اثرات برهم‌کنش پرتو الکترونی و نمونه

برهم­کنش پرتوی الکترونی که انرژی بالایی دارد با نمونه، موجب طیف وسیعی از سیگنال­های ساطع شده از نمونه می­شود. الکترون­های تصادفی با اتم­های نمونه برهم­کنش کرده و پراکندگی­های قابل توجهی را به وجود می‌آورد.در نهایت بیشتر انرژی یک پرتو الکترون به گرم شدن نمونه منجر می­شود. با این حال، قبل از اینکه الکترون­ها به حالت استراحت درآیند، آنها تحت دو نوع پراکندگی قرار می­گیرند: الاستیک و غیرالاستیک.

از برخورد الکترون با نمونه می­توان اطلاعاتی در مورد موارد زیر بدست آورد:

• ترکیب نمونه
• توپوگرافی
• کریستالوگرافی
• پتانسیل الکتریکی
• میدان مغناطیسی موضعی

حال به شرح هر یک از پدیده­هایی که امکان وقوع دارند می‌پردازیم:

در پراکندگی الاستیک ، مسیر الکترون تصادفی فقط کمی تغییر می­کند ، اما انرژی در اثر برهم­کنش با الکترون­های مداری اتم­های نمونه از بین می­رود.

در پراکندگی غیرالاستیک به دلیل تفاوت زیاد بین جرم الکترون و هسته، مسیر الکترون تغییر می­کند ، اما انرژی جنبشی و سرعت آن اساساً ثابت می­ماند. این فرآیند به عنوان الکترون برگشتی شناخته می­شود.

منطقه برهم­کنش نمونه و پرتو به عنوان حجم برهم­کنش شناخته می­شود. اچ کردن منطقه غیرالاستیک می­تواند به طور مستقیم حجم متقابل مواد با عدد اتمی کم را نشان دهد، اما نمی­تواند برای مواد با عدد اتمی متوسط یا زیاد مانند فلزات همین کار را انجام دهد.پرتوی الکترون در اثر نفوذ به نمونه به دلیل برهم­کنش با زمینه، انرژی خود را از دست می­دهد و اگر برای تولید اثر انرژی زیادی لازم باشد، تولید آن از قسمت­های عمیق امکان­پذیر نخواهد بود و این عامل اصلی است که میزان اثر متقابل را کنترل می­کند.به عنوان مثال، اگرچه الکترون­های ثانویه و اوژه در کل حجم برهم­کنش تولید می­شوند، اما انرژی آنها بسیار کم است و فقط می­توانند از یک لایه نازک نزدیک سطح نمونه خارج شوند.

اندازه و شکل اثر متقابل توسط دو عامل محدود می شودکه بدین شرح است:

1-اتلاف انرژی از طریق برهمکنش غیر الاستیک

2-از دست دادن الکترون یا برگشت الکترون از طریق برهم کنش الاستیک

حجم تحریک نهایی یک ناحیه نیم کره­ای تا کوزه شکل است که گردن کوزه در سطح نمونه است.عمق نفوذ الکترون از یک پرتو الکترونی و حجم نمونه­ای که با آن برهم­کنش دارد تابعی از زاویه تصادفی برخورد، مقدار جریان آن، ولتاژ شتاب­دهنده و متوسط عدد اتمی(Z)  نمونه است. نفوذ الکترون به طور کلی از 1-5 میکرومتر با پرتو تصادفی عمود بر نمونه است.

فعل و انفعالات غیر الاستیک اثر متنوعی ایجاد می­کند از جمله:

• الکترونهای ثانویه
• تابش اشعه ایکس مشخصه
• تولید الکترون اوژه

1-الکترون ثانویه:

برهم­کنش غیر الاستیک مسئول تولید الکترون­های ثانویه است که در اثر برخورد غیرالاستیک بین الکترون­های تصادفی و الکترون­های لایه خارجی اتم، الکترون­های ثانویه به وجود  می­آیند. الکترون­های خارجی را می­توان با انرژی کمتر از eV50 از اتم خارج کرد. اگر این الکترون­های ثانویه در نزدیکی سطح تولید شوند و انرژی آن بالاتر از انرژی سطح eV6 باشد، می­توانند وارد خلا شده و به آشکارساز برسند.

الکترون برگشتی:

ناشی از برخورد یک الکترون تصادفی با یک اتم در نمونه است که تقریبا این حادثه طبیعی است. الکترون تصادفی به دلیل برخورد با هسته یا الکترون با انرژی بالاتر برگشت می­یابد.تولید الکترون­های برگشتی مستقیماً با عدد اتمی نمونه متناسب است. این تفاوت نرخ تولید باعث می­شود که عناصر با عدد اتمی بالاتر روشن­تر از عناصر با عدد اتمی کمتر به نظر برسند. از این برهم­کنش برای تفکیک ­قسمت­هایی از نمونه استفاده می­شود که از چند عنصر متفاوت متشکل هستند.

الکترون ثانویه:

در اثر عبور یک الکترون تصادفی از نزدیک یک اتم در نمونه ، که به اندازه کافی نزدیک است تا مقداری از انرژی خود را به الکترون با انرژی کمتر (عموما لایه K) منتقل کند. این امر باعث از دست رفتن اندکی انرژی و تغییر مسیر در الکترون تصادفی و یونیزاسیون الکترون در اتم نمونه می­شود. سپس این الکترون یونیزه با انرژی جنبشی بسیار کمی (eV5) از اتم خارج شده، که الکترون ثانویه نامیده می­شود. هر الکترون تصادفی می­تواند چندین الکترون ثانویه تولید کند.تولید الکترون­های ثانویه بسیار مرتبط به توپوگرافی است. به دلیل انرژی کم، eV5، فقط الکترون ثانویه­هایی که بسیار نزدیک به سطح هستند (<10nm) می­توانند از نمونه خارج شده و بررسی شوند. هرگونه تغییر در توپوگرافی در نمونه که بزرگتر از این عمق نمونه­برداری باشد. جمعی از این الکترون­ها با استفاده از کلکتور به آشکارسازی الکترون ثانویه کمک می­کند. کلکتور یک شبکه یا مش است که پتانسیل 100+ ولت روی آن اعمال می­شود و در جلوی آشکارساز قرار می­گیرد، الکترون­های ثانویه با بار منفی را به سمت خود جذب می­کند که سپس از طریق سوراخ­های شبکه عبور می­کنند و به آشکارساز برای شمارش می­رسند.

الکترون­های اوژه:

الکترون ثانویه، در اثر بی­انرژی شدن اتم نمونه ایجاد می­شود. از آنجا که الکترون لایه پایینتر (معمولاً لایهK) در طی فرآیند الکترون ثانویه از اتم ساطع می­شود، لایه داخلی (انرژی پایین) جای خالی دارد. الکترون با انرژی بالاتر در همان اتم می­تواند به انرژی کمتر سقوط کند و جای خالی را پر کند. این باعث ایجاد انرژی مازاد در اتم می­شود که می­تواند با انتشار یک الکترون خارجی (انرژی پایین) اصلاح شود. به این الکترون آزادشده، الکترون اوژه گفته می­شود.الکترون­های اوژه دارای یک انرژی منحصر به فرد در هر عنصر است که از آن ساطع می­شود. این الکترون­ها بر اساس انرژی جمع آوری و مرتب می­شوند تا اطلاعات ترکیب در مورد نمونه را بدست آورند. از آنجا که الکترون­های اوژه نسبتاً کم انرژی هستند، فقط از عمق کم نمونه بالک خارج می­شوند.

پرتوهای اشعه ایکس:

تولید الکترون ثانویه، در اثر بی­انرژی شدن اتم نمونه ایجاد می­شود. از آنجا که پرتو الکترونی به الکترون پایین­تر (معمولاً لایه K) برخورد می­کند و در طی فرآیند آن الکترون ثانویه از اتم خارج می­شود، پوسته داخلی (انرژی پایین) اکنون جای خالی دارد. یک الکترون با انرژی بالاتر می­تواند در لایه انرژی پایین قرار بگیرد و جای خالی را پر کند. همانطور که الکترون به لایه پایین­تر می­آید انرژی ساطع می­کند، معمولاً اشعه ایکس برای متعادل کردن انرژی کل اتم از آن تابش می­کند.اشعه ایکس که از اتم ساطع می­شود انرژی مشخصی خواهد داشت که منحصر به عنصری است که از آن منشأ گرفته است.  این سیگنال­ها با توجه به انرژی جمع و مرتب­سازی می­شوند و با  مقایسه نقطه به نقطه می­توان ترکیبات نمونه را بررسی کرد.