MOVES für Ionen- und Elektroneninduzierte Elektronenemission

Dieses Projekt betrifft Forschung auf dem Gebiet der ionen- und elektroneninduzierten Elektronenemission auf der Basis einer existierenden Apparatur (MOVES, MOmemtum Vector Electron Spectrometer). Es sollen Änderungen an den gepulsten Teilchenquellen zur Verbesserung der Energieauflösung dieses Gerätes vorgenommen werden, welche es erlauben werden, einzigartige Daten höchster Qualität über Elektronenemission von Festkörpern zu gewinnen. Eine Messung mit diesem Spektrometer liefert nicht nur die Energie- und Winkelverteilung der emittierten Elektronen sowie die dazugehörende Statistik der Elektronenemission, sie enthält auch automatisch jegliche Korrelation zwischen unterschiedlichen Teilen des Energie- und Winkelspektrums. Solche Daten werden benötigt, um das Verständnis von Sekundärelektronenemission sowie ioneninduzierter kinetischer bzw. potentieller Emission zu vertiefen. Beides betrifft Phänomene von großer Bedeutung sowohl für die Grundlagenforschung als auch für technologische Anwendungen. Die Forschungsziele umfassen folgende Themen: (1) Entwicklung einer Transferoptik zur Erzeugung von kurzen Ionenpulsen im Pikosekundenbereich; (2) Messung der Anregung und des Zerfalls von Oberflächen- und Volumsplasmonen in NFE (Nearly-Free-Electron) Materialien; (3) Messung der Anregung und des Zerfalls von Oberflächen- und Volumsanregungen in nicht-NFE Materialien; (4) Untersuchungen zur korrelierten Elektronenemission in einer Reflexionsgeometrie; (5) Untersuchungen der ioneninduzierten, kinetischen Elektronenemission im Bereich des klassischen Schwellenwertes für kinetische Emission und insbesondere darunter; (6) Elektronenemission von Festkörperoberflächen induziert durch Ga- Ionenbeschuss.

Die Emission langsamer Elektronen aus Festkörperoberflächen und allgemein, die Wechselwirkung langsamer Elektronen mit Festkörpern ist von großer Bedeutung in vielen technologischen Anwendungen wie z.B. Plasma Bildschirme, Teilchenbeschleuniger und Speicherringe (z.B. der Large Hadron Collider am CERN), usw. Die Elektron-Festkörper Wechselwirkung spielt auch im medizinischen Bereich eine wichtige Rolle da das Brechen von Bindungen in DNA-Strängen infolge einer Strahlenexposition auch zu einem wesentlichen Teil durch langsame Elektronen hervorgerufen wird.Die Untersuchung langsamer Elektronen in Festkörpern stellt experimentell eine große Herausforderung dar. Obwohl die Anregung eines Festkörpers durch Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie genau untersucht werden kann, verwischt die Formation einer sogenannten Sekundärelektronenkaskade jegliche Merkmale der individuellen Wechselwirkungen. Deshalb ist die Elektronenemission, mehr als 100 Jahren nach ihrer Entdeckung immer noch ein bestenfalls qualitativ verstandenes Phänomen.Im Projekt P20891-N20 wurde eine effiziente Methodologie zur experimentellen Untersuchung der Emission von langsamen Elektronen aus Festkörpern weiterentwickelt. In diesem Verfahren, welches mit der Abkürzung SE2ELCS (Secondary Electron-Electron Energy Loss Coincidence Spectroscopy) bezeichnet wird. Die gemessenen Koinzidenzen beziehen sich einerseits auf Primärelektronen welche von einer Oberfläche Rückgestreut werden nachdem sie einen Energieverlust erlitten haben und andrerseits auf Sekundärelektronen an die der Primär-Energieverlust übertragen wird. Diese Vorgangsweise erlaubt es, die Korrelation zwischen Energieverlusten energetischer Teilchen (z.B. Elektronen) und langsame Elektronen welche infolge dessen produziert werden zu untersuchen.Die Ergebnisse zeigen tatsächlich eine Fülle an Struktur welche in nicht-koinzidenten Sekundärelektronenspektren fehlt. Außerdem konnte ein neuartiger Mechanismus der Sekundärelektronenemission, die sogenannte "Super-Surface Electron Emission" beobachtet werden, bei dem ein Elektron im Vakuum in der Nähe der Oberfläche die Emission eines Elektrons aus der unmittelbaren Oberfläche des Festkörpers induziert. Diese Beobachtung ergibt sich aus dem Vergleich zwischen den doppelt differenziellen Koinzidenzspektren und theoretischen Berechnungen welche für diesen Zweck entwickelt wurden.Die theoretischen Ergebnisse zeigen auch zwei weitere Einzelheiten der Elektron-Festkörper Wechselwirkung auf: (1) eine Asymmetrie der Verlustwahrscheinlichkeit bezüglich der Richtung der Oberflächendurchquerung; und (2) die Möglichkeit eines direkten experimentellen Nachweises von Verlusten im Vakuum in einer Reflexionsgeometrie. Beide Effekte wurden experimentell bestätigt.