SEY

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Sekundär-Elektronen Emission

Wenn Elektronen eine Oberfäche bombardieren, können dadurch andere Elektronen aus der Oberfläche emittiert werden. Die bombardierenden Elektronen heißen Primär-Elektronen und die emittierten heißen Sekundär-Elektronen. Wenn ein Primär-Elektron einen Festkörper trifft, überträgt es Energie auf die Elektronen im Festkörper. Mit der gewonnenen Energie können die Festkörper-Elektronen unter gewissen Umständen Emittiert werden; je nachdem wie hoch der gewonnene Energiebetrag ist, wie dicht sie an der Oberfläche sind und welche Bewegungsrichtung sie haben. Die Anzahl der emittierten Sekundär-Elektronen hängt von dem Sekundär-Elektronen-Emissions-Koeffizienten SEY (engl.: secondary electron yield), der Einschlagsenergie und dem Einschlagswinkel ab.

Bis zu einer Primär-Elektronen-Energie von ca. 100 eV steigt der SEY vieler Materialien ungefähr proportional mit der Elektronen-Energie. Zu höheren Energien hin nimmt die Steigung der Kurve SEY=f(E) ab und wird schließlich sogar negativ, da die Primär-Elektronen tiefer in die Oberfläche des Materials eindringen können, aber mit steigender Eindringtiefe immer weniger Sekundär-Elekronen genügend Energie von den Primär-Elektronen übertragen bekommen, um das Materal zu verlassen.

Die SEY-Werte für einige vielfach verwendete Materialien sind in der nachstehenden Grafik dargestellt.

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Aquadag ist eine Kurzbezeichnung für Aqua deflocculated acheson graphite. Es handelt sich dabei um eine wässrige Suspension von kolloidalem Graphit in gelartigen Flüssigkeiten zur Herstellung elektrisch leitender, temperaturunempfindlicher Beläge mit geringer Neigung zur Sekundärelektronenemission.


Die in Hochleistungs-HF-Systemen vielfach als HF-Fenster oder HV-Isolator verwendete Aluminiumoxid-Keramik Al2O3 hat einen sehr hohen SEY, verglichen mit den Metallen aus der obigen Grafik. Es werden daher auch vielfach störende vakuumelektronischen Effekte im Bereich von Fenstern und Isolatoren beobachtet. In vielen Fällen können diese durch eine Beschichtung der Keramikoberfläche mit Titannitrid (TiN) unterdrückt werden. Die nachstehende Grafik zeigt den deutlichen Effekt; über einen weiten Primär-Elektronen Energiebereich wird der SEY um einen Faktor >5 reduziert.

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Wie gezeigt, kann der SEY einer Oberfläche durch eine dünne TiN-Schicht günstig beeinflusst werden. Ebenso dünne Schichten anderer Stoffe könnten genau den gegenteiligen Effekt haben. Wenn Oberflächen von Vakuumkomponenten der Umgebungsluft ausgesetzt waren, bleibt nach der Evakuierung immer eine dünne Wasserschicht auf den Oberflächen zurück, die den SEY erhöht. In den beiden nachstehenden Diagrammen ist der SEY einer sauberen Kupferprobe, im Vergleich zu Proben mit verschiedenen Anzahlen von Wassermolekül-Lagen, dargestellt.

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Einen weiteren Einfluss auf den SEY hat die Textur einer Oberfläche. Eine raue, im mikroskopischem Maßstab zerklüftete Oberfläche, kann ihn wesentlich reduzieren. Ein SEY deutlich über eins kann so auf unter eins gedrückt werden. Der Effeklt beruht auf dem Umstand, dass ein einschlagendes Primär-Elektron im Mittel zwar mehr als ein Sekundär-Elektron erzeugt, die meisten Sekundärelektronen sich aber im Labyrinth der zerklüfteten Oberfläche totlaufen und letztlich im Mittel weniger als ein Sekundärelektron die Oberfläche wieder verlässt. Der SEY ist mehr von der Oberflächenbeschaffenheit, als vom Material selbst abhängig.


Außer von Primär-Elektronen-Energie, Oberflächenreinheit und Textur, ist der SEY auch vom Einschlagwinkel des Primär-Elektrons abhängig. Die nachstehende Grafik zeigt den SEY einer mit TiN beschichteten Edelstahlprobe bei senkrechtem Elektroneneinfall und unter einem Winkel von 60°. Es ist zunächst überraschend, dass bei nicht senkrechtem Einschlag der SEY höher als bei senkrechtem Einschlag ist. Die Erklärung ist einfach. Bei senkrechtem Einschlag dringt das Primär-Elektron so tief in die Oberfläche ein, dass nur wenige Elektronen soviel Energie bekommen, um den Weg aus der Tiefe bis an die Oberfläche zu schaffen und dann noch genügend Energie übrig haben um die Oberfläche zu verlassen. Bei streifendem Einschlag ist die Eindringtiefe geringer und entsprechend mehr Elektronen bekommen genügend Energie zum Verlassen der Oberfläche.


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Quelle: "THE SECONDARY ELECTRON YIELD OF TECHNICAL MATERIALS AND ITS VARIATION WITH SURFACE TREATMENTS“ N.Hilleret, EPAC 2000, Vienna, Austria