Поэтому, в отличие от ламповых усилителей, где применяются потоки свободных электронов, перемещение которых полностью описывается классической механикой, данные усилители получили название квантовых.

Так как помимо вынужденных квантовых переходов возбужденных атомов в состояние с меньшей энергией допустимы их самопроизвольные (спонтанные) переходы, в результате возникновения которых излучаются волны, имеющие случайные поляризацию, фазу и амплитуду, то они прибавляются к усиливаемой волне в качестве шумов. Спонтанное излучение представляется единственным, неустранимым источником шумов квантовых усилителей. Мощность спонтанного излучения в радиодиапазоне весьма невелика и быстро возрастает при переходе к оптическому диапазону. В связи с этим квантовые усилители радиодиапазона отличаются очень низким уровнем собственных шумов. Из-за чрезвычайно низкого уровня шумов возрастает чувствительность квантовых усилителей, т. е. велика способность усиливать весьма слабые сигналы. Квантовые усилители используются в качестве входных ступеней в самых высокочувствительных радиоустройствах в диапазоне длин волн 0,4—50 см. Квантовые усилители радиодиапазона существенно увеличили дальность действия космических линий связи радиотелескопов, планетных радиолокаторов и с межпланетными станциями.

В оптическом диапазоне квантовые усилители широко применяются в качестве усилителей мощности лазерного излучения. Квантовые усилители света имеют много сходств по конструкции и принципу действия с квантовыми генераторами света.

Вынужденный переход атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, сопровождающийся излучением кванта электромагнитной энергии, что приводит к усилению колебаний, которое создается одним атомом, довольно мало. Однако если колебание частоты распространяется в веществе, которое содержит большое число эквивалентно возбужденных атомов, расположенных на уровне с повышенной энергией, то усиление может стать весьма большим. Атомы же, расположенные на нижнем уровне, в результате вынужденного поглощения ослабляют волну. В итоге вещество будет усиливать или ослаблять волну в зависимости от того, какие атомы в ней преобладают, возбужденные или невозбужденные.