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Ein Beitrag zur Erklrung der Ungenauigkeit von Sekundrelektronenmessungen.

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Ein Beitrag zur ErkIarung
der Ungenauigkeit von Sekundarelektronenrnessungen
Von 0. Beer
Mit 11 Abbildungen
Inhaltsiibersieht
Eine registrierende Anordnung zur Messung von Sekundarelektronen
eleminiert den Zeitparameter und setzt dadurch die Streuung der MeBwerte
herab. Die in unseren Messungen auf Grund der erhohten MeBgenauigkeit
feststellbaren systematischen Abweichungen werden durch positive Ionen
verursacht, die auf dem Objekt entstehen. Die Temperaturabhangigkeit der
Zahl auftretender Ionen ist experimentell festgestellt ; aus den mitgeteilten
Oberlegungen erscheint eine Druckabhangigkeit wahrscheinlich, die aber
nicht gepruft wurde. Die Messungen ergeben im Bereich von 200' C bis 500' C
einen Temperaturkoeffizienten <1% fur Metalle und keine Geschwindigkeitsabhangigkeit der Sekundarelektronen von der Temperatur. Um aus
direkten Messungen entscheiden xu konnen, ob Qa) von der Primarstrahldichte abhangt, mussen die nur qualitativ nachgewiesenen Ionen quantitativ
berucksichtigt werden.
-.
Einleitung
Ein Vergleich der von verschiedenen Autoren veroffentlichten Q-Werte
fur das gleiche Material ergibt Unterschiede bis zu 25y03).Bekannte und in
friiheren Arbeiten beriicksichtigte Parameter, wie Winkel- und Primarspannungsabhangigkeit, konnen nicht zur Erklarung der Diskrepanz herangezogen werden. Die Oberflachenbeschaffenheit ist in den Veroffentlichungen
nicht hinreichend beschrieben, um entscheiden zu konnen, ob mit ihr eine
Erklarung moglich ist. Theoretische Erwagungen haben zu der Ansicht gefuhrt, daB die SE4) fur Metalle keinen Temperaturkoeffizienten hat5). Durch
l) Auszug aus der Dissertation.
2) Wir sohlieBen uns in folgendem der meistgebrauchten Definition von 6 an, bei
der die reflektierten Elektronen nicht von den eigentlichen Sekundarelektronen unterschieden werden :
Zahl der Sekundiirelektronen+ reflektierte
____ ~- El.
s=
Zahl der Primarelektronen
3) H. Rruining , Die Sekundar-Elektronen-Emissionfester Korper. Springer 1942.
gap. 111 und die hier zitierten Veroffentlichungen.
4) SE = Sekundiirelektronenemission.
0. Hachenberg, Beitrag zum Mechanismus der Sekundiiremission. Ann. Physik
(6) 2, 404 (1948). P. M. Morozov, Der Temperatureffekt der Sekundar-ElektronenEmission. J. Exp. Theor. Phys. USSR. 11,402 (1941);D. E. Wooldridge, Temperature
Effects on the Secondary Electron Emission from Pure Metals. Physic. Rev. 67, 1080
(1940). D. E. Wooldridge, Temperature Effects in Secondary Emission. Physic. Rev.
58, 316 (1940).
202
Annalen der Physik. 6.Folge. Band14. 1954
Measungen ist dies bisher nicht eindeutig bestiitigt worden6). R e i c h e l t
findet mit der Gegenspannungsmethode eine Temperaturabhangigkeit der
Sekundiiremissionsenergie'), K o l l a t h dagegen mit der Methode des longitudinalen Magnetfeldes nicht *). Eine Erkliirung dieses Widerspruches konnte
bisher nicht gegeben werden 9). f i n EinfluR der Primiirstrahldichte auf die
S E ist nach bisherigen Messungen unwahrscheinlich lo).
Die Moglichkeit, daB Ionenstrome auftreten, ist zwar erwahntll), jedoch
ist die GroOenordnung dieser Strome nicht gemessen und sie sind daher bei
den Auswertungen auch nicht beriicksichtigt worden.
Da es zur Kliirung dieser offenen Fragen beitragen wird, wenn man eine
MeBmethode benutzt, die ohne neue Annahmen zu machen, die Zahl der erkannten Parameter einschrankt, versuchten wir mit Hilfe einer Itegistrieranordnung die Dauer einer MeRreihe auf ein Minimum zu reduzieren. Es
gelang, MeDkurven zur Bestimmung des Sekundaremissionsverlaufes sowie
Gegenspannungsaufnahmen in jeweils 3 Sekunden zu registrieren, wahrend
bei den bisher bektlnnt gewordcnen Anordnungen derartige Messungen
Stunden in Anspruch nahmen. Damit sind langsamc Veranderungen des
Objektes unter dem EinfluB der auffallenden Primiirelektronen praktisch
vermieden. Wenn diese zu der ungewohnlich groBen Streuung der 8-Werte
beitragen, miinte allein durch dicse MaBnahme eine verbesserte Genauigkei t
erzielt werden.
Die Registrierapparatur:
MeBprinzip und Voruntersuchungen
Eine von K o l l a t h angegcbene Anordnung zur Demonstration der Sekundarelektronenemission12), bei der der Strom der Sekundiir- und der Primiirelektronen von einem Oszillographen aufgezeichnet wird, wurde fur quantitative Messungen erweitert.
Gemessen wurde die Spannung an einem definierten Widerstand zwischen
Objekt und Erde, woraus sich die Strome J , - ( J , + J R ) ermitteln lieBen, und
die Spannung an eincm bekannten Widerstand zwischen Absaugkafig und
Erde, aus der die Strome J , JR bestimmt wurden. Zur Untersuchung einer
Abhiingigkeit der S E von der Dichte des Primarstrahles war dessen Biindelung
veriinderlich eingerichtet. Durch geeignete Dejustierung der Kathode war
+
6 ) G. Blankcnfeld, Sekundiireloktroncnemissionvon Ni, Mo, MgO und von Glas.
Ann. Physik (6) 9, 48 (1961); K. Hayakawa, Studies on the transformation of metals
by secondary electron emission. Sci. Rep. Tohoku Imp. Cniv. (1) 22, 934 (1933); P.
Tartakowsky u. W. Kudrjawzewa, Sekundiire Elektroncnemhion von Nickel und
Ferromagnetisrnus. Z . Physik 75, 137 (1932); L. R. G. Treloar u. D. H. Landon, Secondam electron emission from nickel. cobalt and iron as function of tempmature. Proc.
physic: SOC.60, 626 (1938).
') W. Reichelt. f'ber den Tcm~ratureinfluBauf die Srkundiirelektronenemission
der ifetalle. Ann. Physik (6) 38, 293 (1940).
n\ R. Kollath, Zur Energievertrilung der Sekundiirelektronen. 11. Mekqebnisse
und Diskmion. Ann."l~hysik(6) 1, 367 (1947).
9 ) A. Becker, Zu k.. K o l l a t h s Bemerkung iiber den TemperatureinfluD auf die
Sekundiirelektronenemission der Yetalle. Ann. Physik (6) 38, 23 (1941).
lo) Advances in Electronics Vol. T, New York 1948, S. 77. Secondary Emission 1 . 8 Effect of Primary Current on SE Yield.
11) J. G. Trump u. R. J. v. d. Graaf, The Insulation of High Voltages in Vacuum.
J. Appl. Phys. 18, 327 (1947).
I*) R. Kollath, Einige Versuche zur Sekundarelektronenemission. ZTP 19, 602 (1936).
0 .Beer: Ein Beitrag zur Erklarung der Ungenauigkeitv o n ~ e ~ ~ r e l e ~ r o n e n m e s s u 203
ngen
erreicht, daS der Primiirelektronenstrahl auf dem Objekt hin und her wanderte, so daI3 eine zufallige Oberflachenteilstruktur ausgeglichen wurde.
Das Objekt konnte auf verschiedene Temperaturen gebracht werden. Um
magnetische Storfelder des Heizstromes auszuschlieBen, wurde bei abgeschalteter Heizung registriert. I m Gegensatz zu den bisher ublichen Anordnungen wurde sowohl der Kiifig- als auch der Objektstrom gemessen. Die
bekannten Kriterien, nach denen die Verschmutzung des Objektes einen
EinfluB auf die SE hats), sind beriicksichtigt und mit einem Sekundarelektronenabtaster 13) gepriift. Es ergab sich, daB noch nicht sichtbare Verschmutzungsschichten keinen mel3baren EinfluB auf die SE haben. Es zeigte
sich ferner, daS Verschmutzungsschichten, die auf dem Objekt bei Zimmertemperatur nach einer Elektronenbestrahlung von wenigen Minuten bei
,,schlechtem Vakuum" in der Apparatur auftraten und die wohl von Restdampfen herriihren, auch nach stundenlanger Elektronenbestrahlung nicht
sichtbar wurden, wenn das Objekt eine Temperatur von etwa 200°C oder
hoher hatte.
MeBrShre
Der Aufbau der MeSrohre ist in Abb. 1 wiedergegeben. I und I1 ist die
Kathodenanordnung, I11 eine elektrische Linse, I V eine Blende und V ein
Blendenrohr, beide waren verschiebbar angeordnet. VI ist der Auffangkiifig
50
100
150
200
Messrohre
Abb. 1. Die MeBrohre
mit Grundplatte, V I I ein PreSglasteller fur die elektrischen Durchfuhrungen,
VIII ein Objekttriiger aus Cu, TX die Warmeisolation fur das Objekt, sie besteht aus Glimmer, und X die Siiule, auf der das Objekt mit TemperaturmeBund Heizeinrichtungen montiert war. X I ist eine weitere Warmeisolation aus
Glimmer. Die magnetisehe Lime diente zur Kontrolle, ob eine meBbare
1 8 ) M. Knoll u. R. Theile, Elektronenabtaster zur Strukturabbildung von Oberfliichen und diinnen Schichten. Z. Physik 113, 260 (1939).
204
Annalen der Physik. 6. Folge. Band 14. 1954
Anderung der Sekundaremission bei verschiedener Fokussierung des Primarstrahles und seiner damit verbundenen Winkelanderung auftrat.
Die Mefirohre wurde rnit einer dreistufigen &diffusionspumpe auf 2 .
Tom aus-
gepumpt. Es konnte wahlweise rnit oder ohne Kiihlfalle gearbeitet werden. Der Druck
m d e mit einem Philips-Manometer gemessen. Dies wurde mit 2 kV Wechselspannung
betrieben, so daB, da in der MeBrohre ein mit abnehmendem Druck zunehmender Gleichrichtereffekt auftrat, rnit einem durch einen Kondensator iiberbriickten Instrument
sowohl Vor- als auch Hochvakuum bestimmt werden konnte. Der durch die Zweiwertigkeit der Anzeige unbestimmte Mefibereich konnte eindeutig unter Beriicksichtigung der
Form der Glimmentladung festgelegt werden.
MeSanordnung
Das Schema der MeBanordnung zeigt Abb. 2. Das Objekt konnte uber
einen Regeltransformator mit Hilfe einer Molybdandrahtspirale bis 600" C
erwarmt werden. Die Temperaturanderung wahrend der Abschaltzeit der
Mess an ordnung
kE
-
Verstbrker
Otjekt
Oszifloqmph
Abb. 2. Das Prinzipschaltbild der MeBanordnung
Heizung wurde registriert und festgestellt, daB bei einer Objekttemperatur
von 400°C ihr Wert in den fur die Registrierung benotigten 3 Sekunden um
etwa 1 ° C sank. Fur niedrige Temperaturen war diese Anderung kleiner als
die MeRgenauigkeit der Anordnung. Der Ableitwiderstand, an dem gemessen
wurde, befindet sich zwischen Objekt und Erde.
0.Beer: Ein Beitrag znr Erkliirung der Ungenauigkeit 8012 Sekudarelektronenmessungen 205
Mit einem Potentiometer konnte die Einstellung der Spannung am Kafig
uber Anodenbatterien kontinuierlich von -100 V bis +lo0 V geregelt werden.
Zwischen dieser gut isoliert angebrachten Spannungsquelle und Erde liegt
der Ableitwiderstand, an dem der durch den Kafigstrom hervorgerufene
Spannungsabfall gemessen ist.
Eine Bolometerbrucke dient zur Messung der Objekttemperatur. In einen
Kupferklotz mit dem aufgeschraubten Objektmaterial war isoliert eine diinne
Wolframwendel eingelassen, deren Widerstandsanderung in einer Bruckenschaltung gemessen wurde. Die Anordnung war vorher in einem Thermostaten in QC geeicht worden.
Die Dimensionierung des Verstarkers ergab sich aus der GroBe der Ableitwiderstande, an denen die Spannungen < O , l V sein muaten, um eine
Verschiebung der Elektrodenpotentiale zu verhindern, und der fur die Auslenkung einer Osaillographenrohre notwendigen Spannung. Mit einer Doppelpenthode grol3er Steilheit lie13 sich eine so groBe Verstarkung erzielen, daB
noch ein Regelbereich aur Verfugung stand. Die Rohre ist als Gleichstromverstarker geschaltet. Um einen aufiilligen Fehler auszuschalten, wurden
beide Spannungen mit derselben Rohre verstarkt und mit demselben Osaillographensystem aufgeaeichnet. Hierau war ein elektrischer Polwechsler eingebaut. Die zulassigen Schaltkapazitaten der Anordnung ergabelr sich daraus,
da13 wahrend des Umschaltvorganges die Nullinie auf dem Osaillographen
einwandfrei registriert werden muBte. Die Polwechselzahl war etwa 6OOlsec.
An den Verstarkereingang konnte statt der MeDspannungen eine stufenweise
umschaltbare Eichspannung gelegt werden. Diese Spannungen steuerten
die Y-Platten des Osaillographen.
Das Eichgerat war so eingerichtet, daB an die X-Platten des Oszillographen entweder die durch einen Spannungsteiler reduzierte Beschleunigungsspannung des Primarstrahles oder die Kafigspannung angeschlossen
werden konnte. AuBerdem konnte die Abszisse mit einer stufenweise veriinderlichen Spannung geeicht werden.
Der Osaillograph war so aufgebaut, daB vor den Bildschirm eine Spiegelreflexkamera zur Registrierung lichtdicht angebracht werden konnte. Sein
W e h n e l t -Zylinder erhielt eine zusataliche negative Vorspannung, die mit
einer Kontakteinrichtung abgeschaltet werden konnte. Der im Ruhezustand
,,unsichtbare" Strahl ist wahrend des MeBvorganges und fur die Registrierung
von Eichpunkten beider Koordinaten ,,hell" getastet.
Die elektrische Linse, mit der die Bestrahlungsflache der Primarelektronen
auf dem Objekt etwa in dem Verhaltnis 1:100 eingestellb wurde, hatte eine
regelbare Vorspannung. Sie war mit Hilfe eines Potentiometers, das zwischen
Beschleunigungsspannungserzeuger und Erde lag, fur jede MeBreihe fest eingestellt. Die Fokussierungswirkung war mittels eines Leuchtschirmes statt
des Objektes geeicht worden.
MeSergebnisse
S=f(U,):
+
Bei fest eingestellter Kafigspannung V ,
30 V ist der am Objekt gemessene Strom J , = J , - (J, JB) und der Kafigstrom Ja = J , JR. Die
Registrierkurven beider Strome wurden unter einem VergoBerungsapparat
+
+
206
Annalen der Physik. 6.Folge. Band 14. 1954
vermessen und 6 = __ = J a -tJo
+
~
JA
JR
berechnet. Die
Primarspannungs-
J,
iinderung erfolgte durch eine Kondensatoren tladung. Daher war die MeBzeit fur alle Aufnahmen dieselbe.
Die Objektmaterialien sind vor Beginn der Messungen mechanisch gereinigt und mehrere Stunden bei etwa 600" C ausgeheizt. Jede MeBreihe ist
auf ihre Reproduzierbarkeit gepriift. 6 = / ( U p ) wurde fur die Materialien
Ag, Ni, Cu, Mo, Fe, Au, A1 und C bei verschiedenen Temperaturen fur das
einzelne Material bestimmt.
Diese Messungen zeigen, daB zwei Parameter die Ungenauigkeit der 8Messungen hervorgerufen haben konnen :
1. Aus Messungen an Au-Flachen, die nach jeder 6 = f (U,) -Aufnahme
mechanisch gereinigt sind, ergibt sich noch bei U , = 700 V ein Fehler von
mindestens 10%. Die Messungen sind bei gleicher Temperatur ausgefuhrt.
Es ist also ganz offensichtlich, daa die unterschiedliche mechanische Vorbehandlung an den groBen, oben besprochenen Differenzen der 6-Werte
wesentlich schuld ist. Da diese die Streuwerte einer langdauernden Messung
nicht hinreichend erklaren, vermuteten wir, da13 ein weiterer Parameter auftritt, der die Ergebnisse beeinfluat.
2. Dieser zeigt sich bei Messungen mit verschiedener Primiirstrahldichte,
fur die die 8-Werte bei allen Materialien verschiedene GroBen annehmen.
-
vp Volt
Abb. 3. Sekundilremissionsen von Silber bei 60" C. (Ausgezogengrode, gestrichelt
kleine, Dichte des Primiirstrahles)
Ihre Reproduzierbarkeit ist durch wechselnde Reihenfolge der Linseneinstellung
gepruft. Ein Beispiel dieser Messungen zeigt Abb. 3, wo die ausgezogenen
6-Kurven die Reproduzierbarkeit der 6-Werte demonstrieren und die gestrichelte Kurve eine 8-Restimmung bei kleinerer Primiirstrahldichte ist. Da
0.Beer: Ein Beitrag zur ErWmng der Ungenauigkeitvm flekuncEiirelektronenmessungen207
aus den bisherigen Messungen nicht geschlossen werden kann, ob dieser neue
Parameter eine Anderung der Zahl der Sekundarelektonen bei verschiederier
Primarstrahldichte ist, oder ob der bisherige Ansatz zur Bestimmung von 6
einer Erganzung bedarf, kann er erst nach der Darstellung weiterer MeBergebnisse diskutiert werden .
Beispiele fur die Temperaturabhangigkeit 6 = g ( T ) sind in Abb. 4 und 5
dargeetellt. Diese Messungen erfolgten so, daB fur fest eingestellte Primarund Kafigpotentiale die beiden MeBspannungen die Y-Auslenkung und eine
Abb. 4. Die Funktion 6 = g ( T ) yon Silber bei einer Primilrspannung 1kV
-
zao
300
4UU
"C
Abb. 5. Die Funktion 6 = g(T)yon Graphit bei einer Primiirspannung 1,5 kV
den verschiedenen, bolometrisch gemessenen Temperaturen zugeordnete
Hilfsspannung die X-Auslenkung des Oszillographen steuerte. Bei Graphit
ist auch in dem Bereich von 200" C bis 500" C ein Temperatureffekt zu erkennen. Bei Ag hingegen - wie auch bei anderen Metallen - andert sich 8,
nach den bisherigen Ansichten unerwartet, erst bei niedrigen Temperaturen.
Auch dieses Ergebnis lest die Vermutung nahe, daB ein bisher nicht beriicksichtigter Parameter bei der Bestimmung von 6 aufgetreten ist.
208
Annalen der Physik. 6. Folge. Band 14. 1954
Gegenspannungsmessungen
Die Aufnahme der Gegenspannungskurven war so eingerichtet, da13 eine
Kurve J , und die andere Ja als Funktion der auf der Abszisse dargestellten
Kafigspannung bei konstant
gehaltener Primarspannung
J
wiedergibt. Abb. 6 zeigt ein
Beispie! einer Gegenspannungsaufnahme, die wie
oben beschrieben gewonnen
wurde.
Bei den derart aufgenommenen Kurven ergibt
sich gegenuber friiheren Messungen der Vorteil, daI3 uberpriift werden kann, ob alle
Strome richtig erfal3t sind.
Diese Kontrolle erfolgt so,
dal3 untersucht wird, ob bei
verschiedenen
Kafigspanund U,, die
nungen U,,
Abb. 6. Gegenspannungsaufnahme. (Kafig- und
J A ihren Wert
Summe J ,
Objektstrom)
andert.
-
+
+
GrA1:J ~ l JA1 = [ J p
ua,: J,,
+
- (J,
+ JR)] + (J,+ Ja)
+
+ +
JK)]
( J , Ja).
Es miil3te fur eine einwandfreie Messung, in der nur die angegebenen Strome
JAZ =
[ J , -- ( J ,
enthalten sind,
J ~f
l JAI = JoZ
+ JAZ
sein.
Alle gemessenen Kurven, auf die das besehriebene Kontrollverfahren angewandt wurde, haben eine Differenz gleichen Vorzeichens. Dies Ergebnis weist
eindeutig auf eine gesetzmaI3ige Erscheinung hin, die an sich unabhangig von
den eigentlichen 8-Messungen zu werten ist. Ob die im vorhergehenden besprochenen 2 Parameter mit dem endlichen Wert unserer Bilanz zusammenhangen, wird im nachsten Abschnitt behandelt. Zuvor aber seien die unabhangig von dieser Frage gesicherten Ergebnisse hinsichtlich ihrer erhohten
Genauigkeit aufgefiihrt .
Abb. 7. Der Fehler der S-Werte fiir Messung und Auswertung
F e h l e r : Die Fehler der Messung und der Auswertung ergeben zusammengefal3t eine Schwankung des d-Wertes, die eine Funktion der Primarspannung
ist (Abb. 7). Von 750 V bis zu hoheren Spannungen gibt der in der Abbildung
benutzte Punktdurchmesser, wie er auch in der Darstellung der MeBergebnisse
angewandt ist, etwa den groRten Fehler der Einzelmessung an.
Fur die Bestimmung des Primiirstromes aus den Gegenspannungskurven
ist der MeS- und Auswertungsfehler etwa 6%.
Die Winkeliinderung, die, bei einer Messung der Dichteabhangigkeit von 6,
der Primiirstrahl durch Verstellen der elektrischen Linse beim Auftreffen auf
das Objekt erhalten konnte, wurde berechnet und festgestellt, daS der hierdurch auftretende Fehler, unter Berucksichtigung der bekannten Winkelabhiingigkeit der SE pom PrimLrstrahl14), urn eine GroSenordnung kleiner
seein muBte als der Me& und Auswertungsfehler. Mit der magnetischen Linse,
die verstellbar angeordnet war, wurden einige Kontrollmessungen ausgefuhrt,
die dies Ergebnis bestiitigten.
Die Anwendung des beschriebenen Registrierverfahrens, bei dem die
MeSreihen in kurzer Zeit ablaufen, ergibt im Vergleich mit fruheren Messungen l 6 ) kIeinere Streuwerte fur 6.
Positive Ionen beeinflussen die Ergebnisse
Diskussion von 8-Kurven
8-Bestimmungen, die bei verschiedener Fokussierung des Primarstrahles
ausgefiihrt sind, ergeben scheinbar unterschiedliche Werte der Sekundliremission. Bei allen oben genannten reinen Metallen ist (wie in Abb. 8 fur
Silber) der Wert 6 fur groSe Dichte, die durch 0 oder den Index k bezeichnet
ist, grol3er als der fur einen gestreuten Primiirstrahl, der o oder g genannt ist.
-
vp Volt
Abb. 8. Mittelwerte von d-Hurven bei verschiedener Primiirstrahldichte. (Die Z i f f m
an den Answertungspunkten geben die Zahl der MeBwerte an, am denen das arithmetische Mittel gebildet ist. Die Messungen
und o wurden in wechselnder Reihenfolge ausgefiihrt)
14) H. Bruining , Die Sekundiir-Elektronen-Emission fester Korper. SpringerVerlag, Berlin. 1942. $ 6 s. 68.
16) S. s) unde); H. Salow, Sekundarelektronenemission von Metallmischungen.
Ann. Physik (6)6, 417 (1960).
14
Ann. Physik. 6. Folge, R d . 14
210
Annalen der Phyeik. 6.Folge. Band 14. 1954
Da die Primarstromwerte nur sehr klein (GroBenordnung 0,5
A) und
die Messungen reproduzierbar waren, kann es sich nicht um eine Anderung
der Objektstruktur handeln. Die Moglichkeit einer Raumladungsbeeinflussung scheidet ebenfalls aus, da, wie Gegenspannungsaufnahmen zeigen,
im Sattigungsgebiet des auf den Auffangkafig flieBenden Stromes gemessen ist.
Die Differenz 6, - 6, zeigt jedoch, wie in Abb. 9 dargestellt ist, einen
Temperatureffekt. Dieser trat auch bei Kupfer auf. Dies deutet auf einen
Oberfliicheneffekt hin, der offensichtlich bisher nicht beachtet wurde. D. h.
-
vp Volt
Abb. 9. Der Temperatureffekt der Differenz Sk - 6,
bei der Deutung der 6 = g ( T ) Messungen mu13 die zusiitzliche Temperaturabhiingigkeit 6, - 6, = y(T)beriicksichtigt werden.
Dieser Effekt, der wegen seiner Abhangigkeit von den Eigenschaften des
Objektes diesem zugeordnet werden mu& laBt sich erkliiren, wenn wir annehmen, daR bei den Messungen auBer J,, J, und J R auch noch positive Ionen
J+i aufgetreten sind und daher der Faktor 6, statt wie friiher angegeben,
a m 6 = J a' +- R J
berechnet wurde.
J,
J+.i - J+i
Treten positive Ionen aus der aus dem ,,Vakuum" nachgelieferten Gasschicht des Objektes auf, so mu13 ihre Zahl von der Dichte des Primarstrahles
p d der Temperatur des Objektes abhiingen. AuBerdem.kann, da bei positiver
Kiifigspannung gemessen war
J+i- J+i $; 0 sein, mnn nur ein Teil der
+
+
0.Beer: Ein Beitrag zur Erkkirung a h Ungenauiggkeitv m Sekudiirelektronnmeasu~en2 11
Ionen den Kafig erreichte und der Rest auf einen von der Messung nicht erfaBtcn Teil der Anordnung gelangte. DieHe Annahme konnte durch die Vermutung an Wert verlieren, daB es sich, da kurzzeitig gemessen wurde, um ein
,,Aufbrauchen" einer Gasschicht auf dem Objekt handelt und daB ein Einstelleffekt zur Erklarung geniigt. Es wurde daher gepriift, ob nach langer
Elektronenbestrahlung mit grol3er und kleiner Diohte und unmittelbar folgender Messung eine Differenz 6, - 6, vorhanden war. Dies war der Fall.
Diskussion der Gegenspannungskurven:
An Hand von 85 Gegenspannungskurven wurde gepriift, ob die Summe
J, + J, bei positiver und negativer Kiifigspannung konstant war. Es zeigt
sich, dnB die Differenz ( J , JA)Kafig+30V - (J, J,)giifig-lOV
immer
einen posit,iven Wert ergibt.
Eine Diskussion dieaer Ilifferenz unter Beriicksichtigung
aller in Abb. 10 wiedergegebenen moglichen Strome
fiihrt zu dem SchluB, daB
wegen des Vorzeichens nur positive Ionen hierfur verantwortlich gemacht werden konnen.
1)iese Hind a m Objekt aufgetreten und wurden bei der
Messung auf dem Kafig nicht
erfaBt.
Macht man die naheliegende
Annahme, daB ihre Energie
etwa 1 eV ist, d a m folgt aus
der im elektrolytischen Trog
iiberpruften Feldverteilung im
Meflsgstem, daB sie teilweise
aus dern Kafig hinausfokussiert
wurden.
Abb. 10. Striime, die bei der Auswertung der
Die MeBwerte von Gegen- Gegenspennungskurvcn berucksichtigt wurden
spannungskurven fiirdas gleiche
Material unter gleichen Bedingungen auBer der Objekttemperatur sind in
Tabelle 1 aufgetragen. In den beiden rechten Spalten wird durch Quotientenbildung die Ahnlichkeit der Kafig- und Objektstrome als Funktion der Kafigspannung fur die Temperaturcn 420" C und 120' C untersucht. Das Ergebnis ist
eine schwacho Anderung des Wertes fur die Kafigstrome, sie liegt im Bereich
iinserer MeBungenauigkeit, und eine weRentlich groBere Abhangigkeit der
Objektstrome von der Temperatur. Daraus folgt, daB die Geschwindigkeitsverteilung der Sekundarelektronen gleich geblieben sein mu13 und daB der zu
analysierende systematische EinfluB in einem Vorgang am Objekt zu suchen
ist. Da beiden MeBwerten dieselbe Grnauigkeit zukommt, k m n eine Deutung
nur noch mit dem Ansatz J s J R - J+tfur die Kafig- und J, + J+, - J , - J R
fur die Objektstrome erfolgen. Dies entspricht der friiher gestellten Porderung,
nach der die Differenz 6, - 6, durch positive Ionen erklart werden soUte und
+
+
+
14*
Kiifig
a,'
1,
4 0
-30
-20
-10
0
10
20
30
+
+
+
I
Objekt
16OOC 1 42OOC
1
1
2
2
6
6
12,6
12,6
62
60
62
64,6
63,6
66
64
66,6
6 160" C = 1,16
160°C I 420°C
160
39,6
46
'
1
39
44,6
1
38
42,6
1
31,6
34,6
1
0
0
0,96
876
496
0,88
8,5
4,6
0,87
8,6
4,6
0,87
6 42OOC = 1,09
I
1
Objekt
420
~160
1,14
1,14
1,12
1,10
1
0,63
0,63
0,63
I
1
1
~
!
zeigt, daR die Anzahl der auf dem Kafig gemessenen Ionen klein gegenuber
der auf dem Objekt erzeugten Ionen ist.
Dieselbe Untersuchung von Gegenspannungskurven verschiedener Primiirstrahldichte fuhrt, wie die Tabellen 2, 3 und 4 zeigen, zu dem gleichen
Ergebnis
.
Tabelle
Silber 160" C
Kiifig
Ugiiiig (Volt)
_
=lkV
c
Objekt
Summe Summe
k
g
-
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
60
6
18,6
74
80
81
81
60
81
60
60
81
SI,= 1,28
+
+
++
+
3'
6,6
7
,
I
7,6
7,6
7,5
k
60
0,58
0,69
64,6
66
0,69
0,61
63,6
64
0,61
63,6
0,62
63,6
0,62
63,6
0,62
6, = 1,18
36,6
38,s
41
42
42,5
42,6
42,5
42,5
8
16,5
17
17,6
17,6
17,6
Tabelle 3
Molvbdiin 160' C
U , = 600 V
Kiifig
'KpfIg
-60
-40
-30
-20
-10
0
10
T 20
30
40
60
-
+
+
+
1
2,6
3
6
6,6
14
42
23'6 6
7,6
18
66
46
62
47,6
64
48
64,6
48
64,6
48
i 64,6
ak = 1,29
Objekt
1
:;,6
32
31,6
26
0,6
4,6
4,6
4,6
4,6
4,6
1"
~
Summe Summe
g
40,6
37
38
39
31
6
13,6
14,6
14,6
14,6
14,6
1
Kiifig
e:
u
k
43
42,6
42
g
-
k
g
32
3,6
11
44
48,6
49,6
-Kafig Objekt
i
k
47
l
r
1
R
k
0,68
0,69
0.69
0,69
0,37
0,39
0,41
0,43
0,43
0,43
Objekt
g
-
k
0,72
0,74
0,76
0,78
0,81
0,83
0,33
0,31
0,31
0,31
0.31
6, = 1 , l O
0. Beer: Ein Beitrag zur Erkliirung der Ungenuuigkeitvon #ekun&relektrmenrnessungen 213
Tabelle 4
Aluminium 330" C
U, = 1kV
-
Objekt
Summe
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
+
+
++40
g
-
g
30,6
7,5
10,5
16
28,5
43
45,5
46,6
9,5
11
16
28,5
54,5
68
68,5
22,5
20
13,5
2,5
10,5
12,5
13,5
31
28
22
9
15,5
20
20,5
30,6
30
30,6
29,5
31
32,5
33
32
32
32
k
40,6
39
38
37,6
39
38
0,79
0,96
1
1
0,79
0,78
0,73
0,74
0.73
0,71
0,61
0,28
0,68
0,63
0,66
0,66
0,66
FolgerunL-n &us der Diskussion fur unser~und ~ n d e r eMessungen
1. Die Gegenspannungskurven zeigen, daB sich unter Berucksichtigung
des Auftretens von positiven Ionen die Energieverteilung der Sekundarelektronen im Bereich unserer MeBgenauigkeit weder mit geanderter Dichte
noch Temperatur verschiebt.
2. Der Verlauf der Kurven,
bei denen der Temperatureffekt
der Sekundaremisaion fur Metalle
aufgenommen wurde, zeigt einen
mit zunehmender Heizung abnehmenden
Temperatureffekt
(Beispiel Abb. 4). Ein Vergleich
mit den Messungen der Abb. 9
legt den SchluB nahe: Der Temperatureffekt fur niedrige Temperaturen ist durch das Auf0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -f4 Volt
treten positiver Ionen vorgeVergleich der beiden MeBmethoden
tauscht. Es tritt aber sicher bei
Metallen im Bereich von 200° C
bis 500" C kein Temperatureffekt
auf. Dies Ergebnis ist mit hoherer
MeBgenauigkeit als bisher dasselbe wie es neuere Messungen 6) 1)
uber denTemperatureffekt zeigen.
3. Messungen der Sekundarelektronenenergie als Funktion
der Temperatur von Reichelt') 0.2zoox\:\
ergaben einen Effekt, der von
- Gegenspannung
K o 11a t h mi t Messungenim longitudinalen Magnetfeld nicht festHohere Gegenspannungen
gestellt wurde8). Wenn wir
unsere Betrachtungen uber das
Abb. 11. Meliwerte von Reichelt')
-:ax--
214
Anmlen der Physik. 6. Folge. Band 14. 1954
Auftreten von positiven Ionen auf diem Messung anwenden, so stellen wir
fest, daR R e i c h e l t (Abb. 11,entnommen aus der Veroffentlichung) auf seinem
Auffangkafig J,- J+i 20°C und J,- J+$ 1500' C gemessen hat. Nach
unseren Aussagen ist fur 20" C J+i > J+# fur 1500' C. Daher ergibt die
Messung von R e i c h e l t bei 20" C einen kleineren Wert als die fur 1500' C.
Erne Betrachtung der Geometrie der Reicheltschen Anordnung7) (Abb. 2)
zeigt, daR fur Po negativ, positive Ionen aus dem Kilfig I1 fokussiert und von
dem MeBkafig mit hoherem negativem Potential als Po aufgenommen werden
konnen .
4. Die bisherigen Messungen und die Erkliirung des neuen Parameters,
der durch das Auslosen von positiven Gasionen, die aus dem ,,Vakuum" als
Molekiile wieder nachgeliefert werden, gegeben ist, legt die Vermutung nahe,
daB das Auftreten der Ionen vom Druck und von der Gasart abhangig ist.
Dies konnte aus den bisherigen Messungen nicht entnommen werden, da der
Druck in der Apparatur immer etwa 2 10-6 Torr war. Sollte sich die Annahme der Einstellung eines Gleichgewichtszustandes zwischen aus dem ,,Vakuum" gelieferten Molekulen und ihrer Ablosung durch Elektronen in Form
von Ionen bestlitigen, so ware hiermit eine Erklarung fur das Funktionieren
des Ionisationsmanometers, bei dem wegen der mittleren freien Wegliinge nicht
soviel Ionen auftreten wie gemessen werden la), gefunden. Ebenfalls waren
bessere Angaben als bisher iiber den ,,Vakuuinfaktor" von Elektronenrohren
moglich. Messungen hieriiber und zur Bestimmung von 6 bei quantitativer
Berucksichtigung der Ionen sind in Vorbereitung.
.
Herrn Prof. R o l l w a g e n mBchte ich auch an dieser Stelle fur anregende
Diskussionen und seine Unterstutzung herzlich danken.
l6)
Jaeckel, Kleinste Drucke, ihre Messung und Erzeugung. Springer 1960, S. 63.
Miinchen, Institut fur Elektromedizin und Elektronentechnik
Universitat Munchen.
Bei der Redaktion eingegangen am 21. September 1963.
der
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